CN115843101A

CN115843101A - 一种基于无线传输ToF距离的UWB汽车数字钥匙定位系统

Info

Publication number: CN115843101A
Application number: CN202211508256.4A
Authority: CN
Inventors: 李尚鑫; 严霜; 孙霖; 舒恒鑫; 夏瑞晨
Original assignee: Zhejiang University City College ZUCC
Current assignee: Zhejiang University City College ZUCC
Priority date: 2022-11-28
Filing date: 2022-11-28
Publication date: 2023-03-24

Abstract

本发明涉及一种基于无线传输ToF距离的UWB汽车数字钥匙定位系统，包括：具有UWB芯片的汽车钥匙、安装于汽车上的基站和主机。本发明的有益效果是：本发明使用UWB无线信息传输方法代替传统CAN总线信息传输方法，实现减少CAN总线线束和芯片的物料成本和UWB数字汽车钥匙系统的组装成本。此外，本发明还设计并仅使用一帧数据，解决了传统无线信息传输稳定性差的问题，使用以停止‑等待协议为原理的可靠传输机制解决数据丢包率高的问题。

Description

一种基于无线传输ToF距离的UWB汽车数字钥匙定位系统

技术领域

本发明涉及定位系统技术领域，更确切地说，它涉及一种基于无线传输ToF距离的UWB汽车数字钥匙定位系统。

背景技术

超宽带(Ultra Wide Band，UWB)技术是一种无线载波通信技术，具有抗干扰能力强、低功耗、定位精度高等特点，使其成为汽车数字钥匙定位方案中的优选。目前汽车数字钥匙定位系统中的UWB基站使用CAN总线(Controller Area Network控制器局域网络)传输ToF(Time of Flight飞行时间)测距结果，将其汇总至主机进行汽车钥匙定位解算，这种方式的缺点是：①要求车辆内布置CAN总线线束，增加了装配工作量；②要求各UWB基站电路带有CAN外设传输功能的芯片，增加了芯片成本。而从CAN总线信息传输更换至无线信息传输，主要存在信息传输稳定性差，数据丢包率高的技术困难。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供了一种基于无线传输ToF距离的UWB汽车数字钥匙定位系统。与一般无线传输系统不同，UWB主要用于定位，传输字节数有限，同时各个基站测距数据需要在定位周期中实时汇总，因此本发明旨在解决如何仅使用一帧数据携带少量信息，完成各个基站测距数据的实时汇总，在不降低系统稳定性的同时，保证数据传输的准确性。

第一方面，提供了一种基于无线传输ToF距离的UWB汽车数字钥匙定位系统，包括：具有UWB芯片的汽车钥匙、安装于汽车上的基站和主机；

其中，所述基站包括第一基站、第二基站、第三基站、第四基站和第五基站，所述第一基站至所述第四基站分别设于汽车车头、车尾两侧，覆盖车辆左右方视距测量；所述第五基站位于汽车驾驶座右侧扶手箱；各基站距离地面高度相同，且各基站保持天线竖直向上布置。

第二方面，提供了一种基于无线传输ToF距离的UWB汽车数字钥匙定位方法，由第一方面所述的基于无线传输ToF距离的UWB汽车数字钥匙定位系统执行，包括：

S1、汽车钥匙发起测距通信并与基站进行帧的数据信息传输；每次测距通信，基站和主机进行一次以停止-等待协议为原理的可靠传输；

S2、所述基站将数据帧信息传输至具有UWB芯片的主机并附加一数据帧，该帧存放上一时刻的测距结果；主机收到该数据帧信息，返回确认字符(Acknowledge character，ACK)或否认字符(Negative Acknowledge，NAK)，以此判断是否需要重复发送该数据帧信息，并设置超时重传；

S3、主机通过解析数据帧得到测距值。

作为优选，S1中，汽车钥匙发起测距通信时，所述汽车钥匙将时间戳保存至poll请求帧内，并向各个基站发送所述poll请求帧。

作为优选，S1中，所述poll请求帧的第0字节保存帧索引，所述poll请求帧的第1字节保存发送者与接收者，所述poll请求帧的第2字节保存基站序号，所述poll请求帧的第3字节保存存放数据区的索引。

