CN111025277B - Uwb测距系统和uwb测距系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种UWB测距系统，包括：超宽带收发器芯片，超宽带收发器芯片通过第一信号通路收发测距信号以采样当前最大测距距离；和控制芯片，控制芯片判定当前最大测距距离是否大于等于设定距离阈值；如果当前最大测距距离大于等于设定距离阈值，则控制保持第一信号通路导通，超宽带收发器芯片通过第一信号通路收发测距信号；如果当前最大测距距离小于设定距离阈值，则控制切换导通第二信号通路，超宽带收发器芯片通过第二信号通路收发测距信号；其中，第一信号通路的发射功率高于第二信号通路的发射功率。还提供一种控制方法。本发明中第一信号通路和第二信号通路可以根据最大测距距离和设定距离阈值之间的关系自动切换，具有灵活性好的优点。

Description

UWB测距系统和UWB测距系统的控制方法

技术领域

本发明属于无线测距技术领域，尤其涉及一种UWB测距系统，以及一种UWB测距系统的控制方法。

背景技术

无线电测距和雷达测距已经被广泛应用于非接触测距领域。用于测距的雷达系统通常包括至少两个组成部分：发射器和处理器。其中，发射器用于将雷达信号发射到信标的雷达天线上，接收器则用于接收信标反射的雷达信号。基于发射的雷达信号和反射的雷达信号即可以确定测试目标的距离。雷达系统中的一种是超宽带（UWB）系统，UWB雷达系统具有更宽的频率范围信号，是雷达测距中的一个研究热点。

UWB测距系统更加注重精度、距离等关键指标，同时UWB信号频谱容易受到人体遮挡。当信标信源之间距离太远时，灵敏度下降很多，容易出现通信中断的问题。而当信标信源之间距离太近时，容易出现发射器功率超出范围，数据漂移严重，近距离测距不准确的问题。

本背景技术所公开的上述信息仅仅用于增加对本申请背景技术的理解，因此，其可能包括不构成本领域普通技术人员已知的现有技术。

发明内容

本发明针对现有技术中UWB测距系统信号频谱容易受到人体遮挡。当信标信源之间距离太远时，灵敏度下降容易出现通信中断；而当信标信源之间距离太近时，容易出现发射器功率超出范围导致数据漂移严重，近距离测距不准确的问题。

为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：

一种UWB测距系统，包括：超宽带收发器芯片，超宽带收发器芯片通过第一信号通路收发测距信号以采样当前最大测距距离；和控制芯片，控制芯片判定当前最大测距距离是否大于等于设定距离阈值；如果当前最大测距距离大于等于设定距离阈值，则控制保持第一信号通路导通，超宽带收发器芯片通过第一信号通路收发测距信号；如果当前最大测距距离小于设定距离阈值，则控制切换导通第二信号通路，超宽带收发器芯片通过第二信号通路收发测距信号；其中，第一信号通路的发射功率高于第二信号通路的发射功率。

本发明的另一个方面提供一种UWB测距系统控制方法，包括以下步骤：切换导通第一信号通路，超宽带收发器芯片通过第一信号通路收发测距信号以采样当前最大测距距离；判断当前最大测距距离是否大于等于设定距离阈值；如果当前最大测距距离大于等于设定距离阈值，控制保持第一信号通路导通，超宽带收发器芯片通过第一信号通路收发测距信号；如果当前最大测距距离小于设定距离阈值，控制切换导通第二信号通路，超宽带收发器芯片通过第二信号通路收发测距信号；其中，第一信号通路的发射功率高于第二信号通路的发射功率。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：

在本发明所公开的UWB测距系统和测距系统的控制方法中，第一信号通路和第二信号通路可以根据最大测距距离和设定距离阈值之间的关系自动切换。当最大测距距离大于等于设定距离阈值时，通过第一信号通路收发测距信号，接收灵敏度更好，可以成倍地提高有效测距距离；而当最大测距距离小于设定距离阈值时，通过第二信号通路收发测距信号，系统增益减小，测距及定位的距离更精确，功耗更低。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1 为本发明所公开的UWB测距系统一种具体实施例的电路原理示意框图；

图2为本发明所公开的UWB测距系统控制方法第一种具体实施例的流程图;

