CN113570907B - 一种基于uwb的隧道内人车防碰撞方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于UWB的隧道内人车防碰撞方法及其系统，包括车端的车载UWB标签、人员端的人员UWB标签以及UWB锚点，人员UWB标签与UWB锚点之间进行双向测距，车载UWB标签监听双向测距的全过程，并根据与UWB锚点之间的时钟偏差，将UWB锚点播发的信息，虚拟成本地播发的信息，从而虚拟的完成与人员UWB标签之间的双向测距，获得距离。根据人员UWB标签距离车载UWB标签的距离，车载UWB标签判断是否需要发出警告，提醒驾驶员，避免安全事故。本发明在尽量复用原有UWB定位功能的同时，不增加额外的测距，车载UWB标签仅依靠接收UWB信号，即可完成和附近UWB标签的测距功能，从而实现防碰撞功能。
Description
技术领域
本发明涉及人车防碰撞技术领域，特别涉及一种基于UWB的隧道内人车防碰撞方法及其系统。
背景技术
随着各种工程车辆越来越多的应用在隧道施工领域，作业人员和工程车辆同时工作的场景也越来越多。工程车辆以往，只能依靠驾驶员用眼睛观察周边情况，判断与作业人员的距离，在必要时刻发出警报，提醒作业人员避开工程车辆，或者紧急制动避免安全事故。但在隧道施工环境里，往往由于照明不足，扬尘等因素，导致可见度很低，容易造成严重的安全隐患。
目前，UWB定位技术已经应用在隧道施工安全领域。相比于WiFi，蓝牙，RFID等其他定位技术，UWB的安全性高，抗干扰能力强，精度好，在视距条件下，测距精度可达10cm。
对于隧道内人员或车辆定位的应用，一般采用隧道内每隔一段距离，安装一台UWB锚点，携带UWB标签的人员或车辆在隧道的UWB锚点覆盖区域内，可以准确的知道所处的位置，为施工过程里的事前预警和事后搜救，争取抢救时间提供了重要的支持。
对于工程车辆的人车防碰撞预警的应用，一般无需在隧道架设UWB锚点，而是直接在工程车辆上安装UWB车载标签，人员佩戴UWB的人员标签。所有车载标签和人员标签之间都会相互测距，在工程车辆和某个人员之间的距离小于一个阈值后，就会发出报警，提醒驾驶人员小心驾驶，避免碰撞。
然而由于UWB的定位应用，和防碰撞应用的系统架构和技术方案不一致，导致了在定位的方案里增加防碰撞功能，会有增加很多设备之间的测距次数，严重降低原来的标签的容量；而在防碰撞的方案里增加定位功能，由于没有安装固定的锚点，变得很难实现。
因此，如何在同一个系统里即保持原有的定位功能，标签容量，精度精度不变的条件下，同时拥有人车防碰撞功能是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种基于UWB的隧道内人车防碰撞方法及其系统，在尽量复用原有UWB定位功能的同时，不增加额外的测距，车载UWB标签仅依靠接收UWB信号，即可完成和附近UWB标签的测距功能，从而实现防碰撞功能。
本发明提出一种基于UWB的隧道内人车防碰撞方法，具体步骤如下：
1)采用安装在车端的车载UWB标签和安装在隧道内的UWB锚点进行UWB双向测距信息交互，计算出车载UWB标签和UWB锚点之间的相对距离；
2)车载UWB标签在计算出相对UWB锚点的距离后，计算得到车载UWB标签和UWB锚点之间的时钟偏差；
3)位于人员端的人员UWB标签与UWB锚点进行UWB双向测距信息交互，车载UWB标签保持UWB信号接收状态，接收人员UWB标签和UWB锚点之间交互的UWB双向测距信息；
4)车载UWB标签利用和UWB锚点之间的时钟偏差，形成虚拟UWB锚点，将UWB锚点和人员UWB标签之间的双向测距，虚拟成了该车载UWB标签和人员UWB标签之间的双向测距，计算出车载UWB标签与人员UWB标签之间的相对距离；
5)根据人员UWB标签距离车载UWB标签的距离，车载UWB标签判断是否需要发出警告。
优选地，车载UWB标签和UWB锚点之间的双向测距方法的步骤包括：
1)车载UWB标签播发定位申请帧，其内容包含申请帧的发射时刻Ttx_poll；
2)UWB锚点接收到申请帧后，回复响应帧，其内容包含UWB锚点接收申请帧的接收时刻Trx_poll和播发响应帧的发射时刻Ttx_response；
3)车载UWB标签接收到响应帧后，回复结束帧，其内容包含车载UWB标签接收响应帧的接收时刻Trx_response，和播发结束帧的发射时刻Ttx_final；
4)UWB锚点接收到车载UWB标签的结束帧，并记录接收时刻Trx_final；
5)UWB锚点通过申请帧的发射时刻Ttx_poll和接收时刻Trx_poll，响应帧的发射时刻Ttx_response和接收时刻Trx_response，以及结束帧的发射Ttx_final和接收时刻Trx_final，采用DS-TWR算法，即可计算出车载UWB标签和UWB锚点之间的飞跃时间Ttof，乘以光速c，得到相对距离D，D＝c*Ttof。
优选地，车载UWB标签和UWB锚点之间的双向测距方法的步骤包括：
1)车载UWB标签播发定位申请帧，其内容包含申请帧的发射时刻Ttx_poll；
2)UWB锚点接收到申请帧后，回复响应帧，其内容包含UWB锚点接收申请帧的接收时刻Trx_poll和播发响应帧的发射时刻Ttx_response；