作为优选，S2中，首个基站监听到poll空帧后保存应答时间戳，向汽车钥匙和主机发送Resp响应帧，剩余基站监听到前一个基站的Resp响应帧后也依次向汽车钥匙发送Resp响应帧，同时向主机发送的帧里面第4-7字节保存上一时刻解算出的测距结果。

作为优选，S2中，主机检测数据帧的第0字节，若与上次索引不重复，则成功接收，返回确认字符；若重复，表示该数据帧已经被接收，则丢弃该数据帧，返回确认字符；若该数据帧接收失败，返回否认字符，表示需要再次发送该数据帧。

作为优选，S3中，主机通过解析数据帧中的信号强度信息，进行均值滤波后解算坐标，并将坐标传输给中央控制器。

作为优选，在数据帧设计中，首先各基站通过保存的时间戳采用非对称双边双向测距(Asymetic double side two way ranging，ADS-TWR)方法进行点对点测距，再将测距结果进行均值滤波操作，最后存放至数据帧中。

本发明的有益效果是：本发明使用UWB无线信息传输方法代替传统CAN总线信息传输方法，实现减少CAN总线线束和芯片的物料成本和UWB数字汽车钥匙系统的组装成本。此外，本发明还设计并仅使用一帧数据，解决了传统无线信息传输稳定性差的问题，使用以停止-等待协议为原理的可靠传输机制解决数据丢包率高的问题。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于无线传输ToF距离的UWB汽车数字钥匙定位系统的结构示意图；

图2为本发明提供的无线传输ToF距离的系统时序图；

图3为本发明提供的无线传输ToF距离的信息字段图；

附图标记说明：第一基站0、第二基站1、第三基站2、第四基站3、第五基站4。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

实施例1：

一种基于无线传输ToF距离的UWB汽车数字钥匙定位系统，如图1所示，包括：具有UWB芯片的汽车钥匙、安装于汽车上的基站和主机；

其中，基站包括第一基站0、第二基站1、第三基站2、第四基站3和第五基站4，第一基站0至第四基站3分别设于汽车车头、车尾两侧，覆盖车辆左右方视距测量；第五基站4位于汽车驾驶座右侧扶手箱；各基站距离地面高度相同(如均为0.6m)，且各基站保持天线竖直向上布置。汽车钥匙负责建立测距通信；基站与汽车钥匙进行数据信息传输；主机布置于驾驶员右侧扶手箱，监听基站传输的数据帧并解算结果。

实施例2：

如图2和图3所示，一种基于无线传输ToF距离的UWB汽车数字钥匙定位方法，包括：

S1、汽车钥匙发起测距通信并与基站进行帧的数据信息传输，各设备保存各条消息的收发时间戳；每次测距通信，基站和主机进行一次以停止-等待协议为原理的可靠传输，确保数据的准确性；

S2、所述基站将数据帧信息传输至具有UWB芯片的主机并附加一数据帧，该帧存放上一时刻的测距结果；主机收到该数据帧信息，返回确认字符或否认字符，以此判断是否需要重复发送该数据帧信息，并设置超时重传，以防基站无限等待主机返回确认字符。提升信道利用率，确保数据传输的准确性；

S3、主机通过解析数据帧得到测距值，以代替CAN总线传输ToF测距的效果。

S3中，主机通过解析数据帧中的时间戳、信号强度等信息，进行均值滤波后解算坐标，并将坐标传输给中央控制器。

在数据帧设计中，首先各基站通过保存的时间戳采用非对称双边双向测距方法进行点对点测距，再将测距结果进行均值滤波操作，最后存放至数据帧中。

实施例3：

1)汽车钥匙开始建立测距通信，将时间戳保存至poll请求帧内，并向各个基站发送如图3的poll帧信息，该帧第0字节保存此次帧索引(AMSI帧标志索引偏移量)，第1字节保存发送者接收者(AMUI帧收发者UWBID的索引偏移量)、第2字节保存基站序号(AMSNI测距序号的索引偏移量)、第3字节保存存放数据区的索引(AMDSI数据区的索引偏移量)。

2)首个基站监听到poll空帧后保存应答时间戳，向汽车钥匙和主机发送如图3的Resp帧，剩余基站监听到前一个基站的Resp帧后也依次向汽车钥匙发送Resp帧，同时向主机发送的帧里面第4-7字节保存上一时刻解算出的测距结果(LTD上一时刻解算数据)，以代替CAN总线传输。

