CN111090091A - 一种用于高等级水准测量的实时测距装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高等级水准测量的实时测距装置、系统及方法，属于水平测距领域。针对现有技术中存在的水准仪测量前后视距误差大、测距仪器用时长、耗电高等问题，本发明提供了一种用于高等级水准测量的实时测距装置、系统及方法，装置包括上壳和下壳，上壳和下壳中设置有电路板，电路板上安装有天线，电路板还包括人机模块、控制模块、传感模块、监测模块和供电模块，装置在测距时，通过天线切换算法计算出信号最优的天线，避免单一天线信号不佳时测距时间长，实现更精准、快捷地得出测距结果，同时减少装置耗电量，并且安装便捷，可安装在水准仪共同移动。

Description

一种用于高等级水准测量的实时测距装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及水平测距领域，更具体地说，涉及一种用于高等级水准测量的实时测距装置、系统及方法。

背景技术

水准测量是确定工程地面点高程的基本方法之一，也是高程测量中精度较高且常用的方法。水准测量为施工放样、设备安装、变形监测及分析与预报领域中提供基础资料。国土疆界勘测、工程地形图测制、地质勘测、工程施工、竣工验收以及建筑变形监测过程中，水准测量都是十分重要的工作之一。

为达到高精度的水准测量，目前只能依靠高精度的电子水准仪，沿着工程线路一步一步进行高程传递测量。一个项目测量距离可能长达上千公里，测量中往往需要翻山越岭、跨河绕路，况且高等级水准测量都需要进行往返测量，使得实际水准测量线路一般都会达到设计线路长的2至3倍，工作量巨大，工作效率较低。

在水准测量中，前后视尺子面距离水准仪垂直轴的水平距离称为前后视距，水准仪的视准轴和水准管轴是空间上的两条线，投影在垂直面上所形成的夹角称之为i角，当前后视距不相等时，前后视i角也随之不相等，致使前后视读数不相等，由此产生的误差称之为水准仪i角误差。

为保证水准测量的精度，测量中需要保持前后视距相等，以便消除水准仪i角误差因素对测量精度的影响。因此，保证前后视距相等，减少仪器i角误差对高差观测的影响，是保证测量精度的关键技术要求。目前常用的测距方法有上下丝读数法、借助电子水准仪自带测距仪法、拉尺测距法、测量轮车测距法以及手持测距仪法等五种方法，但这些传统测距方法各有缺点，使得测量效率较为低下。因此，研发一种快速实时测量前后视距，使测量人员在移站的同时完成测距任务，实现前后视距相等一次性完成，使水准测量像平时漫步走路一样轻松顺利，突破传统测距方法的瓶颈具有重要的学术意义和工程应用价值。

中国专利申请，申请号CN201721259677.2，公开日2018年4月3日，公开了一种实时无线测距装置，包括水准仪以及均与水准仪配合的前视水准尺和后视水准尺，前视水准尺上安装有前视棱镜，后视水准尺上安装有后视棱镜，水准仪顶部中心位置安装有用于分别无线探测前视棱镜和后视棱镜的方位及距离的无线测距器，无线测距器包括主处理器以及均与主处理器相接的存储器和计时器，主处理器的输出端接有用于向前视棱镜和后视棱镜无线发射电磁波信号的雷达发射器，主处理器的输入端接有依次连接的接收天线、滤波器、信号放大器和解调器。其不足之处在于，所用的雷达发射器无法切换天线，当单一天线信号不佳时，所用的测距时间长，耗电量高。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的水准仪测量前后视距误差大、测距仪器用时长、耗电高等问题，本发明提供了一种用于高等级水准测量的实时测距装置、系统及方法，通过天线切换算法实时切换信号最佳的天线，实现更精准、快捷地得出测距结果，同时减少装置耗电量，并且安装便捷，可安装在水准仪共同移动。

2.技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种用于高等级水准测量的实时测距装置，包括外壳，外壳包括上壳和下壳，上壳的上部为水平面，上壳前侧面的最低高度低于上壳后侧面的最低高度，上壳的上部平面与前侧面之间设置有第一斜面，上壳的左右侧面与前侧面之间设置有第二斜面，上壳上部设置有方形通孔，方形通孔内设置有一圈隔离层，隔离层上部设置有屏幕窗片，屏幕窗片一侧设置有凹槽，按键与凹槽相匹配，下壳前侧面的最高高度低于下壳后侧面的最高高度，下壳的左右侧面与前侧面之间设置有斜面，下壳的边角设置有螺柱Ⅰ，下壳位于前侧的螺柱Ⅰ与前侧面高度相同，上壳的边角对应设置有螺孔，上壳和下壳通过螺柱Ⅰ与螺孔锁紧连接。

