CN113296085A - 超宽带测距方法、存储介质和系统 - Google Patents

超宽带测距方法、存储介质和系统 Download PDF

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CN113296085A CN202110555856.5A CN202110555856A CN113296085A CN 113296085 A CN113296085 A CN 113296085A CN 202110555856 A CN202110555856 A CN 202110555856A CN 113296085 A CN113296085 A CN 113296085A
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张志立
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    • H04B17/309—Measuring or estimating channel quality parameters
    • H04B17/318—Received signal strength

Abstract

本发明公开了一种基于超宽带的测距方法，包括：以初始测距信号强度阈值检测第一峰值信号，若无法获得第一峰值信号则退出测距，否则根据第一峰值信号强度和最大幅值信号强度判断当前场景是否为无遮挡场景；根据当前场景是否为无遮挡场景选择测距信号强度阈值计算输出测距结果。本发明还公开了一种用于执行所述超宽带测距方法中步骤的计算机可读存储介质，以及一种基于超宽带的测距系统。本发明能根据超宽带信号特征进行有无遮挡场景判断，在有遮挡场景下进行测距信号强度阈值调节，能有效地提高超宽带信号的最短路径识别准确性，改善超宽带测距技术在有遮挡场景下的准确性与鲁棒性，有效减少超宽带测距在遮挡场景下的测距误差。

Description

超宽带测距方法、存储介质和系统
技术领域
本发明涉及汽车领域，特别是涉及一种基于超宽带的测距方法。本发明还涉及一种用于执行所述超宽带测距方法中步骤的计算机可读存储介质，以及一种基于超宽带的测距系统。
背景技术
超宽带(Ultra Wide Band，UWB)技术是一种无线载波通信技术，逐渐在室内外定位以及智能驾驶领域开始普遍应用。基于TOF的超宽带测距本质是寻找最短路径，即判断接收端接收到的脉冲信号强度超过设定阈值的第一个峰值到达时间为超宽带信号到达时间，利用信号传输时间乘以光速即为两点之间的距离。
存在的难题是当有物体遮挡时，真实最短路径的到达信号由于物体遮挡导致信号强度损失，而由于多径影响反射的到达信号会被误识别为超宽带信号的最短路径，从而造成米级误差，信号描述如图1所示，造成测距不准确。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念,该简化形式的概念均为本领域现有技术简化，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
本发明要解决的技术问题是提供一种根据当前场景选择测距信号强度阈值，能避免遮挡场景造成测距不准确的超宽带测距方法。
相应的，本发明还提供一种用于执行所述超宽带测距方法中步骤的计算机可读存储介质，以及一种基于超宽带的测距系统。
为解决上述技术问题，本发明提供的基于超宽带的测距方法，包括以下步骤：
S1,以初始测距信号强度阈值检测第一峰值信号，若无法获得第一峰值信号则退出测距，否则根据第一峰值信号强度和最大幅值信号强度判断当前场景是否为无遮挡场景；
S2，根据当前场景是否为无遮挡场景选择测距信号强度阈值计算输出测距结果。
可选择的，进一步改进所述基于超宽带的测距方法，所述初始测距信号强度阈值通过标定获取或通过经验值选取。
可选择的，进一步改进所述基于超宽带的测距方法，实施步骤S1时，对当前场景执行至少两次是否为无遮挡场景判断。
