CN113039101B - 车辆用uwb精确位置预测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明用于利用UWB(超宽带，Ultra Wide Band)的车辆与钥匙模块之间的位置预测，尤其，涉及一种车辆用精确位置预测方法及系统，其可以通过使车辆的种类及车辆的外廓金属材料的影响最小化来预测位置。一种车辆用UWB精确位置预测方法，其特征在于，包括：LIN收发器(Transceiver)从车辆内部接收与位置预测有关的信号，并将该信号传输到UWB收发器(Transceiver)以开始位置预测的步骤；上述控制部以一定时间差打开/关闭(ON/OFF)M个天线的每个开关，并测定一定次数的与UWB标签(Tag)的接收信号延迟(Delay)的步骤；确定上述测定一定次数的接收信号延迟值小于等于预定的阈值的天线的步骤；测定确定的上述天线之间的距离及每个天线与UWB标签之间的距离的步骤；基于上述天线之间的距离及每个天线与UWB标签之间的距离，利用TWR(双向测距)定位确定与UWB标签的位置角度的步骤；利用上述M个锚点(Anchor)与UWB标签之间的三角测量方法对所测定的UWB锚点与UWB标签的距离进行测定的步骤；以及基于与上述UWB标签的位置角度及上述N个UWB锚点与UWB标签的距离来预测UWB标签的位置的步骤。

Description

车辆用UWB精确位置预测方法及系统
技术领域
本发明用于利用UWB(超宽带，Ultra Wide Band)的车辆与钥匙模块之间的位置预测，尤其，涉及一种车辆用精确位置预测方法及系统，其可以通过使车辆的种类及车辆的外廓金属材料的影响最小化来预测位置。
背景技术
用于预测特定用户或物体的位置的技术正在诸如LBS(基于位置服务，LocationBased Service)等各种通信系统中使用，并且作为无线通信技术的重要话题而受到关注。
尤其，以往开发了在车辆与车辆周围设备之间的各种位置预测技术，但最近能够精确定位的UWB方式的位置预测被广泛使用。
UWB是指使用500MHz以上的频带，或者定义为分数带宽(Fractional Band Width)的数值为25％以上的无线电技术。分数带宽是指信号的带宽与中心频率之比。即，UWB是使用宽带频率的无线电技术，并且具有诸如距离的高分辨率、穿透性、对窄频带噪音的强免疫性、与共享频率的其他设备的共存性等各种优点。
代表性的位置预测技术是到达时间(TOA：Time of Arrival)三角边测量方法，其是在预测移动物体与最少三个以上的参照点之间的距离后，通过生成三个参照点的地点和预测的三个距离作为半径的三个圆来将圆的交点确定为移动物体的位置的方法。
通常，距离是利用在参照点与移动物体之间发送/接收的信号的延迟(delay)来进行预测的，在此过程中，预测的距离会比实际距离长。
尤其，在因障碍物而导致的多路径(Multi-Path)成为问题的室内环境中，因几毫秒(Mili-seconds)的时间差而可能产生严重的误差，对于车辆而言，因车辆外廓金属部的路径损耗(Path loss)而可能产生测定误差及偏差。
因此，需要寻求一种适合于车辆环境的利用UWB的精确位置预测方法及系统。
发明内容
发明所要解决的问题
因此，本发明的技术问题考虑到如上所述的问题，本发明的目的在于，提供一种使车辆的种类及车辆的外廓金属材料的影响最小化的利用UWB的车辆与钥匙模块之间的位置预测方法及系统。
用于解决问题的方案
用于实现本发明的另一目的的根据一实施例的车辆用UWB精确位置预测系统为包括设置于钥匙模块的UWB标签(Tag)及设置于车辆内的N个UWB锚点(Anchor)的车辆用UWB精确位置预测系统，其特征在于，上述UWB锚点包括：LIN收发器(Transceiver)，其用于从车辆内部接收与位置预测有关的信号；UWB收发器(Transceiver)，其接收从上述LIN收发器传输的上述与位置预测有关的信号，并执行与UWB标签的位置预测；M个天线，其与上述UWB收发器相连接，并且以规定间隔隔开以防止相互干涉；开关，其用于以一定时间差打开/关闭(ON/OFF)上述M个天线；控制部，其用于控制各个装置，使得以上述一定时间差打开/关闭开关，并测定一定次数的与UWB标签的接收信号延迟(Delay)，确定上述测定一定次数的接收信号延迟值小于等于预定的阈值的天线，测定确定的上述天线之间的距离及每个天线与UWB标签之间的距离，基于上述天线之间的距离及每个天线与UWB标签之间的距离，利用TWR(双向测距，Two-way Ranging)定位确定与UWB标签的位置角度，利用设置于上述车辆的N个UWB锚点与UWB标签之间的三角测量方法对所测定的UWB锚点和UWB标签的距离进行测定，并基于测定的上述位置角度和距离来预测UWB标签的位置；以及电源部，其用于供电。
