CN105425233A - 用于移动设备的测距与跟随定位的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于移动设备的测距与跟随定位的装置及方法，包括发射单元、接收单元以及运算单元；其中，所述发射单元和所述接收单元连接所述运算单元；所述发射单元用于向待跟随物体发射厘米波；所述接收单元用于接收所述厘米波；所述运算单元用于根据发射厘米波和接收厘米波之间的时间差计算出移动设备和待跟随物体之间的距离，进而根据所述距离和阈值距离差计算出运动距离。本发明可以做成防水防油，相对激光而言，较好的避免了因介质的穿透性而造成的测量失败。

Description

用于移动设备的测距与跟随定位的装置及方法
技术领域
本发明涉及微波测量领域，具体地，涉及一种用于移动设备的测距与跟随定位的装置及方法。
背景技术
随着微波无线通信技术的发展，无线测距的精度越来越高，以微波技术为载体的测量方法开始走进大众消费产品行业。
电磁波测距按照测定时间的方法主要分为两大类：脉冲式测距和相位式测距。相位式测距在普通消费级产品中性价比不如脉冲式测距，普通的脉冲式测距包括：时标脉冲、电子门、触发器、脉冲发射、反射器、脉冲接收、计数显示这几部分，基本原理是通过激光器发出一个窄脉冲到达反射单元和接收单元，到接收单元的部分作为参考信号，经反射单元反射再到接收单元的信号作为测距信号，计算参考信号与测距信号之间的时间差再经过转换就可以得到距离数值。但这种普通脉冲式测距仪一般测距较远，精度较差，但在移动测距与跟随领域，普通的脉冲式测距仪有更为致命的弱点-载波为激光，其限制性主要表现在：
1、在日光环境下测距会受到严重干扰。
2、反射单元与接收单元的相对位置要求限制了其在移动设备领域的应用。
3、激光对人体(特别是眼睛)有较为严重的伤害。
4、激光在发射与反射过程中受周围环境影响较大。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于移动设备的测距与跟随定位的装置及方法。
根据本发明提供的用于移动设备的测距与跟随定位的装置，包括发射单元、接收单元以及运算单元；
其中，所述发射单元和所述接收单元连接所述运算单元；所述发射单元用于向待跟随物体发射厘米波；
所述接收单元用于接收所述厘米波；
所述运算单元用于根据发射厘米波和接收厘米波之间的时间差计算出移动设备和待跟随物体之间的距离，进而根据所述距离和阈值距离差计算出运动距离。
优选地，所述发射单元采用UWB模块；
所述UWB模块包括第一CPU、信号发生器、第一本振信号发生器、混频器、平衡至非平衡转换器以及第一天线；
其中，所述第一CPU连接所述信号发生器的控制端，所述信号发生器的输出端和第一本振信号发生器的输出端连接所述混频器的输入端；所述混频器的输出端连接所述平衡至非平衡转换器的输入端；所述平衡至非平衡转换器的输出端连接所述第一天线；
所述第一CPU，用于控制信号发生器将发射端数字信号转换为脉冲信号；
所述信号发生器，用于发射所述脉冲信号；
所述第一本振信号发生器，用于产生第一本振频率；
混频器，用于将脉冲信号放大后与所述第一本振频率混频生成待发射信号；
平衡至非平衡转换器，用于将发射单元的输出阻抗与第一天线阻抗匹配及平衡转换。
第一天线，用于发射所述待发射信号，即厘米波。
优选地，所述接收单元包括第二天线、低噪放模块、本振信号模块、带通滤波器、ADC模块以及第二CPU；
其中，所述低噪放模块的输入端连接所述第二天线，所述低噪放模块的输出端依次通过所述本振信号模块、通滤波器、ADC模块连接所述第二CPU；
所述低噪放模块，用于将第二天线接收的厘米波进行低噪音放大生成放大信号；
所述本振信号模块，用于产生第二本振频率与放大信号混频生成混频信号；
所述带通滤波器，用于对混频信号进行滤波放大生成滤波放大信号；
所述ADC模块，用于将滤波放大信号转换为接收端数字信号；
所述第二CPU，用于处理得到的接收端数字信号。
优选地，所述运算单元采用ARM或FPGA。
优选地于，所述运算单元用于根据发射端数字信号和接收端数字信号之间的时间差计算出移动设备和待跟随物体之间的距离，进而根据所述距离和阈值距离差计算出运动距离。
优选地，还包括运动控制系统；所述运动控制系统设置在所述移动设备上；所述运算单元连接所述运动控制系统；
所述运动控制系统用于根据所述运动距离驱动移动设备，实现移动设备的跟随与定位。
本发明提供的用于移动设备的测距与跟随定位的方法，采用所述的用于移动设备的测距与跟随定位的装置，包括以下步骤：
S1：设备A的发射单元发射厘米波信号；
S2：设备B的接收单元接收到设备A的发射单元发射的厘米波信号后再通过设备B的发射单元发射厘米波信号；
S3：设备A的接收单元接收到设备B的发射单元发射的厘米波后再通过设备A的发射单元发射厘米波到B设备的接收单元；
其中，设备A为一用于移动设备的测距与跟随定位的装置，设备B为另一用于移动设备的测距与跟随定位的装置。
