CN114966542A - 数字钥匙定位系统和定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了数字钥匙定位系统和定位方法，系统包括依次连接的：阵列天线组、收发器控制器和通信接口；阵列天线组包括四个天线：第一天线、第二天线、第三天线和第四天线，定位方法是阵列天线组中的任意一个天线发射射频信号，并使用全部天线接收定位目标返回的射频信号；通过天线接收到的射频信号，得到第一到达角、第二到达角、定位目标到阵列天线组的斜；根据第一到达角、第二到达角和斜距得到定位目标与阵列天线组之间的位置关系。本申请中，仅需要一个阵列天线组即可实现覆盖车身周边的定位，减少天线节点数。布置在车内顶棚，无需防水，结构设计简单；车内布线简单，无需在车身结构上打孔来连接车内外的天线节点。

Description

数字钥匙定位系统和定位方法

技术领域

本发明涉及无线天线领域，尤其涉及数字钥匙定位系统和定位方法。

背景技术

现有基于UWB的车载定位系统通常使用多边测距的方法进行定位，一般需要5至7个天线节点分别布置在车外的各个位置，如车外前后保险杠的四个角，车内顶棚、后视镜等位置，分别布置多个UWB天线节点，通过同时测量这些节点和手机（或车钥匙）之间的相对距离，选取其中至少3个视距范围内的测量结果，通过三边定位算法求解手机（或车钥匙）和车辆的相对位置。

该方法局限性在于：

由于需要至少3个视距范围的节点才能计算目标位置，所以至少需要在车身外围布置4个以上的节点才能覆盖车身周边360度的定位范围。天线节点数量多，成本高。布置位置需避开金属结构，可用位置少。同时，节点的分散布置增加了车辆布线的难度。车外布置需要考虑IPx7级防水，结构设计难度大，成本高；需要同时管理多个节点，系统实现复杂。

发明内容

本发明提供一种数字钥匙定位系统和定位方法，布置方案简单、成本低、易实现。

该数字钥匙定位系统，包括依次连接的：阵列天线组、收发器、控制器和通信接口，至少阵列天线组和收发器集成在一起，形成整体结构；所述阵列天线组包括四个天线：第一天线、第二天线、第三天线和第四天线，并且四个天线对称底分布在四角；以所述第一天线和所述第二天线所在行为第一行；以所述第三天线和所述第四天线所在行为第二行；以所述第一天线和所述第三天线所在列为第一列；以所述第二天线和所述第四天线所在列为第二列；第一行和第二行间距ΔWλ，第一列和第二列间距ΔLλ；其中ΔW为行高系数，取值范围（0,1]；ΔL为列宽系数，取值范围（0,1]；λ为天线发射通信信号的波长,波长范围小于10厘米。

优选的，所述数字钥匙定位系统设置在车辆宽度方向的中心位置。

优选的，所述整体结构还包括：第一铜箔层、第二铜箔层、第三铜箔层、第四铜箔层和介质层，介质层50位于相邻的两组铜箔层之间；在第一铜箔层上形成第一镂空区，在第一镂空区上形成天线馈线；所述收发器的电路布置在所述第一铜箔层上，并且所述收发器与所述天线馈线联通；在第四铜箔层上形成第二镂空区，在第二镂空区上设置有阵列天线组；所述阵列天线组与所述天线馈线联通。

优选的，第一镂空区和第二镂空区之间，具有贯通的通孔，在所述通孔内有导电材料，以联通阵列天线组与所述天线馈线。

优选的，在第二镂空区上形成天线焊盘，所述阵列天线组连接在所述天线焊盘上。

一种数字钥匙定位系统的定位方法，阵列天线组中的任意一个天线发射UWB射频信号，并使用全部天线接收定位目标返回的UWB射频信号；通过第一列或第二列内的天线接收到的UWB射频信号，得到第一到达角θ；通过第一行或第二行内的天线接收到的UWB射频信号，得到第二到达角φ；通过阵列天线组中至少一个天线接收到的UWB射频信号，得到定位目标到阵列天线组的斜距D；根据所述第一到达角θ、第二到达角φ和斜距D得到定位目标与阵列天线组之间的位置关系。