在本发明的一个实施例中，上述M个天线可以是定向天线或非定向天线。
在本发明的一个实施例中，可以通过调节角度来将上述M个天线安装在互不相同的方向上。
在本发明的一个实施例中，当上述M个天线是定向天线时，控制部可以通过从UWB锚点向UWB标签传输参考(reference)信号来识别UWB标签方向，并确定天线的定向性。
用于实现本发明的另一目的的根据一实施例的车辆用UWB精确位置预测方法使用包括设置于钥匙模块的UWB标签(Tag)及设置于车辆内的N个UWB锚点(Anchor)的车辆用UWB精确位置预测系统，上述UWB锚点包括：LIN收发器，其用于从车辆内部接收与位置预测有关的信号；UWB收发器，其用于从上述LIN收发器接收信号；M个天线，其与上述UWB收发器相连接，并且以规定间隔隔开以防止相互干涉；开关，其用于确定上述M个天线是否工作；控制部，其用于控制上述装置；以及电源部，其用于供电，其特征在于，包括：LIN收发器从车辆内部接收与位置预测有关的信号，并将该信号传输到UWB收发器以开始位置预测的步骤；上述控制部以一定时间差打开/关闭M个天线的每个开关，并测定一定次数的与UWB标签的接收信号延迟(Delay)的步骤；确定上述测定一定次数的接收信号延迟值小于等于预定的阈值的天线的步骤；测定确定的上述天线之间的距离及每个天线与UWB标签之间的距离的步骤；基于上述天线之间的距离及每个天线与UWB标签之间的距离，利用TWR(双向测距，Two-wayRanging)定位确定与UWB标签的位置角度的步骤；利用上述M个锚点与UWB标签之间的三角测量方法对所测定的UWB锚点与UWB标签的距离进行测定的步骤；以及基于与上述UWB标签的位置角度及上述N个UWB锚点与UWB标签的距离来预测UWB标签的位置的步骤。
在本发明的一个实施例中，上述M个天线可以是定向天线或非定向天线。
在本发明的一个实施例中，可以通过调节角度来将上述M个天线安装在互不相同的方向上。
在本发明的一个实施例中，当上述M个天线是定向天线时，控制部可以通过从UWB锚点向UWB标签传输参考(reference)信号来识别UWB标签方向，并确定天线的定向性。
发明效果
如上所述，根据本发明实施例的利用UWB的车辆与钥匙模块之间的位置预测方法及系统可以通过使因车辆的种类及车辆的外廓金属材料而可能产生的测定误差及偏差最小化来实现准确的定位。
并且，可以使用更简单且更少的模块来进行准确的车辆与钥匙模块之间的位置预测，从而降低了成本。
附图说明
图1a至图1b是示出车辆的UWB锚点与钥匙模块的UWB标签的位置定位方法及错误情况的图。
图2是示出根据本发明实施例的UWB锚点的结构的框图。
图3是根据本发明实施例的设置于车辆的UWB锚点的概念图。
图4a至图4b是说明根据本发明实施例的UWB锚点与UWB标签之间的位置测定方法的图。
图5是示出根据本发明实施例的UWB锚点与UWB标签之间的位置测定方法的流程图。
图6是说明用于预测移动的对象的实时位置的普通三角测量方法的图。
具体实施方式
对于本文公开的本发明的实施例，仅出于描述本发明的实施例的目的而举例说明特定的结构或功能，并且本发明的实施例能够以各种形式实施，不应该被理解为限于在此描述的实施例。
本发明可以进行多种改变，并可以具有多种形式，因此在附图中示出了特定实施例，并在本文中进行详细的说明。但是，本发明的特定实施例不限定特定的公开形式，而是应当被理解为包括本发明的思想以及技术范围中所包括的所有改变、同等物或替代物。
诸如第一、第二等的术语可以用于描述各种构成要素，但是上述构成要素不应该限定于上述术语。上述术语能够以区分一个构成要素和另一个构成要素为目的而使用。例如，在不脱离本发明的权利范围的情况下，第一构成要素可以被命名为第二构成要素，并且类似地，第二构成要素可以被命名为第一构成要素。
应该理解的是，当一个构成要素与另一个构成要素“连接”或“耦合”时，可以直接与另一个构成要素连接或耦合，但是中间也可以存在再一个构成要素。相反地，应该理解的是，当一个构成要素与另一个构成要素“直接连接”或“直接耦合”时，中间不存在其他构成要素。描述构成要素之间的关系的其他表达，例如“在…之间”和“恰好…之间”或“与…相邻”和“与…直接相邻”等也应当以相同的方式被解释。
