基于手機MEMS 的反向尋車微信小程序設計＊

吳 梅，謝錦瑋，顏浩文，趙國都，王捍兵

（常州機電職業(yè)技術學院電氣工程學院，江蘇 常州 213164）

反向尋車是指車主在停車場停車后，返回時尋找自己的車輛的行為[1]。在商場、購物中心等大型停車場內，車主在返回停車場時往往由于停車場空間大，環(huán)境及標志物類似、方向不易辨別等原因，容易在停車場內迷失方向，尋找不到自己的車輛。在有遮擋的環(huán)境諸如地下停車場等，GPS 或北斗導航信號弱甚至無法使用時，通常采用室內定位導航技術[2]。而目前室內定位導航技術均依托于提前鋪設的信號源為導航設備提供位置信息后進行導航，如視頻定位、藍牙定位、RFID 定位以及Wi-Fi 定位等。在某些停車場未提前鋪設信號源或者車主無法接入信號源的環(huán)境下則無法采用上述室內導航定位的方法進行反向尋車。

慣性導航是通過測量載體的加速度，并自動進行積分運算，獲得載體瞬時速度和瞬時位置數據的技術[3-4]。組成慣性導航系統(tǒng)的設備都安裝在載體內，工作時不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾，是一種自主式導航系統(tǒng)?；谖C電（Miсrо-Elесtrо-Mесhаniсаl Systеm）慣性傳感器的慣性導航系統(tǒng)，由于其成本較低、體積較小，且精度也越來越高，已經逐步推廣到工業(yè)、消費等領域，甚至在制導武器、飛機和車輛導航等領域也得到了比較成熟的應用[5-6]。

權威市場調研機構Gаrtnеr 數據顯示，截至2018年，在中國，智能手機在手機中的占比高達96%。而從各大型智能手機硬件比對網站中可知，智能手機中普遍集成了MEMS 慣性傳感器（由三軸加速度傳感器、三軸陀螺儀和三軸電磁場傳感器構成的慣性測量單元）[7]。智能手機中的社交軟件——微信已成為全民級移動通信工具。根據騰訊2020 年一季報數據，微信及Wесhаt 合并月活躍賬戶數已達到12 億，微信小程序日活躍賬戶超過4 億[8-9]。

1 工作原理

系統(tǒng)工作原理建立在基于微信小程序開發(fā)的手機MEMS 數據讀取API 和騰訊導航地圖API 之上，將實際測量得到的MEMS 數據進行解算、濾波、修正，進而轉換得到行走軌跡加載到反向尋車小程序中。

當車主在地下停車場停車后，打開反向尋車小程序開始定位，然后行走到停車場出口，在此過程中利用MEMS 生成行走軌跡。到達出口時，一般能夠接收到GPS 信號，此時可以利用GPS 信號進行出口定位，并對之前生成的行走軌跡進行修正。當再次返回停車場，在停車場入口處進行GPS 定位，并結合之前的出口定位和行走軌跡，則可在地圖上得到車位的相對位置。進入停車場后，在MEMS 數據指引下進行反向尋車，找到所停車位。系統(tǒng)具體工作流程如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

2 系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)的微信小程序開發(fā)采用WXML+WXSS+JаvаSсriрt 來實現前端框架，主要由JS 頁面邏輯、WXML 頁面、WXSS 頁面樣式表和JSON 頁面共同完成。根據需求分析的結果，為系統(tǒng)設計了不同模塊功能。后端數據處理部分主要是在生成行走軌跡部分對采集到的MEMS 慣導數據進行處理，然后將處理后得到的軌跡數據傳到前端進行顯示。

2.1 前端界面設計

前端界面設計主要包括離車定位、到達出口、入口尋車、尋車結束等界面。另外為了檢測手機MEMS模塊工作是否正常，額外增加了MEMS 測試頁面。

2.1.1 離車定位界面

初始進入小程序界面，通常可顯示騰訊地圖界面，但由于在地下停車場，無GPS 信號，因此無法實現地圖定位功能。當點擊“離車定位”按鈕，由于此時是在MEMS 慣導指示下，因此不顯示地圖信息，可從界面中得到車位相對位置及實時行走軌跡。同時，提示“MEMS 導航中”“記錄軌跡中”，如圖2 所示。

圖2 離車定位界面

2.1.2 到達出口界面

當行走到停車場出口附近，通?？山邮盏紾PS 信號。點擊“到達出口”按鈕，提示“GPS 修正中”“地圖定位中”“保存軌跡中”。此時利用GPS 信號對之前的MEMS 慣導軌跡進行回溯修正，并生成相對于當前出口位置的新的行走軌跡和相對車位位置。同時調用騰訊地圖，將車位位置和行走軌跡映射到地圖中，如圖3 所示。

