CN103956074B - 基于位置服务的停车场自动指引系统及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于位置服务的停车场自动指引系统及实现方法，包括固定在室内停车场屋顶的参考收发器、安装在车主车上的车载收发器和一显示处理装置，参考收发器与车载收发器间采用射频及超声信号进行联系；参考收发器与车载收发器将信号传送至显示处理装置上进行数据处理，解算出车载收发器所在的车的空间三维坐标并据此实现对目标车辆的导航；显示处理装置实时显示停车场空余车位信息并动态下发停车位指引和出口指引信息，并将显示的信息发送至车主的智能手机上。本发明基于超声定位机理，具有定位准确、成本低廉、私密性强、无电磁污染等优点。

Description

基于位置服务的停车场自动指引系统及实现方法

技术领域

本发明涉及一种基于位置服务(LBS)的停车场自动指引系统及实现方法，属于超声探测定位技术领域。

背景技术

随着私家车保有量的增加，停车难的问题逐渐突出，尤其是在北上广等一线城市。应对停车问题，原来的室外平面型停车场已经不能满足要求，现在我们面对的多数是地上或地下分层立体式大型停车库。这种大型停车库一定程度上缓解了停车难问题，但同时对司机提出了挑战：面对大型立体车库，停车时，如何快速找到空闲的停车位，取车时，如何快速找到自己的汽车？

LBS概念的提出为解决上述问题提供了思路。位置服务目前多基于GPS定位，但其民用定位精度有限，在室内更是难以发挥作用。专家学者提出许多室内定位技术解决方案，如A-GPS定位技术、超声波定位技术、蓝牙技术、红外线技术、射频识别技术、超宽带技术、无线局域网络、光跟踪定位技术，以及图像分析、信标定位、计算机视觉定位技术等等。目前已有报道介绍使用射频识别技术、WIFI技术等进行室内车库定位服务，但定位精度和设备复杂度存在问题。

考虑到室内定位的特点，如何提高定位精度是研究的重点，超声波定位技术由于整体定位精度较高，结构简单，成本相对低廉，是实现室内高精度定位的首选方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于位置服务的室内停车场自动指引系统及其实现方法。采用超声波方式实现室内停车场中车辆的精确定位导航、停车或出口指引。参考收发器是空间位置已知的固定节点，根据停车场的空间结构进行合理布放；车载收发器安装在目标汽车上的合适位置，易于被停车场的参考收发器识别并定位；显示处理装置实时显示停车场空余车位，实时显示进出车辆运动轨迹并动态下发停车位指引和出口指引信息；同时，还可通过手机端应用程序为车主提供寻车等服务。

为了达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种基于位置服务的停车场自动指引系统，其特征是，包括固定在室内停车场屋顶的参考收发器、安装在车主车上的车载收发器和一显示处理装置，

参考收发器与车载收发器间采用射频及超声信号进行联系；

参考收发器与车载收发器将信号传送至显示处理装置上进行数据处理，运算定位，解算出车载收发器所在的车的空间三维坐标并据此实现对目标车辆的导航；

显示处理装置实时显示停车场空余车位信息，实时显示进出车辆运动轨迹并动态下发停车位指引和出口指引信息，并通过手机端应用程序实时将显示的信息发送至车主的智能手机上。

显示处理装置包括控制器、处理器、显示器、射频通信模块，控制器控制处理器、显示器和射频通信模块进行工作。

参考收发器包括控制器、信号发生器、超声发射探头、射频通信模块，控制器控制信号发生器、超声发射探头和射频通信模块进行工作。

车载收发器包括控制器、处理器、超声接收探头、射频通信模块，控制器控制处理器、超声接收探头和射频通信模块进行工作。

各参考收发器间通过射频通信模块发射和接受同步信号，同步信号是射频信号。

参考收发器和车载收发器间工作于同步模式或异步模式。

同步模式，目标的精确定位依赖于参考收发器和车载收发器间的时钟准确同步。

异步模式，在满足一定拓扑结构的前提下，目标的精确定位不依赖于参考收发器和车载收发器间的时钟准确同步。

基于位置服务的停车场自动指引的实现方法，其特征是，包含以下步骤：

(1)在停车场楼层屋顶按照特定拓扑结构安装不少于4个以上的参考收发器，并准确标定每个参考收发器的地理坐标；

(2)参考收发器间使用射频信号进行同步并与车载收发器间进行超声信号的收发；

(3)在参考收发器或者显示处理装置上进行数据处理、运行定位算法，得出定位结果，并据此实现对目标车辆的导航；

(4)在显示处理装置上实时显示停车场空余车位，实时显示进出车辆运动轨迹并动态下发停车位指引和出口指引信息，并通过手机端应用程序实时将显示的信息发送至车主的智能手机上。