进一步的，上壳的隔离层下部设置有显示屏，显示屏下方为电路板。

更进一步的，上壳上部还设置有指示灯，指示灯下部连接有导光柱，显示屏位于指示灯一侧设置有凹槽，导光柱通过凹槽连接在电路板上，在显示屏开设凹槽使导光柱穿过，保证指示灯与屏幕窗片的位置尽量接近，使得装置空间更为紧凑。

更进一步的，电路板对应按键一侧有突出部，突出部上设置有胶柱，上壳的凹槽内设置有圆形通孔，胶柱穿过圆形通孔与按键连接，在电路板上设置突出部来放置胶柱，而不是扩大电路板整体侧边面积，使得电路板能够放置于下壳中，不会被下壳非倾斜侧边的螺柱Ⅰ阻挡，充分利用装置的内部空间。

更进一步的，电路板左右侧边与前侧边之间设置有斜边，斜边上设置有天线，天线的倾斜角度与斜边一致，天线、电路板斜边与上壳的第二斜面匹配，即电路板斜边与第二斜面平行，使得上壳在与下壳锁紧时，第二斜面恰好与电路板斜边匹配，使上壳恰好覆盖在天线上方，在保证装置体积减小的同时充分利用内部空间。

一种用于高等级水准测量的实时测距系统，包括人机模块、控制模块、传感模块、监测模块和供电模块，

监测模块包括收发单元，监测模块与控制模块相连接，监测模块向控制模块传输监测的结果，控制模块处理监测结果后传输给人机模块；

人机模块包括显示屏、蓝牙装置、发声装置和按键，人机模块接收控制模块传输的监测结果，将监测结果反馈给用户，人机模块向控制模块传输控制指令；

传感模块包括振动传感器，传感模块向控制模块传输振动数据；

控制模块包括中央处理器、存储器和天线控制单元，控制模块接收监测模块、人机模块以及传感模块的信息，经过处理后反馈给上述模块；

供电模块包括电源，供电模块与监测模块、人机模块、传感模块以及控制模块相连，为上述模块供电。

进一步的，监测模块的收发单元与控制模块的中央处理器相接，收发单元用于脉冲信号以及信号收发时间信息的交换，中央处理器计算出初步的距离数据，作为抗多路径、提高测量稳定度的独特设计，收发单元通过巴伦变压器、发射功率放大单元PA、接收功率放大单元LNA、多重切换开关，以及其他控制逻辑，完成信号的收发工作。

更进一步的，人机模块的显示屏、蓝牙装置、发声装置和按键都与控制模块的中央处理器相连，显示屏接收中央处理器的输出信息，包括前视与后视距离、无线信号质量、测量状态和电量等信息；蓝牙装置同时与外部移动设备连接，蓝牙装置用于中央处理器与外部移动设备的数据交互，移动设备通过蓝牙装置将设备参数传输给中央处理器，如无线电参数、测量速度、测量算法选择、ID号码、分组号等参数，中央处理器将处理的结果存储在存储器中，中央处理器通过蓝牙装置向移动设备实时上传测量数据，通过蓝牙装置使用户能够通过移动设备与本装置进行远程交互；发声装置用于发声，发声装置通过发声提示用户当前设备状态，使用户在测距时无需时刻关注显示屏，发声装置通过不同模式提醒用户当前状态，因此用户可以至少从发声装置获取预警、设备状态等信息，另外在野外应用中，发声装置音量分贝数、鸣响频度与次数，均可通过移动设备调整到符合当前用户的工作与习惯；中央处理器接收按键传输的指令，包括开关机、显示屏翻页、查看显示屏状态等按键指令。

更进一步的，传感模块的振动传感器通与控制模块的中央控制器相连，用于实时采集振动数据并通过中央处理器运算出判决结果，通过微小的振动判断是否处在工作状态，将中间非测量时间、休息时间等全部做智能化的节电处理，使得整个系统能够维持较低的平均功耗水平。

更进一步的，控制模块的中央处理器和天线控制单元相连，天线控制单元包括天线切换器和若干根天线，用于切换射频天线，天线控制单元对各测量通道进行监测，并进行各通道传播路径的最优化分析，根据分析结果，灵活高效地切换天线，使得本设备能够获得最优的测量路径，中央处理器控制天线切换器，按照天线控制单元得出的最佳通道切换到对应的射频通道。

