CN114047501A - 一种基于毫米波雷达的室内定位系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于毫米波雷达的室内定位系统,包括：雷达、角反射器、控制显示器，雷达发射并接收、处理角反射器的反射信息，计算得到运动车体的坐标信息并通过控制显示器显示，其中，室内安装的多个角反射器安装高度不完全相同，且每个角反射器均以不同的速度沿原点往复运动，雷达接收到的目标信号采用集中式多传感器融合处理方法，单个雷达数据上传至融合中心，采用并行式的融合处理方法得到运动车体的位置坐标。优势如下：多个安装高度不同、运动速度不同的角反可实现恶劣环境中运动车体的定位、提高定位精度，且该室内定位系统不受雨雪雾、光照等天气环境限制，实现全天候、全天时的定位探测。
Description
技术领域
本发明涉及车辆定位技术领域，具体为一种基于毫米波雷达的室内定位系统。
背景技术
在隧道或者封闭室内环境中，GPS无法对车辆或移动目标体进行准确定位。由于探测机理的原因，激光雷达或者摄像机探测的距离都比较有限，且易受雨雾、光照等天气环境限制。
毫米波雷达利用电磁波反射，夜间等昏暗环境中也能有效检测，具有全天候检测能力；毫米波雷达还可直接获得目标速度、距离和方向角度的信息，探测距离可达100米，所以毫米波雷达在车辆室内定位领域具有巨大潜力。
基于毫米波雷达的上述优势，本发明提出一种基于毫米波雷达的室内定位系统，解决上述技术问题。
发明内容
一种基于毫米波雷达的室内定位系统，包括雷达、角反射器、控制显示器，所述雷达包括发射机、发射天线、接收机、接收天线、混频器、低通滤波器、 A/D转换器、基带信号处理器；所述发射机与所述发射天线连接，所述接收机与所述接收天线连接，所述发射机、接收机均与所述混频器连接，所述混频器与所述低通滤波器连接，所述低通滤波器、A/D转换器、基带信号处理器依次连接；
所述发射机用于产生电磁波且大量电磁波进入发射天线、少量电磁波进入混频器；
所述混频器用于将发射机发射的的本振信号与接收天线收到的回波信号进行混频，从而获得电磁波反应前后的频率差值即差频信号；
所述低通滤波器允许低频信号通过，减弱或减少高于截止频率的信号的通过；
所述A/D转换器用于将差频模拟信号转换为数字信号；
所述基带信号处理器接收差频信号并计算得到车辆的距离、速度、角度等信息；
其中发射天线发射的电磁波被目标反射后的电磁波被接收天线接收并进入接收机；
所述车辆安装有多个雷达，隧道或封闭环境内壁安装有多个所述角反射器，多个所述角反射器的安装位置、安装高度不同；所述雷达与所述控制显示器连接，所述控制显示器用于显示车辆在室内的位置信息。
优选的，所述基于毫米波雷达的室内定位系统,所述角反射器以平行于安装轴线的方向做往复循环运动，所述角反射器的运动速度不同。
优选的，所述基于毫米波雷达的室内定位系统,所述角反射器通过阻尼弹簧系统固定在往复循环运动装置的动子端。
优选的，所述基于毫米波雷达的室内定位系统,所述雷达数量、角反射器数量均为六个，实现车辆六个自由度方向的定位。
优选的，所述基于毫米波雷达的室内定位系统,车辆(即待探测体)的前侧、后侧、左侧、右侧均安装有所述角反射器，位于车辆两侧(左侧、右侧)的角反射器非对称设置且同侧的多个角反射器安装高度不同、运动速度不同，这样设置可在比较恶劣的环境中检测到更全面的信息，避免因角反射器安装高度的影响导致的不准确，高度设置为相同，不利于准确度的检测，错位高度设置比较好、位置准确度高。
优选的，所述基于毫米波雷达的室内定位系统,所述车辆移动方向前侧、后侧、左侧两个、右侧两个的角度反射器的安装高度分别是20cm、30cm、35cm、 25cm、25cm、35cm，相应的，上述六个角度反射器的运行相对速度为0.5m/s、 2m/s、1m/s、1.5m/s、3m/s、2.5m/s，所述角反射器的安装高度是以其正下方地面为零点而言的安装高度。