步骤(3)中的定位算法采用球面交汇法确定车载收发器坐标，在使用m个参考收发器的情况下，已知屋顶m个参考收发器的位置分别为坐标(x_n,y_n,z_n)，其中，n＝1,2,3,4…m，求解车载收发器位置P坐标(x,y,z)；

由收发位置和斜距得如下球面方程组：

$\begin{array}{c}{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2=r_1^2---\left(1\right)\\ {(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_2-z)}^2=r_2^2---\left(2\right)\\ {(x_3-x)}^2+{(y_3-y)}^2+{(z_3-z)}^2=r_3^2---\left(3\right)\\ {(x_4-x)}^2+{(y_4-y)}^2+{(z_4-z)}^2=r_4^2---\left(4\right)\\ {(x_m-x)}^2+{(y_m-y)}^2+{(z_m-z)}^2=r_m^2---\left(m\right)\end{array}$

利用最小二乘法得下式

$\left[\begin{array}{c}\hat{x}\\ \hat{y}\\ \hat{z}\end{array}\right]=A^{-1}B$

其中，为x的估计量，为y的估计量，为z的估计量。

本发明所达到的有益效果：

本发明为室内停车场车载收发器提供厘米级的精确位置服务。系统主要由固定在停车场屋顶上的参考收发器和进入停车场车辆所携带的车载收发器构成。系统采用先进的宽带编码，不但提高了定位精度，而且可满足多于1000个室内停车场用户的同时定位导航服务。服务在需要时由用户主动开启，如用户不开启，系统将收集不到任何用户数据，仅在用户停入车位时对该车位进行已使用标记，做到对用户隐私的保护。

本发明设计的超声定位系统相比于超宽带射频、WIFI射频、视频影像等技术具有定位精度高、成本低廉、私密性强、无电磁污染等优点，是室内定位服务的首选技术。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的超声定位系统的车载收发器示意图。

图2是本发明的超声定位系统的发射GOLD信号生成框图。

图3是本发明的停车场自动指引系统的信号流向图。

图4是本发明的停车场自动指引系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1、图3和图4所示，系统包括参考收发器、车载收发器、显示处理装置和智能手机。参考收发器固定在室内停车场的屋顶，是空间位置已知的固定点，与车载收发器间采用射频超声信号进行联系，车载收发器安装于车上，其所在的车辆是空间中需要被确定位置坐标的运动点，显示处理装置实时显示系统拓扑结构和车辆定位结果并根据停车场内各车辆定位位置确定空车位数量和位置，从而对整个系统进行协调控制。显示处理装置实时显示停车场空余车位信息，实时显示进出车辆运动轨迹并动态下发停车位指引和出口指引信息，并通过手机端应用程序实时将显示的信息发送至车主的智能手机上。

所述的显示处理装置由控制器、处理器、显示器、射频通信模块等组成，控制器控制处理器、显示器和射频通信模块进行工作。

所述的参考收发器由控制器、信号发生器、超声发射探头、射频通信模块等组成，控制器控制信号发生器、超声发射探头和射频通信模块进行工作。

所述的车载收发器由控制器、处理器、超声接收探头、射频通信模块等组成，控制器控制处理器、超声接收探头和射频通信模块进行工作。

各参考收发器间通过射频通信模块发射和接受同步信号，同步信号是射频信号。

所述的参考收发器和车载收发器间可以工作于两种模式：同步模式和异步模式。

所述的同步工作模式下，目标的精确定位依赖于参考收发器和车载收发器间的时钟准确同步。

所述的异步工作模式，在满足一定拓扑结构的前提下，目标的精确定位不依赖于参考收发器和车载收发器间的时钟准确同步。

所述的参考收发器和车载收发器间通过各自的超声发射探头间收发超声信号实现对车载收发器的定位。

在参考收发器或者车载收发器上对接收声信号进行数据处理，并运行高精度定位算法，解算出车载收发器的空间三维坐标。

基于pc机的显示处理装置实时显示停车场空余车位，实时显示进出车辆运动轨迹并动态下发停车位指引和出口指引信息。

基于位置服务的停车场自动指引系统的实现方法，包括以下步骤：

(1)在室内屋顶按照特定拓扑结构安装不少于4个以上的参考收发器，并准确标定每个参考收发器的地理坐标；

(2)各参考收发器间使用射频信号进行同步并与车载收发器间进行超声信号的收发；

(3)在车载收发器或者显示处理装置上进行数据处理、运行定位算法，得出定位结果；

(4)在显示处理装置上实时显示停车场空余车位，实时显示进出车辆运动轨迹并动态下发停车位指引和出口指引信息，并通过手机端应用程序实时将显示的信息发送至车主的智能手机上。