3)车载UWB标签接收到响应帧，其内容包含车载UWB标签接收响应帧的接收时刻Trx_response；
4)车载UWB标签通过申请帧的发射时刻Ttx_poll和接收时刻Trx_poll，响应帧的发射Ttx_response和接收时刻Trx_response，以及接收响应帧时，对频偏的估计Bclockoffset，采用SS-TWR算法计算出相对UWB锚点的飞跃时间Ttof，乘以光速c，得到相对距离D，D＝c*Ttof。
优选地，车载UWB标签和UWB锚点之间的时钟偏差b(t)计算方法为：
Trx_poll-Ttx_poll＝-b1+D/c (1)
Trx_response-Ttx_response＝b2+D/c (2)
在上述公式中，b1是申请帧发射那一刻时车载UWB标签和UWB锚点之间的时钟偏差，b2是响应帧接收那一刻时车载UWB标签和UWB锚点之间的时钟偏差；根据车载UWB标签和UWB锚点的时间基准的特性，短时间内，都可以近似的将其视为随时间的线性变化，所以在本次测距之后的某个时间点t，车载UWB标签和UWB锚点之间的时钟偏差有：
由公式(1)(2)，代入(3)得到车载UWB标签和UWB锚点之间的时钟偏差：
优选地，车载UWB标签和人员UWB标签之间的双向测距步骤包括：
1)车载UWB标签接收到人员UWB标签的双向定位申请帧，其中包含申请帧的发射时刻Tp_tx_poll；
2)车载UWB标签利用和UWB锚点之间的时钟偏差，将本地的申请帧接收时刻Tv_rx_poll转换为以UWB锚点时钟为基准的虚拟接收时刻T’a_rx_poll；
T′a_rxpoll＝Tv_rx_poll-b(t)
3)车载UWB标签接收UWB锚点给人员UWB标签的响应帧，内容包含UWB锚点接收定位申请帧的接收时刻Ta_rx_poll，和该响应帧的发射时刻Ta_tx_response，车载UWB标签同时记录下本地的响应帧接收时刻Tv_rx_response；
4)车载UWB标签接收人员UWB标签给UWB锚点的结束帧，内容包含人员UWB标签接收响应帧的接收时刻Tp_rx_response，和该结束帧的发射时刻Tp_tx_final；车载UWB标签同时记录下本地的结束帧接收时刻Tv_rx_final；
5)车载UWB标签通过UWB锚点接收定位申请帧的接收时刻Ta_rx_poll，和本地的虚拟接收时刻T’a_rx_poll，计算人员UWB标签位于UWB锚点和车载UWB标签的哪个区域；
6)如果|Ta_rx_poll-T'a_rx_poll|＜D/c，人员UWB标签位于UWB锚点和车载UWB标签之间，则可以采用TDOA算法，得出人员UWB标签和车载UWB标签之间的距离Dp_v；
7)如果不满足步骤(6)，并且T’a_rx_poll>Ta_rx_poll，则人员UWB标签位于UWB锚点外侧，则车载UWB标签将UWB锚点响应帧的接收时刻Tv_rx_response，利用和UWB锚点之间的距离，补偿到本地的时钟上，虚拟成本地播发的响应帧，并计算出这一响应帧的虚拟发射时刻T’v_tx_response，
这样在车载UWB标签本地，将UWB锚点和人员UWB标签之间的双向测距，虚拟成了车载UWB标签和人员UWB标签之间的双向测距，由人员UWB标签的申请帧发射时刻Tp_tx_poll，车载UWB标签对申请帧的接收时刻Tv_rx_poll，车载UWB标签虚拟的响应帧发射时刻T’v_tx_response，人员UWB标签对响应帧的接收时刻Tp_rx_response，人员UWB标签的结束帧发射时刻Tp_tx_final，和车载UWB标签对结束帧的接收时刻Tv_rx_final，根据DS-TWR双向测距算法计算得到车载UWB标签和人员UWB标签之间的距离Dp_v；
8)如果不满足步骤(6)，并且Ta_rx_poll>T’a_rx_poll，则人员UWB标签位于车载UWB标签外侧，则车载UWB标签将UWB锚点响应帧的接收时刻Tv_rx_response，利用和UWB锚点之间的距离，补偿到本地的时钟上，虚拟成本地播发的响应帧，并计算出这一响应帧的虚拟发射时刻T’v_tx_response，
这样在车载UWB标签本地，将UWB锚点和人员UWB标签之间的双向测距，虚拟成了车载UWB标签和人员UWB标签之间的双向测距，由人员UWB标签的申请帧发射时刻Tp_tx_poll，车载UWB标签对申请帧的接收时刻Tv_rx_poll，车载UWB标签虚拟的响应帧发射时刻T’v_tx_response，人员UWB标签对响应帧的接收时刻Tp_rx_response，人员UWB标签的结束帧发射时刻Tp_tx_final，和车载UWB标签对结束帧的接收时刻Tv_rx_final，根据DS-TWR双向测距算法计算得到车载UWB标签和人员UWB标签之间的距离Dp_v。
本发明又提出一种基于UWB的隧道内人车防碰撞系统，包括：
安装在隧道内的至少一个UWB锚点；
安装在人员端的人员UWB标签，用于与所述UWB锚点进行UWB双向测距信息交互；
安装在车辆端的车载UWB标签，用于和所述UWB锚点进行UWB双向测距信息交互，计算出车载UWB标签和UWB锚点之间的相对距离，再计算得到车载UWB标签和UWB锚点之间的时钟偏差；
