阅读说明：本技术 一种测距方法和系统 (Distance measurement method and system ) 是由 王丹 陆满君 吴雄君 李志民 唐坤 于 2019-12-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种测距方法和系统,包含：第一定标杆,置于起始点且其上分别设有第一信标和第二信标,第一定标杆与地平面垂直,第一信标和第二信标位于不同的高度位置；第二定标杆,置于目标点且其上设有信源,第二定标杆保持与地平面垂直；第一信标和第二信标分别与信源无线通信,分别得到第一信标与信源之间以及第二信标与信源之间的信号传输时间差,进而得到第一信标到信源之间的距离以及第二信标到信源之间的距离的测量,最终获得起始点与目标点之间的距离。本发明利用多个信源和信标组合来实现距离测量,实现起始点和目标点之间的距离的测量,而且不受两个位置海拔高度不一致的影响。(The invention discloses a distance measuring method and a system, comprising: the first beacon post is arranged at the starting point and is provided with a first beacon and a second beacon respectively, the first beacon post is vertical to the ground plane, and the first beacon and the second beacon are positioned at different height positions; the second calibration rod is arranged at the target point and provided with an information source, and the second calibration rod is kept perpendicular to the ground plane; the first beacon and the second beacon are in wireless communication with the information source respectively, signal transmission time differences between the first beacon and the information source and between the second beacon and the information source are obtained respectively, further the distance between the first beacon and the information source and the distance between the second beacon and the information source are measured, and finally the distance between the starting point and the target point is obtained. The invention realizes distance measurement by combining a plurality of information sources and beacons, realizes the measurement of the distance between a starting point and a target point, and is not influenced by the inconsistency of the altitudes of the two positions.)

一种测距方法和系统

技术领域

本发明涉及无线电测距技术领域，具体涉及一种利用多个信源和信标组合来实现距离测量的方法和系统。

背景技术

在地图测绘、工程建设等工作场景中，经常涉及到高精度测量两坐标点之间水平距离的课题，在野外环境，由于树木和植物的遮挡，基于激光、红外等的探测设备由于其测量机理大都依靠光的直线传播来进行测量，很难在这种场合使用。还有一些室内环境下的距离测量，由于室内货架、物品的遮挡，基于激光、红外的测距仪的使用范围也十分有限。采用基于脉冲无线电通信的测距方法可以有效的解决这个问题，尤其是在一些精度要求不高的场合使用。基于脉冲无线电通信进行测距方法具有传输速率高、抗干扰能力强、环境适应性好等优点，在测距和室内定位场合越来越受到重视。

超宽带通信是一种无载波通信技术，利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，能在10米左右的范围实现高达百Mbits/s～Gbits/s的数据传输速率。时域采用极窄脉冲，在频域上，所占用的带宽较宽，无线功率密度低，不会干扰其它无线设备，同时也加强了自身的抗干扰性。超宽带通信无需载波，只需发射瞬间的脉冲信号，消耗的电能小，非常适合对于功耗要求较高的便携式测量仪器中采用，其测量精度可高达10cm。

超宽带通信主要通过信标和信源之间的无线通信来实现信源与信标之间距离的测量。例如采用双边双向对称测距时，信标和信源之间形成一定流程的通信模式，在通信流程中，通过记录时间标记在通信流程中到达不同节点的时刻，相当于计算出脉冲在信标与信源之间的传输时间，从而计算得到两者之间的距离。因此，研发一种利用多个信源和信标组合来实现距离测量的方法和系统实为必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测距方法和系统，利用多个信源和信标组合来实现距离测量，实现起始点和目标点之间的距离的测量，而且不受两个位置海拔高度不一致的影响。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种测距系统，包含：