优选的，所述基于毫米波雷达的室内定位系统,所述发射机发射的是调频连续波(FMCW)信号。
优选的，所述基于毫米波雷达的室内定位系统,所述雷达是77GHz雷达。
优选的，所述基于毫米波雷达的室内定位系统,雷达接收到的目标信号采用集中式多传感器融合处理方法，单个雷达数据上传至融合中心，采用并行式的融合处理方法，具体步骤如下：
1、每个雷达提供目标角反射器[x y vx vy]的量测信息，并传输到融合中心，融合中心缓存所有雷达最新一帧的数据，同时将前置雷达设置为主雷达，当其数据更新时触发一次融合中心，这时多个雷达的传感器被融合中心读取，并对数据进行时间的同步，所有雷达都将最近的量测信息同步到主雷达回波信息的时刻，通过对雷达的时间同步与空间配准，实现所有雷达数据的同步，并进行坐标转换，得到大地坐标系下所有的量测结果；
2、将雷达数据中强角反射器的反射信号进行提取，利用数据反射截面积、径向速度等信息对雷达采集数据点进行分类并对地波杂点进行过滤，即对量测进行动静目标分辨，判断出雷达数据中的运动目标数据点，并对运动目标进行跟踪；
3、前后雷达读到的A1与A4角反的信号具有相对规律：即其相对距离已知、相对运动速度均已知，根据目标点的距离速度及信号强度信息提取出两个角反射器的信号，通过滤波对运动目标体的X向位置及速度进行判定：即已知角反射器大地坐标下位置及运动速度，根据雷达探测到的目标信号位置，得出运动车体X向位置；
4、根据其X轴范围信息，选择距离运动车体最近的左右侧角反射器信号信息，根据雷达读到的如A2，A6角反射器的目标信号规律，通过滤波判断出运动车体的Y向位置及速度：即已知角反射器大地坐标下位置及运动速度，根据雷达探测到的目标信号位置，得出运动车体Y向位置。
5、通过对滤波结果融合得到最终的运动体位置与速度信息：每个雷达的测量值的误差是独立不相关的，首先对每个传感器结果进行关联处理(采用集成概率数据关联的方法)，融合多个雷达的关联结果并对目标进行融合滤波；根据以上3,4步，由最终的运动车体位置与速度信息得出运动车体的X、Y向位置及运动速度。
优势如下：
本发明专利涉及的基于毫米波雷达的室内定位系统，定位精度高、探测距离远；且定位不受雨雪雾、光照等天气环境限制，实现全天候、全天时的定位探测，完全满足室内定位的需要。
附图说明：
下面结合附图对具体实施方式作进一步的说明，其中：
图1是本发明具体实施案例中涉及的车辆定位系统示意图；
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
具体实施案例1：
一种基于毫米波雷达的室内定位系统，包括雷达、角反射器、控制显示器，所述雷达包括发射机、发射天线、接收机、接收天线、混频器、低通滤波器、 A/D转换器、基带信号处理器；所述发射机与所述发射天线连接，所述接收机与所述接收天线连接，所述发射机、接收机均与所述混频器连接，所述混频器与所述低通滤波器连接，所述低通滤波器、A/D转换器、基带信号处理器依次连接；
所述发射机用于产生电磁波且大量电磁波进入发射天线、少量电磁波进入混频器；
所述混频器用于将发射机发射的的本振信号与接收天线收到的回波信号进行混频，从而获得电磁波反应前后的频率差值即差频信号；
所述低通滤波器允许低频信号通过，减弱或减少高于截止频率的信号的通过；
所述A/D转换器用于将差频模拟信号转换为数字信号；
所述基带信号处理器接收差频信号并计算得到车辆的距离、速度、角度等信息；
其中发射天线发射的电磁波被目标反射后的电磁波被接收天线接收并进入接收机；