图3为本发明所公开的UWB测距系统控制方法第二种具体实施例的流程图；

图4为本发明所公开的UWB测距系统控制方法第三种具体实施例的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖”、“横”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

为解决UWB测距系统当信标信源之间距离太远，灵敏度下降容易出现通信中断，而当信标信源之间距离太近，容易出现发射器功率超出范围，数据漂移严重，近距离测距不准确的问题。一种全新设计的UWB测距系统如图1所示。在此种UWB测距系统中，主要包括超宽带收发器芯片和控制芯片，以及特别设计的发射功率较高的第一信号通路和发射功率较低的第二信号通路。具体来说，UWB测距系统开始工作后，超宽带收发器芯片通过第一信号通路收发测距信号以采样当前最大测距距离。如果在一个测距空间中仅有一个信标，则选取初始采样周期内的最大测距距离。如果在一个测距空间中存在多个信标，则可以根据不同信标的时间戳对信标进行标记，并按照时间戳记录每一个信标在初始采样周期内的测距距离，并从中选取当前最大测距距离。控制芯片判定当前最大测距距离是否大于等于设定距离阈值。如果当前最大测距距离大于等于设定距离阈值，则控制保持第一信号通路导通，超宽带收发器芯片通过第一信号通路收发测距信号。如果当前最大测距距离小于设定距离阈值，则控制切换导通第二信号通路，超宽带收发器芯片通过第二信号通路收发测距信号。第一信号通路和第二信号通路可以根据最大测距距离和设定距离阈值之间的关系自动切换。当最大测距距离大于等于设定距离阈值时，通过第一信号通路收发测距信号，接收灵敏度更好，可以成倍地提高有效测距距离；而当最大测距距离小于设定距离阈值时，通过第二信号通路收发测距信号，系统增益减小，测距及定位的距离更精确，功耗更低。设定距离阈值可以根据UWB测距系统的使用环境进行设定，如在矿井中，可以设置为80米。

在测距过程中，超宽带收发器芯片通过第二信号通路收发测距信号以采样实时测距距离。如果在连续多个采样周期中，实时测距距离均大于等于设定距离阈值，则说明此时信标的距离均在设定距离阈值以外。如果依旧采用第二信号通路收发测距信号，则有可能发生信标丢失的情况。此种状态下，控制切换导通第一信号通路，超宽带收发芯片通过第一信号通路收发测距信号。而如果在连续多个采样周期中，实时测距距离均小于设定距离阈值，则超宽带收发器芯片保持通过第二信号通路收发测距信号。再次切换恢复通过第一信号通路收发测距信号后，如果在连续多个采样周期中，实时测距距离均小于设定距离阈值，则再次切换恢复通过第二信号通路收发测距信号。在上述的切换过程中，判定条件必须时在连续多个采样周期中均保持同样的距离对比结果，这是避免出现临界点附近的反复波动造成系统频繁切换，导致测距数据发生异常。

具体的电路连接可以采用如图1所示的电路结构，整体可以采用四个射频开关在PA和LNA所组成的放大器组件的基础上搭建: 第一射频开关S1、第二射频开关S2、第三射频开关S3和第四射频开关S4。其中第一射频开关S1的公共端RFC连接超宽带收发器芯片DW1000，第一射频开关S1的控制端VC1和VC2连接控制芯片MCU；第二射频开关S2的公共端RFC连接第一射频开关S1的一路信号端RF2，第二射频开关S2的电源端VC1和VC2连接超宽带收发器芯片DW1000，第二射频开关S2的信号端RF1和RF2连接放大器组件；第三射频开关S3的信号端RF1和RF2连接放大器组件，第三射频开关S3的电源端VC1和VC2连接超宽带收发器芯片DW1000；而第四射频开关S4的一路信号端RF1连接第一射频开关S1的一路信号端RF1，第四射频开关S4的另一路信号端RF2连接第三射频开关S3的公共端RFC，第四射频开关S4的公共端RFC连接天线，第四射频开关S4的控制端VC1和VC2连接控制芯片MCU；放大器组件PA和LNA的电源端连接控制芯片MCU。如果当前最大测距距离小于设定距离阈值，控制芯片MCU切换导通第一射频开关S1和第四射频开关S4之间的信号通路，同时关断第二射频开关S2、第三射频开关S3和放大器组件的电源，超宽带收发器芯片DW1000通过第二信号通路收发测距信号。经测定，系统增益减小为-49.6dBm，测距及定位的距离更精确<10厘米，功耗降低140mA。如果在连续多个采样周期中，实时测距距离均大于等于设定距离阈值，则控制芯片MCU切换关断第一射频开关S1和第四射频开关S4之间的信号通路，同时导通第二射频开关S2、第三射频开关S3和放大器组件的电源，导通第一射频开关S1、第二射频开关S2、放大器组件、第三射频开关S3和第四射频开关S4之间的信号通路，超宽带收发器芯片DW1000通过第一信号通路收发测距信号。系统中的PA和LNA等电路均可以选用现有技术中的既有电路，不是本发明的保护重点，在此不再赘述。