第一定标杆，置于起始点且其上分别设有第一信标和第二信标，所述第一定标杆与地平面垂直，所述第一信标和第二信标位于不同的高度位置；

第二定标杆，置于目标点且其上设有信源，所述第二定标杆保持与地平面垂直；所述第一信标和第二信标分别与所述信源无线通信，分别得到第一信标与信源之间以及第二信标与信源之间的信号传输时间差，进而得到第一信标到信源之间的距离以及第二信标到信源之间的距离的测量，最终获得所述起始点与所述目标点之间的距离。

优选地，所述信标包含：

第一专用超宽带收发芯片，用于接收或发送超宽带脉冲信号；

第一微处理器，通过串口与所述第一专用超宽带收发芯片连接，完成数据与超宽带脉冲信号之间的转换。

优选地，所述信源包含：

第二专用超宽带收发芯片，用于接收或发送超宽带脉冲信号；

第二微处理器，通过串口与所述第二专用超宽带收发芯片连接，完成数据与超宽带脉冲信号之间的转换。

优选地，所述信源还包含：

显示模块，通过串口与所述第二微处理器进行连接，用于显示距离信息；

存储模块，通过串口与所述第二微处理器连接，将需留存的数据进行存储或者提供存储数据给所述第二微处理器以便其进行访问。

优选地，所述信标和/或所述信源进一步包含；

电池，用于为所述信标或所述信源提供电源；

电源切换模块，用于供电模式的切换；

电源转换模块，用于电压转换；

其中，当采用外部供电模式时，外部供电提供整个信标和/或信源的电压输入，所述电源转换模块将外部供电进行电压转换，为信标和/或信源提供专用电压，同时，所述电源转换模块将外部供电与对应的电池连接，完成对所述电池的充电；

当采用系统正常供电模式时，外部电源移除时，由信标和/或信源中对应的电池为其供电，电源转换模块将电池输出电压转换至信标和/或信源使用的电压，同时切断与外部供电接口。

本发明还提供了一种基于上文所述的测距系统的测距方法，该方法包含以下步骤：

步骤T1：将第一定标杆和第二定标杆分别置于起始点和目标点，使所述第一定标杆和所述第二定标杆保持与地平面垂直；

步骤T2：分别开启第一定标杆上的第一信标、第一定标杆上的第二信标和第二定标杆上的信源，所述第一信标、所述第二信标分别与所述信源进行无线通信，分别得到第一信标与信源之间以及第二信标与信源之间的信号传输时间差，进而得到第一信标与信源之间的距离，以及第二信标与信源之间的距离；

步骤T3：信源计算出起始点和目标点之间的水平距离。

所述步骤T2中进一步包含以下过程：

第一信标、第二信标分别与信源进行无线通信，所述信源处于监听状态，分别等待各个信标的第一握手信号；

各个信标周期性从空闲状态唤醒，分别向所述信源发出对应的第一握手信号；

信源接收到各个信标发出对应的第一握手信号，并向各个信标回复对应的第二数据帧提示其可以进行后续的通信测距流程；

各个信标记录对应的当前的第一时刻T₁，并将数据编写到对应的预发送的第三数据帧Poll的相应字节中，随即发送第三数据帧Poll；所述信源接收到各个第三数据帧Poll后，分别记录当前的第二时刻T₂，并将第三数据帧Poll携带的有效数据T₁存储在信源的微处理器中；

所述信源分别记录当前的第三时刻T₃，随即分别向各个信标发送第四数据帧Reponse；各个信标分别接收到对应的第四数据帧Reponse后，分别记录当前的第四时刻T₄；

各个信标分别记录当前的第五时刻T₅，并分别将第四时刻和第五时刻的数据T₄、T₅编写到对应的预发送的第五数据帧Final的相应字节中，随即分别向信源发送第五数据帧Final；信源接收到对应的第五数据帧Final后，分别记录当前的第六时刻T₆；

信源根据上述记录的第一时刻T₁至第六时刻T₆，代入公式(1)进行计算，分别得到第一信标与信源之间以及第二信标与信源之间的传输时间差T_TWR并将其代入公式(2)，分别计算得出第一信标与信源之间的距离，以及第二信标与信源之间的距离，并显示在信源的显示模块上；该公式(1)和(2)为：