所述车辆上安装6颗77GHz角雷达，通过探测角反返回信号，实现自车6 个自由度方向的定位；隧道或封闭环境内壁安装有6个所述角反射器，前侧角反(角反射器)安装高度20cm，后侧角安装高度30cm，左侧两角反安装高度分别为35cm和25cm，6个所述角反射器通过阻尼弹簧系统固定在往复循环运动装置的动子端且分别给以0.5m/s,1.0m/s,1.5m/s,2.0m/s,2.5m/s的运动速度 (如图1)，雷达将接收到的目标信号传送至中央控制平台，并通过融合处理得出目标车辆的准确坐标位置信息；所述雷达与所述控制显示器连接，所述控制显示器用于显示车辆在室内的位置信息。6个角反不同高度、不同速度的设计可在比较恶劣的环境中检测到更全面的信息，高度设置为相同，不利于准确度的检测，错位高度可提高位置测量准确度。
进一步的，所述发射机发射的是调频连续波(FMCW)信号,所述雷达是77GHz 雷达。
毫米波雷达发射多个周期相同的连续信号，在一个发射周期内，发射信号可表示为：
其中，A为发射信号的幅度增益；f0为信号的载波频率，B表示频信号的调频总带宽；T表示调频信号的周期；
表示发射信号的初始相位。
在发射信号的一个重复周期内，差拍信号复包络可以表示为：
上式是一个复信号序列，其包含中心频率、含有目标于雷达平台的径向相对运动速度信息,即
从上式可以看出，信号序列的中心频率与目标径向速度成线性关系。
雷达横截面是描述目标回波强度的物理量，简称RCS。RCS的正式定义为(Merril,2008):
式中R是目标到雷达的距离；E0是目标接收到的入射波电场强度；Es是目标散色波的电场强度。
简单角反射器RCS的近似值可表示为
式中Aeff是贡献多重内部反射的有效面积，可以通过对每个反射面在视线方向的投影面积求和来确定(Kbittm,1981)；λ是入射波波长。
由上式可知，角反射器RCS主要与其有效面积和接收的入射波波长有关。除了用m2为单位反映雷达散射截面外，另一种更通用的方法是用雷达散射截面对数值的10倍来表示，符号是σdBsm，单位是分贝平方米(dBsm)，即σdBsm＝10lgσ。
具体实施案例2：
一种基于毫米波雷达的室内定位系统,雷达接收到的目标信号采用集中式多传感器融合处理方法，单个雷达数据上传至融合中心，采用并行式的融合处理方法，具体步骤如下：
1、每个雷达提供目标角反射器[x y vx vy]的量测信息，并传输到融合中心，融合中心缓存所有雷达最新一帧的数据，同时将前置雷达设置为主雷达，当其数据更新时触发一次融合中心，这时多个雷达的传感器被融合中心读取，并对数据进行时间的同步，所有雷达都将最近的量测信息同步到主雷达回波信息的时刻，通过对雷达的时间同步与空间配准，实现所有雷达数据的同步，并进行坐标转换，得到大地坐标系下所有的量测结果；
2、将雷达数据中强角反射器的反射信号进行提取，利用数据反射截面积、径向速度等信息对雷达采集数据点进行分类并对地波杂点进行过滤，即对量测进行动静目标分辨，判断出雷达数据中的运动目标数据点，并对运动目标进行跟踪；
3、前后雷达读到的A1与A4角反的信号具有相对规律：即其相对距离已知、相对运动速度均已知，根据目标点的距离速度及信号强度信息提取出两个角反射器的信号，通过滤波对运动目标体的X向位置及速度进行判定：即已知角反射器大地坐标下位置及运动速度，根据雷达探测到的目标信号位置，得出运动车体X向位置；
4、根据其X轴范围信息，选择距离运动车体最近的左右侧角反射器信号信息，根据雷达读到的如A2，A6角反射器的目标信号规律，通过滤波判断出运动车体的Y向位置及速度：即已知角反射器大地坐标下位置及运动速度，根据雷达探测到的目标信号位置，得出运动车体Y向位置。
5、通过对滤波结果融合得到最终的运动体位置与速度信息：每个雷达的测量值的误差是独立不相关的，首先对每个传感器结果进行关联处理(采用集成概率数据关联的方法)，融合多个雷达的关联结果并对目标进行融合滤波；根据以上3,4步，由最终的运动车体位置与速度信息得出运动车体的X、Y向位置及运动速度。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种基于毫米波雷达的室内定位系统，包括，其特征在于：包括雷达、角反射器、控制显示器，所述雷达包括发射机、发射天线、接收机、接收天线、混频器、低通滤波器、A/D转换器、基带信号处理器；所述发射机与所述发射天线连接，所述接收机与所述接收天线连接，所述发射机、接收机均与所述混频器连接，所述混频器与所述低通滤波器连接，所述低通滤波器、A/D转换器、基带信号处理器依次连接；