测距信号在某些情况下可能存在遮挡，导致测距失效，为避免这一问题，在如图1所示的UWB测距系统中还设置了第一计时器单元和第二计时单元(图中未示出)。当超宽带收发器芯片通过第一信号通路或第二信号通路收发测距信号时，如果实时测距信号中断，则第一计时器单元开始计时。如果在连续多个采样周期内实时测距信号保持中断且第一计时器单元的计时达到第一预设时长，预报警单元上传预报警信号。同时，在上传预报警信号后，第二计时单元开始计时，如果在第二计时单元开始计时后的连续多个采样周期内实时测距信号保持中断且第二计时器单元的计时达到第二预设时长，报警单元上传报警信号。从而有效地解决失联、误报警或漏报警的问题。第一计时器单元和第二计时器单元可以由控制芯片或系统中其它集成芯片中的时钟电路实现，或者由独立的计时芯片实现。

一种特别的情况是，在预报警单元上传预报警信号后，判定产生预报警信号时，超宽带收发器芯片是否是通过第二信号通路收发测距信号。如果是，则即刻控制切换为通过第一信号通路收发测距信号。此次自动切换是用于排查是否是因为发射功率过小而造成的通信中断。如果在第二计时单元开始计时后的连续多个采样周期内实时测距信号恢复，则保持通过第一信号通路收发测距信号。这说明在当前的测试情况下，测试距离的需求超过对测试精度的需求，信标的距离更远。为避免在之后的测距中出现同样的故障，此时，对设定距离阈值校正得到校正距离阈值。校正距离阈值=设定距离阈值-校正系数。校正系数可以设置为10m。如果设定距离阈值为80m，则校正距离阈值=80m-10m=70m。在之后的采样周期内，利用校正距离阈值判断是否切换为第二信号通路收发测距信号。延续上述的举例，如果实时测距距离大于等于70m，则保持通过第一信号通路收发测距信号；如果实时测距距离小于70m，则再次切换为以第二信号通路收发测距信号。如果再次切换为以第二信号通路收发测距信号后，再次出现预报警信号且在切换为通过第一信号通路收发测距信号后实时测距信号恢复，则再次在校正距离阈值的基础上进行再次校正，校正距离阈值=首次得到的校正距离阈值-校正系数。重复上述过程直至校正距离阈值为0或者不再出现预报警信号。UWB系统再次启动后，设定距离阈值恢复初始设定值。通过此种方式，UWB测距系统可以根据测距的实际情况自行调整，避免出现由于发射功率过小而造成通信终端，提高UWB测距系统的稳定性。

本发明的另一个方面提供了一种UWB测距系统的控制方法。具体如图2所示，包括以下步骤：

切换导通第一信号通路，超宽带收发器芯片通过第一信号通路收发测距信号以采样当前最大测距距离；

判断当前最大测距距离是否大于等于设定距离阈值；

如果当前最大测距距离大于等于设定距离阈值，控制保持第一信号通路导通，超宽带收发器芯片通过第一信号通路收发测距信号；如果当前最大测距距离小于设定距离阈值，控制切换导通第二信号通路，超宽带收发器芯片通过第二信号通路收发测距信号；

其中，第一信号通路的发射功率高于第二信号通路的发射功率。

在本发明所公开的UWB测距系统控制方法中，第一信号通路和第二信号通路可以根据最大测距距离和设定距离阈值之间的关系自动切换。当最大测距距离大于等于设定距离阈值时，通过第一信号通路收发测距信号，接收灵敏度更好，可以成倍地提高有效测距距离；而当最大测距距离小于设定距离阈值时，通过第二信号通路收发测距信号，系统增益减小，测距及定位的距离更精确，功耗更低。设定距离阈值可以根据UWB测距系统的使用环境进行设定，如在矿井中，可以设置为80米。