D＝c×T_TWR (2)

其中，T₁是各个信标发送第三数据帧Poll的时刻，T₂是信源接收第三数据帧Poll的时刻，T₃是信源发送第四数据帧Respond的时刻，T₄是各个信标接收第四数据帧Respond的时刻，T₅是各个信标发送第五数据帧Final的时刻，T₆是信源接收第五数据帧Final的时刻；T^round1＝T₄-T₁，T^round2＝T₆-T₃，T^reply1＝T₃-T₂，T^reply2＝T₅-T₄；D表示信标与信源之间的距离；c表示无线电在空中的传播速度。

优选地，所述步骤T3中进一步包含：

所述信源根据方程组(3-1)计算出起始点和目标点之间的水平距离，如下：

其中，D_AB为第一信标与第二信标之间的距离，为已知量；D_AC为第一信标与信源之间的距离；D_BC为第二信标与信源之间的距离；D_AH为第一信标与点H之间的距离，点H为线段AB上与信源高度相等的点；D_HB为第二信标与点H之间的距离；D_CH为信源与点H之间的距离，即起始点和目标点之间的水平距离。

优选地，所述步骤T3中进一步包含：

所述信源根据方程组(3-2)计算出所述起始点和目标点之间的水平距离，如下：

其中，D_AB为第一信标与第二信标之间的距离，为已知量；D_AC为第一信标与信源之间的距离；D_BC为第二信标与信源之间的距离；D_AH为第一信标与点H之间的距离，点H为线段AB向下方向延长线上与信源高度相等的点；D_HB为第二信标与点H之间的距离；D_CH为信源与点H之间的距离，即起始点和目标点之间的水平距离；

优选地，所述步骤T3中进一步包含：

所述信源根据方程组(3-3)计算出所述起始点和目标点之间的水平距离，如下：

其中，D_AB为第一信标A与第二信标B之间的距离，为已知量；D_AC为第一信标与信源C之间的距离；D_BC为第二信标与信源之间的距离；D_AH为第一信标与点H之间的距离，点H为线段AB向上方向延长线上与信源C高度相等的点；D_HB为第二信标B与点H之间的距离，D_CH为信源C与点H之间的距离，即起始点和目标点之间的水平距离。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明利用多个信源和信标组合来实现距离测量，实现起始点和目标点之间的距离的测量，而且不受两个位置海拔高度不一致的影响；本发明的信源和信标之间采用超宽带通信，加强自身的抗干扰性，消耗的电能小，适合对于功耗要求较高的便携式测量仪器使用，测量精度较高。

附图说明

图1-图3为本发明的利用多个信源和信标实现距离测量的示意图；

图4为本发明的信标和信源之间通信流程图；

图5为本发明的信标A或信标B的硬件组成示意图；

图6为本发明的信源C的硬件组成示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图6结合所示，本发明提供了一种利用多个信源和信标组合来实现距离测量的方法和系统，该测距系统包含定标杆1和定标杆2；定标杆1上设置有两个信标，分别记为信标A和信标B，信标A和信标B位于同一起始点的不同高度，信标A和信标B相距一定距离(例如1米)；定标杆2包含一个信源，标记为信源C。本发明通过将定标杆1和定标杆2分别置于起始点和目标点，位于定标杆1上的信标A和信标B分别与位于定标杆2上的信源C进行通信，完成点A到点C，以及点B和点C这两组距离的测量，同时定标杆1上的A、B两点之间的距离是已知的，从而可以推导出两个定标杆之间的距离，从而得到起始点和目标点之间的距离。