所述发射机用于产生电磁波且大量电磁波进入发射天线、少量电磁波进入混频器；
所述混频器用于将发射机发射的的本振信号与接收天线收到的回波信号进行混频，从而获得电磁波反应前后的频率差值即差频信号；
所述低通滤波器允许低频信号通过，减弱或减少高于截止频率的信号的通过；
所述A/D转换器用于将差频模拟信号转换为数字信号；
所述基带信号处理器接收差频信号并计算得到车辆的距离、速度、角度等信息；
其中发射天线发射的电磁波被目标反射后的电磁波被接收天线接收并进入接收机；
所述车辆安装有多个雷达，隧道或封闭环境内壁安装有多个所述角反射器，多个所述角反射器的安装位置、安装高度不同；所述雷达与所述控制显示器连接，所述控制显示器用于显示车辆在室内的位置信息。
2.如权利要求1所述基于毫米波雷达的室内定位系统,其特征在于：所述角反射器通过阻尼弹簧系统固定在往复循环运动装置的动子端；所述角反射器以平行于安装轴线的方向做往复循环运动，所述角反射器的运动速度不同。
3.如权利要求2所述基于毫米波雷达的室内定位系统,其特征在于：车辆的前侧、后侧、左侧、右侧均安装有所述角反射器，位于车辆两侧的角反射器非对称设置且同侧的多个角反射器安装高度不同，所有角反射器的运动速度不同。
4.如权利要求1所述基于毫米波雷达的室内定位系统,其特征在于：所述雷达发射机发射的是调频连续波（FMCW）信号。
5.如权利要求1所述基于毫米波雷达的室内定位系统,其特征在于：所述雷达是77GHz雷达。
6.如权利要求5所述基于毫米波雷达的室内定位系统,其特征在于：雷达接收到的目标信号采用集中式多传感器融合处理方法，单个雷达数据上传至融合中心，采用并行式的融合处理方法，具体步骤如下：
（1）每个雷达提供目标角反射器[x y vx vy] 的量测信息，并传输到融合中心，融合中心缓存所有雷达最新一帧的数据，同时将前置雷达设置为主雷达，当其数据更新时触发一次融合中心，这时多个雷达的传感器被融合中心读取，并对数据进行时间的同步，所有雷达都将最近的量测信息同步到主雷达回波信息的时刻，通过对雷达的时间同步与空间配准，实现所有雷达数据的同步，并进行坐标转换，得到大地坐标系下所有的量测结果；
（2）将雷达数据中强角反射器的反射信号进行提取，利用数据反射截面积、径向速度等信息对雷达采集数据点进行分类并对地波杂点进行过滤，即对量测进行动静目标分辨，判断出雷达数据中的运动目标数据点，并对运动目标进行跟踪；
（3）前后雷达读到的 A1与A4角反的信号具有相对规律：即其相对距离已知、相对运动速度均已知，根据目标点的距离速度及信号强度信息提取出两个角反射器的信号，通过滤波对运动目标体的X向位置及速度进行判定：即已知角反射器大地坐标下位置及运动速度，根据雷达探测到的目标信号位置，得出运动车体X向位置；
（4）根据其X轴范围信息，选择距离运动车体最近的左右侧角反射器信号信息，根据雷达读到的如A2，A6角反射器的目标信号规律，通过滤波判断出运动车体的Y向位置及速度：即已知角反射器大地坐标下位置及运动速度，根据雷达探测到的目标信号位置，得出运动车体Y向位置；
（5）通过对滤波结果融合得到最终的运动体位置与速度信息：每个雷达的测量值的误差是独立不相关的，首先对每个传感器结果进行关联处理（采用集成概率数据关联的方法），融合多个雷达的关联结果并对目标进行融合滤波；根据以上（3）、（4）步骤，由最终的运动车体位置与速度信息得出运动车体的X、Y向位置及运动速度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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