3)汽车钥匙监听各个基站Resp帧，若成功接收该数据帧，检测该帧第0字节索引，若与上次索引不重复，则成功接收，返回ACK信号；若重复，表示该分组已经被接收，则丢弃该分组，返回ACK信号。若该数据帧接收失败，返回NCK信号，表示需要再次发送该数据帧。成功接收该数据帧后，再次保存时间戳并向基站发送Final数据帧。Final帧数据段中0-11字节保存前三次测距通信的时间戳，12-15字节保存信号强度数据。

4)基站监听到Final数据帧。Final数据段中0-14字节保存前三次测距通信的时间戳，15字节保存信号强度数据。基站使用前三次测距通信的时间戳，采用ADS-TWR方法进行点对点测距并进行均值滤波等过滤操作，等待下次发出。

5)主机监听该来自基站的Resp应答帧，解析数据帧时间戳、信号强度等信息，解算距离后，通过均值滤波和卡尔曼滤波后，将解算坐标结果传输给中央控制器。

Claims

1.一种基于无线传输ToF距离的UWB汽车数字钥匙定位系统，其特征在于，包括：具有UWB芯片的汽车钥匙、安装于汽车上的基站和主机；

其中，所述基站包括第一基站(0)、第二基站(1)、第三基站(2)、第四基站(3)和第五基站(4)，所述第一基站(0)至所述第四基站(3)分别设于汽车车头、车尾两侧，覆盖车辆左右方视距测量；所述第五基站(4)位于汽车驾驶座右侧扶手箱；各基站距离地面高度相同，且各基站保持天线竖直向上布置。

2.一种基于无线传输ToF距离的UWB汽车数字钥匙定位方法，其特征在于，由权利要求1所述的基于无线传输ToF距离的UWB汽车数字钥匙定位系统执行，包括：

S2、所述基站将数据帧信息传输至具有UWB芯片的主机并附加一数据帧，该帧存放上一时刻的测距结果；主机收到该数据帧信息，返回确认字符或否认字符，以此判断是否需要重复发送该数据帧信息，并设置超时重传；

S3、主机通过解析数据帧得到测距值。

3.根据权利要求2所述的基于无线传输ToF距离的UWB汽车数字钥匙定位方法，其特征在于，S1中，汽车钥匙发起测距通信时，所述汽车钥匙将时间戳保存至poll请求帧内，并向各个基站发送所述poll请求帧。

4.根据权利要求3所述的基于无线传输ToF距离的UWB汽车数字钥匙定位方法，其特征在于，S1中，所述poll请求帧的第0字节保存帧索引，所述poll请求帧的第1字节保存发送者与接收者，所述poll请求帧的第2字节保存基站序号，所述poll请求帧的第3字节保存存放数据区的索引。

5.根据权利要求4所述的基于无线传输ToF距离的UWB汽车数字钥匙定位方法，其特征在于，S2中，首个基站监听到poll空帧后保存应答时间戳，向汽车钥匙和主机发送Resp响应帧，剩余基站监听到前一个基站的Resp响应帧后也依次向汽车钥匙发送Resp响应帧，同时向主机发送的帧里面第4-7字节保存上一时刻解算出的测距结果。

6.根据权利要求5所述的基于无线传输ToF距离的UWB汽车数字钥匙定位方法，其特征在于，S2中，主机检测数据帧的第0字节，若与上次索引不重复，则成功接收，返回确认字符；若重复，表示该数据帧已经被接收，则丢弃该数据帧，返回确认字符；若该数据帧接收失败，返回否认字符，表示需要再次发送该数据帧。

7.根据权利要求6所述的基于无线传输ToF距离的UWB汽车数字钥匙定位方法，其特征在于，S3中，主机通过解析数据帧中的信号强度信息，进行均值滤波后解算坐标，并将坐标传输给中央控制器。

8.根据权利要求7所述的基于无线传输ToF距离的UWB汽车数字钥匙定位方法，其特征在于，在数据帧设计中，首先各基站通过保存的时间戳采用非对称双边双向测距方法进行点对点测距，再将测距结果进行均值滤波操作，最后存放至数据帧中。