优选的，第一到达角θ的取值范围为：-90°≤θ≤90°；第二到达角φ的取值范围为：-90°≤φ≤90°；以阵列天线组为原点划分四个象限，当θ＜0、φ＞0时，判断定位目标位于第一象限；当θ＜0、φ＜0时，判断定位目标位于第二象限；当θ＞0、φ＜0时，判断定位目标位于第三象限；当θ＞0、φ＞0时，判断定位目标位于第四象限；定位目标相对于阵列天线组的极坐标位置为：(D,|θ|+(n-1)*π/2)或(D,(π/2-|φ|)+(n-1)*π/2)；其中n为象限序号，第一象限、第二象限、第三象限、第四象限的象限序号分别为1、2、3、4。

优选的，第一到达角θ的取值范围为：-90°≤θ≤90°；第二到达角φ的取值范围为：-90°≤φ≤90°；当θ＜0、φ=0时，判断定位目标位于阵列天线组正前方；当φ＜0、θ=0时，判断定位目标位于阵列天线组正左方；当θ＞0、φ=0时，判断定位目标位于阵列天线组正后方；当φ＞0、θ=0时，判断定位目标位于阵列天线组正右方。

本申请中，仅需要一个阵列天线组即可实现覆盖车身周边360度的定位，减少天线节点数。布置在车内顶棚，无需防水，结构设计简单；车内布线简单，无需在车身结构上打孔来连接车内外的天线节点。

附图说明

图1为本发明数字钥匙定位系统的结构示意图；

图2为本发明数字钥匙定位系统的工作原理示意图；

图3为本发明数字钥匙定位系统的工作时象限划分示意图；

图4为本发明数字钥匙定位系统的定位目标位置示意图；

图5为本发明数字钥匙定位系统中阵列天线组和收发器整体结构示意图；

图6为本发明数字钥匙定位系统中第四铜箔层的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明公开一种数字钥匙定位系统（简称定位系统）和定位方法，下面先对定位系统进行说明。参见图1，包括依次连接的阵列天线组1、收发器2控制器3和通信接口4。该定位系统设置在车辆宽度方向的中心位置，一般安装在车辆内部。车辆的ECU（ElectronicControl Unit，电子控制单元）与通信接口4连接，向定位系统发出相应的控制信号。

一般的，ECU会协商设置定位系统和定位目标0之间的任务会话周期和参数等必要信息，其可遵循目前已公开的协议或私有协议。协商完成后由车辆中的ECU将结果通过通信接口4发送给本定位系统。

通信接口4接收到上述信息后，由控制器3控制对应的部件按照相应的要求对定位目标0进行测距通信。

本申请中，使用UWB（Ultra Wide Band，超宽带）进行定位。阵列天线组1可以发射UWB射频信号。定位目标0，指带有UWB通信功能的设备，例如带有UWB功能的车钥匙、手机、手环等，一般是指可用于解锁车辆设备，可统称为数字钥匙或UWB数字钥匙。

下面对数字钥匙定位系统的结构、工作方法以及阵列天线组1的工艺结构等进行说明。

阵列天线组1包括四个天线：第一天线11、第二天线12、第三天线13和第四天线14，并且四个天线对称底分布在四角。形成2X2的分布方式，具有两行两列。

以第一天线11和第二天线12所在行为第一行；以第三天线13和第四天线14所在行为第二行；以第一天线11和第三天线13所在列为第一列；以第二天线12和第四天线14所在列为第二列。

第一行和第二行间距ΔWλ，也就是第一天线11和第三天线13的间距、第二天线12和第四天线14的间距都是ΔWλ；第一列和第二列间距ΔLλ，即第一天线11和第二天线12的间距、第三天线13和第四天线14的间距都是ΔLλ。

