基于UWB技術(shù)的地下停車場車輛定位系統(tǒng)解決方案

趙俊巖，劉俊，2，岳慧慧

（1.商洛學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，陜西商洛，726000；2.人工智能研究中心，陜西商洛，726000）

關(guān)鍵字：超寬帶（UWB）；停車場；定位；解決方案

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，追求生活品質(zhì)的提高成了人民的關(guān)注重點(diǎn)，其中汽車的購置成為提升生活質(zhì)量的必備資產(chǎn)之一。截止2020年底，全國汽車的保有量達(dá)到2.81億輛，汽車駕駛?cè)诉_(dá)4.18億人。隨之而來的“停車難”“行車難”成為道路交通亟待解決的問題，其中城市中地下或地上立體停車庫的建設(shè)是重要的問題解決方案之一。目前已經(jīng)使用的眾多停車場管理系統(tǒng)主要關(guān)注計(jì)時(shí)、收費(fèi)的自動(dòng)化，而忽視停車場內(nèi)車輛定位、位置信息的人機(jī)交互等智能化。

為了提高停車場的智能化、信息化水平，多位學(xué)者從車庫定位角度做了一定的研究。王錟[1]提出了基于無線局域網(wǎng)（WLAN）的地下停車場定位導(dǎo)航系統(tǒng)，并在技術(shù)和算法上做了較深研究，在車輛定位精度和建設(shè)成本上有較大優(yōu)勢。蔡章林等[2]、孫麗娟等[3]利用RFID的定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)停車場的車輛定位，該方法實(shí)時(shí)性較差，定位精度較低。丁智晶等[4]、鄭立玲等[5]采用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)車位的定位和車位信息傳輸，能夠解決較好的定位精度問題，但該技術(shù)的定位精度易受環(huán)境、算法、信號源密度影響。謝強(qiáng)寶[6]為了提高停車和尋車的便捷性，采用超聲波技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛定位，由于超聲波在空氣中的衰減較大，所以該技術(shù)主要應(yīng)該用在小型停車場。

針對以上問題，本文將具有高精度定位和較強(qiáng)穿透能力的UWB技術(shù)應(yīng)用到地下停車場的車輛定位，并結(jié)合車位感應(yīng)系統(tǒng)、手機(jī)客戶端和服務(wù)端技術(shù)、ArcGis平臺(tái)等實(shí)現(xiàn)車位預(yù)定、車場內(nèi)車位導(dǎo)航等功能。

1 UWB定位原理

超寬帶（UWB）技術(shù)是采用極窄的脈沖信號實(shí)現(xiàn)無載波無線通信，在較封閉的環(huán)境下可以實(shí)現(xiàn)定位和信息高效傳輸，具有抗干擾能力強(qiáng)，功耗低、進(jìn)度高等特點(diǎn)[7]。本系統(tǒng)采用基于TDOA（到達(dá)時(shí)間差）定位算法的UWB定位技術(shù)，TDOA定位不需要目標(biāo)與基站之間時(shí)鐘嚴(yán)格同步，因此有廣泛的應(yīng)用。基于UWB技術(shù)的車輛定位模型如圖1所示，UWB基站安裝在車庫內(nèi)高處適當(dāng)位置，定位標(biāo)簽放置于車輛內(nèi)。

圖1 基于UWB技術(shù)的車輛定位模型

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本系統(tǒng)基于UWB技術(shù)的地下停車場車輛定位系統(tǒng)，主要包括設(shè)備層、傳輸層、服務(wù)層和應(yīng)用層，架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

（1）設(shè)備層主要由車位感應(yīng)器、UWB標(biāo)簽、UWB基站、攝像機(jī)等構(gòu)成。UWB標(biāo)簽不間斷將自身ID編號信息無線傳輸給UWB基站，然后由UWB基站將該信號和對應(yīng)信號的時(shí)間戳通過傳輸層傳輸?shù)椒?wù)層進(jìn)行解算，從而獲得車輛的位置信息。車位感應(yīng)器用于感測車位的狀態(tài)。

（2）傳輸層采用光纖和Wi-Fi通信方式，負(fù)責(zé)設(shè)備層與服務(wù)層之間的數(shù)據(jù)傳輸。

（3）服務(wù)層主要是用于車輛位置解算，向客戶端提供路線導(dǎo)航等資源，保存人機(jī)交互數(shù)據(jù)等功能。

（4）應(yīng)用層包括設(shè)備管理軟件、車庫運(yùn)行狀態(tài)軟件、手機(jī)客戶端、計(jì)費(fèi)系統(tǒng)等。設(shè)備管理軟件是對車庫中相關(guān)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、故障診斷等服務(wù)。車庫運(yùn)行狀態(tài)軟件主要功能包括車輛位置顯示、車位狀態(tài)顯示（已占用、預(yù)訂中、未占用）、信息查詢存儲(chǔ)等。手機(jī)客戶端可提供車位預(yù)定、車位導(dǎo)航、空位查詢、停車費(fèi)支付等功能。

3 系統(tǒng)硬件方案

圖3為基于UWB技術(shù)的地下停車場車輛定位系統(tǒng)的硬件布局圖，主要包含UWB基站、UWB標(biāo)簽、車位感應(yīng)器、后臺(tái)服務(wù)器、車位狀態(tài)顯示屏、客戶端APP、車位鎖和傳輸網(wǎng)絡(luò)。車位感應(yīng)器置于每一個(gè)實(shí)際車位處，可以將感測到的車位編號、車位狀態(tài)等車位信息傳送后臺(tái)服務(wù)器。UWB基站和UWB標(biāo)簽將車輛位置數(shù)據(jù)傳送給后臺(tái)服務(wù)器，用于車輛位置的實(shí)時(shí)定位。后臺(tái)服務(wù)器會(huì)根據(jù)車位信息和解算出的車輛位置信息共享到客戶端APP，還可以利用ArcGis系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析，提供車場內(nèi)最佳車位導(dǎo)航路線，以及根據(jù)客戶操作要求提供相應(yīng)實(shí)時(shí)計(jì)算數(shù)據(jù)。當(dāng)某一車位為“已預(yù)訂”狀態(tài)時(shí)，對應(yīng)車位的車位鎖抬起，只有預(yù)訂車主通過客戶端APP或者車場管理者可以打開。

圖3 硬件布局圖

4 結(jié)語

本文提出基于UWB技術(shù)的地下車庫車輛定位方案，在車庫所有車位區(qū)域內(nèi)至少保證有3個(gè)UWB基站能夠接收UWB標(biāo)簽發(fā)射的信號。后臺(tái)服務(wù)器采用TDOA方法將接收到的基站信號解算出車輛坐標(biāo)信息。再根據(jù)車位感測器獲得的車位狀態(tài)信息和客戶端APP的請求數(shù)據(jù)，綜合給出合理的車場內(nèi)車位導(dǎo)航路線。基于UWB的定位方案能夠有效提高的定位精度和時(shí)效性，為智慧停車場實(shí)現(xiàn)反向?qū)ぼ嚒④囄粓D形展示等功能提供了技術(shù)保障。