所述车载UWB标签保持UWB信号接收状态，接收人员UWB标签和UWB锚点之间交互的UWB双向测距信息，并利用和所述UWB锚点之间的时钟偏差，形成虚拟UWB锚点，将UWB锚点和人员UWB标签之间的双向测距，虚拟成了所述车载UWB标签和人员UWB标签之间的双向测距，从而计算出车载UWB标签与人员UWB标签之间的相对距离；根据人员UWB标签距离车载UWB标签的距离，车载UWB标签判断是否需要发出警告。
优选地，所述车载UWB标签和所述UWB锚点之间的双向测距方法的步骤包括：
1)车载UWB标签播发定位申请帧，其内容包含申请帧的发射时刻Ttx_poll；
2)UWB锚点接收到申请帧后，回复响应帧，其内容包含UWB锚点接收申请帧的接收时刻Trx_poll和播发响应帧的发射时刻Ttx_response；
3)车载UWB标签接收到响应帧后，回复结束帧，其内容包含车载UWB标签接收响应帧的接收时刻Trx_response，和播发结束帧的发射时刻Ttx_final；
4)UWB锚点接收到车载UWB标签的结束帧，并记录接收时刻Trx_final；
5)UWB锚点通过申请帧的发射时刻Ttx_poll和接收时刻Trx_poll，响应帧的发射时刻Ttx_response和接收时刻Trx_response，以及结束帧的发射Ttx_final和接收时刻Trx_final，采用DS-TWR算法，即可计算出车载UWB标签和UWB锚点之间的飞跃时间Ttof，乘以光速c，得到相对距离D，D＝c*Ttof。
优选地，所述车载UWB标签和所述UWB锚点之间的双向测距方法的步骤包括：
1)车载UWB标签播发定位申请帧，其内容包含申请帧的发射时刻Ttx_poll；
2)UWB锚点接收到申请帧后，回复响应帧，其内容包含UWB锚点接收申请帧的接收时刻Trx_poll和播发响应帧的发射时刻Ttx_response；
3)车载UWB标签接收到响应帧，其内容包含车载UWB标签接收响应帧的接收时刻Trx_response；
4)车载UWB标签通过申请帧的发射时刻Ttx_poll和接收时刻Trx_poll，响应帧的发射Ttx_response和接收时刻Trx_response，以及接收响应帧时，对频偏的估计Bclockoffset，采用SS-TWR算法计算出相对UWB锚点的飞跃时间Ttof，乘以光速c，得到相对距离D，D＝c*Ttof。
优选地，所述车载UWB标签和所述UWB锚点之间的时钟偏差b(t)计算方法为：
Trx_poll-Ttx_poll＝-b1+D/C (1)
Trx_response-Ttx_response＝b2+D/c (2)
在上述公式中，b1是申请帧发射那一刻时车载UWB标签和UWB锚点之间的时钟偏差，b2是响应帧接收那一刻时车载UWB标签和UWB锚点之间的时钟偏差；根据车载UWB标签和UWB锚点的时间基准的特性，短时间内，都可以近似的将其视为随时间的线性变化，所以在本次测距之后的某个时间点t，车载UWB标签和UWB锚点之间的时钟偏差有：
由公式(1)(2)，代入(3)得到车载UWB标签和UWB锚点之间的时钟偏差：
优选地，所述车载UWB标签和所述人员UWB标签之间的双向测距步骤包括：
1)车载UWB标签接收到人员UWB标签的双向定位申请帧，其中包含申请帧的发射时刻Tp_tx_poll；
2)车载UWB标签利用和UWB锚点之间的时钟偏差，将本地的申请帧接收时刻Tv_rx_poll转换为以UWB锚点时钟为基准的虚拟接收时刻T’a_rx_poll；
T’a_rxpoll＝Tv_rx_poll-b(t)
3)车载UWB标签接收UWB锚点给人员UWB标签的响应帧，内容包含UWB锚点接收定位申请帧的接收时刻Ta_rx_poll，和该响应帧的发射时刻Ta_tx_response，车载UWB标签同时记录下本地的响应帧接收时刻Tv_rx_response；
4)车载UWB标签接收人员UWB标签给UWB锚点的结束帧，内容包含人员UWB标签接收响应帧的接收时刻Tp_rx_response，和该结束帧的发射时刻Tp_tx_final；车载UWB标签同时记录下本地的结束帧接收时刻Tv_rx_final；
5)车载UWB标签通过UWB锚点接收定位申请帧的接收时刻Ta_rx_poll，和本地的虚拟接收时刻T’a_rx_poll，计算人员UWB标签位于UWB锚点和车载UWB标签的哪个区域；
6)如果|Ta_rx_poll-T'a_rx_poll|＜D/c，人员UWB标签位于UWB锚点和车载UWB标签之间，则可以采用TDOA算法，得出人员UWB标签和车载UWB标签之间的距离Dp_v；
7)如果不满足步骤(6)，并且T’a_rx_poll>Ta_rx_poll，则人员UWB标签位于UWB锚点外侧，则车载UWB标签将UWB锚点响应帧的接收时刻Tv_rx_response，利用和UWB锚点之间的距离，补偿到本地的时钟上，虚拟成本地播发的响应帧，并计算出这一响应帧的虚拟发射时刻T’v_tx_response，
这样在车载UWB标签本地，将UWB锚点和人员UWB标签之间的双向测距，虚拟成了车载UWB标签和人员UWB标签之间的双向测距，由人员UWB标签的申请帧发射时刻Tp_tx_poll，车载UWB标签对申请帧的接收时刻Tv_rx_poll，车载UWB标签虚拟的响应帧发射时刻T’v_tx_response，人员UWB标签对响应帧的接收时刻Tp_rx_response，人员UWB标签的结束帧发射时刻Tp_tx_final，和车载UWB标签对结束帧的接收时刻Tv_rx_final，根据DS-TWR双向测距算法计算得到车载UWB标签和人员UWB标签之间的距离Dp_v；