其中，步骤(3)中的定位算法采用球面交汇法确定车载收发器坐标，以在使用四个参考收发器的情况下为例，已知屋顶四个参考收发器a、b、c和d的位置分别为坐标(x_n,y_n,z_n)，n＝1,2,3,4，构成一正方形，正方形边长可由测量精度决定。求解地面车载收发器位置P坐标(x,y,z)。

由收发位置和斜距得如下球面方程组：

$\begin{array}{c}{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2=r_1^2---\left(1\right)\\ {(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_2-z)}^2=r_2^2---\left(2\right)\\ {(x_3-x)}^2+{(y_3-y)}^2+{(z_3-z)}^2=r_3^2---\left(3\right)\\ {(x_4-x)}^2+{(y_4-y)}^2+{(z_4-z)}^2=r_4^2---\left(4\right)\\ \end{array}$

由(2)、(3)和(4)分别减去(1)，利用最小二乘法得下式

$\left[\begin{array}{c}\hat{x}\\ \hat{y}\\ \hat{z}\end{array}\right]=A^{-1}B---\left(5\right)$

其中，为x的估计量，其余同理，为y的估计量，为z的估计量。

$A=2\left[\begin{array}{ccc}{x}_2-x_1& y_2-y_1& z_2-z_1\\ x_3-x_1& y_3-y_1& z_3-z_1\\ x_4-x_1& y_4-y_1& z_4-z_1\end{array}\right]$

$B=\left[\begin{array}{c}{d}_2-d_1+r_1^2-r_2^2\\ d_3-d_1+r_1^2-r_3^2\\ d_4-d_1+r_1^2-r_4^2\end{array}\right]$

$d_n=x_n^2+y_n^2+z_n^2,$ n＝1,2,3,4。

实施例1

本发明所描述的参考收发器和车载收发器均可进行射频及超声信号的收发，故车载收发器的定位实现可采用两种方式来实现：上发下收型工作方式以及下发上收型工作方式。现以下发上收工作方式为例。

下发上收工作方式的车载收发器数目取决于系统采用的编码方式，具体可根据停车场车位数量确定编码方式。

车载收发器仅发射定位声信号，数据处理及定位运算由显示处理装置完成。

系统中存在两种链路：射频链路和声学链路。

射频链路存在于参考收发器、车载收发器以及显示处理装置等所有节点之间。可应用于参考收发器、车载收发器以及显示处理装置间的同步，还负责参考收发器与显示处理装置之间的通信，车载收发器发来的超声信号经参考收发器进行初步数据处理后经射频链路提交显示处理装置，以及显示处理装置对车载收发器导航信息的发送。

声学链路存在于参考收发器和车载收发器之间，并且只能从车载收发器发超声信号到参考收发器(即下发上收型)。

参考收发器接收车载收发器的超声信号，记录接收时刻并将接收超声信号初步处理后经射频链路提交显示处理装置，在显示处理装置上实现车载收发器的定位运算。

显示处理装置实时显示停车场空余车位，实时显示进出车辆运动轨迹并动态下发停车位指引和出口指引信息。

实施例2

系统可选用多种信号编码方式，现以Gold序列为例进行说明。

Gold序列作为宽带伪随机噪声信号具有最优的模糊度函数特性—图钉形，即最优的距离估计精度和速度估计精度，且分别由信号带宽B和脉冲宽度T独立决定，即：

距离分辨率：

速度分辨率：

只要超声发射换能器频响(平坦且宽带)容许，距离分辨率就可以通过增加发射信号带宽进一步获得提升。速度分辨率与脉冲宽度有关，脉宽越大，速度分辨率越高。无论是带宽还是脉宽，都可以分别独立控制，这种参数解耦性为编码设计提供了极大的灵活性。

Gold序列寻址能力强，即区分不同用户，每个用户都分配给一个特定的伪噪声序列，为了抑制多个用户共用同一频道引起的同信道干扰，要求不同用户使用的伪噪声序列的互相关系数尽可能小。这得益于Gold序列的正交性：相同Gold序列之间有良好的相关性，而不同Gold序列之间基本不相关。

如有两个m序列，它们的互相关函数的绝对值有界，且满足以下条件：

我们称这一对m序列为优选对。如果把两个m序列发生器产生的优选对序列模二相加，则产生一个新的码序列，即Gold序列。图2中示出Gold码发生器的的原理结构图。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于位置服务的停车场自动指引系统，其特征是，