如图5所示，所述信标A(或信标B)包含第一微处理器、第一专用超宽带收发芯片(也称UWB测距模块)、第一电池(例如第一锂电池)以及第一电源转换模块。其中，第一微处理器通过串口与第一专用超宽带收发芯片连接，完成数据与超宽带脉冲信号之间的转换。第一锂电池与第一电源切换模块连接，第一电源切换模块与第一电源转换模块连接。第一锂电池为整个信标收发器提供电源。第一电源切换模块用于供电的切换，确定外部供电模式或正常工作模式(第一锂电池供电)。第一电源转换模块用于电压转换。当采用外部供电模式时，外部供电提供整个电路的电压输入，第一电源转换模块将外部供电一方面进行电压转换，为电路板上的芯片提供专用电压，另一方面，将外部供电与第一锂电池连接，完成对第一锂电池的充电；当外部电源移除时，即系统为正常工作模式，由信标收发器中的第一锂电池为整个电路供电，第一电源转换模块将第一锂电池输出电压转换至电路芯片使用的电压，同时切断与外部供电接口。

如图6所示，所述信源C包含第二微处理器、第二专用超宽带收发芯片(也称UWB测距模块)、显示模块、存储模块、第二电池(例如第二锂电池)以及第二电源转换模块。其中，第二微处理器通过串口与第二专用超宽带收发芯片连接，完成数据与超宽带脉冲信号之间的转换。存储模块通过串口与第二微处理器连接，将需要留存的数据进行存储，或者提供存储数据给第二微处理器以便其进行访问。第二锂电池与第二电源切换模块连接，第二电源切换模块与第二电源转换模块连接。第二锂电池为整个信源收发器提供电源。第二电源切换模块用于供电的切换，确定外部供电模式或正常工作模式(第二锂电池供电)。第二电源转换模块用于电压转换。当采用外部供电模式时，外部供电提供整个电路的电压输入，第二电源转换模块将外部供电一方面进行电压转换，为电路板上的芯片提供专用电压，另一方面，将外部供电与第二锂电池连接，完成对第二锂电池的充电；当外部电源移除时，即系统为正常工作模式，由信源收发器中的第二锂电池为整个电路供电，第二电源转换模块将第二锂电池输出电压转换至电路芯片使用的电压，同时切断与外部供电接口。信源中的显示模块通过SPI总线与第二微处理器进行连接，将需要显示的距离信息显示出来。

无线通信系统中，常用的测距方法是基于信号到达时间估计(time of arrival，TOA)，即计算脉冲发射和接收之间的时间差T，已知无线电在空中的传播速度为c＝3*10⁸m/s，那么距离D可以用公式(1)来进行计算：

D＝c×T (1)

由于时钟漂移、频率漂移、接收信号电平和天线延迟所造成的测距误差的影响，在这里运用的测距机制是双边双向对称测距(Symmetric Double-sided Two Way Ranging，SDS-TWR)的方法，通信流程图参见图4，其具体的流程为：假设需要测试得到信标和信源之间的距离信息，信标在T₁时刻发出一个数据帧(Poll)，在T₂时刻数据帧到达信源，信源将数据帧进行处理，并在T₃时刻发送一个回应的数据帧(Respond)，在T₄时刻，回应帧到达信标，经信标处理之后，在T₅时刻再次发送一个结束帧(Final)，并在时刻T₆到达信源，以上为一个完整的测距流程，经推导可以由公式(2)得到信标和信源之间的传输时间差T_TWR：

其中，T₁是信标发送Poll数据帧的时刻，T₂是信源接收Poll数据帧的时刻，T₃是信源发送Respond数据帧的时刻，T₄是信标接收Respond数据帧的时刻，T₅是信标发送Final数据帧的时刻，T₆是信源接收Final数据帧的时刻，T^round1＝T₄-T₁，T^round2＝T₆-T₃，T^reply1＝T₃-T₂，T^reply2＝T₅-T₄。