8)如果不满足步骤(6)，并且Ta_rx_poll>T’a_rx_poll，则人员UWB标签位于车载UWB标签外侧，则车载UWB标签将UWB锚点响应帧的接收时刻Tv_rx_response，利用和UWB锚点之间的距离，补偿到本地的时钟上，虚拟成本地播发的响应帧，并计算出这一响应帧的虚拟发射时刻T’v_tx_response，
这样在车载UWB标签本地，将UWB锚点和人员UWB标签之间的双向测距，虚拟成了车载UWB标签和人员UWB标签之间的双向测距，由人员UWB标签的申请帧发射时刻Tp_tx_poll，车载UWB标签对申请帧的接收时刻Tv_rx_poll，车载UWB标签虚拟的响应帧发射时刻T’v_tx_response，人员UWB标签对响应帧的接收时刻Tp_rx_response，人员UWB标签的结束帧发射时刻Tp_tx_final，和车载UWB标签对结束帧的接收时刻Tv_rx_final，根据DS-TWR双向测距算法计算得到车载UWB标签和人员UWB标签之间的距离Dp_v。
本发明的有益效果为：
本发明中的车载UWB标签仅依靠监听，便可以完成与人员UWB标签的双向测距：人员UWB标签与UWB锚点之间进行双向测距，车载UWB标签监听双向测距的全过程，并根据与UWB锚点之间的时钟偏差，将UWB锚点播发的信息，虚拟成本地播发的信息，从而虚拟的完成与人员UWB标签之间的双向测距，获得距离。根据人员UWB标签距离车载UWB标签的距离，车载UWB标签判断是否需要发出警告，提醒驾驶员，避免安全事故。
本发明在尽量复用原有UWB定位功能的同时，不增加额外的测距，车载UWB标签仅依靠接收UWB信号，即可完成和附近UWB标签的测距功能，从而实现防碰撞功能。
附图说明
图1为本发明的实施例中车载UWB标签和UWB锚点测距信号交互示意图。
图2为本发明的实施例中人员UWB标签位于UWB锚点和车载UWB标签之间的信号交互示意图。
图3为本发明的实施例中人员UWB标签位于UWB锚点外侧时的信号交互示意图。
图4为本发明的实施例中人员UWB标签位于车载UWB标签外侧时的信号交互示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1至图4，提出本发明的基于UWB的隧道内人车防碰撞方法及系统的实施例：
一种基于UWB的隧道内人车防碰撞系统，包括：
安装在隧道内的至少一个UWB锚点；
安装在人员端的人员UWB标签，用于与所述UWB锚点进行UWB双向测距信息交互；
安装在车辆端的车载UWB标签，用于和所述UWB锚点进行UWB双向测距信息交互，计算出车载UWB标签和UWB锚点之间的相对距离，再计算得到车载UWB标签和UWB锚点之间的时钟偏差。
所述车载UWB标签保持UWB信号接收状态，接收人员UWB标签和UWB锚点之间交互的UWB双向测距信息，并利用和所述UWB锚点之间的时钟偏差，形成虚拟UWB锚点，将UWB锚点和人员UWB标签之间的双向测距，虚拟成了所述车载UWB标签和人员UWB标签之间的双向测距，从而计算出车载UWB标签与人员UWB标签之间的相对距离；根据人员UWB标签距离车载UWB标签的距离，车载UWB标签判断是否需要发出警告。
应用上述防碰撞系统，提出一种基于UWB的隧道内人车防碰撞方法，具体步骤如下：
1)采用安装在车端的车载UWB标签和安装在隧道内的UWB锚点进行UWB双向测距信息交互，计算出车载UWB标签和UWB锚点之间的相对距离。
2)车载UWB标签在计算出相对UWB锚点的距离后，计算得到车载UWB标签和UWB锚点之间的时钟偏差。
3)位于人员端的人员UWB标签与UWB锚点进行UWB双向测距信息交互，车载UWB标签保持UWB信号接收状态，接收人员UWB标签和UWB锚点之间交互的UWB双向测距信息。
4)车载UWB标签利用和UWB锚点之间的时钟偏差，形成虚拟UWB锚点，将UWB锚点和人员UWB标签之间的双向测距，虚拟成了该车载UWB标签和人员UWB标签之间的双向测距，计算出车载UWB标签与人员UWB标签之间的相对距离。
5)根据人员UWB标签距离车载UWB标签的距离，车载UWB标签判断是否需要发出警告。
其中，车载UWB标签和UWB锚点之间的双向测距方法有两种，一种方法步骤包括：
1)车载UWB标签播发定位申请帧，其内容包含申请帧的发射时刻Ttx_poll。
2)UWB锚点接收到申请帧后，回复响应帧，其内容包含UWB锚点接收申请帧的接收时刻Trx_poll和播发响应帧的发射时刻Ttx_response。
3)车载UWB标签接收到响应帧后，回复结束帧，其内容包含车载UWB标签接收响应帧的接收时刻Trx_response，和播发结束帧的发射时刻Ttx_final。
4)UWB锚点接收到车载UWB标签的结束帧，并记录接收时刻Trx_final。
5)UWB锚点通过申请帧的发射时刻Ttx_poll和接收时刻Trx_poll，响应帧的发射时刻Ttx_response和接收时刻Trx_response，以及结束帧的发射Ttx_final和接收时刻Trx_final，采用DS-TWR算法，即可计算出车载UWB标签和UWB锚点之间的飞跃时间Ttof，乘以光速c，得到相对距离D，D＝c*Ttof。
