基于UWB的地下車庫智慧導航系統設計

王晨源 楊惠茹

摘 要：為解決目前國內地下車庫導航信號差、停車難、找車難的問題，實現車庫管理的智能化和高效化，設計了基于UWB的高精度室內智能導航系統。本系統利用UWB高精度室內定位技術，收集精度極高且準確的定位數據，提供預約車位服務，并智能導航指引用戶驅車前往空車位，同時給車主提供一條最佳取車路線，方便車主反向尋車。

關鍵詞：UWB;智能導航;智慧車庫;TOF算法

中圖分類號：N945.23 ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）2-0006-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.02.001

Design of Intelligent Navigation System for Underground Garage Based on UWB

WANG Chenyuan ? ?YANG Huiru

（Henan University，Kaifeng 475001，China）

Abstract： In order to solve the problems of poor navigation signal， difficult parking， and difficult car finding in domestic underground garages， and realize the intelligent and efficient garage management， a high-precision indoor intelligent navigation system based on uwb is designed. This system uses UWB （Ultra-Wideband） high-precision indoor positioning technology to collect extremely accurate and accurate positioning data， provide reserved parking spaces， and intelligent navigation guides users to drive to empty parking spaces， while providing car owners with an optimal pick-up route. It is convenient for car owners to find the car in reverse.

Keywords： UWB;intelligent navigation;smart garage;TOF algorithm

1 需求分析

目前室內環境日益復雜，單一的定位系統已經不能滿足人們對定位準確的需求。由于GPS信號在室內環境中衰減得很嚴重，甚至有時候會出現搜索不到信號的情況，導致室內定位不能直接采用室外定位的方法。常見的室內定位技術有藍牙定位技術、WIFI定位技術和超聲波定位技術，這三種技術存在不同程度的缺點，這些定位技術的比較如表1所示[1-2]。如何結合以上定位技術的優點，做到定位精確、功耗低和信號強，對室內導航技術的發展有深遠意義[3]。隨著科技的快速發展，家庭私有車輛數目不斷增加，高交互性的車庫系統逐漸融入人們的生活中，使停車、取車更加方便快捷。而現有的車庫車位識別裝置大多采用IC卡的方式對車位進行管理，車主通過刷卡的方式進行車位使用，后臺系統根據刷卡結果僅能反映車位數量的使用情況，卻無法指示具體的空余車位位置，管理不便。再者，現有的車庫均需要車主自主尋找空余車位、記憶車輛所停位置，時常發生車主忘記給停車標示碼拍照而不能快速找到自家車所在位置的問題[4]。

2 概要設計

基于超寬帶通信技術（UWB）高精度地下車庫導航系統是一套完整的智能導航系統。本系統根據UWB技術，獲取標簽相對精確的位置信息，并能實時把定位到的坐標值通過無線數傳模塊傳送到計算機上，然后在上位機軟件中對標簽進行實時定位和軌跡繪制，通過觀察PC端就能準確知道標簽在什么位置。該系統包括UWB基站和貼有UWB定位標簽的車輛入場卡，用戶進入停車場后通過用戶端APP可以查看車輛相關信息，如入場時間、當前位置、空余車位數量及位置，用戶可在APP中選擇空閑車位并在導航指引下前往，UWB基站設置在車庫的停車區內。通過智能路徑規劃算法，系統不僅可以為用戶提供可選擇的空余車位導航，還能在用戶端APP實時顯示車輛所在位置，便于用戶停車后查看車輛位置。

3 詳細設計

3.1 UWB室內精確定位

在定位技術方面，本系統選用的是UWB高精度室內定位技術。UWB是一種以低功率在短距離內高速傳輸數據的無線技術，原本專屬于美國軍方，2002年2月美國聯邦通信委員會（FCC）才正式批準民用，UWB自可民用以來便備受關注，因其具有一系列優良的技術特性，成為極具競爭力的短距高速無線傳輸技術，在眾多領域發揮出巨大作用。

3.1.1 UWB通信技術的優點。第一，UWB的精確度極高。UWB是一種無線載波通信技術，它不采用常見的正弦載波，而是利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據，利用在短時間內產生脈沖序列，使得脈沖開始和結束的時間更容易被測量，通過使用兩個無線電設備通信所花費的時間來計算出兩個設備之間的距離，所以它比WIFI和藍牙定位技術通過信號強度來估算距離更加精確。