优选地，所述带接收单元的设备B为多个。
优选地，所述接收单元和发射单元的测量精度小于等于10厘米。
优选地，所述设备A和多个所述设备B之间采用多对象的矢量运算方法。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明发射的厘米波功率极低，对人体无害；
2、本发明由于不像激光脉冲那样需要反射单元，所以可以用于较快速度的移动测距/跟随/定位系统当中；
3、本发明由于可以使用多个接收单元与发射单元，可以得到多个设备之间的三维相对位置、精度较高；
4、本发明可以做成防水防油，相对激光而言，较好的避免了因介质的穿透性而造成的测量失败；
5、本发明功率极低，甚至可以做成一次性设备。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中发射单元的结构示意图；
图2为本发明中接收单元的结构示意图；
图3为本发明中用于移动设备的测距与跟随定位的方法的双设备协作方法流程示意图；
图4为本发明中用于移动设备的测距与跟随定位的方法的多设备的协作方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明在普通脉冲式测距方法的基础上把载波变换为4G～6GHz的厘米波，采用一发射多接收的方式来进行空间矢量定位，在实现三维定位的同时也提高了测量的精度，在计算出两不同载体的相对位置的时候也实现了相对精确的跟随功能，满足了绝大部分消费类产品的需求，以及部分工业和军工产品的要求。
在本实施例中，本发明提供的用于移动设备的测距与跟随定位的装置，包括发射单元、接收单元、运算单元以及运动控制系统；
其中，所述发射单元和所述接收单元连接所述运算单元；所述运算单元连接所述运动控制系统；所述发射单元用于向待跟随物体发射厘米波；
所述接收单元用于接收所述厘米波；
所述运算单元用于根据发射厘米波和接收厘米波之间的时间差计算出移动设备和待跟随物体之间的距离，进而根据所述距离和阈值距离差计算出运动距离；
所述运动控制系统用于根据所述运动距离驱动移动设备，从而实现移动设备的跟随与定位。
发射单元与模拟单元的协作方式有两种，一种是通过辅助信号进行同步，另一种是自协作。辅助信号同步的方式基本原理是，发射单元的CPU与接收单元的CPU通过辅助信号进行收发同步，这种方式因为引入了辅助信号而增加了测量的可能出现的误差，所以本设备不采用这种方式。
所述发射单元采用UWB模块；所述UWB模块包括第一CPU、信号发生器、第一本振信号发生器、混频器、平衡至非平衡转换器以及第一天线；
其中，所述第一CPU连接所述信号发生器的控制端，所述信号发生器的输出端和第一本振信号发生器的输出端连接所述混频器的输入端；所述混频器的输出端连接所述平衡至非平衡转换器的输入端；所述平衡至非平衡转换器的输出端连接所述第一天线；
所述第一CPU，用于控制信号发生器将发射端数字信号转换为脉冲信号；
所述信号发生器，用于发射所述脉冲信号；
所述第一本振信号发生器，用于产生第一本振频率；
混频器，用于将脉冲信号放大后与所述第一本振频率混频生成待发射信号；
平衡至非平衡转换器，用于将发射单元的输出阻抗与第一天线阻抗匹配及平衡转换。
第一天线，用于发射所述待发射信号，即厘米波。
UWB(Ultra-WideBand)模块，是一个尺寸接近手环的厘米波发射模块，符合IEEE802.15.4-2011UWB标准。UWB(Ultra-WideBand)模块由一个CPU和一个射频信号发生器组成，其功能为发射载波为4G～6G的功率可调的调幅信号。
所述接收单元包括第二天线、低噪放模块、本振信号模块、带通滤波器、ADC模块以及第二CPU；其中，所述低噪放模块的输入端连接所述第二天线，所述低噪放模块的输出端依次通过所述本振信号模块、通滤波器、ADC模块连接所述第二CPU；
所述低噪放模块，用于将第二天线接收的厘米波进行低噪音放大生成放大信号；
所述本振信号模块，用于产生第二本振频率与放大信号混频生成混频信号；
所述带通滤波器，用于对混频信号进行滤波放大生成滤波放大信号；
所述ADC模块，用于将滤波放大信号转换为接收端数字信号；
所述第二CPU，用于处理得到的接收端数字信号。
所述运算单元采用ARM或FPGA。所述运算单元用于根据发射端数字信号和接收端数字信号之间的时间差计算出移动设备和待跟随物体之间的距离，进而根据所述距离和阈值距离差计算出运动距离；
本发明提供的用于移动设备的测距与跟随定位的方法，采用所述的用于移动设备的测距与跟随定位的装置，包括以下步骤：
S1：设备A的发射单元发射厘米波信号；
S2：设备B的接收单元接收到设备A的发射单元发射的厘米波信号后再通过设备B的发射单元发射厘米波信号；
S3：设备A的接收单元接收到设备B的发射单元发射的厘米波后再通过设备A的发射单元发射厘米波到B设备的接收单元；