另一种车载UWB标签和UWB锚点之间的双向测距方法的步骤包括：
1)车载UWB标签播发定位申请帧，其内容包含申请帧的发射时刻Ttx_poll；
2)UWB锚点接收到申请帧后，回复响应帧，其内容包含UWB锚点接收申请帧的接收时刻Trx_poll和播发响应帧的发射时刻Ttx_response；
3)车载UWB标签接收到响应帧，其内容包含车载UWB标签接收响应帧的接收时刻Trx_response；
4)车载UWB标签通过申请帧的发射时刻Ttx_poll和接收时刻Trx_po1l，响应帧的发射Ttx_response和接收时刻Trx_response，以及接收响应帧时，对频偏的估计Bclockoffset，采用SS-TWR算法计算出相对UWB锚点的飞跃时间Ttof，乘以光速c，得到相对距离D，D＝c*Ttof。
车载UWB标签和UWB锚点之间的时钟偏差b(t)计算方法为：
Trx_poll-Ttx_poll＝-b1+D/c (1)
Trx_response-Ttx_response＝b2+D/c (2)
在上述公式中，b1是申请帧发射那一刻时车载UWB标签和UWB锚点之间的时钟偏差，b2是响应帧接收那一刻时车载UWB标签和UWB锚点之间的时钟偏差；根据车载UWB标签和UWB锚点的时间基准的特性，短时间内，都可以近似的将其视为随时间的线性变化，所以在本次测距之后的某个时间点t，车载UWB标签和UWB锚点之间的时钟偏差有：
由公式(1)(2)，代入(3)得到车载UWB标签和UWB锚点之间的时钟偏差：
车载UWB标签和人员UWB标签之间的双向测距步骤包括：
1)车载UWB标签接收到人员UWB标签的双向定位申请帧，其中包含申请帧的发射时刻Tp_tx_poll。
2)车载UWB标签利用和UWB锚点之间的时钟偏差，将本地的申请帧接收时刻Tv_rx_poll转换为以UWB锚点时钟为基准的虚拟接收时刻T’a_rx_poll。
Ta_rx_poll＝Tv_rx_poll-b(t)
3)车载UWB标签接收UWB锚点给人员UWB标签的响应帧，内容包含UWB锚点接收定位申请帧的接收时刻Ta_rx_poll，和该响应帧的发射时刻Ta_tx_response，车载UWB标签同时记录下本地的响应帧接收时刻Tv_rx_response。
4)车载UWB标签接收人员UWB标签给UWB锚点的结束帧，内容包含人员UWB标签接收响应帧的接收时刻Tp_rx_response，和该结束帧的发射时刻Tp_tx_final；车载UWB标签同时记录下本地的结束帧接收时刻Tv_rx_final。
5)车载UWB标签通过UWB锚点接收定位申请帧的接收时刻Ta_rx_poll，和本地的虚拟接收时刻T’a_rx_poll，计算人员UWB标签位于UWB锚点和车载UWB标签的哪个区域。
6)如果|Ta_rx_poll－T’a_rx_poll|<D/c，人员UWB标签位于UWB锚点和车载UWB标签之间，则可以采用TDOA算法，得出人员UWB标签和车载UWB标签之间的距离Dp_v。
7)如果不满足步骤(6)，并且T’a_rx_poll>Ta_rx_poll，则人员UWB标签位于UWB锚点外侧，则车载UWB标签将UWB锚点响应帧的接收时刻Tv_rx_response，利用和UWB锚点之间的距离，补偿到本地的时钟上，虚拟成本地播发的响应帧，并计算出这一响应帧的虚拟发射时刻T’v_tx_response。
这样在车载UWB标签本地，将UWB锚点和人员UWB标签之间的双向测距，虚拟成了车载UWB标签和人员UWB标签之间的双向测距，由人员UWB标签的申请帧发射时刻Tp_tx_poll，车载UWB标签对申请帧的接收时刻Tv_rx_poll，车载UWB标签虚拟的响应帧发射时刻T’v_tx_response，人员UWB标签对响应帧的接收时刻Tp_rx_response，人员UWB标签的结束帧发射时刻Tp_tx_final，和车载UWB标签对结束帧的接收时刻Tv_rx_final，根据DS-TWR双向测距算法计算得到车载UWB标签和人员UWB标签之间的距离Dp_v。
8)如果不满足步骤(6)，并且Ta_rx_poll>T’a_rx_poll，则人员UWB标签位于车载UWB标签外侧，则车载UWB标签将UWB锚点响应帧的接收时刻Tv_rx_response，利用和UWB锚点之间的距离，补偿到本地的时钟上，虚拟成本地播发的响应帧，并计算出这一响应帧的虚拟发射时刻T’v_tx_response。
这样在车载UWB标签本地，将UWB锚点和人员UWB标签之间的双向测距，虚拟成了车载UWB标签和人员UWB标签之间的双向测距，由人员UWB标签的申请帧发射时刻Tp_tx_poll，车载UWB标签对申请帧的接收时刻Tv_rx_poll，车载UWB标签虚拟的响应帧发射时刻T’v_tx_response，人员UWB标签对响应帧的接收时刻Tp_rx_response，人员UWB标签的结束帧发射时刻Tp_tx_final，和车载UWB标签对结束帧的接收时刻Tv_rx_final，根据DS-TWR双向测距算法计算得到车载UWB标签和人员UWB标签之间的距离Dp_v。