更进一步的，供电模块的电源为多级电压设计，可以为系统各个单元部件提供多种电压，使每个单元部件能够使用对应的电压进行驱动。

一种用于高等级水准测量的实时测距方法，包括以下步骤：

S100、UWB收发单元选择任意一根天线发射脉冲信号进行距离测量，并记录信号数据；

S200、在后续的N秒中，N秒为监测间隙，属于可调整参数，用于将测量工作分成若干个时间片，切换任意一根未使用过的天线进行测量，并记录信号数据；

S300、重复进行步骤S200，直到所有的天线都进行了测量；

S400、通过算法分析，得出最佳通道所对应的天线，最佳通道为算法计算得出的脉冲信号最优的信道，并增加该通道的测量次数和可信度，降低不可靠通道测量次数，不可靠通道为，该分析一直在后台持续，并在N秒内，进行判断和切换；

S500、重复进行步骤S200到S500，直到测量结束。

进一步的，所述信号数据包括各通道的信号强度、脉冲延迟时间和测量距离，用于计算最佳通道。

更进一步的，所述步骤S400中对最佳通道的分析算法包括如下步骤：

S401、在步骤S200中所述的时间片N秒内，持续监测当前天线信号数据f₁，f₂，f₃，其中f₁为信号强度r的信号量，f₂为脉冲延迟时间ε的信号量，f₃为测量距离d的信号量，每根天线测量i次；

S402、对于步骤S401中的参数，计算f₁、f₂、f₃的真有效值RMS：

其中i为测量次数，l为实际有效次数，r_i、ε_i、d_i分别为第i次测量的信号强度、脉冲延迟时间、测量距离，p^r(t_i)、p^ε(t_i)、p^d(t_i)分别为信号强度、脉冲延迟时间、测量距离的逼近多项式；

S403、计算f₁的真有效值RMS的过程如下：

由f₁采集的数据为r_i，对应的时间为t_i，i为步骤S402中的测量次数，得到r_i的逼近多项式：

其中a_k为多项式系数，k为多项式项数；

建立超定方程：

根据超定方程可得：

其中A为设计矩阵，L为测量数据的向量，X为未知数向量；

对上面的矩阵A、L、X进行矩阵运算：

X＝(A^TA)^-1A^TL

得到多项式系数a_k的最优估值，进而得出p^r(t_i)的值，根据p^r(t_i)的值计算f₁的真有效值f_1(rms)：

S404、依据步骤S403的方法依次得出f_1(rms)、f_2(rms)、f_3(rms)，根据f_1(rms)、f_2(rms)、f_3(rms)计算出加权结果F作为该通道的可信度参数：

其中λ_j为不同类型优化目标的权重函数，j为步骤S401所监测到的信号数据种类；

S405、比较当前所有天线的通道，选择加权结果F最小通道作为最优通道，并在每个时间片的初始时间进行天线切换。

更进一步的，所述测距方法还包括系统模块时间同步方法，包括以下步骤：

S601、系统中的所有模块通过中央处理器向其他模块广播自身的时间数据，时间数据包括模块的启动时间和设备序列号，本装置采用分时工作模式，不同模块的启动时间不同；

S602、模块接收到其他模块的时间数据，对时间数据进行排序，计算出各个模块的与自身的相对时间差，进一步得到整合时间数据，整合时间数据包括相对时间差、设备序列号；

S603、各个模块将整合时间数据传输给中央处理器，中央处理器将当前工作模块与整合时间数据匹配，根据整合时间数据中的时间差，在时间差结束后启动下一个工作模块；

S604、重复步骤S601至S603，直到测量结束。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本发明为一种用于高等级水准测量的实时测距装置、系统及方法，可把水准测量中前后视距的距离数据实时反馈给作业人员，使司仪及前视作业人员快速找到合适的位置，大大减少测量人员反复调整距离的工作量，使测量人员在移动的同时完成测距任务，实现前后视距相等一次性完成的目标。现有技术一般采用增加测量次数，增大耗电量的方法，达到增多数据量提高数据稳定性，但是这种方法将大大降低续航能力，增加空中信号拥堵；本发明的天线切换算法，每个时段仅用1根天线工作，能获得不同路径、频率的信号供算法分析最佳天线，在不增加测量次数情况下，可靠侦测高可靠性传播路径，优化测量结果，实现减少测量时间与耗电量的效果。本发明的装置可设置预警距离，当装置检测到前视与后视距离接近相等时，装置的蜂鸣器进行报警，直到前后视距离一致或者在容差范围内，才停止报警。

(2)本发明通过系统模块时间同步方法实现了系统模块的时间同步，用于降低系统模块的耗电量，利用中央处理器中的TIM定时器，使系统中的模块达到微秒到毫秒级别的时间同步，降低空闲等待时间，如果未实现时间同步，那么在装置工作时，监测模块需要一直监测空中是否来信号，系统中的所有模块需要持续工作，实现系统模块时间同步以后，所有模块就知道何时收到数据，因此模块可以在除此以外时间进入休眠，预期接收时间到来前唤醒，使装置节电90％以上；