包括固定在室内停车场屋顶的参考收发器、安装在车主车上的车载收发器和一显示处理装置，

参考收发器与车载收发器间采用射频及超声信号进行联系；

参考收发器与车载收发器将信号传送至显示处理装置上进行数据处理，运算定位，解算出车载收发器所在的车的空间三维坐标并据此实现对目标车辆的导航；

显示处理装置实时显示停车场空余车位信息，实时显示进出车辆运动轨迹并动态下发停车位指引和出口指引信息，并通过手机端应用程序实时将显示的信息发送至车主的智能手机上。

2.根据权利要求1所述的基于位置服务的停车场自动指引系统，其特征在于：显示处理装置包括控制器、处理器、显示器、射频通信模块，控制器控制处理器、显示器和射频通信模块进行工作。

3.根据权利要求1所述的基于位置服务的停车场自动指引系统，其特征在于：参考收发器包括控制器、信号发生器、超声发射探头、射频通信模块，控制器控制信号发生器、超声发射探头和射频通信模块进行工作。

4.根据权利要求1所述的基于位置服务的停车场自动指引系统，其特征在于：车载收发器包括控制器、处理器、超声接收探头、射频通信模块，控制器控制处理器、超声接收探头和射频通信模块进行工作。

5.根据权利要求3所述的基于位置服务的停车场自动指引系统，其特征在于：各参考收发器间通过射频通信模块发射和接受同步信号，同步信号是射频信号。

6.根据权利要求1所述的基于位置服务的停车场自动指引系统，其特征在于：参考收发器和车载收发器间工作于同步模式或异步模式。

7.根据权利要求6所述的基于位置服务的停车场自动指引系统，其特征在于：同步模式，目标的精确定位依赖于参考收发器和车载收发器间的时钟准确同步。

8.根据权利要求6所述的基于位置服务的停车场自动指引系统，其特征在于：异步模式，在满足一定拓扑结构的前提下，目标的精确定位不依赖于参考收发器和车载收发器间的时钟准确同步。

9.根据权利要求1所述的基于位置服务的停车场自动指引系统的实现方法，其特征是，包含以下步骤：

(1)在停车场楼层屋顶按照特定拓扑结构安装不少于4个以上的参考收发器，并准确标定每个参考收发器的室内地理坐标；

(2)参考收发器间使用射频信号进行同步并与车载收发器间进行超声信号的收发；

(3)在显示处理装置上进行数据处理、运行定位算法，得出定位结果，并据此实现对目标车辆的导航；

(4)在显示处理装置上实时显示停车场空余车位，实时显示进出车辆运动轨迹并动态下发停车位指引和出口指引信息，并通过手机端应用程序实时将显示的信息发送至车主的智能手机上。

10.根据权利要求9所述的基于位置服务的室内停车场自动指引系统的实现方法，其特征是，步骤(3)中的定位算法采用球面交汇法确定车载收发器坐标，在使用m个参考收发器的情况下，已知屋顶m个参考收发器的位置分别为坐标(x_n,y_n,z_n)，其中，n＝1,2,3,4…m，求解车载收发器位置P坐标(x,y,z)；

由收发位置和斜距得如下球面方程组：

(x₁-x)²+(y₁-y)²+(z₁-z)²＝r₁ ² (1)

(x₂-x)²+(y₂-y)²+(z₂-z)²＝r₂ ² (2)

(x₃-x)²+(y₃-y)²+(z₃-z)²＝r₃ ² (3)

(x₄-x)²+(y₄-y)²+(z₄-z)²＝r₄ ² (4)

${(x_m-x)}^2+{(y_m-y)}^2+{(z_m-z)}^2=r_m^2\left(m\right)$

利用最小二乘法得下式

$\left[\begin{array}{c}\hat{x}\\ \hat{y}\\ \hat{z}\end{array}\right]=A^{-1}B$

其中，为x的估计量，为y的估计量，为z的估计量，式中，中间参量A、B如下：

$A=2\left[\begin{array}{ccc}{x}_2-x_1& y_2-y_1& z_2-z_1\\ x_3-x_1& y_3-y_1& z_3-z_1\\ x_4-x_1& y_4-y_1& z_4-z_1\\ .& .& .\\ .& .& .\\ .& .& .\\ x_m-x_1& y_m-y_1& z_m-z_1\end{array}\right]$

$B=\left[\begin{array}{c}{d}_2-d_1+r_1^2-r_2^2\\ d_3-d_1+r_1^2-r_3^2\\ d_4-d_1+r_1^2-r_4^2\\ .\\ .\\ .\\ d_m-d_1+r_1^2-r_m^2\end{array}\right]$

其中，n＝1,2,3,4…m。