在本申请中使用的术语仅仅是为了说明特定的实施例而使用的，并不是限定本发明的意图。单个表现只要在文脉上没有明确指出不同意思就包括多个表现。在本申请中，“包括”或者“具有”等的术语是指定记载于说明书上的特征、数字、步骤、动作、构成要素、组件或者它们的组合的存在，而且应当被理解为不会预先排除一个或一个以上的不同特征或数字、步骤、动作、构成要素、组件或者它们的组合的存在或者附加可能性。
在不进行其他定义的情况下，在此使用的包括技术术语或科学术语的全部术语具有与本领域技术人员常规理解的意思相同的含义。诸如通常使用的事先定义的术语等术语要理解为基于相关技术的文脉所具有的含义相同，在本申请中没有明确定义的前提下，不会理解为理想化或者过度形式化的含义。
另一方面，当能够以不同的方式实现某个实施例时，在特定块中指定的功能或动作也能够以与流程图中指定的顺序不同的方式实现。例如，实际上可以同时执行连续的两个块，根据相关的功能或动作，还可以相反地执行上述块。
以下，将参照附图更加详细地描述本发明的优选实施例。在附图中，针对相同的构成要素，使用相同的附图标记，将省略相同的构成要素的重复说明。
图1a至图1b是示出在特定方向因由车辆100的金属部的影响引起的损耗及多路径衰落(fading)而导致的UWB锚点101、102、103、104与UWB标签200之间的定位误差和偏差的发生情况的图。
参照图1a，当UWB标签偏向车辆的右侧时，在UWB锚点101、102、103、104中的锚点103、104中，因与UWB标签200之间的远距离及车辆金属部的影响而没有被正确地定位，从而发生测定错误。
图1b是示出基于车辆外廓的2M位置的UWB锚点101、102、103、104和UWB标签200的实际定位值的图。
参照图1b，即使UWB标签200位于基于车辆外廓的2M位置，根据位置至因车辆金属部的影响而发生损耗及多路径衰落，从而可以看出其定位值在2M～2.7M之间。
因此，可以看出，需要一种能够解决因这种车辆金属部的影响而引起的损耗及多路径衰落的问题，并且与UWB锚点和UWB标签的位置无关地，能够尽可能准确地进行定位的方法。
因此，本发明提出了能够在考虑设备成本及定位装置的安装空间的同时，尽可能准确地进行定位的UWB锚点结构。
图2是示出根据本发明实施例的N个UWB锚点101、102、103、104的结构的框图。
上述N个UWB锚点101可以包括：LIN收发器101-f(LIN通信用)，其用于从车辆内部接收与位置预测有关的信号；UWB收发器101-e，其接收从上述LIN收发器101-f传输的与位置预测有关的信号，并执行与UWB标签的位置预测；M个天线101-a、101-b(实施例中示出两个天线)，其与上述UWB收发器101-e相连接，并且以规定间隔隔开以防止相互干涉；开关101-c，其用于以一定时间差打开/关闭上述M个天线；控制部101-d，其用于控制上述装置；以及电源部101-g，其用于供电。
在本发明的一个实施例中，上述LIN收发器可以是能够进行CAN通信的CAN收发器或能够进行以太网(Ethernet)通信的以太网收发器。
在本发明的一个实施例中，上述M个天线101-a、101-b可以是定向天线或非定向天线。
在本发明的一个实施例中，可以通过调节角度来将上述M个天线101-a、101-b安装在互不相同的方向上。
在本发明的一个实施例中，当上述M个天线是定向天线101-a、101-b时，控制部101-d可以通过从UWB锚点101、102、103、104向UWB标签200传输参考信号来识别UWB标签方向，并确定天线的定向性。
图3是根据本发明实施例的设置于车辆的UWB锚点101、102、103、104的天线分别为两个时的布局图。
参照图3，可以看出，通过在UWB锚点101、102、103、104以规定间隔隔开的两个天线来覆盖更多的车辆的区域，并且可以实现与UWB标签200的位置预测。
因此，可以仅通过在上述UWB锚点101、102、103、104以规定间隔隔开的M个天线和开关101-c来覆盖车辆的多个区域的同时，执行与智能钥匙的UWB标签200的位置预测，从而可以看出，可以在不受车辆的金属的影响及多路径衰落的影响的区域执行位置预测。