(3)本发明通过在装置上壳的上部平面与前侧面之间设置有第一斜面，上壳的左右侧面与前侧面之间设置有第二斜面，减少了装置的体积，并且使得装置更方便持握，同时天线、电路板斜边与上壳的第二斜面匹配，避免了天线被螺柱Ⅱ阻挡，在保证装置体积减小的同时充分利用内部空间，增强了装置的便携性。

附图说明

图1为本发明的装置外部结构示意图；

图2为本发明的装置内部结构示意图；

图3为本发明的装置内部结构示意图；

图4为本发明的装置俯视图；

图5为本发明的装置左视图；

图6为本发明的装置后视图

图7为本发明的系统模块示意图；

图8为本发明的显示区域示意图；

图9为本发明的监测模块示意图；

图10为本发明的控制模块示意图；

图11为本发明的供电模块示意图；

图12为本发明的系统测距流程图。

标号说明：1、上壳；2、下壳；3、电路板；11、屏幕窗片；12、按键；13、指示灯；14、凹槽；15、圆形通孔；16、导光柱；17、方形通孔；18、第一斜面；19、第二斜面；21、螺柱Ⅰ；22、螺柱Ⅱ；23、电池；24、加强筋；25、充电口；26、限位片；31、天线；32、显示屏；33、胶柱。

具体实施方式

脉冲雷达常用TOF(Time of Flight)测距方法，即一种计算信号在空中飞行时间的测距方法。一般情况下，测量设备A在Tas发出脉冲测量信号，设备B在Tbr时刻接收到，并经过一定时间后，设备B在Tbs时刻发出应答信号，设备A最终在Tar时刻接收到该应答信号。则A设备从发送到接收的时间t_roundA为：

t_roundA＝Tar-Tas

设备B从接收到发送的时间t_replyB为：

t_replyB＝Tbs-Tbr

信号的总体飞行时间T为：

T＝t_roundA-t_replyB

该飞行时间T对应飞行距离为去程、回程之和，因此能够得出单程信号飞行时间为2/T，考虑信号传播速度为光速F，因此实测距离为D＝2F/T。

本发明中使用了双向TOF测距方法，即基于SDS-TWR的双边双向测距方法，将两个上述的TOF过程组合起来，第一个TOF由A设备发起，第二个TOF由B设备发起，最终数据汇集到A或者B的一方。这种测量方法能抵消各自板载晶振的温漂。一般来说测量误差是由于多径、晶振漂移这两个原因引起的。双向TOF技术的优势在于从技术原理上，能够补偿因为温度等条件变化引起的不同节点晶振偏移方向、程度不一致，从而导致测量偏差变化较大的结果。假设本系统测量的两个测量设备编号为A，B，它们在环境变化下，电阻温度系数ppm/℃，即单位温度引起的电阻值的变化，ppm(Part Per Million)表示百万分之几，这里的晶振漂移为-10ppm/℃以及+10ppm/℃，合计偏差20ppm/℃。根据双向TOF计算公式，测量距离t_p为：

假设信号传播时间为t_p＝30纳秒(ns)，t_reply均为1毫秒(ms)，t_reply可以由内置时钟电路精确控制到纳秒级别，所用时间t_p＝30×10^-9秒即30纳秒。而相对如果不做双向TOF，仅做单程飞行时间运算，所用时间t_p＝31.00003ns，由此可见双向TOF能将晶振漂移在运算中抵消，消除晶振误差产生的影响。

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

实施例1

如图1至图6所示，一种用于高等级水准测量的实时测距装置，包括外壳，外壳包括上壳1和下壳2，上壳1的上部为水平面，上壳1前侧面的最低高度低于上壳1后侧面的最低高度，上壳1的上部平面与前侧面之间设置有第一斜面18，上壳1的左右侧面与前侧面之间设置有第二斜面19，上壳1上部设置有方形通孔17，方形通孔17内设置有一圈隔离层，隔离层上部设置有屏幕窗片11，本实施例中的屏幕窗片11使用玻璃窗片，隔离层下部设置有显示屏32，屏幕窗片11一侧设置有凹槽14，按键12与凹槽14相匹配，本实施例中的按键12使用橡胶按键12，上壳1上部还设置有指示灯13，指示灯13下部连接有导光柱16，显示屏32位于指示灯13一侧设置有凹槽14，导光柱16通过凹槽14连接在电路板3上，在显示屏32开设凹槽14使导光柱16穿过，保证指示灯13与屏幕窗片11的位置尽量接近，使得装置空间更为紧凑。