本发明中的车载UWB标签仅依靠监听，便可以完成与人员UWB标签的双向测距：人员UWB标签与UWB锚点之间进行双向测距，车载UWB标签监听双向测距的全过程，并根据与UWB锚点之间的时钟偏差，将UWB锚点播发的信息，虚拟成本地播发的信息，从而虚拟的完成与人员UWB标签之间的双向测距，获得距离。根据人员UWB标签距离车载UWB标签的距离，车载UWB标签判断是否需要发出警告，提醒驾驶员，避免安全事故。
本发明在尽量复用原有UWB定位功能的同时，不增加额外的测距，车载UWB标签仅依靠接收UWB信号，即可完成和附近UWB标签的测距功能，从而实现防碰撞功能。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于UWB的隧道内人车防碰撞方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)采用安装在车端的车载UWB标签和安装在隧道内的UWB锚点进行UWB双向测距信息交互，计算出车载UWB标签和UWB锚点之间的相对距离D；
2)车载UWB标签在计算出相对UWB锚点的距离D后，计算得到车载UWB标签和UWB锚点之间的时钟偏差b(t)；
3)位于人员端的人员UWB标签与UWB锚点进行UWB双向测距信息交互，车载UWB标签保持UWB信号接收状态，接收人员UWB标签和UWB锚点之间交互的UWB双向测距信息；
4)车载UWB标签利用和UWB锚点之间的时钟偏差，形成虚拟UWB锚点，将UWB锚点和人员UWB标签之间的双向测距，虚拟成了该车载UWB标签和人员UWB标签之间的双向测距，计算出车载UWB标签与人员UWB标签之间的相对距离；
5)根据人员UWB标签距离车载UWB标签的距离，车载UWB标签判断是否需要发出警告；
在上述步骤4中，车载UWB标签和人员UWB标签之间的双向测距的具体步骤包括：
1)车载UWB标签接收到人员UWB标签的双向定位申请帧，其中包含申请帧的发射时刻Tp_tx_poll；
2)车载UWB标签利用和UWB锚点之间的时钟偏差b(t)，将本地的申请帧接收时刻Tv_rx_poll转换为以UWB锚点时钟为基准的虚拟接收时刻T’a_rx_poll；
T′a_rx_poll＝Tv_rx_poll-b(t)
3)车载UWB标签接收UWB锚点给人员UWB标签的响应帧，内容包含UWB锚点接收定位申请帧的接收时刻Ta_rx_poll，和该响应帧的发射时刻Ta_tx_response，车载UWB标签同时记录下本地的响应帧接收时刻Tv_rx_response；
4)车载UWB标签接收人员UWB标签给UWB锚点的结束帧，内容包含人员UWB标签接收响应帧的接收时刻Tp_rx_response，和该结束帧的发射时刻Tp_tx_final；车载UWB标签同时记录下本地的结束帧接收时刻Tv_rx_final；
5)车载UWB标签通过UWB锚点接收定位申请帧的接收时刻Ta_rx_poll，和本地的虚拟接收时刻T’a_rx_poll，计算人员UWB标签位于UWB锚点和车载UWB标签的哪个区域；
6)如果|Ta_rx_poll-T’a_rx_poll|＜D/c，人员UWB标签位于UWB锚点和车载UWB标签之间，则可以采用TDOA算法，得出人员UWB标签和车载UWB标签之间的距离Dp_v；
7)如果不满足步骤(6)，并且T'a_rx_poll＞Ta_rx_poll，则人员UWB标签位于UWB锚点外侧，则车载UWB标签将UWB锚点响应帧的接收时刻Tv_rx_response，利用和UWB锚点之间的距离D，补偿到本地的时钟上，虚拟成本地播发的响应帧，并计算出这一响应帧的虚拟发射时刻T'v_tx_response，
这样在车载UWB标签本地，将UWB锚点和人员UWB标签之间的双向测距，虚拟成了车载UWB标签和人员UWB标签之间的双向测距，由人员UWB标签的申请帧发射时刻Tp_tx_poll，车载UWB标签对申请帧的接收时刻Tv_rx_poll，车载UWB标签虚拟的响应帧发射时刻T’v_tx_response，人员UWB标签对响应帧的接收时刻Tp_rx_response，人员UWB标签的结束帧发射时刻Tp_tx_final，和车载UWB标签对结束帧的接收时刻Tv_rx_final，根据DS-TWR双向测距算法计算得到车载UWB标签和人员UWB标签之间的距离Dp_v；
8)如果不满足步骤(6)，并且Ta_rx_poll＞T’a_rx_poll，则人员UWB标签位于车载UWB标签外侧，则车载UWB标签将UWB锚点响应帧的接收时刻Tv_rx_response，利用和UWB锚点之间的距离D，补偿到本地的时钟上，虚拟成本地播发的响应帧，并计算出这一响应帧的虚拟发射时刻T’v_tx_response，
这样在车载UWB标签本地，将UWB锚点和人员UWB标签之间的双向测距，虚拟成了车载UWB标签和人员UWB标签之间的双向测距，由人员UWB标签的申请帧发射时刻Tp_tx_poll，车载UWB标签对申请帧的接收时刻Tv_rx_poll，车载UWB标签虚拟的响应帧发射时刻T’v_tx_response，人员UWB标签对响应帧的接收时刻Tp_rx_response，人员UWB标签的结束帧发射时刻Tp_tx_final，和车载UWB标签对结束帧的接收时刻Tv_rx_final，根据DS-TWR双向测距算法计算得到车载UWB标签和人员UWB标签之间的距离Dp_v。