对于在上述UWB锚点101、102、103、104以规定间隔隔开的M个天线和UWB标签200，以一定时间差打开/关闭开关101-c，可以测定一定次数的与UWB标签200的接收信号延迟。
此时，可以减少近距离及车辆的金属部的影响或对多路径衰落影响小的天线与UWB标签之间的接收信号延迟。
因此，可以确定上述测定一定次数的接收信号延迟值小于等于预定的阈值的天线。
测定确定的上述天线之间的距离及每个天线与UWB标签之间的距离，并且可以基于上述天线之间的距离及每个天线与UWB标签之间的距离，利用TWR定位确定与UWB标签的位置角度。
图4a至图4b是说明根据本发明实施例的UWB锚点与UWB标签之间的TWR位置测定方法的图。
如图4a所示，TWR定位方法是TOA方法之一，其通过在移动装置与固定装置之间传递频率来测定反应速度并将此换算为距离。
参照图4b，通过TWR方式获知UWB锚点的每个天线与UWB标签之间的距离及天线之间的距离，并且当获知它们之间的夹角时，可以准确地计算UWB标签与UWB锚点的每个天线的角度。
即，可以准确地定位UWB标签200与UWB锚点101、102、103、104的每个天线的方向。
另一方面，可以利用三角测量方法测定上述N个UWB锚点101、102、103、104与UWB标签200之间的距离。
三角测量方法是一种简单的几何方法，其为在RTLS(实时定位系统(Real TimeLocating System)系统中预测在二维平面上移动的对象的实时位置时最常用的方法。
参照图6，为了预测在二维平面(以下，仅假设二维平面)上移动的对象的实时位置，需要最少三个以上的参照点。
假设这些参照点为AP1、AP2、AP3，如图6所示，假设每个AP的坐标为(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)。假设由M表示移动的对象且当前位置为(x，y)。并且，从移动对象M到三个参照点的距离为d1、d2、d3，可以通过勾股定理简单地计算出移动对象M到每个参照点之间的距离。
其中，可以通过各种方式获得d1、d2、d3的值。例如，可以利用与接收信号的强度(RSSI)的关系获得，也可以利用到达时间(TOA)或到达时间差(TDOA)获得。因此，在这里假设d1、d2、d3的值是已知的。并且，由于三个参照点的坐标值也是已知的，因此可以利用上述式(1)至式(3)获得作为移动对象的当前位置的(x，y)的值。
可以利用上述N个UWB锚点与UWB标签之间的上述三角测量方法确定UWB锚点与UWB标签的更准确的距离。
图5是示出根据本发明实施例的UWB锚点与UWB标签之间的位置测定方法的流程图。
车辆用UWB精确位置预测方法使用如下的系统，上述系统包括设置于车辆用智能钥匙的UWB标签200及设置于车辆内的N个UWB锚点101、102、103、104，上述UWB锚点101、102、103、104包括：LIN收发器101-f，其用于从车辆内部接收与位置预测有关的信号；UWB收发器101-e，其用于从上述LIN收发器101-f接收信号；M个天线101-a、101-b，其与上述UWB收发器101-e相连接，并且以规定间隔隔开以防止相互干涉；开关101-c，其用于确定上述M个天线是否工作；控制部101-d，其用于控制上述装置；以及电源部101-g，其用于供电。
LIN收发器101-f从车辆内部接收与位置预测有关的信号，并将该信号传输到UWB收发器101-e以开始位置预测(S501)。
上述控制部101-d以一定时间差打开/关闭M个天线101-a、101-b的每个开关，并测定一定次数的与UWB标签200的接收信号延迟(S503)。
确定上述测定一定次数的接收信号延迟值小于等于预定的阈值的天线(S505)。
测定确定的上述天线之间的距离及每个天线与UWB标签200之间的距离(S507)。
基于上述天线之间的距离及每个天线与UWB标签200之间的距离，利用TWR定位确定与UWB标签200的位置角度(S509)。
利用上述N个UWB锚点101、102、103、104与UWB标签200之间的三角测量方法对所测定的UWB锚点101、102、103、104与UWB标签200的距离进行测定(S511)。
基于与上述UWB标签200的位置角度及上述N个UWB锚点101、102、103、104与UWB标签200的距离来预测UWB标签200的位置，从而可以预测车辆和UWB标签200的位置(S513)。