可选择的，进一步改进所述基于超宽带的测距方法，第一次判断当前场景是否为无遮挡场景采用以下方式：
若|最大幅值信号强度—第一峰值信号强度|≤B则判断为无遮挡场景，否则判断为有遮挡场景，其中B为指定值。
可选择的，进一步改进所述基于超宽带的测距方法，B通过标定获取或通过经验值选取。
可选择的，进一步改进所述基于超宽带的测距方法，第二次判断当前场景是否为无遮挡场景采用以下方式：
若
Figure BDA0003077171640000021
则判断为无遮挡场景，否则判断为有遮挡场景，其中A为指定值。
可选择的，进一步改进所述基于超宽带的测距方法，A通过标定获取或通过经验值选取。
可选择的，进一步改进所述基于超宽带的测距方法，实施步骤S2时，若当前场景(任意一次)被判断为无遮挡场景，则根据当前使用测距信号强度阈值计算输出测距结果；
若当前场景至少两次被判断为遮挡场景，则重新选择测距信号强度阈值代替当前使用测距信号强度阈值重新检测第一峰值信号。
可选择的，进一步改进所述基于超宽带的测距方法，重新选择测距信号强度阈值，包括以下步骤：
S3，记录一次测距时间内所接收CIR信号最大强度为γ0,所接收噪声最大强度为γnoise；
S4，令γ＝γ0，t0为γ0所对应时间，判断一次测距零时刻至t0是否存在信号强度大于γ，若存在则记录该信号所对应的时间t，并令t0＝t，γ0为一次测距时间内所接收CIR信号最大强度，γnoise为一次测距时间内所接收噪声信号最大强度；
S5，判断
Figure BDA0003077171640000031
是否成立，若成立则令γ＝γ(1-ε)并重新判断该次测距零时刻至t0是否存在信号强度大于γ，ε和α为指定值。
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于执行上述任意一项所述基于超宽带的测距方法中步骤的计算机可读存储介质。
为解决上述技术问题，本发明提供一种超宽带测距系统，包括：
发射模块，其用于发射测距无线信号；
接收模块，其用于接收无线信号回波；
检测模块，其用于检测无线信号回波的最大幅值信号，以初始测距信号强度阈值检测第一峰值信号，若无法获得第一峰值信号则退出测距；
判断模块，其根据无线信号回波的第一峰值信号强度和最大幅值信号强度判断当前场景是否为无遮挡场景；
计算模块，其根据前场景是否为无遮挡场景选择测距信号强度阈值计算输出测距结果。
可选择的，进一步改进所述的超宽带测距系统，所述初始测距信号强度阈值通过标定获取或通过经验值选取。
可选择的，进一步改进所述的超宽带测距系统，判断模块根据第一峰值信号强度和最大幅值信号强度对当前场景执行至少两次是否为无遮挡场景判断。
可选择的，进一步改进所述的超宽带测距系统，判断模块第一次判断当前场景是否为无遮挡场景采用以下方式；
若|最大幅值信号强度—第一峰值信号强度|≤B则判断为无遮挡场景，否则判断为有遮挡场景，其中B为指定值。
可选择的，进一步改进所述的超宽带测距系统，B通过标定获取或通过经验值选取。
可选择的，进一步改进所述的超宽带测距系统，判断模块第二次判断当前场景是否为无遮挡场景采用以下方式：
若
Figure BDA0003077171640000041
则判断为无遮挡场景，否则判断为有遮挡场景，其中A为指定值。
可选择的，进一步改进所述的超宽带测距系统，：A通过标定获取或通过经验值选取。
可选择的，进一步改进所述的超宽带测距系统，若判断模块判断当前场景为无遮挡场景，则计算模块根据当前使用测距信号强度阈值计算输出测距结果；
若当前场景两次以上被判断模块判断为遮挡场景，则计算模块重新选择测距信号强度阈值代替当前使用测距信号强度阈值检测模块重新检测第一峰值信号。
可选择的，进一步改进所述的超宽带测距系统，重新选择测距信号强度阈值，包括以下步骤：
S3，记录一次测距时间内所接收CIR信号最大强度为γ0,所接收噪声最大强度为γnoise；