其中，设备A为一用于移动设备的测距与跟随定位的装置，设备B为另一用于移动设备的测距与跟随定位的装置。设备A或设备B的运算单元根据发射厘米波和接收厘米波之间的时间差计算出设备A和设备B之间的距离，进而根据所述距离和阈值距离差计算出运动距离。
所述带接收单元的设备B为多个。所述接收单元和发射单元的测量精度小于等于10厘米。所述设备A和多个所述设备B之间采用多对象的矢量运算方法。
其中A和B的接收单元的接收触发非常快，远远快于传播时间，因此可以通过计算厘米波的飞行时间来进行测距/跟随/定位，而且双设备之间的测量精度控制在10cm以内。如果设定A与B的相对距离，本设备与运动控制系统相结合，就可以实现不同载体之间的跟随功能。
上述为两个设备之间的测距/跟随/定位，本设备为了提高测量精度，同时实现三维的空间定位，采用了多设备的矢量运算方法，实现了以一个A多个B为基础的高精度的测距/跟随/定位系统。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种用于移动设备的测距与跟随定位的装置，其特征在于，包括发射单元、接收单元以及运算单元；
其中，所述发射单元和所述接收单元连接所述运算单元；所述发射单元用于向待跟随物体发射厘米波；
所述接收单元用于接收所述厘米波；
所述运算单元用于根据发射厘米波和接收厘米波之间的时间差计算出移动设备和待跟随物体之间的距离，进而根据所述距离和阈值距离差计算出运动距离。
2.根据权利要求1所述的用于移动设备的测距与跟随定位的装置，其特征在于，所述发射单元采用UWB模块；
所述UWB模块包括第一CPU、信号发生器、第一本振信号发生器、混频器、平衡至非平衡转换器以及第一天线；
其中，所述第一CPU连接所述信号发生器的控制端，所述信号发生器的输出端和第一本振信号发生器的输出端连接所述混频器的输入端；所述混频器的输出端连接所述平衡至非平衡转换器的输入端；所述平衡至非平衡转换器的输出端连接所述第一天线；
所述第一CPU，用于控制信号发生器将发射端数字信号转换为脉冲信号；
所述信号发生器，用于发射所述脉冲信号；
所述第一本振信号发生器，用于产生第一本振频率；
混频器，用于将脉冲信号放大后与所述第一本振频率混频生成待发射信号；
平衡至非平衡转换器，用于将发射单元的输出阻抗与第一天线阻抗匹配及平衡转换；
第一天线，用于发射所述待发射信号，即厘米波。
3.根据权利要求2所述的用于移动设备的测距与跟随定位的装置，其特征在于，所述接收单元包括第二天线、低噪放模块、本振信号模块、带通滤波器、ADC模块以及第二CPU；
其中，所述低噪放模块的输入端连接所述第二天线，所述低噪放模块的输出端依次通过所述本振信号模块、通滤波器、ADC模块连接所述第二CPU；
所述低噪放模块，用于将第二天线接收的厘米波进行低噪音放大生成放大信号；
所述本振信号模块，用于产生第二本振频率与放大信号混频生成混频信号；
所述带通滤波器，用于对混频信号进行滤波放大生成滤波放大信号；
所述ADC模块，用于将滤波放大信号转换为接收端数字信号；
所述第二CPU，用于处理得到的接收端数字信号。
4.根据权利要求1至3任一项所述的用于移动设备的测距与跟随定位的装置，其特征在于，所述运算单元采用ARM或FPGA。
5.根据权利要3所述的用于移动设备的测距与跟随定位的装置，其特征在于，所述运算单元用于根据发射端数字信号和接收端数字信号之间的时间差计算出移动设备和待跟随物体之间的距离，进而根据所述距离和阈值距离差计算出运动距离。
6.根据权利要1所述的用于移动设备的测距与跟随定位的装置，其特征在于，还包括运动控制系统；所述运动控制系统设置在所述移动设备上；所述运算单元连接所述运动控制系统；
所述运动控制系统用于根据所述运动距离驱动移动设备，实现移动设备的跟随与定位。
7.一种用于移动设备的测距与跟随定位的方法，其特征在于，采用权利要求1至6任一项所述的用于移动设备的测距与跟随定位的装置，包括以下步骤：
S1：设备A的发射单元发射厘米波信号；
S2：设备B的接收单元接收到设备A的发射单元发射的厘米波信号后再通过设备B的发射单元发射厘米波信号；
S3：设备A的接收单元接收到设备B的发射单元发射的厘米波后再通过设备A的发射单元发射厘米波到B设备的接收单元；
其中，设备A为一用于移动设备的测距与跟随定位的装置，设备B为另一用于移动设备的测距与跟随定位的装置。
8.根据权利要求7所述的用于移动设备的测距与跟随定位的方法，其特征在于，带接收单元的设备B为多个。
9.根据权利要求7所述的用于移动设备的测距与跟随定位的方法，其特征在于，所述接收单元和发射单元的测量精度小于等于10厘米。
10.根据权利要求7所述的用于移动设备的测距与跟随定位的方法，其特征在于，所述设备A和多个所述设备B之间采用多对象的矢量运算方法。
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