ΔW为行高系数，取值范围（0,1]；ΔL为列宽系数，取值范围（0,1]；λ为天线发射通信信号的波长,波长范围小于10厘米，优选的为3.8cm-4.6cm。

上述四个天线处于同一平面内，且水平或接近水平布置，第一天线11和第二天线12靠近车辆的车头方向，第三天线13和第四天线14靠近车辆的车尾方向。

从上述ΔW和ΔL的取值范围以及波长的范围可以知晓，本申请的阵列天线组1尺寸小。一般在应用中，会控制在25平方厘米之内。相比于现有技术中，需要在车辆四角分别安装天线，本申请只需要安装一个天线阵列2，具有更小的尺寸，同时，其可以安装在车辆内，对防水等级的要求就大大降低。同样的，因为仅设置一个天线阵列2，对于布线来说就更方便简单，控制管理的复杂程度也随之降低。

下面说明定位方法。

结合上文说到的，ECU已经通过通信接口4发出了必要信息，控制器3控制收发器2和阵列天线组1开始工作。

收发器2会选择阵列天线组1中的任意一个天线作为发射天线，这个发射天线用来发射UWB射频信号。同时会选择阵列天线组1中的全部天线作为接收天线，用来接收定位目标0返回的UWB射频信号。当然这里就需要收发器2具备至少同时接收4路UWB信号的能力。

上述一个天线发射UWB设备信号，全部天线接收返回的UWB射频信号的过程，可以称为测距通信。每次测距通信完成后，控制器3或者其他运算单元就可以对定位目标0的位置进行计算。

结合图2，通过第一列或第二列内的天线接收到的UWB射频信号，得到第一到达角θ，也就是第一天线11和第三天线13共同工作最终得到第一到达角θ，或者是第二天线12和第四天线14共同工作最终得到第一到达角θ。

通过第一行或第二行内的天线接收到的UWB射频信号，得到第二到达角φ，即通过第一天线11和第二天线12共同工作最终得到第二到达角φ，或者通过第三天线13和第四天线14得到第二到达角φ。

上述第一到达角θ和第二到达角φ都可以通过两种天线组合工作的方式获得，在一些实施例中，可以是两种方式同时进行，取平均值得到更精确的参数。

第一到达角θ的取值范围为：-90°≤θ≤90°；第二到达角φ的取值范围为：-90°≤φ≤90°。第一到达角θ是与水平方向的夹角，第二到达角φ是竖直方向的夹角。将车辆前进的方向定义为竖直方向，图2中为y轴，左右方向为水平方向，图2中用x轴示意。

通过阵列天线组1中至少一个天线接收到的UWB射频信号，得到定位目标0到阵列天线组1的斜距D，斜距D可根据飞行时间原理计算得到。

以阵列天线组1为原点，根据两个到达角的取值，可以将定位目标0所处的区域划分为四个象限，参见图3，具体如下：

当θ＜0、φ＞0时，判断定位目标0位于第一象限；

当θ＜0、φ＜0时，判断定位目标0位于第二象限；

当θ＞0、φ＜0时，判断定位目标0位于第三象限；

当θ＞0、φ＞0时，判断定位目标0位于第四象限。

如图4所示，定位目标0相对于阵列天线组1的极坐标位置为：(D,|θ|+(n-1)*π/2)或(D,(π/2-|φ|)+(n-1)*π/2)。

其中n为象限序号，第一象限、第二象限、第三象限、第四象限的象限序号分别为1、2、3、4。

在第一到达角θ或第二到达角φ等于0时，有如下结果：

当θ＜0、φ=0时，判断定位目标0位于阵列天线组1正前方；

当φ＜0、θ=0时，判断定位目标0位于阵列天线组1正左方；

当θ＞0、φ=0时，判断定位目标0位于阵列天线组1正后方；

当φ＞0、θ=0时，判断定位目标0位于阵列天线组1正右方。

需要注意，本申请中阵列天线组1安装高度一般都在1.2-1.6m这个范围内（根据不同车型，可能会有变动），可以认为高度基本是固定的，具体的高度在安装时是确认的，也会将该高度同步给ECU，因此在确认位置时会考虑高度的参量。