确定初始的信号发射通路后，在测距时，两条信号通路还可以自动切换，具体来说，如图3所示，一种优选的UWB测距系统控制方法还包括以下步骤：

超宽带收发器芯片通过第二信号通路收发测距信号以采样实时测距距离；

如果在连续多个采样周期中，实时测距距离均大于等于设定距离阈值，则控制切换导通第一信号通路，超宽带收发芯片通过第一信号通路收发测距信号；如果在连续多个采样周期中，实时测距距离均小于设定距离阈值，则超宽带收发器芯片保持通过第一信号通路收发测距信号。

当信号被无意遮挡时，通信中断无法探测信标距离，出现失联状态。为解决这一问题，如图4所示的UWB测距系统控制方法还包括以下步骤，超宽带收发器芯片通过第一信号通路或第二信号通路收发测距信号时，如果实时测距信号中断，则第一计时器开始计时；如果在连续多个采样周期内实时测距信号保持中断且第一计时器单元的计时达到第一预设时长，预报警单元上传预报警信号。

还包括：在上传预报警信号后，第二计时器开始计时；如果在第二计时器开始计时后的连续多个采样周期内实时测距信号保持中断且第二计时器单元的计时达到第二预设时长，报警单元上传报警信号。

一种特别的情况是，在预报警单元上传预报警信号后，判定产生预报警信号时，超宽带收发器芯片是否是通过第二信号通路收发测距信号。如果是，则即刻控制切换为通过第一信号通路收发测距信号。此次自动切换是用于排查是否是因为发射功率过小而造成的通信中断。如果在第二计时单元开始计时后的连续多个采样周期内实时测距信号恢复，则保持通过第一信号通路收发测距信号。这说明在当前的测试情况下，测试距离的需求超过对测试精度的需求，信标的距离更远。为避免在之后的测距中出现同样的故障，此时，对设定距离阈值校正得到校正距离阈值。校正距离阈值=设定距离阈值-校正系数。校正系数可以设置为10m。如果设定距离阈值为80m，则校正距离阈值=80m-10m=70m。在之后的采样周期内，利用校正距离阈值判断是否切换为第二信号通路收发测距信号。延续上述的举例，如果实时测距距离大于等于70m，则保持通过第一信号通路收发测距信号；如果实时测距距离小于70m，则再次切换为以第二信号通路收发测距信号。如果再次切换为以第二信号通路收发测距信号后，再次出现预报警信号且在切换为通过第一信号通路收发测距信号后实时测距信号恢复，则再次在校正距离阈值的基础上进行再次校正，校正距离阈值=首次得到的校正距离阈值-校正系数。重复上述过程直至校正距离阈值为0或者不再出现预报警信号。UWB系统再次启动后，设定距离阈值恢复初始设定值。通过此种方式，UWB测距系统可以根据测距的实际情况自行调整，避免出现由于发射功率过小而造成通信终端，提高UWB测距系统的稳定性。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种UWB测距系统，其特征在于，包括：

超宽带收发器芯片，所述超宽带收发器芯片通过第一信号通路收发测距信号以采样当前最大测距距离；

控制芯片，所述控制芯片判定当前最大测距距离是否大于等于设定距离阈值；如果当前最大测距距离大于等于设定距离阈值，则控制保持第一信号通路导通，所述超宽带收发器芯片通过所述第一信号通路收发测距信号；如果当前最大测距距离小于设定距离阈值，则控制切换导通第二信号通路，所述超宽带收发器芯片通过所述第二信号通路收发测距信号；其中，所述第一信号通路的发射功率高于所述第二信号通路的发射功率；

第一射频开关，所述第一射频开关的公共端连接所述超宽带收发器芯片，所述第一射频开关的控制端连接所述控制芯片；

第二射频开关，所述第二射频开关的公共端连接所述第一射频开关的一路信号端，所述第二射频开关的电源端连接所述超宽带收发器芯片，所述第二射频开关的信号端连接放大器组件；