S4，令γ＝γ0，t0为γ0所对应时间，判断一次测距零时刻至t0是否存在信号强度大于γ，若存在则记录该信号所对应的时间t，并令t0＝t，γ0为一次测距时间内所接收CIR信号最大强度，γnoise为一次测距时间内所接收收噪声信号最大强度；
S5，判断
Figure BDA0003077171640000042
是否成立，若成立则令γ＝γ(1-ε)并重新判断该次测距零时刻至t0是否存在信号强度大于γ，ε和α为指定值。
本发明的工作原理说明如下：
本发明的方案主要分为两个部分：判断当前场景是否为遮蔽场景和选取最优测距信号强度阈值；
1、判断当前场景是否为遮蔽场景影响测距的准确性，也影响最优测距信号强度阈值的选择。基于超宽带的点对点测距时，对采集到的无线信号的信道单位脉冲响应(Channel Impulse Response，简称CIR)进行特征分析，主要选取其最大幅值信号(Peak)以及以默认阈值为依据识别到的第一峰值信号(First Path)为特征源进行有无遮挡场景识别。其识别逻辑参考图2所示。其中具体计算方式以及变量解释如下：
(1)Index_Diff＝|最大幅值信号强度—第一峰值信号强度|；
(2)第一次判断，prNLOS为0表示无遮挡场景，prNLOS为1表示有遮挡场景；
(3)
Figure BDA0003077171640000051
(4)第二次判断，测距可信度CL(Confidence Level)：其为1，则表示处于无遮挡场景下，测距结果可信，根据当前使用测距信号强度阈值计算输出测距结果；其为0，则表示处于有遮挡场景下，需调节当前使用测距信号强度阈值重新计算距离。
2、选取最优测距信号强度阈值；
现有方法是根据经验值选取测距信号强度阈值，设置一个固定阈值或者所接收信号的最大强度减去固定差值计算得到，这种方式无法较好地兼容有遮挡的场景，导致在有遮挡的场景依然会误识别多径影响下的传输路径为信号到达的最短路径。本发明初始启动时，先根据经验值超宽带设备底层设置一定的初始测距信号强度阈值，然后利用CIR信号进行有无遮挡场景识别，其判断为有遮挡场景，即CL＝0时，此时利用二分法的思想迭代选取最优测距信号强度阈值，参考图3所示，再通过获得的选取最优测距信号强度阈值计算距离。
本发明能根据超宽带信号特征进行有无遮挡场景判断，在有遮挡场景下进行测距信号强度阈值调节，从而能有效地提高超宽带信号的最短路径识别准确性，改善超宽带测距技术在有遮挡场景下的准确性与鲁棒性，有效减少超宽带测距在遮挡场景下(例如人体与车门)的测距误差。
并且，本发明测距使用的最优测距信号强度阈值是自适应动态调节获得的，提高了超宽带测距技术在不同场景下应用的兼容性，以及降低对超宽带无线信号强度衰减程度的要求，提高超宽带测距技术在车端无线钥匙系统中应用的可行性。本发明在超宽带有/无遮挡场景识别在实验室经过实际测试验证，其识别准确率能满足实际使用需求，降低了在有遮挡场景下多径对超宽带测距技术造成的影响。
附图说明
本发明附图旨在示出根据本发明的特定示例性实施例中所使用的方法、结构和/或材料的一般特性，对说明书中的描述进行补充。然而，本发明附图是未按比例绘制的示意图，因而可能未能够准确反映任何所给出的实施例的精确结构或性能特点，本发明附图不应当被解释为限定或限制由根据本发明的示例性实施例所涵盖的数值或属性的范围。下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是有遮挡场景下超带宽信号示意图。
图2是本发明判断当前场景是否为遮蔽场景逻辑示意图。
图3是本发明选取最优测距信号强度阈值流程示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容充分地了解本发明的其他优点与技术效果。本发明还可以通过不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点加以应用，在没有背离发明总的设计思路下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明下述示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的具体实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性具体实施例的技术方案充分传达给本领域技术人员。