第二，UWB的發射功率低，更容易做低功耗的設備。因為UWB不采用載波形式，僅在發射窄脈沖的時候產生一定的能量，因此節省了在連續發射載波時的大量能耗，使得UWB的帶寬高，但是功耗并不增加。

按照FCC的規定，UWB的帶寬頻率為3.1～10.6 GHz，因此在日常使用UWB時要根據規定合理合法使用。

UWB定位方法因其高帶寬、高傳輸速率、穿透性好、高安全性、低功耗以及高定位精度等優勢，已成為室內定位中最有前景的技術之一。UWB通常采用以下兩種定位算法。一種是TOF（Time of Flight）定位算法，TOF測距不依賴基站與標簽的時間同步，因此不存在因時鐘同步偏差而帶來的誤差，但TOF的誤差來源于時鐘精度，時鐘偏移的誤差會影響到最后的精度[5]。另一種是TDOA（Time Difference of Arrival）定位算法，通過測量從UWB標簽到兩個UWB基站之間傳播時間的差值，得到UWB標簽到兩個UWB基站之間的固定距離差，以此來確定標簽的位置。

3.1.2 TOF定位算法的基本原理。本系統采用TOF定位算法（見圖1），在硬件間時鐘不同步的前提下，采用單邊雙向測距，可以分別測量出標簽與3個基站的距離，以此確定標簽的位置。

移動狀態的標簽首先向基站發送請求測距的數據包，基站收到數據包后開始處理信息，一段時間后將信息傳回移動的基站。規定發送端（移動標簽）從發出信號到接收回應的時間間隔記為TTOT，接收端（基站）收到測距請求和發出回應的時間間隔記為TTAT，因此可推導出信號在空中的單向時間TTOF為：

TTOF=（TTOT-TTAT）/2 ? （1）

根據TOF算法可以較精確地計算出標簽和1個基站之間的距離，要確定標簽的具體位置至少需要知道其和3個基站的距離，依據三邊定位算法（見圖2），以基站為圓心，以標簽與基站之間的距離為半徑作圓，3個圓相交的地點即標簽的位置。

在本系統中，用戶進入車庫時會收到車輛入場卡，該卡內置UWB定位標簽，根據停車場布置的基站可定位車輛所在位置。根據智能導航引導車主驅車前往推薦的空余車位，也可自行尋找車位停車。自車輛進入地下停車場起到車主駕車離開，用戶可根據手機上的服務端APP看到車輛所在位置，便于取車時尋找車輛。

3.2 路徑規劃

3.2.1 車位推薦。帶有標簽的車輛進入車庫后，后臺系統會根據剩余車位所在位置與車輛當前定位做比對，智能規劃出最優車位的位置并指引用戶驅車前往。進入車位后，車內的標簽會定位該車輛位置，在管理員服務端的上位機中會顯示此處已有車輛停放，后來車輛將無法選擇停在此處。在車輛入場時被車牌識別儀獲取的車牌號，用戶手機上的APP會顯示自家車輛的停車信息，方便后續找車取車，達到車庫與用戶的良好交互。

3.2.2 預訂服務。用戶可以選擇系統推薦的最優車位，也可自由選擇空閑車位。如若選擇自助停車，用戶在還未到達停車場時便可在系統上提前預定本車位，系統會顯示本車位已預定，為用戶預留20 min的車位，提供最便捷的停車方式。若超過20 min用戶還未到達停車場，系統將自動收回，并顯示此處為空余車位，如圖3所示。

3.2.3 智能導航。根據數據結構相關知識，Dijkstra（迪杰斯特拉）算法是典型的單源最短路徑算法，將各節點的相鄰距離組成二維矩陣，可以計算出節點間的最短距離以及看出各節點是否存在通路。

本智能導航系統使用廣度優先遍歷（BFS）算法，定義startpoint為路徑遍歷點，endpoint為路徑遍歷端點，在進行路徑智能導航時，運用廣度優先遍歷算法找出關鍵路徑[6]。根據地下停車場車位的位置畫出基本圖，每個車位都是一個節點，從圖的一個未遍歷的節點出發，先遍歷這個節點的相鄰節點（假設為A0），再依次遍歷每個相鄰節點（A0）的相鄰節點（假設為A1），即可找到關鍵路徑，其上的各節點都是關鍵點，將關鍵路徑顯示在地圖上，實現路徑導航功能。