本实施例中下壳2前侧面的最高高度低于下壳2后侧面的最高高度，下壳2的左右侧面与前侧面之间设置有斜面，下壳2的边角共设置有四根螺柱Ⅰ21，分别位于下壳2的四角，下壳2位于前侧的螺柱Ⅰ21与前侧面高度相同，上壳1的边角对应设置有螺孔，上壳1和下壳2通过螺柱Ⅰ21与螺孔锁紧连接。下壳2还设置有充电口25，充电口25与电路板3设置在相同高度，使充电口25可以给装置充电，充电口25外部覆盖橡胶件，防止充电口25积尘。下壳2后侧面还设置有若干条加强筋24，在增加产品的刚性和强度而无需增加产品切面面积，同时起到防滑作用。

显示屏32下方为电路板3，本实施例中的电路板3上设置有五个螺孔，下壳2设置有四根螺柱Ⅱ22，其中靠近下壳2后侧面的两个螺柱Ⅱ22与螺柱Ⅰ21紧贴，另外两个螺柱Ⅱ22位于下壳2前侧面，未与前侧面的螺柱Ⅰ21紧贴，电路板3的四角的四个螺孔分别与四根螺柱Ⅱ22连接，另一个螺孔作为预留孔，用于安装其他器件，电路板3对应按键12一侧有突出部，突出部上设置有胶柱33，上壳1的凹槽14内设置有圆形通孔15，胶柱33穿过圆形通孔15与按键12连接，在电路板3上设置突出部来放置胶柱33，而不是扩大电路板3整体侧边面积，使得电路板3能够放置于下壳2中，不会被下壳2非倾斜侧边的螺柱Ⅰ21阻挡。电路板3左右侧边与前侧边之间设置有斜边，斜边上设置有天线31，本实施例中设置有两根天线31，天线31为长方体，分别在电路板3的左右斜边，天线31的倾斜角度与斜边一致，即天线31的宽面与斜边平行，天线31、电路板3斜边与上壳1的第二斜面19匹配，即天线31的宽面、电路板3斜边与第二斜面19平行，使得上壳1在与下壳2锁紧时，第二斜面19恰好与电路板3斜边匹配，使上壳1恰好覆盖在天线31上方，在保证装置体积减小的同时充分利用内部空间。螺柱Ⅱ22与下壳2最低侧边的高度相同，电路板3通过螺孔安装在螺柱Ⅱ22的上部，当电路板3安装在螺柱Ⅱ22上时，电路板3高于下壳2的前侧面，避免了天线31被螺柱Ⅱ22阻挡。

电路板3下方设置有电池23，电池23位于下壳2内部底端，电池23与螺柱Ⅱ22高度相同，下壳2还设置有限位片26，电池23通过螺柱Ⅱ22和限位片26固定，螺柱Ⅱ22在固定电路板3的同时起到限位电池23的作用，通过螺柱Ⅱ22与电路板3的螺孔锁紧电池23于电路板3与下壳2之间，电路板3在与下壳2连接的同时起到紧固电池23的作用，减少了固定装置的使用，节约了装置内部空间。

如图7至图11所示，一种用于高等级水准测量的实时测距系统，包括人机模块、控制模块、传感模块、监测模块和供电模块。

监测模块包括UWB收发单元和天线切换器，监测模块与控制模块相连接，监测模块向控制模块传输监测的结果，控制模块处理监测结果后传输给人机模块，监测模块的UWB收发单元通过SPI接口与控制模块的中央处理器相接，UWB收发单元用于脉冲信号以及信号收发时间信息的交换，本实施例中的UWB收发单元采用支持标准802.15.4a体制UWB信号的DG4065模块，可以工作在3.5～7Ghz，天线切换器为SKY13373切换器，中央处理器计算出初步的距离数据，作为抗多路径、提高测量稳定度的独特设计，UWB收发单元通过巴伦变压器、发射功率放大单元PA、接收功率放大单元LNA、多重切换开关完成信号的收发工作；天线切换器与控制模块的中央处理器和天线控制单元连接。本实施例的天线控制单元采用2个控制器GPIO接口、1个射频切换器和3根天线，天线控制单元对各测量通道以及最优路径的分析监测、UWB收发单元收发状态，灵活高效地切换天线，使得本设备能够获得最优的测量路径，利用中央处理器控制天线切换器，按照天线控制单元得出的最佳通道切换到对应的射频通道。