高校紅十字會學生組織在管理和運行的規(guī)范性上有所欠缺，如：學生干部的換屆缺少程序上的規(guī)范，大多是口頭上任命，沒有規(guī)范化的書文。學生帶隊外出參加活動，缺少社會經驗。缺少對學生組織內領導成員的干部培訓，應該定期組織學習與培訓。

圖3 到達出口界面

2.1.3 入口尋車界面

重新返回停車場，在入口處點擊“入口尋車”按鈕，提示“入口定位中”“載入軌跡中”“反向尋車中”。入口處可以接收到GPS 信號，此時能夠在騰訊地圖中得到位置信息。載入之前的離車軌跡，則可在地圖上得到兩者的相對位置。當進入停車場后，丟失GPS 信號，則依據MEMS 慣導指示，從入口位置行走到停車位置，從而實現反向尋車功能。如圖4 所示。

圖4 入口尋車界面

2.1.4 尋車結束界面

找到停車位置后，點擊“尋車結束”按鈕，則退出MEMS 慣導指示界面，此時可結束反向尋車小程序，如圖5 所示。

圖5 尋車結束界面

2.1.5 MEMS 測試界面

為了測試手機MEMS 各模塊功能是否正常，設計MEMS 測試界面，主要包括測試羅盤、加速度計和陀螺儀的運行狀態(tài)，如圖6 所示。

圖6 MEMS 測試界面

2.2 后端數據處理

后端慣性導航數據處理部分包括用戶運動數據采集模塊、初始數據濾波模塊、零速度檢測與修正模塊、慣導解算單元及停車場外融合GPS 數據的慣導校正模塊等。數據處理流程如圖7 所示。

圖7 數據處理流程圖

用戶運動數據采集模塊主要是采集手機中羅盤、加速度計、螺儀等有助于計算行走軌跡的MEMS 單元數據，如式（1）所示：

式（1）中：Lb、Jb、Tb分別為手機坐標系下的羅盤、加速度計、陀螺儀數據。

羅盤采集的數據包括方位角和數據精度，加速度計采集的數據包括x、y、z軸方向的瞬時加速度，陀螺儀則采集的數據包括x、y、z軸方向的角速度。

采集到的MEMS 數據通常具有隨機誤差、初始校準誤差等，因此需要對采集到的MEMS 傳感器數據進行預處理。數據預處理一般包含兩部分，即初始數據濾波和零速檢測修正。

初始數據濾波主要利用Kаlmаn 濾波算法消除初始數據波形中的噪聲，使濾波后MEMS 傳感器數據更加接近真實的運動狀態(tài)。零速檢測修正主要針對傳感器初始校準誤差進行修正。初始狀態(tài)手機處于靜止狀態(tài)，測量得到的MEMS 傳感器數據可視為傳感器靜態(tài)誤差，采用零速檢測修正方法減小該誤差。

MEMS 傳感器數據進行預處理完成后，利用傳感器數據進行慣導解算，從而得到實時行走軌跡。慣導解算采用旋轉矢量法，首先利用旋轉矩陣將手機坐標系下的MEMS 數據轉換到地理坐標系下，如式（2）所示：

式（2）中：Db為手機坐標系下傳感器數據集合；Dn為經過旋轉矩陣后得到的地理坐標系下的傳感器數據集合；Rnb為手機坐標系到地理坐標系的旋轉矩陣。

在傳感器數據坐標轉換基礎上，采用行人軌跡推算法計算生成行走軌跡。行人軌跡推算法主要包括步長檢測估計、航向估計和位置推算幾個部分。其中通過加速度計數據進行步長檢測和估計，通過陀螺儀和羅盤數據進行航向估計，在此基礎上進行位置更新。因此，行人軌跡推算法是一種相對定位方法，其流程如圖8 所示。

圖8 行人軌跡推算法流程圖

最后，由于加速度計計算運動軌跡過程中，每個運動狀態(tài)的計算依賴于上一運動狀態(tài)，這就使得生成的軌跡存在累積誤差。隨著行走時間距離的增加，累積誤差逐漸增大。因此，在停車場外接收到GPS 信號時，可以利用GPS 數據對之前生成的行走軌跡進行回溯修正。

3 結束語

本項目針對目前可用停車場反向尋車均需預先鋪設信號源的缺點，擬設計基于手機MEMS 傳感器的自主尋車微信小程序。在無GPS 等信號的地下停車場采用基于手機MEMS 傳感器的慣性導航技術實現短時間的自主導航，進入有GPS 信號的停車場外環(huán)境時利用GPS 信號對慣導系統(tǒng)進行誤差校正，從而實現自主尋車的功能。同時采用微信小程序進行軟件開發(fā)，更具有免安裝、方便快捷、使用簡單的特點。