如上所述，根据本发明实施例的利用UWB的车辆与钥匙模块之间的位置预测方法及系统可以通过UWB锚点的多个天线模块来使因车辆的种类及车辆的外廓金属材料而可能产生的测定误差及偏差最小化。
并且，具有能够更简单且以更低的成本实现精确定位而不增加车辆与钥匙模块之间的UWB锚点的个数的效果。
以上，虽然参照实施例进行了描述，但是本领域技术人员可以理解的是，在不脱离所附的权利要求范围所记载的本发明的思想及领域的情况下，可以对本发明进行各种修改及改变。
附图标记说明：
100：车辆                        200：UWB标签
101、102、103、104：UWB锚点         101-a、101-b：天线
101-c：天线开关                  101-d：控制部
101-e：UWB收发器                 101-f：LIN收发器
101-g：电源部。

Claims (8)

1.一种车辆用UWB精确位置预测系统，其包括设置于钥匙模块的UWB标签及设置于车辆内的N个UWB锚点，其特征在于，
所述UWB锚点包括：
LIN收发器，其用于从车辆内部接收与位置预测有关的信号；
UWB收发器，其接收从所述LIN收发器传输的与位置预测有关的信号，并执行与UWB标签的位置预测；
M个天线，其与所述UWB收发器相连接，并且以规定间隔隔开以防止相互干涉；
开关，其用于以一定时间差打开/关闭所述M个天线；
控制部，其用于控制每个装置，使得以所述一定时间差打开/关闭开关，并测定一定次数的与UWB标签的接收信号延迟，确定所述测定一定次数的接收信号延迟值小于等于预定的阈值的天线，测定确定的所述天线之间的距离及每个天线与UWB标签之间的距离，基于所述天线之间的距离及每个天线与UWB标签之间的距离，利用双向测距定位确定每个天线与UWB标签的位置角度，利用设置于所述车辆的N个UWB锚点与UWB标签之间的三角测量方法对所测定的UWB锚点与UWB标签的距离进行测定，并基于所测定的所述位置角度和距离来预测UWB标签的位置；以及
电源部，其用于供电。
2.根据权利要求1所述的车辆用UWB精确位置预测系统，其特征在于，
所述M个天线能够是定向天线或非定向天线。
3.根据权利要求1所述的车辆用UWB精确位置预测系统，其特征在于，
能够通过调节角度来将所述M个天线安装在互不相同的方向上。
4.根据权利要求1所述的车辆用UWB精确位置预测系统，其特征在于，
当所述M个天线是定向天线时，控制部能够通过从UWB锚点向UWB标签传输参考信号来识别UWB标签方向，并确定天线的定向性。
5.一种车辆用UWB精确位置预测方法，其使用包括设置于钥匙模块的UWB标签及设置于车辆内的N个UWB锚点的车辆用UWB精确位置预测系统，所述UWB锚点包括：LIN收发器，其用于从车辆内部接收与位置预测有关的信号；UWB收发器，其用于从所述LIN收发器接收信号；M个天线，其与所述UWB收发器相连接，并且以规定间隔隔开以防止相互干涉；开关，其用于确定所述M个天线是否工作；以及控制部，其用于控制每个装置，其特征在于，包括：
LIN收发器从车辆内部接收与位置预测有关的信号，并将所述信号传输到UWB收发器以开始位置预测的步骤；
所述控制部以一定时间差打开/关闭M个天线的每个开关，并测定一定次数的与UWB标签的接收信号延迟的步骤；
确定所述测定一定次数的接收信号延迟值小于等于预定的阈值的天线的步骤；
测定确定的所述天线之间的距离及每个天线与UWB标签之间的距离的步骤；
基于所述天线之间的距离及每个天线与UWB标签之间的距离，利用双向测距定位确定每个天线与UWB标签的位置角度的步骤；
利用所述N个UWB锚点与UWB标签之间的三角测量方法对所测定的UWB锚点与UWB标签的距离进行测定的步骤；以及
基于与所述UWB标签的位置角度及所述N个UWB锚点与UWB标签的距离来预测UWB标签的位置的步骤。
6.根据权利要求5所述的车辆用UWB精确位置预测方法，其特征在于，
所述M个天线能够是定向天线或非定向天线。
7.根据权利要求5所述的车辆用UWB精确位置预测方法，其特征在于，
能够通过调节角度来将所述M个天线安装在互不相同的方向上。
8.根据权利要求5所述的车辆用UWB精确位置预测方法，其特征在于，
当所述M个天线是定向天线时，控制部能够通过从UWB锚点向UWB标签传输参考信号来识别UWB标签方向，并确定天线的定向性。
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