第一实施例；
本发明提供一种基于超宽带的测距方法，包括以下步骤：
S1,以初始测距信号强度阈值检测第一峰值信号，若无法获得第一峰值信号则退出测距，否则根据第一峰值信号强度和最大幅值信号强度判断当前场景是否为无遮挡场景；
S2，根据当前场景是否为无遮挡场景选择测距信号强度阈值计算输出测距结果。
可选择的，所述初始测距信号强度阈值通过标定获取或通过经验值选取。
第二实施例；
本发明提供一种基于超宽带的测距方法，包括以下步骤：
S1,以初始测距信号强度阈值检测第一峰值信号，若无法获得第一峰值信号则退出测距，否则根据第一峰值信号强度和最大幅值信号强度对当前场景执行至少两次是否为无遮挡场景判断；
S2，若当前场景被判断为无遮挡场景，则根据当前使用测距信号强度阈值计算输出测距结果；
若当前场景至少两次被判断为有遮挡场景，则重新选择测距信号强度阈值代替当前使用测距信号强度阈值重新检测第一峰值信号；
其中，第一次判断当前场景是否为无遮挡场景采用以下方式：
若|最大幅值信号强度—第一峰值信号强度|≤B则判断为无遮挡场景，否则判断为有遮挡场景；
第二次判断当前场景是否为无遮挡场景采用以下方式：
若
Figure BDA0003077171640000071
则判断为无遮挡场景，否则判断为有遮挡场景；
所述初始测距信号强度阈值通过标定获取或通过经验值选取，A和B为指定值，A和B分别通过标定获取或通过经验值选取。
示例性的，A应小于B，A的范围为0.6～1，B的范围为2-6；当A为0.65时，B为4。
第三实施例；
本发明提供一种最优测距信号强度阈值的选取方法，其能用于上述第一实施例或第二实施例重新选择测距信号强度阈值，包括以下步骤：
S3，记录一次测距时间内所接收CIR信号最大强度为γ0,所接收噪声最大强度为γnoise；
S4，令γ＝γ0，t0为γ0所对应时间，判断一次测距零时刻至t0是否存在信号强度大于γ，若存在则记录该信号所对应的时间t，并令t0＝t，γ0为一次测距时间内所接收CIR信号最大强度，γnoise为一次测距时间内所接收噪声信号最大强度；
S5，判断
Figure BDA0003077171640000072
是否成立，若成立则令γ＝γ(1-ε)并重新判断该次测距零时刻至t0是否存在信号强度大于γ，ε和α为指定值。
此外，还应当理解的是，尽管在这里可以使用术语“第一”、“第二”等来描述不同的元件、参数、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、参数、组件、区域、层和/或部分不应当受这些术语的限制。这些术语仅是用来将一个元件、参数、组件、区域、层或部分与另一个元件、参数、组件、区域、层或部分区分开来。因此，在不脱离根据本发明的示例性实施例的教导的情况下，以下所讨论的第一元件、参数、组件、区域、层或部分也可以被称作第二元件、参数、组件、区域、层或部分。
第四实施例；
本发明提供一种用于执行第一实施例、第二实施例或第三实施例任意一项所述基于超宽带的测距方法中步骤的计算机可读存储介质。
第五实施例；
本发明提供一种超宽带测距系统，包括：
发射模块，其用于发射测距无线信号；
接收模块，其用于接收无线信号回波；
检测模块，其用于检测无线信号回波的最大幅值信号，以初始测距信号强度阈值检测第一峰值信号，若无法获得第一峰值信号则退出测距；
判断模块，其根据无线信号回波的第一峰值信号强度和最大幅值信号强度判断当前场景是否为无遮挡场景；
计算模块，其根据前场景是否为无遮挡场景选择测距信号强度阈值计算输出测距结果。
可选择的，所述初始测距信号强度阈值通过标定获取或通过经验值选取。