3.3 人機交互設置

本系統采用 Arduino IDE V1.8.6 制作上位機軟件，用Android等語言設計系統APP，用戶通過下載APP并注冊登錄綁定車輛信息，聯網成功后即可在APP中看到人機交互的相關信息，進行預定車位、查找空車位、停車導航等。

4 創新突出

現有地下停車場主要有以下4種：遙控停車場、立體停車庫、機械式停車場、IC卡停車場。本系統（基于UWB的高精度智庫系統）相較現有地下停車場系統而言，有著更豐富且智能的創新點。

4.1 市面已有停車場存在的問題

4.1.1 智能化不高。我國現有地下停車場智能化不高。現有停車場系統沒有智能導航這一功能用來引領用戶前往空余車位，用戶需要進入停車場后自行尋找空余車位，費時費力。在進入不熟悉的停車場后，用戶可能無法輕松找到自己的車和離開的路線。

4.1.2 多為人工管理，成本高。隨著城市車輛的保有量逐年增加，停車場規模也日益大型化，加之其服務的車輛繁雜，人工管理的效率和可靠性已難以滿足其在管理上提出的要求，從長遠來看，人工管理成本高，管理商需要花費大量人力、物力定時巡視和管理停車場。

4.1.3 地下定位精度低。目前市面上并未出現室內定位導航系統，已存在的較為成熟的導航系統，如百度地圖、高德地圖等，并不適用于室內定位和導航，尤其是對存在遮蓋的地下車庫而言，已有的系統會出現信號差、定位精度低等問題，不能滿足用戶的需求。

4.2 創新點

4.2.1 智能管理。將先進的人工智能技術引入車庫，實現車庫管理的無人化、智能化。基于云計算大數據，幫助交通數據運轉起來，大數據實現了數據共享，讓以前閑置的數據運作起來，為智慧停車提供數據的支持。

4.2.2 系統新穎。針對上述情況，在不熟悉且地形復雜的地下車庫，人們對導航尋找空閑車位的需求日益強烈，同時針對停車后找不到車這種情況，車主可以通過室內定位進行查詢，屏幕上會顯示出車主目前的位置以及該車停放的位置，并提供一條最佳的取車路線，引導車主快速取車。

4.2.3 減少人工停車誘導，實現反向尋車。面對地形復雜的地下車庫，用戶也無須在停車場員工的指引下找到空余車位，憑借APP中的指引即可輕松解決這個問題，降低了停車場員工的需求量，在很大程度上節省了管理商的人工成本和管理成本。

4.2.4 采用UWB高精度定位技術。目前主流的室內定位技術存在不同程度缺點，如藍牙定位精度較低且抗干擾性較弱，傳輸距離較近;WIFI定位精度極低、穿透性的安全性較差;紅外線定位技術的傳輸距離較近、穿透性差。UWB定位技術最突出的特點是其具有高精度室內定位能力，在地下車庫信號差的情況下，可以高精度地定位到標簽的位置，滿足用戶室內定位的需求。

5 結語

本系統有著巨大的市場應用前景，通過多次試驗收集數據，分析其結果發現符合預期要求，能夠有效解決地下車庫導航信號差、車主停車難、取車難的問題，減少車庫管理人員的雇傭，降低車庫管理成本，提高管理效率，從而實現智慧車庫的設計。

參考文獻：

[1] 丁亞男，張旭，徐露.基于UWB的室內定位技術綜述[J].智能計算機與應用，2019（5）：91-94.

[2] 謝恩德，洪毅.室內定位方法綜述[J].電腦知識與技術，2021（11）：231-234，244.

[3] 臧利國，唐一鳴，沈業輝，等.基于UWB的智能召車導航定位系統研究[J].重慶理工大學學報（自然科學），2021（7）：45-52.

[4] 馮九發，黎宇恒，黃建泉，等.基于UWB的車庫交互系統研究[J].機電信息，2020（6）：25-26.

[5] 郝晴晴.基于UWB的超高精度室內定位系統[J].無線互聯科技，2021（16）：120-122.

[6] 謝宏蘭.室內停車場車輛定位及導航系統的設計[J].電腦知識與技術，2020（12）：219-220，224.