因为定位目标0是数字钥匙，用来解锁车门，其使用时高度位置也相对较为固定，因此本申请中阵列天线组1以平面方式设置，定位目标0的高度，对上述判断的位置影响有限。

上述判断位置时，其主要目的可以是判断数字钥匙与车辆的相对位置，通过相对位置，可以使对应的车门响应解锁。因此判断出上述的象限位置受到高度的影响更低。对于上述第一到达角θ或第二到达角φ等于0的情形，可以预先设置好解锁的响应方案。

具体的响应解锁的方案，可以提前预制，可以根据极坐标的位置，判断对应的车门或后备箱解锁。同样的，还可以用来判断数字钥匙是否在车内，用于确定是否能够点火启动车辆。需要注意，这里提到用于解锁、点火等，仅作为其应用的示例，并不用于限制本申请。

本申请上述的定位系统，仅需要一个阵列天线组1即可实现覆盖车身周边360度的定位；布置在车内顶棚，无需防水，结构设计简单；车内布线简单，无需在车身结构上打孔来连接车内外的天线节点。

另外，为了满足本申请数字钥匙定位系统的小尺寸要求，下面对其工艺进行说明。

参见图5，该数字钥匙定位系统中，至少阵列天线组1和收发器2是集成在一起的，形成整体结构。

该整体结构还包括：四组铜箔层和三组介质层50，铜箔层分别为：第一铜箔层51、第二铜箔层52、第三铜箔层53和第四铜箔层54，介质层50位于相邻的两组铜箔层之间。也就是铜箔层和介质层50依次交替层叠而成。

结合图5和图6，在第一铜箔层51上形成第一镂空区，在第一镂空区上形成天线馈线6；在第四铜箔层54上形成第二镂空区，在第二镂空区上形成天线焊盘7，在所述天线焊盘7上连接有阵列天线组1；且第四铜箔层54作为阵列天线组1中各个天线的参考地平面。这里可以是形成一个天线焊盘7，阵列天线组1中的四个天线都连接在天线焊盘7上，也可以是在第二镂空区上形成四个天线焊盘7，每个天线各自连接一个天线焊盘7。出于节省空的考虑，优选是四个天线共用一个天线焊盘7，每个天线设置有独立的控制开关，以保证能够独立工作。

第一镂空区和第二镂空区之间，具有贯通的过孔9，以使天线焊盘7和天线馈线6联通。当然该通孔9内必然具有能够使天线焊盘7和天线馈线6联通的导电材料。通孔9贯通第二铜箔层52、第三铜箔层53和介质层50。

如图5所示，第一铜箔层51上用于布置电子元器件，以及对电子元器件的走线。该电子元器件可以包括收发器2，收发器2的电路布置在第一铜箔层上51上，收发器2和天线馈线6联通。一般的，可以是天线馈线6与第一铜箔层51连接，在第一铜箔层51上具有用于和收发器2联通的走线，以实现天线馈线6和收发器2的联通。由于上述通孔9的设置，收发器2可以和阵列天线组1联通，从而可以向阵列天线组1发出控制信号，以及能够获取阵列天线组1接收到的信号。

除了收发器2，电子元器件还可以包括控制器和通信接口，以及其他UWB天线可能用到的设备。

第二铜箔层52和第三铜箔层53可以用于辅助电子元器件走线。同样的第四铜箔层54也可以用于走线，并且其是否与天线焊盘7或阵列天线组1联通，需要根据实际的设置情况而定。

通过上述的工艺结构，收发器2、阵列天线组1、天线馈线6和天线焊盘7，以及其他必要的走线等都集成在一起，能够减小整体的尺寸，满足本申请的需求。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种数字钥匙定位系统，其特征在于，