第六实施例；
本发明提供一种超宽带测距系统，包括：
发射模块，其用于发射测距无线信号；
接收模块，其用于接收无线信号回波；
检测模块，其用于检测无线信号回波的最大幅值信号，以初始测距信号强度阈值检测第一峰值信号，若无法获得第一峰值信号则退出测距；
判断模块，其根据第一峰值信号强度和最大幅值信号强度对当前场景执行至少两次是否为无遮挡场景判断；若判断模块判断当前场景为无遮挡场景，则计算模块根据当前使用测距信号强度阈值计算输出测距结果；
若当前场景两次以上被判断模块判断为遮挡场景，则计算模块重新选择测距信号强度阈值代替当前使用测距信号强度阈值检测模块重新检测第一峰值信号；
计算模块，其根据前场景是否为无遮挡场景选择测距信号强度阈值计算输出测距结果；
其中，判断模块第一次判断当前场景是否为无遮挡场景采用以下方式；
若|最大幅值信号强度—第一峰值信号强度|≤B则判断为无遮挡场景，否则判断为有遮挡场景；
判断模块第二次判断当前场景是否为无遮挡场景采用以下方式：
若
Figure BDA0003077171640000091
则判断为无遮挡场景，否则判断为有遮挡场景；
所述初始测距信号强度阈值通过标定获取或通过经验值选取，A和B为指定值，A和B分别通过标定获取或通过经验值选取。
示例性的，A应小于B，A的范围为0.6～1，B的范围为2-6；当A为0.65时，B为4。
第七实施例；
本发明提供一种最优测距信号强度阈值的选取方法，其能用于上述第五实施例或第六实施例的计算模块重新选择测距信号强度阈值，包括以下步骤：
S3，记录一次测距时间内所接收CIR信号最大强度为γ0,所接收噪声最大强度为γnoise；
S4，令γ＝γ0，t0为γ0所对应时间，判断一次测距零时刻至t0是否存在信号强度大于γ，若存在则记录该信号所对应的时间t，并令t0＝t，γ0为一次测距时间内所接收CIR信号最大强度，γnoise为一次测距时间内所接收收噪声信号最大强度；
S5，判断
Figure BDA0003077171640000101
是否成立，若成立则令γ＝γ(1-ε)并重新判断该次测距零时刻至t0是否存在信号强度大于γ，ε和α为指定值。
除非另有定义，否则这里所使用的全部术语(包括技术术语和科学术语)都具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的意思相同的意思。还将理解的是，除非这里明确定义，否则诸如在通用字典中定义的术语这类术语应当被解释为具有与它们在相关领域语境中的意思相一致的意思，而不以理想的或过于正式的含义加以解释。
以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (19)

1.一种基于超宽带的测距方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1,以初始测距信号强度阈值检测第一峰值信号，若无法获得第一峰值信号则退出测距，否则根据第一峰值信号强度和最大幅值信号强度判断当前场景是否为无遮挡场景；
S2，根据当前场景是否为无遮挡场景选择测距信号强度阈值计算输出测距结果。
2.如权利要求1所述基于超宽带的测距方法，其特征在于：所述初始测距信号强度阈值通过标定获取或通过经验值选取。
3.如权利要求1所述基于超宽带的测距方法，其特征在于：实施步骤S1时，对当前场景执行至少两次是否为无遮挡场景判断。
4.如权利要求3所述基于超宽带的测距方法，其特征在于，第一次判断当前场景是否为无遮挡场景采用以下方式：
若|最大幅值信号强度—第一峰值信号强度|≤B则判断为无遮挡场景，否则判断为有遮挡场景，其中B为指定值。
5.如权利要求4所述基于超宽带的测距方法，其特征在于：B通过标定获取或通过经验值选取。
6.如权利要求3所述基于超宽带的测距方法，其特征在于，第二次判断当前场景是否为无遮挡场景采用以下方式：
若
Figure FDA0003077171630000011
