基于UWB的車庫交互系統(tǒng)研究

馮九發(fā) 黎宇恒 黃建泉 黃市生 劉子文

摘要：為實現(xiàn)車庫的高交互性能和準確定位，針對現(xiàn)有車庫交互性能差、找車難、停車難且取車麻煩的問題，設計了基于UWB（超寬帶）和多傳感器數(shù)據(jù)融合的車庫交互系統(tǒng)。實驗證明，UWB定位系統(tǒng)自動生成的參考倒車路線與人工倒車路線基本吻合時能成功把車倒進空車位里，基于自適應濾波算法的UWB定位系統(tǒng)方案可行且定位準確。

關鍵詞：UWB;定位;車庫;倒車

0? ? 引言

隨著科技智能化進步，汽車保有量迅速攀升，高交互性的車庫系統(tǒng)逐漸融入人們的生活中，使停車、取車更加方便快捷。而現(xiàn)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(tǒng)根據(jù)刷卡結(jié)果僅能反映車位數(shù)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，車庫內(nèi)的停車環(huán)境有別于露天，車庫內(nèi)倒車沒有較好的參考，很多車主需要多次挪動才能把車倒進車位內(nèi)，耗時耗精力。此外，現(xiàn)有的車庫均需要車主自主記憶車輛所停位置，時常發(fā)生車主忘記給停車標示碼拍照而不能快速找到自家車的位置的問題。

1? ? 方案設計

針對上述問題，本文將探究UWB（超寬帶）定位[1]和多傳感器結(jié)合再加上自適應濾波算法[2]在車庫交互系統(tǒng)中的實際應用效果。該車庫交互系統(tǒng)包括UWB基站和貼有UWB定位標簽的車輛入場卡，車輛入場卡設有液晶屏幕，用戶將車輛入場卡放在車內(nèi)用于導航，UWB基站設置在車庫的停車區(qū)內(nèi)。該車庫交互系統(tǒng)還包括：停車區(qū)內(nèi)的每個停車位上均設有壓力傳感器，用于確認有車停進;車庫的入口處設置開關閘和車牌識別儀[3]。UWB基站、車輛入場卡、壓力傳感器、車牌識別儀均與終端連接，車主的手機上帶有服務端的APP，終端與服務端網(wǎng)絡連接。

UWB是通過發(fā)送和接收納秒或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)[4]，因此具有GHz量級的帶寬。采用TDOA和AOA定位算法[5]對標簽位置進行分析具有分辨能力強、精度高的優(yōu)勢，但依然存在一些定位誤差。為了盡可能減少定位誤差，本文采用自適應濾波算法（LMS）對UWB返回的數(shù)據(jù)進行處理，消除包含在基本信號中的未知干擾，其方法是把基本信號用作自適應濾波器的期望響應，傳感器獲取的數(shù)據(jù)用作濾波器的輸入，期望信號為含有噪聲的信號源，經(jīng)過多次迭代，期望信號和自適應濾波器的輸出信號之差就是信號源的估計。經(jīng)過自適應濾波，位置誤差極大地減小，從而把TDOA和AOA定位算法的誤差降到最低。LMS在處理定位數(shù)據(jù)與顯示坐標的上位機軟件運行。

2? ? 實驗設計

如上文所述，該車庫交互系統(tǒng)主要依賴于UWB定位的高精準性，下文將重點驗證在UWB定位的可行性，驗證的指標是基于UWB定位系統(tǒng)自動生成的參考倒車路線與人工倒車路線基本吻合時能否成功把車倒進空車位里。當壓力傳感器響應時，證明車輛已經(jīng)停入車位，基于車輛入場時被車牌識別儀獲取的車牌號，用戶的APP會顯示自家車的停車信息，方便后續(xù)取車，達到一個良好的交互性能。

如圖1所示，設置3個基站與一輛車來驗證本文的方案，圖示左下角為UWB基站0，右下角為UWB基站1，右上角為UWB基站2，UWB標簽設置在車內(nèi)，如此構成實驗系統(tǒng)。3個基站的位置以及UWB標簽的定位通過上位機軟件顯示，UWB的型號為DWM1000定位模塊，參數(shù)如表1所示。三個基站擺成直角陣勢，形成X與Y軸，如此可以定位小車的移動坐標。

3? ? 實驗數(shù)據(jù)與分析

利用上文的3基站+移動標簽做實驗，首先在這3個基站的平面坐標系中做好車位五個點的劃定，即車位的四個角的坐標加上車位中心的坐標[實驗中車位的中心坐標為（1.3，0.7）]，定好這五個點即可讓系統(tǒng)生成倒車的參考路線，用戶可借鑒車輛入場卡顯示的參考路線進行倒車，UWB定位系統(tǒng)也會實時檢測用戶倒車時的移動坐標，如果人工路線與參考路線發(fā)生較大的偏差，車輛入場卡的蜂鳴器將會提醒。

在嚴格保障人工路線與參考路線不發(fā)生較大偏差的情況下，得到表2的數(shù)據(jù)，左側(cè)為系統(tǒng)生成的倒車路線的特征點坐標，右側(cè)為人工倒車時被系統(tǒng)記錄的坐標，對表2數(shù)據(jù)進行橫向?qū)Ρ龋芍`差最大不超過0.096 m;對表2數(shù)據(jù)進行縱向?qū)Ρ?，可知人工路線基本吻合于參考路線，人工倒車形成的路線如圖2所示。

由此可見，基于本文的UWB定位系統(tǒng)，人工倒車嚴格借鑒系統(tǒng)設定的參考路線能很好地完成停車。此外，人工路線與參考路線基本吻合所取得的成功停車的效果也證明了本文的UWB車庫交互系統(tǒng)方案可行，并且定位精確性較高。

4? ? 結(jié)語

本文主要基于UWB、自適應濾波算法和多傳感器融合設計了一種UWB定位車庫交互系統(tǒng)，用于定位空余車位的位置，獲取車輛的最后停放位置來確定停車信息，幫助導向停車路線和倒車路線以及取車路線。經(jīng)過實驗得知，UWB定位系統(tǒng)自動生成的參考倒車路線與人工倒車路線基本吻合時能成功把車倒進空車位里，因此，基于自適應濾波算法的UWB定位系統(tǒng)方案可行且定位準確。本研究可以為車庫交互系統(tǒng)的設計和應用提供有效的借鑒。

[參考文獻]

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收稿日期：2020-01-08

作者簡介：馮九發(fā)（1998—），男，廣東東莞人，研究方向：信息交互及機電工程。