CN111142098A - 基于uwb技术的动态三维测速系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于UWB技术的动态三维测速系统及方法，系统包括定位基站、定位标签和速度解算系统；通过高频率刷新测定距离，统一授时，从而给出运动目标在运动过程中三个维度的实时速度，能够根据不同时间粒度给出运动目标在不同时间段内的速度，更有利于工程应用和实验测量，尤其是速度变化剧烈，运动速度快的目标。本发明借助UWB高精度测距特性，根据不同实验测速场景灵活部署基站和标签，测量运动目标的实时速度，应用场景不受室内、室外场景和天气影响。

Description

基于UWB技术的动态三维测速系统及方法
技术领域
本发明涉及三维测速技术，特别是一种基于UWB技术的动态三维测速系统及方法。
背景技术
伴随着电子技术和半导体工艺技术的飞速发展，MEMS传感技术得到了长足发展，随着传感器技术工艺不断更新，类似震动、加速度传感器已经广泛用于日常生活，加速度、角速度传感器只能测量运动目标的瞬间角速度和角速度，而实时测速，尤其是动态测速仍然是工业加工、飞行实验过程中的难题。
目前主要靠一组高速摄像机来捕捉运动目标的在不同维度的画面，进而通过图像分析来测定运动目标在实际运动过程中的三维速度，但这种测试方法本身成本昂贵，而且存在对外界光线敏感、易受遮挡影响等弊端。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于UWB技术的动态三维测速系统及方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于UWB技术的动态三维测速系统，包括定位基站、定位标签和速度解算系统；
定位基站部署在测速范围内，与固定在被测目标上的定位标签利用雷达波进行通讯，测定定位基站与定位标签之间的距离；
速度解算系统根据时间戳信息和测距信息确定被测目标的实时位置点，按照设定的测速粒度，计算被测目标不同位置点的不同维度距离，进而根据时间戳信息计算被测目标在不同维度上的实时速度。
一种基于UWB技术的动态三维测速方法，该方法包括：
(1)在测速范围内部署定位基站，包括X、Y轴方向的二维平面区域和Z轴高度方向，部署3个以上定位基站，按照实际距离标定后，构建测速系统的三维坐标系，被测目标顶部固定定位标签；
(2)采用有线或者无线授时系统同步不同定位基站的时钟；
(3)当被测目标在定位基站范围内运动时，固定在运动目标上的定位标签根据系统设定的频率动态测定它与不同定位基站之间的距离，将测距信息和相应时间戳信息发送速度解算系统，计算被测目标的实时三维坐标点；
(4)速度解算系统根据预先设定的时间窗口粒度大小，通过被测目标的实时三维坐标点和时间戳信息计算给出被测目标的实时速度。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：(1)本发明的测距方案不受光线、遮挡影响小，适用范围广；(2)本发明能通过调整单点刷新频率获取多组测距数据，减小误差；(3)本发明现场使用部署、使用方便，对用户技术要求不高；(4)本发明的测距方案采用非公频雷达波段，传输距离远，抗干扰能力强；(5)本发明测速精度高，视距超过300米以上，能适用绝大多数的实验场景。
附图说明
图1是基于UWB技术的动态三维测速系统原理框图。
图2是基于UWB技术的动态三维测速方法流程图。
具体实施方式
一种基于UWB技术的动态三维测速系统，包括定位基站、定位标签和速度解算系统；
定位基站部署在测速范围内，与固定在被测目标上的定位标签利用雷达波进行通讯，测定定位基站与定位标签之间的距离；
速度解算系统根据时间戳信息和测距信息确定被测目标的实时位置点，按照设定的测速粒度，计算被测目标不同位置点的不同维度距离，进而根据时间戳信息计算被测目标在不同维度上的实时速度。
进一步的，在测速范围内部署定位基站，包括X、Y轴方向的二维平面区域和Z轴高度方向，部署3个以上定位基站。
进一步的，测速系统还包括校时基站，同步不同定位基站的时钟，校时基站只要在通讯范围内，即覆盖所有的定位基站即可。
所述测算范围也就是在定位基站部署覆盖的区域内对高速移动的目标物体进行测速；即测速目标所配置的标签需要能同时收到3个以上基站的测距信号即可。
进一步的，定位标签设置在被测目标顶部。
本发明还提供一种基于UWB技术的动态三维测速方法，该方法包括：
(1)在测速范围内部署定位基站，包括X、Y轴方向的二维平面区域和Z轴高度方向，部署3个以上定位基站，按照实际距离标定后，构建测速系统的三维坐标系，被测目标顶部固定定位标签；
(2)采用有线或者无线授时系统同步不同定位基站的时钟；
(3)当被测目标在定位基站范围内运动时，固定在运动目标上的定位标签根据系统设定的频率动态测定它与不同定位基站之间的距离，将测距信息和相应时间戳信息发送速度解算系统，计算被测目标的实时三维坐标点；首先由定位基站区域进行标定、建立坐标系、求出运动目标的起始坐标点，每次通过测距信息获取目标下一坐标点；
(4)速度解算系统根据预先设定的时间窗口粒度大小，通过被测目标的实时三维坐标点和时间戳信息计算给出被测目标的实时速度。
进一步的，被测目标的实时速度计算方法为：通过两次的时间戳信息获取时间差，根据三维坐标点计算两次运行距离，进而求出目标实时速度。
系统根据运动目标移动的速度快慢，动态调整测距定位的刷新频率，进而满足运动目标速度急剧变化情况下的测距精度和测速精度，满足不同应用场景的测速需求。速度越快，刷新频率越高，否则不能满足精度要求。
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例
一种基于UWB技术的动态三维测速系统，如图1所示，包括定位基站、单位标签、校时基站以及速度解算系统。图中基站A～D为定位基站，位置点解算系统后台即为速度解算系统。定位基站部署在测速范围内，与固定在被测目标上的定位标签利用雷达波进行高速通讯，进一步通过时间戳信息和测距信息给出目标的实时位置点；定位标签固定在运动目标上，完成与基站之间的高精度测距和通讯；最终将测距信息以及相应的时间戳信息一同发送到后台的速度解算系统，按照实验要求的测速粒度，计算运动目标不同位置坐标点的不同维度距离，进而根据时间戳信息计算运动目标在不同维度上的实时速度。
如图2所示，三维测速方法具体步骤如下：
首先，在需要测速现场范围内部署定位基站，包括X、Y轴方向的二维平面区域和Z轴高度方向，至少部署3个以上定位基站，按照实际距离严格标定后，构建测速系统的三维坐标系，运动目标顶部固定定位标签；接下来，基站通电运行，采用有线或者无线授时系统来同步不同基站的时钟，确保时钟严格同步，因为时钟同步是高精度测距的前提；其次，当运动目标在基站范围内运动时，固定在运动目标上的定位标签会根据系统设定的频率动态测定它与不同基站之间的距离，进一步将测距信息和相应时间戳信息发送给速度解算系统，计算给出运动目标的实时三维坐标点；最后，速度解算系统根据实验预先设定的时间窗口粒度大小，通过运动目标的实时坐标点和时间戳信息计算给出运动目标的实时速度。另外，系统能根据运动目标移动的速度快慢，动态调整测距定位的刷新频率，进而满足运动目标速度急剧变化情况下的测距精度和测速精度，满足不同应用场景的测速需求。
本发明借助UWB高精度测距特性，根据不同实验测速场景灵活部署基站和标签，测量运动目标的实时速度，应用场景不受室内、室外场景和天气影响；相比于传统高速摄像机的图像分析法，方案采用非公频雷达波段进行测距，抗干扰能力强，不受光线、遮挡影响，具备部署实施成本低、视距远等优点，同时能根据实验需求，动态调整测距刷新频率，满足不同时间粒度的速度测试需求。