人机模块包括显示屏、蓝牙装置、发声装置和按键，人机模块接收控制模块传输的监测结果，将监测结果反馈给用户，人机模块向控制模块传输控制指令，人机模块的显示屏、蓝牙装置、发声装置和按键都与控制模块的中央处理器相连，中央处理器通过SPI口与显示屏连接，本实施例的显示屏选用自发光OLED屏幕的SD1309液晶屏，在户外强光下能够取得很好的视觉效果，显示屏接收中央处理器的输出信息，包括前视与后视距离、无线信号质量、测量状态和电量等信息；中央处理器通过RS232口与蓝牙装置相连，这里的蓝牙装置选用E104蓝牙，蓝牙装置同时与外部移动设备连接，从而与移动设备建立通讯，移动设备通过蓝牙装置将设备参数传输给中央处理器，如无线电参数、测量速度、测量算法选择、ID号码、分组号等参数，中央处理器将处理的结果存储在存储器中，中央处理器通过蓝牙装置向移动设备实时上传测量数据，通过蓝牙装置使用户能够通过移动设备与本装置进行远程交互；发声装置与中央处理器连接，用于提示用户当前设备状态，使用户在测距时无需时刻关注显示屏，本实施例中的发声装置使用SMD9018蜂鸣器，通过不同模式提醒用户当前状态，因此用户可以至少从发声装置获取预警、设备状态等信息，另外在野外应用中，发声装置音量分贝数、鸣响频度与次数，均可通过移动设备调整到符合当前用户的工作与习惯；中央处理器通过外部中断GPIO接口与按键连接，中央处理器接收按键传输的指令，包括开关机、显示屏翻页、查看显示屏状态等按键指令，在本实施例中，中央处理器的外部中断口与至少两个按键相连，通过外部中断实现按键功能，一个按键用于处理一键开机、长按关机等电源管理功能，另一个按键处理信息调阅、翻页功能，两个按键的功能可以根据需要进一步揉合或者分离。

传感模块包括振动传感器，传感模块向控制模块传输振动数据，本实施例中的MEMS振动传感器选用BMA150震动节电传感器，通过I2C串行接口与控制模块的中央控制器相连，能实时采集振动数据并通过中央处理器运算出判决结果，将中间非测量时间、休息时间等全部做智能化的节电处理，使得整个系统能够维持较低的平均功耗水平。

控制模块包括中央处理器、存储器和天线控制单元，控制模块接收监测模块、人机模块以及传感模块的信息，经过处理后反馈给上述模块，这里的中央处理器选用STM32L431高速低功耗处理器，控制模块的中央处理器和天线控制单元相连，天线控制单元包括控制器GPIO接口、天线切换器和若干根天线，天线控制单元对各测量通道进行监测，并进行各通道传播路径的最优化分析，根据分析结果，灵活高效地切换天线，使得本设备能够获得最优的测量路径，中央处理器控制天线切换器，按照天线控制单元得出的最佳通道切换到对应的射频通道。

供电模块包括电源，供电模块与监测模块、人机模块、传感模块以及控制模块相连，为上述模块供电，供电模块还包括LTC3558充电管理、FPF2313多电压管理单元，本实施例中的电源采用3.7V锂电池供电，多电压管理单元为系统各个单元部件提供1.8V、2.5V、2.85V、5V等多个电压，使每个单元部件能够使用对应的电压进行驱动，其中5V电压采用升压电路，用于提高设备的信号发送功率，充电部分支持最大1A的充电电流，以便在极短的空余时间，用户的电量得到补充。

一种用于高等级水准测量的实时测距方法，包括以下步骤：

S100、UWB收发单元选择任意一根天线发射脉冲信号进行距离测量，并记录信号数据；

S200、在后续的N秒中，N秒为监测间隙，属于可调整参数，用于将测量工作分成若干个时间片，切换任意一根未使用过的天线进行测量，并记录信号数据，信号数据包括各通道的信号强度、脉冲延迟时间和测量距离，用于计算最佳通道。；

S300、重复进行步骤S200，直到所有的天线都进行了测量；

S400、通过算法分析，得出最佳通道所对应的天线，最佳通道为算法计算得出的脉冲信号最优的信道，并增加该通道的测量次数和可信度，降低不可靠通道测量次数，不可靠通道为，该分析一直在后台持续，并在N秒内，进行判断和切换；

S500、重复进行步骤S200到S400，直到测量结束。

步骤S400中对最佳通道的分析算法包括如下步骤：

S401、在步骤S200中所述的时间片N秒内，持续监测当前天线信号数据f₁，f₂，f₃，其中f₁为信号强度r的信号量，f₂为脉冲延迟时间ε的信号量，f₃为测量距离d的信号量，每根天线测量i次；