包括依次连接的：阵列天线组（1）、收发器（2）、控制器（3）和通信接口（4），至少阵列天线组（1）和收发器（2）集成在一起，形成整体结构；

所述阵列天线组（1）包括四个天线：第一天线（11）、第二天线（12）、第三天线（13）和第四天线（14），并且四个天线对称地分布在四角；

以所述第一天线（11）和所述第二天线（12）所在行为第一行；

以所述第三天线（13）和所述第四天线（14）所在行为第二行；

以所述第一天线（11）和所述第三天线（13）所在列为第一列；

以所述第二天线（12）和所述第四天线（14）所在列为第二列；

第一行和第二行间距ΔWλ，第一列和第二列间距ΔLλ；

其中ΔW为行高系数，取值范围（0,1]；ΔL为列宽系数，取值范围（0,1]；λ为天线发射通信信号的波长,波长范围小于10厘米。

2.根据权利要求1所述的数字钥匙定位系统，其特征在于，

所述数字钥匙定位系统设置在车辆宽度方向的中心位置。

3.根据权利要求1所述的数字钥匙定位系统，其特征在于，

所述整体结构还包括：

第一铜箔层（51）、第二铜箔层（52）、第三铜箔层（53）、第四铜箔层（54）和介质层（50），介质层50位于相邻的两组铜箔层之间；

在第一铜箔层（51）上形成第一镂空区，在第一镂空区上形成天线馈线（6）；所述收发器（2）的电路布置在所述第一铜箔层（51）上，并且所述收发器（2）与所述天线馈线（6）联通；

在第四铜箔层（54）上形成第二镂空区，在第二镂空区上设置有阵列天线组（1）；

所述阵列天线组（1）与所述天线馈线（6）联通。

4.根据权利要求3所述的数字钥匙定位系统，其特征在于，

第一镂空区和第二镂空区之间，具有贯通的通孔（9），在所述通孔（9）内有导电材料，以联通阵列天线组（1）与所述天线馈线（6）。

5.根据权利要求3所述的数字钥匙定位系统，其特征在于，

在第二镂空区上形成天线焊盘（7），所述阵列天线组（1）连接在所述天线焊盘（7）上。

6.一种权利要求1-5任一项所述数字钥匙定位系统的定位方法，其特征在于，

所述阵列天线组（1）中的任意一个天线发射UWB射频信号，并使用全部天线接收定位目标（0）返回的UWB射频信号；

通过第一列或第二列内的天线接收到的UWB射频信号，得到第一到达角θ；

通过第一行或第二行内的天线接收到的UWB射频信号，得到第二到达角φ；

通过所述阵列天线组（1）中至少一个天线接收到的UWB射频信号，得到定位目标（0）到阵列天线组（1）的斜距D；

根据所述第一到达角θ、第二到达角φ和斜距D得到定位目标（0）与阵列天线组（1）之间的位置关系。

7.根据权利要求6所述的定位方法，其特征在于，

第一到达角θ的取值范围为：-90°≤θ≤90°；

第二到达角φ的取值范围为：-90°≤φ≤90°；

以阵列天线组（1）为原点划分四个象限，

当θ＜0、φ＞0时，判断定位目标（0）位于第一象限；

当θ＜0、φ＜0时，判断定位目标（0）位于第二象限；

当θ＞0、φ＜0时，判断定位目标（0）位于第三象限；

当θ＞0、φ＞0时，判断定位目标（0）位于第四象限；

定位目标（0）相对于阵列天线组（1）的极坐标位置为：( D ,|θ| + (n-1)*π/2 )或( D,(π/2-|φ|) + (n-1)*π/2 )；

其中n为象限序号，第一象限、第二象限、第三象限、第四象限的象限序号分别为1、2、3、4。

8.根据权利要求6所述的定位方法，其特征在于，

第一到达角θ的取值范围为：-90°≤θ≤90°；

第二到达角φ的取值范围为：-90°≤φ≤90°；

当θ＜0、φ=0时，判断定位目标（0）位于阵列天线组（1）正前方；

当φ＜0、θ=0时，判断定位目标（0）位于阵列天线组（1）正左方；

当θ＞0、φ=0时，判断定位目标（0）位于阵列天线组（1）正后方；

当φ＞0、θ=0时，判断定位目标（0）位于阵列天线组（1）正右方。

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