2.根据权利要求1所述的一种基于UWB的隧道内人车防碰撞方法，其特征在于，车载UWB标签和UWB锚点之间的双向测距方法的步骤包括：
1)车载UWB标签播发定位申请帧，其内容包含申请帧的发射时刻Ttx_poll；
2)UWB锚点接收到申请帧后，回复响应帧，其内容包含UWB锚点接收申请帧的接收时刻Trx_poll和播发响应帧的发射时刻Ttx_response；
3)车载UWB标签接收到响应帧后，回复结束帧，其内容包含车载UWB标签接收响应帧的接收时刻Trx_response，和播发结束帧的发射时刻Ttx_final；
4)UWB锚点接收到车载UWB标签的结束帧，并记录接收时刻Trx_final；
5)UWB锚点通过申请帧的发射时刻Ttx_poll和接收时刻Trx_poll，响应帧的发射时刻Ttx_response和接收时刻Trx_response，以及结束帧的发射Ttx_final和接收时刻Trx_final，采用DS-TWR算法，即可计算出车载UWB标签和UWB锚点之间的飞跃时间Ttof，乘以光速c，得到相对距离D，D＝c*Ttof。
3.根据权利要求1所述的一种基于UWB的隧道内人车防碰撞方法，其特征在于，车载UWB标签和UWB锚点之间的双向测距方法的步骤包括：
1)车载UWB标签播发定位申请帧，其内容包含申请帧的发射时刻Ttx_poll；
2)UWB锚点接收到申请帧后，回复响应帧，其内容包含UWB锚点接收申请帧的接收时刻Trx_poll和播发响应帧的发射时刻Ttx_response；
3)车载UWB标签接收到响应帧，其内容包含车载UWB标签接收响应帧的接收时刻Trx_response；
4)车载UWB标签通过申请帧的发射时刻Ttx_poll和接收时刻Trx_poll，响应帧的发射Ttx_response和接收时刻Trx_response，以及接收响应帧时，对频偏的估计Bclockoffset，采用SS-TWR算法计算出相对UWB锚点的飞跃时间Ttof，乘以光速c，得到相对距离D，D＝c*Ttof。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于UWB的隧道内人车防碰撞方法，其特征在于，车载UWB标签和UWB锚点之间的时钟偏差b(t)计算方法为：
Trx_poll-Ttx_poll＝-b1+D/c (1)
Trx_response-Ttx_esponse＝b2+D/c (2)
在上述公式中，b1是申请帧发射那一刻时车载UWB标签和UWB锚点之间的时钟偏差，b2是响应帧接收那一刻时车载UWB标签和UWB锚点之间的时钟偏差；根据车载UWB标签和UWB锚点的时间基准的特性，短时间内，都可以近似的将其视为随时间的线性变化，所以在本次测距之后的某个时间点t，车载UWB标签和UWB锚点之间的时钟偏差有：
由公式(1)(2)，代入(3)得到车载UWB标签和UWB锚点之间的时钟偏差：
5.一种基于UWB的隧道内人车防碰撞系统，其特征在于，包括：
安装在隧道内的至少一个UWB锚点；
安装在人员端的人员UWB标签，用于与所述UWB锚点进行UWB双向测距信息交互；
安装在车辆端的车载UWB标签，用于和所述UWB锚点进行UWB双向测距信息交互，计算出车载UWB标签和UWB锚点之间的相对距离D，再计算得到车载UWB标签和UWB锚点之间的时钟偏差b(t)；
所述车载UWB标签保持UWB信号接收状态，接收人员UWB标签和UWB锚点之间交互的UWB双向测距信息，并利用和所述UWB锚点之间的时钟偏差b(t)，形成虚拟UWB锚点，将UWB锚点和人员UWB标签之间的双向测距，虚拟成了所述车载UWB标签和人员UWB标签之间的双向测距，从而计算出车载UWB标签与人员UWB标签之间的相对距离；根据人员UWB标签距离车载UWB标签的距离，车载UWB标签判断是否需要发出警告；
其中，所述车载UWB标签和所述人员UWB标签之间的双向测距具体步骤包括：
1)车载UWB标签接收到人员UWB标签的双向定位申请帧，其中包含申请帧的发射时刻Tp_tx_po1l；
2)车载UWB标签利用和UWB锚点之间的时钟偏差b(t)，将本地的申请帧接收时刻Tv_rx_poll转换为以UWB锚点时钟为基准的虚拟接收时刻T’a_rx_poll；
T′a_rxpoll＝Tv_rx_poll-b(t)
3)车载UWB标签接收UWB锚点给人员UWB标签的响应帧，内容包含UWB锚点接收定位申请帧的接收时刻Ta_rx_poll，和该响应帧的发射时刻Ta_tx_response，车载UWB标签同时记录下本地的响应帧接收时刻Tv_rx_response；
4)车载UWB标签接收人员UWB标签给UWB锚点的结束帧，内容包含人员UWB标签接收响应帧的接收时刻Tp_rx_response，和该结束帧的发射时刻Tp_tx_final；车载UWB标签同时记录下本地的结束帧接收时刻Tv_rx_final；
5)车载UWB标签通过UWB锚点接收定位申请帧的接收时刻Ta_rx_poll，和本地的虚拟接收时刻T’a_rx_poll，计算人员UWB标签位于UWB锚点和车载UWB标签的哪个区域；
6)如果|Ta_rx_poll-T’a_rx_poll|＜D/c，人员UWB标签位于UWB锚点和车载UWB标签之间，则可以采用TDOA算法，得出人员UWB标签和车载UWB标签之间的距离Dp_v；