则判断为无遮挡场景，否则判断为有遮挡场景，其中A为指定值。
7.如权利要求6所述基于超宽带的测距方法，其特征在于：A通过标定获取或通过经验值选取。
8.如权利要求3所述基于超宽带的测距方法，其特征在于：实施步骤S2时，若当前场景被判断为无遮挡场景，则根据当前使用测距信号强度阈值计算输出测距结果；
若当前场景至少两次被判断为遮挡场景，则重新选择测距信号强度阈值代替当前使用测距信号强度阈值重新检测第一峰值信号。
9.如权利要求8所述基于超宽带的测距方法，其特征在于，重新选择测距信号强度阈值，包括以下步骤：
S3，记录一次测距时间内所接收CIR信号最大强度为γ0,所接收噪声最大强度为γnoise；
S4，令γ＝γ0，t0为γ0所对应时间，判断一次测距零时刻至t0是否存在信号强度大于γ，若存在则记录该信号所对应的时间t，并令t0＝t，γ0为一次测距时间内所接收CIR信号最大强度，γnoise为一次测距时间内所接收噪声信号最大强度；
S5，判断
Figure FDA0003077171630000021
是否成立，若成立则令γ＝γ(1-ε)并重新判断该次测距零时刻至t0是否存在信号强度大于γ，ε和α为指定值。
10.一种用于执行权利要求1-9任意一项所述基于超宽带的测距方法中步骤的计算机可读存储介质。
11.一种超宽带测距系统，其特征在于，包括：
发射模块，其用于发射测距无线信号；
接收模块，其用于接收无线信号回波；
检测模块，其用于检测无线信号回波的最大幅值信号，以初始测距信号强度阈值检测第一峰值信号，若无法获得第一峰值信号则退出测距；
判断模块，其根据无线信号回波的第一峰值信号强度和最大幅值信号强度判断当前场景是否为无遮挡场景；
计算模块，其根据前场景是否为无遮挡场景选择测距信号强度阈值计算输出测距结果。
12.如权利要求11所述的超宽带测距系统，其特征在于：所述初始测距信号强度阈值通过标定获取或通过经验值选取。
13.如权利要求11所述的超宽带测距系统，其特征在于：判断模块根据第一峰值信号强度和最大幅值信号强度对当前场景执行至少两次是否为无遮挡场景判断。
14.如权利要求13所述的超宽带测距系统，其特征在于:判断模块第一次判断当前场景是否为无遮挡场景采用以下方式；
若|最大幅值信号强度—第一峰值信号强度|≤B则判断为无遮挡场景，否则判断为有遮挡场景，其中B为指定值。
15.如权利要求14所述的超宽带测距系统，其特征在于：B通过标定获取或通过经验值选取。
16.如权利要求13所述的超宽带测距系统，其特征在于：判断模块第二次判断当前场景是否为无遮挡场景采用以下方式：
若
Figure FDA0003077171630000031
则判断为无遮挡场景，否则判断为有遮挡场景，其中A为指定值。
17.如权利要求16所述的超宽带测距系统，其特征在于：A通过标定获取或通过经验值选取。
18.如权利要求13所述的超宽带测距系统，其特征在于：若判断模块判断当前场景为无遮挡场景，则计算模块根据当前使用测距信号强度阈值计算输出测距结果；
若当前场景两次以上被判断模块判断为遮挡场景，则计算模块重新选择测距信号强度阈值代替当前使用测距信号强度阈值检测模块重新检测第一峰值信号。
19.如权利要求11所述基于超宽带的测距方法，其特征在于，重新选择测距信号强度阈值，包括以下步骤：
S3，记录一次测距时间内所接收CIR信号最大强度为γ0,所接收噪声最大强度为γnoise；
S4，令γ＝γ0，t0为γ0所对应时间，判断一次测距零时刻至t0是否存在信号强度大于γ，若存在则记录该信号所对应的时间t，并令t0＝t，γ0为一次测距时间内所接收CIR信号最大强度，γnoise为一次测距时间内所接收收噪声信号最大强度；
S5，判断
Figure FDA0003077171630000032
是否成立，若成立则令γ＝γ(1-ε)并重新判断该次测距零时刻至t0是否存在信号强度大于γ，ε和α为指定值。
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