S402、对于步骤S401中的参数，计算f₁、f₂、f₃的真有效值RMS：

其中i为测量次数，l为实际有效次数，r_i、ε_i、d_i分别为第i次测量的信号强度、脉冲延迟时间、测量距离，p^r(t_i)、p^ε(t_i)、p^d(t_i)分别为信号强度、脉冲延迟时间、测量距离的逼近多项式；

S403、计算f₁的真有效值RMS的过程如下：

由f₁采集的数据为r_i，对应的时间为t_i，i为步骤S402中的测量次数，得到r_i的逼近多项式，由于在测量数据的拟合过程中无法得到一个确定的数值，因此通过实用逼近多项式，使得在运算后得测量数据能够无限逼近真实值：

其中a_k为多项式系数，k为多项式项数；

建立超定方程：

根据超定方程可得：

其中A为设计矩阵，L为测量数据的向量，X为未知数向量；

对上面的矩阵A、L、X进行矩阵运算，本实施例中取低阶项，即n＝1或n＝2：

X＝(A^TA)^-1A^TL

得到多项式系数a_k的最优估值，进而得出p^r(t_i)的值，根据p^r(t_i)的值计算f₁的真有效值f_1(rms)：

S404、依据步骤S403的计算方法，将公式中的r_i对应替换为ε_i和d_i，即可得出f_2(rms)、f_3(rms)，根据f_1(rms)、f_2(rms)、f_3(rms)计算出加权结果F作为该通道的可信度参数，：

其中λ_j为不同类型优化目标的权重函数，权重函数λ_j采用普通的线性加权，F_i越小，信道可信度越高，j为步骤S401所监测到的信号数据种类，本实施例中λ₁、λ₂、λ₃分别设为0.2、0.30.5；

S405、比较当前所有天线的通道，选择加权结果F最小通道作为最优通道，并在每个时间片的初始时间进行天线切换。

测距方法还包括系统模块时间同步方法，利用中央处理器的TIM定时器与纳秒级别的射频时间进行对接，形成一个完整的长时间信息，包括以下步骤：

S601、系统中的所有模块通过中央处理器向其他模块广播自身的时间数据，时间数据包括模块的启动时间和设备序列号，本装置采用分时工作模式，不同模块的启动时间不同；

S602、模块接收到其他模块的时间数据，对时间数据进行排序，计算出各个模块的与自身的相对时间差，进一步得到整合时间数据，整合时间数据包括相对时间差、设备序列号；

S603、各个模块将整合时间数据传输给中央处理器，中央处理器将当前工作模块与整合时间数据匹配，根据整合时间数据中的时间差，在时间差结束后启动下一个工作模块；

S604、重复步骤S601至S603，直到测量结束。

如图12所示，在用于测距时，需要两个装置分别作为主机和从机，主机每250毫秒发射信号，并监测从机有无应答，如果没有应答，则进入休眠状态，直到达到预设的休眠时间或人为唤醒；如果主机接收到从机应答，从机和主机分别测出距离，输出在显示屏上，同时天线根据通信质量实时切换，当测量结束时，长按关机键大于3秒即可关机，如果小于3秒则进入休眠。

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (10)

1.一种用于高等级水准测量的实时测距装置，包括外壳，其特征在于：所述外壳包括上壳(1)和下壳(2)，上壳(1)的上部为水平面，上壳(1)的上部平面与前侧面之间设置有第一斜面(18)，上壳(1)的左右侧面与前侧面之间设置有第二斜面(19)，上壳(1)上部设置有方形通孔(17)，方形通孔(17)内设置有一圈隔离层，隔离层上部设置有屏幕窗片(11)，屏幕窗片(11)一侧设置有凹槽(14)，按键(12)与凹槽(14)相匹配，下壳(2)的边角设置有螺柱Ⅰ(21)，下壳(2)位于前侧的螺柱Ⅰ(21)与前侧面高度相同，上壳(1)的边角对应设置有螺孔，上壳(1)和下壳(2)通过螺柱Ⅰ(1)与螺孔锁紧连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于高等级水准测量的实时测距装置，其特征在于：所述上壳(1)的隔离层下部设置有显示屏(32)，显示屏(32)下方为电路板(3)。

3.根据权利要求2所述的一种用于高等级水准测量的实时测距装置，其特征在于：上壳(1)上部还设置有指示灯(13)，指示灯(13)下部连接有导光柱(16)，显示屏(32)位于指示灯(13)一侧设置有凹槽，导光柱(16)通过凹槽连接在电路板上。

4.根据权利要求3所述的一种用于高等级水准测量的实时测距装置，其特征在于：所述电路板(3)对应按键(12)一侧有突出部，突出部上设置有胶柱(33)，上壳(1)的凹槽(14)内设置有圆形通孔(15)，胶柱(33)穿过圆形通孔(15)与按键(12)连接。