第三射频开关，所述第三射频开关的信号端连接所述放大器组件，所述第三射频开关的电源端连接所述超宽带收发器芯片；和

第四射频开关，所述第四射频开关的一路信号端连接所述第一射频开关的一路信号端，所述第四射频开关的另一路信号端连接所述第三射频开关的公共端，所述第四射频开关的公共端连接天线，所述第四射频开关的控制端连接所述控制芯片；

所述放大器组件的电源端连接所述控制芯片；

如果当前最大测距距离大于等于设定距离阈值，则所述控制芯片关断所述第一射频开关和第四射频开关之间的信号通路，同时导通所述第二射频开关、第三射频开关和放大器组件的电源，导通所述第一射频开关、第二射频开关、放大器组件、第三射频开关和第四射频开关之间的信号通路，控制保持第一信号通路导通，所述超宽带收发器芯片通过所述第一信号通路收发测距信号；

如果当前最大测距距离小于设定距离阈值，所述控制芯片切换导通所述第一射频开关和第四射频开关之间的信号通路，同时关断所述第二射频开关、第三射频开关和放大器组件的电源，切换导通第二信号通路，所述超宽带收发器芯片通过所述第二信号通路收发测距信号。

2.根据权利要求1所述的UWB测距系统，其特征在于，还包括：

所述超宽带收发器芯片通过所述第二信号通路收发测距信号以采样实时测距距离；

如果在连续多个采样周期中，所述实时测距距离均大于等于所述设定距离阈值，则控制切换导通第一信号通路，所述超宽带收发芯片通过所述第一信号通路收发测距信号；如果在连续多个采样周期中，所述实时测距距离均小于所述设定距离阈值，则所述超宽带收发器芯片保持通过第二信号通路收发测距信号。

3. 根据权利要求1所述的UWB测距系统，其特征在于：还包括：

第一计时器单元，所述超宽带收发器芯片通过所述第一信号通路或第二信号通路收发测距信号时，如果实时测距信号中断，则所述第一计时器单元开始计时；和

预报警单元，如果在连续多个采样周期内实时测距信号保持中断且所述第一计时器单元的计时达到第一预设时长，所述预报警单元上传预报警信号。

4. 根据权利要求3所述的UWB测距系统，其特征在于：还包括：

第二计时器单元，在上传预报警信号后，所述第二计时器单元开始计时；和

报警单元，如果在所述第二计时器单元开始计时后的连续多个采样周期内实时测距信号保持中断且所述第二计时器单元的计时达到第二预设时长，所述报警单元上传报警信号。

5.一种应用如权利要求1至4任一项所述的UWB测距系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

切换导通第一信号通路，超宽带收发器芯片通过第一信号通路收发测距信号以采样当前最大测距距离；

判断当前最大测距距离是否大于等于设定距离阈值；

如果当前最大测距距离大于等于设定距离阈值，控制保持第一信号通路导通，所述超宽带收发器芯片通过第一信号通路收发测距信号；如果当前最大测距距离小于设定距离阈值，控制切换导通第二信号通路，所述超宽带收发器芯片通过第二信号通路收发测距信号；

其中，所述第一信号通路的发射功率高于第二信号通路的发射功率。

6.根据权利要求5所述的UWB测距系统的控制方法，其特征在于，

还包括以下步骤：

所述超宽带收发器芯片通过所述第二信号通路收发测距信号以采样实时测距距离；

如果在连续多个采样周期中，所述实时测距距离均大于等于所述设定距离阈值，则控制切换导通第一信号通路，所述超宽带收发芯片通过所述第一信号通路收发测距信号；如果在连续多个采样周期中，所述实时测距距离均小于所述设定距离阈值，则所述超宽带收发器芯片保持通过第一信号通路收发测距信号。

7.根据权利要求6所述的UWB测距系统的控制方法，其特征在于，还包括：

所述超宽带收发器芯片通过所述第一信号通路或第二信号通路收发测距信号时，如果实时测距信号中断，则第一计时器开始计时；

如果在连续多个采样周期内实时测距信号保持中断且所述第一计时器单元的计时达到第一预设时长，预报警单元上传预报警信号。

8.根据权利要求7所述的UWB测距系统的控制方法，其特征在于；还包括：

在上传预报警信号后，第二计时器开始计时；

如果在所述第二计时器开始计时后的连续多个采样周期内实时测距信号保持中断且所述第二计时器单元的计时达到第二预设时长，所述报警单元上传报警信号。

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