将传输时间差T_TWR带入公式(1)，可以计算信标和信源之间的距离。

在本发明中，定标杆1的信标A、信标B分别与定标杆2的信源C进行无线通信，分别得到A、C之间时间差和B、C之间时间差，进一步分别计算得到信标A与信源C之间的距离AC、信标B与信源C之间的距离BC。根据距离AC和距离BC，可以推算出定标杆1和定标杆2之间的垂直距离D_HB。

如图1所示，从C点向AB线段做垂线，并相交于H点，根据勾股定理可以列出以下方程：

其中，D_AB为点A与点B之间的距离，为已知量；D_AH为点A与点H之间的距离，点H为线段AB上与信源C高度相等的点；D_AC为点A与点C之间的距离；D_HB为点B与点H之间的距离，D_CH为点C与点H之间的距离；根据公式进一步推导，可以进一步得到：

并推导出所需的水平距离D_CH以及A、B、C之间空间位置。

本发明中，由于定标杆1和定标杆2的相对位置不同，通常有三种形态，如图1-图3所示，对应图2中的情况，可以列出公式(5)：

对应图3中的情况，可以列出公式(6)：

在实际应用中，分别按照公式(4-6)进行计算，然后对D_AH和D_HB进行判断，两者均为正值的一组为正确的结果，其余舍弃，最后带入方程计算出D_CH。

本发明提供了一种测距方法，测试过程的具体实施步骤如下：

步骤S1：测试人员手持定标杆并将定标杆1和定标杆2置于指定测试位置后，即将定标杆1和定标杆2分别置于起始点和目标点，利用水平仪等设备使得定标杆保持与地平面垂直，测试人员固定定标杆，以便后续测试；

步骤S2、开启信标A和信源C的电源开关，信标A与信源C进行无线通信，信源C处于监听状态，等待信标A的握手信号；

步骤S3：信标A周期性从空闲状态唤醒，并向信源C发出握手数据帧(Blink)；

步骤S4：信源C接收到信标A发出的握手信号，并向信标A回复数据帧(RangingInit)提示其可以进行后续的通信测距流程；

步骤S5：信标A记录当前的时刻T_A1，并将数据编写到预发送的数据帧Poll的相应字节中，随即发送数据帧Poll；信源C接收到数据帧Poll后，记录当前时刻T_A2，并将Poll数据帧携带的有效数据T_A1存储在信源C的微处理器中；

步骤S6：信源C记录当前的时刻T_A3，随即发送数据帧Reponse；信标A接收到数据帧Reponse后，记录当前时刻T_A4；

步骤S7：信标A记录当前的时刻T_A5，并将数据T_A4、T_A5编写到预发送的数据帧Final的相应字节中，随即发送数据帧Final；信源C接收到数据帧Final后，记录当前时刻T_A6；

步骤S8：信源C根据记录的T_A1-T_A6，带入公式(2)进行计算，得到测试点AC之间的距离，并显示在信源C端的显示模块上；

步骤S9：开启信标B的电源开关，重复步骤S3-S8，同理，可以测试得到BC之间的距离，并显示在信源C端的显示模块上；

值得说明的是，本实施例记载的步骤S9不仅限于此，这里例举的是先说明测量AC之间的距离，后说明测量BC之间的距离，但是本发明同样也可以先说明测量BC之间的距离然后说明测量AC之间的距离，则具体步骤顺序不限上述；本发明中，可以先开启信标A和信源C的电源开关、然后再开启信标B的电源开关，也可以先开启信标B和信源C的电源开关、然后再开启信标A的电源开关，也可同时开启信标A、信标B信源C的电源开关等，只要能实现AC之间的距离以及BC之间的距离的测量即可。

步骤S10：信源C分别根据公式(4-6)进行三组计算，然后对D_AH和D_HB进行判断，两者均为正值的一组为正确的结果，其余舍弃，计算出D_CH，并显示在显示模块上。

综上所述，本发明可以实现起始点和目标点之间的距离的测量，而且不受两个位置海拔高度不一致的影响。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。