5.根据权利要求4所述的一种用于高等级水准测量的实时测距装置，其特征在于：所述电路板(3)左右侧边与前侧边之间设置有斜边，所述斜边上设置有天线(31)，天线(31)、电路板(3)斜边与上壳(1)的第二斜面(19)匹配。

6.一种基于权利要求1所述的用于高等级水准测量的实时测距系统，其特征在于：所述系统包括人机模块、控制模块、传感模块、监测模块和供电模块，

监测模块包括收发单元，监测模块与控制模块相连接，监测模块向控制模块传输监测的结果，控制模块处理监测结果后传输给人机模块；

人机模块包括显示屏、蓝牙装置、发声装置和按键，人机模块接收控制模块传输的监测结果，将监测结果反馈给用户，人机模块向控制模块传输控制指令；

传感模块包括振动传感器，传感模块向控制模块传输振动数据；

控制模块包括中央处理器、存储器和天线控制单元，控制模块接收监测模块、人机模块以及传感模块的信息，经过处理后反馈给上述模块，天线控制单元用于切换测量天线；

供电模块包括电源，供电模块与监测模块、人机模块、传感模块以及控制模块相连，为上述模块供电。

7.一种基于权利要求6的用于高等级水准测量的实时测距方法，包括以下步骤：

S100、收发单元选择任意一根天线发射脉冲信号进行距离测量，并记录信号数据；

S200、在后续的N秒中，切换任意一根未使用过的天线进行测量，并记录信号数据；

S300、重复进行步骤S200，直到所有的天线都进行了测量；

S400、通过算法分析所有天线，得出最佳通道所对应的天线，并增加该通道的测量次数和可信度，降低不可靠通道测量次数，并在N秒内，进行判断和切换；

S500、重复进行步骤S200到S400，直到测量结束。

8.根据权利要求7所述的一种用于高等级水准测量的实时测距方法，其特征在于：步骤S100中的信号数据包括各通道的信号强度、脉冲延迟时间和测量距离。

9.根据权利要求7所述的一种用于高等级水准测量的实时测距方法，其特征在于：步骤S400中对最佳通道进行分析切换包括以下步骤：

S401、在步骤S200中所述的时间片N秒内，持续监测当前天线信号数据f₁，f₂，f₃，其中f₁为信号强度r的信号量，f₂为脉冲延迟时间ε的信号量，f₃为测量距离d的信号量，每根天线测量i次；

S402、对于步骤S401中的参数，计算f₁、f₂、f₃的真有效值RMS：

其中i为测量次数，l为实际有效次数，r_i、ε_i、d_i分别为第i次测量的信号强度、脉冲延迟时间、测量距离，p^r(t_i)、p^ε(t_i)、p^d(t_i)分别为信号强度、脉冲延迟时间、测量距离的逼近多项式；

S403、计算f₁的真有效值RMS的过程如下：

由f₁采集的数据为r_i，对应的时间为t_i，i为步骤S402中的测量次数，得到r_i的逼近多项式：

其中a_k为多项式系数，k为多项式项数；

建立超定方程：

根据超定方程可得：

其中A为设计矩阵，L为测量数据的向量，X为未知数向量；

对上面的矩阵A、L、X进行矩阵运算：

X＝(A^TA)^-1A^TL

得到多项式系数a_k的最优估值，进而得出p^r(t_i)的值，根据p^r(t_i)的值计算f₁的真有效值f₁(rms)：

S404、依据步骤S403的方法依次得出f_1(rms)、f_2(rms)、f_3(rms)，根据f_1(rms)、f_2(rms)、f_3(rms)计算出加权结果F作为该通道的可信度参数：

其中λ_j为不同类型优化目标的权重函数，j为步骤S401所监测到的信号数据种类；

S405、比较当前所有天线的通道，选择加权结果F最小通道作为最优通道，并在每个时间片的初始时间进行天线切换。

10.根据权利要求7所述的一种用于高等级水准测量的实时测距方法，其特征在于：所述测距方法还包括系统模块时间同步方法，包括以下步骤：

S601、系统中的所有模块通过中央处理器向其他模块广播自身的时间数据；

S602、模块接收到其他模块的时间数据，对时间数据进行排序，计算出各个模块的与自身的相对时间差，进一步得到整合时间数据；

S603、各个模块将整合时间数据传输给中央处理器，中央处理器将当前工作模块与整合时间数据匹配，根据整合时间数据中的时间差，在时间差结束后启动下一个工作模块；

S604、重复步骤S601至S603，直到测量结束。

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