Claims (6)

1.一种基于UWB技术的动态三维测速系统，其特征在于，包括定位基站、定位标签和速度解算系统；
定位基站部署在测速范围内，与固定在被测目标上的定位标签利用雷达波进行通讯，测定定位基站与定位标签之间的距离；
速度解算系统根据时间戳信息和测距信息确定被测目标的实时位置点，按照设定的测速粒度，计算被测目标不同位置点的不同维度距离，进而根据时间戳信息计算被测目标在不同维度上的实时速度。
2.根据权利要求1所述的基于UWB技术的动态三维测速系统，其特征在于，在测速范围内部署定位基站，包括X、Y轴方向的二维平面区域和Z轴高度方向，部署3个以上定位基站。
3.根据权利要求1所述的基于UWB技术的动态三维测速系统，其特征在于，测速系统还包括校时基站，同步不同定位基站的时钟。
4.根据权利要求1所述的基于UWB技术的动态三维测速系统，其特征在于，定位标签设置在被测目标顶部。
5.一种基于UWB技术的动态三维测速方法，其特征在于，该方法包括：
(1)在测速范围内部署定位基站，包括X、Y轴方向的二维平面区域和Z轴高度方向，部署3个以上定位基站，按照实际距离标定后，构建测速系统的三维坐标系，被测目标顶部固定定位标签；
(2)采用有线或者无线授时系统同步不同定位基站的时钟；
(3)当被测目标在定位基站范围内运动时，固定在运动目标上的定位标签根据系统设定的频率动态测定它与不同定位基站之间的距离，将测距信息和相应时间戳信息发送速度解算系统，计算被测目标的实时三维坐标点；
(4)速度解算系统根据预先设定的时间窗口粒度大小，通过被测目标的实时三维坐标点和时间戳信息计算给出被测目标的实时速度。
6.根据权利要求5所述的基于UWB技术的动态三维测速方法，其特征在于，被测目标的实时速度计算方法为：通过两次的时间戳信息获取时间差，根据三维坐标点计算两次运行距离，进而求出目标实时速度。
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