7)如果不满足步骤(6)，并且T'a_rx_poll＞Ta_rx_poll，则人员UWB标签位于UWB锚点外侧，则车载UWB标签将UWB锚点响应帧的接收时刻Tv_rx_response，利用和UWB锚点之间的距离D，补偿到本地的时钟上，虚拟成本地播发的响应帧，并计算出这一响应帧的虚拟发射时刻T'v_tx_response，
这样在车载UWB标签本地，将UWB锚点和人员UWB标签之间的双向测距，虚拟成了车载UWB标签和人员UWB标签之间的双向测距，由人员UWB标签的申请帧发射时刻Tp_tx_poll，车载UWB标签对申请帧的接收时刻Tv_rx_poll，车载UWB标签虚拟的响应帧发射时刻T’v_tx_response，人员UWB标签对响应帧的接收时刻Tp_rx_response，人员UWB标签的结束帧发射时刻Tp_tx_final，和车载UWB标签对结束帧的接收时刻Tv_rx_final，根据DS-TWR双向测距算法计算得到车载UWB标签和人员UWB标签之间的距离Dp_v；
8)如果不满足步骤(6)，并且Ta_rx_poll＞T’a_rx_poll，则人员UWB标签位于车载UWB标签外侧，则车载UWB标签将UWB锚点响应帧的接收时刻Tv_rx_response，利用和UWB锚点之间的距离D，补偿到本地的时钟上，虚拟成本地播发的响应帧，并计算出这一响应帧的虚拟发射时刻T’v_tx_response，
这样在车载UWB标签本地，将UWB锚点和人员UWB标签之间的双向测距，虚拟成了车载UWB标签和人员UWB标签之间的双向测距，由人员UWB标签的申请帧发射时刻Tp_tx_poll，车载UWB标签对申请帧的接收时刻Tv_rx_poll，车载UWB标签虚拟的响应帧发射时刻T’v_tx_response，人员UWB标签对响应帧的接收时刻Tp_rx_response，人员UWB标签的结束帧发射时刻Tp_tx_final，和车载UWB标签对结束帧的接收时刻Tv_rx_final，根据DS-TWR双向测距算法计算得到车载UWB标签和人员UWB标签之间的距离Dp_v。
6.根据权利要求5所述的基于UWB的隧道内人车防碰撞系统，其特征在于，所述车载UWB标签和所述UWB锚点之间的双向测距方法的步骤包括：
1)车载UWB标签播发定位申请帧，其内容包含申请帧的发射时刻Ttx_poll；
2)UWB锚点接收到申请帧后，回复响应帧，其内容包含UWB锚点接收申请帧的接收时刻Trx_poll和播发响应帧的发射时刻Ttx_response；
3)车载UWB标签接收到响应帧后，回复结束帧，其内容包含车载UWB标签接收响应帧的接收时刻Trx_response，和播发结束帧的发射时刻Ttx_final；
4)UWB锚点接收到车载UWB标签的结束帧，并记录接收时刻Trx_final；
5)UWB锚点通过申请帧的发射时刻Ttx_poll和接收时刻Trx_poll，响应帧的发射时刻Ttx_response和接收时刻Trx_response，以及结束帧的发射Ttx_final和接收时刻Trx_final，采用DS-TWR算法，即可计算出车载UWB标签和UWB锚点之间的飞跃时间Ttof，乘以光速c，得到相对距离D，D＝c*Ttof。
7.根据权利要求5所述的基于UWB的隧道内人车防碰撞系统，其特征在于，所述车载UWB标签和所述UWB锚点之间的双向测距方法的步骤包括：
1)车载UWB标签播发定位申请帧，其内容包含申请帧的发射时刻Ttx_poll；
2)UWB锚点接收到申请帧后，回复响应帧，其内容包含UWB锚点接收申请帧的接收时刻Trx_poll和播发响应帧的发射时刻Ttx_response；
3)车载UWB标签接收到响应帧，其内容包含车载UWB标签接收响应帧的接收时刻Trx_response；
4)车载UWB标签通过申请帧的发射时刻Ttx_poll和接收时刻Trx_poll，响应帧的发射Ttx_response和接收时刻Trx_response，以及接收响应帧时，对频偏的估计Bclockoffset，采用SS-TWR算法计算出相对UWB锚点的飞跃时间Ttof，乘以光速c，得到相对距离D，D＝c*Ttof。
8.根据权利要求6或7所述的基于UWB的隧道内人车防碰撞系统，其特征在于，所述车载UWB标签和所述UWB锚点之间的时钟偏差b(t)计算方法为：
Trx_poll-Ttx_poll＝-b1+D/C (1)
Trx_response-Ttx_response＝b2+D/c (2)
在上述公式中，b1是申请帧发射那一刻时车载UWB标签和UWB锚点之间的时钟偏差，b2是响应帧接收那一刻时车载UWB标签和UWB锚点之间的时钟偏差；根据车载UWB标签和UWB锚点的时间基准的特性，短时间内，都可以近似的将其视为随时间的线性变化，所以在本次测距之后的某个时间点t，车载UWB标签和UWB锚点之间的时钟偏差有：
由公式(1)(2)，代入(3)得到车载UWB标签和UWB锚点之间的时钟偏差：
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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