一种相对位置检测设备的制作方法

本实用新型涉及无线通讯技术领域，具体而言涉及一种相对位置检测设备。

背景技术：

在申请号为CN201520999759.5的实用新型申请“一种叉车-人员无线测距报警系统”，及申请号为CN201810157708.6的实用新型申请“数据处理方法、装置、报警方法、报警装置及报警设备”中，提到的主要是通过基于测距、或达到角度的方法，以实现距离/位置关系的检测。

但在实际应用中，区域内可能存在数量众多的可移动目标，由于目标的数量多，相互测距可能会导致漏测，存在较大的风险因素。另外，两个实际距离非常近的目标之间由于现场的遮挡物等因素，经常导致测距失败，造成事故频发。

技术实现要素：

本实用新型目的在于提供一种相对位置检测设备，通过无线时间同步、近距离感知、动态测距频率调整、运动传感器的融合等方法，有效解决多目标相对位置检测的诸多问题；当目标之间的位置被判定为高风险的时候，提高感知频率，缩短响应时间，以降低事故风险；通过运动传感器的融合和方位感知，将误告警率极大降低。本实用新型通过采用多种无线通讯技术，实现多个目标之间的相对位置感知，并根据安全的为危险程度，用户可以采取因应措施，降低产生安全事故的风险。

为达成上述目的，结合图1，本实用新型提出一种相对位置检测设备，所述相对位置检测设备包括无线通讯模块和数据处理模块。

所述无线通讯模块包括远距离无线感知单元、近距离无线感知单元、支持距离和方向感知的无线测距单元。

所述远距离无线感知单元、近距离无线感知单元、无线测距单元分别与数据处理模块电连接。

所述数据处理模块响应于所属的相对位置检测设备启动，驱动远距离无线感知单元按照第一设定周期进行广播，以对第一设定范围内的处于工作状态的其他相对位置检测设备进行侦听，以及

如果第一设定范围内存在至少一台处于工作状态的其他相对位置检测设备，数据处理模块将所属的相对位置检测设备的时间调整至与侦听到的其他相对位置检测设备所对应的系统时间同步。

远距离无线感知单元，主要是用于无线时间同步，保障整个系统中的设备是具有统一时间，其工作距离可以达到数百米，比如基于433MHz的无线通讯等。

系统同步是由远距离无线感知单元完成，在相对位置检测设备上电之后，远距离无线感知单元会先进行侦听。若发现环境中没有其他同类设备，会开启广播，广播按一个固定的时间进行，比如1s的时间间隔；若现场有其他设备存在，则进行侦听，根据系统中的目标多少，每个目标所处的时间片，选择合适的时间片进行自己的广播，让周边的设备发现自己。在这个系统中，设备之间可以通过广播信号强度等数据进行自动组网，拆网，并网的动作，最终实现以其中一个设备位中心点的Mesh网络，由于采用远距离的无线传输方式，多级同步之后，可以达到以数千米为半径的同步网络，其同步精度可以控制在50us以内。

所述近距离无线感知单元根据数据处理模块发送的控制指令，按照第二设定周期对第二设定范围内处于工作状态的其他相对位置检测设备进行周期性侦听，并且将侦听结果反馈至数据处理模块，所述侦听结果包括侦听到的其他相对位置检测设备的编号和对应的信号强度。

所述第一设定范围大于第二设定范围。

例如，假设第一设定范围被设定成以所述相对位置检测设备为中心的半径50米圆内，第二设定范围被设定成以所述相对位置检测设备为中心的半径10米圆内。

当一台相对位置检测设备启动时，远距离无线感知单元在50米范围内对其他同类设备进行感知，并在感知到其他正在工作的同类设备后，互相之间进行组网，使工作范围内的相对位置检测设备的系统时间同步，为后续进一步的测距工作作好基础。

在所述相对位置检测设备与工作范围内的其他同类设备完成系统时间同步后，近距离无线感知单元对以其为中心的10米范围内的同类设备进行侦听。侦听频率由用户根据实际需求决定，优选的，所述第二设定周期为系统时间的单位时间，以前述广播周期为例，选择1s作为系统的单位时间，同时将侦听周期也设定成1s，能够在确保侦听效率的同时，节约电能，另外，将广播周期、侦听周期、控制系统的单位时间做统一，也能够降低数据在无线传输方面的冲突。

所述数据处理模块根据预先设定的判断规则，从近距离无线感知单元所侦听到的目标中判断出候选测距目标，将判断出的候选测距目标的编号发送至无线测距单元。

在一些例子中，所述预先设定的判断规则是指：

如果第二设定范围内不存在其他相对位置检测设备，不测距。

如果第二设定范围内存在的其他相对位置检测设备的数量不超过M个，将侦听到的所有相对位置检测设备的编号发送至无线测距单元，进行测距。

如果第二设定范围内存在的其他相对位置检测设备的数量超过M个，将侦听到的其他相对位置检测设备按照信号由强至弱进行排序，将M个信号最强的相对位置检测设备的编号发送至无线测距单元，进行测距。

所述M为大于零的正整数。

以目标设备每秒广播一次为例，发起设备需要每秒都需要更新自己的候选测距目标。这样能有效降低测距的次数，从而降低平均功耗，电池供电类设备有更长的待机事件。

所述无线测距单元接收所述候选测距目标的编号，按照第三设定周期对所属相对位置检测设备与候选测距目标之间的相对距离和相对角度进行测量，并且将测量结果实时反馈至数据处理模块。

位置感知，分为两个部分，测距和角度判断。

支持测距的无线技术有UWB，BLE，Wi-Fi，CSS，ZigBee甚至Lora等，不局限使用哪种技术，可以通过双向测距，对称双向测距等方法，计算两个设备之间的飞行事件t，乘以光速c，则得到两个点之间的距离d＝cxt。

角度判断，主要是通过阵列天线来完成，例如采用AoA阵列天线。为了达到更好的精度，一般采用相位差法来获得角度数字，相位差需要确保天线之间的距离为半个波长，为了达到更好的精度，一般需要多组天线才能满足360度的覆盖，确保每个方向上的角度检测精度符合预期。

所述数据处理模块将无线测距单元测量到的所属相对位置检测设备与候选测距目标之间的相对距离和相对角度分别与第一设定距离范围、第一设定角度范围进行比对，以及响应于以下两个条件中任意一个成立：1)测量到的相对距离超出第一设定距离范围、测量到的相对角度超出第一设定角度范围，2)候选测距目标对应的信号强度超出第一设定强度范围，判断所属相对位置检测设备与候选测距目标之间的相对位置位于警戒范围，发出警报。

所述第二设定范围大于第一设定距离范围。

所述第三设定周期小于等于第二设定周期。

所述相对位置检测设备包括一警报单元。

所述警报单元与数据处理模块电连接，根据数据处理模块的控制指令以发出声光警报。

在一些例子中，所述数据处理模块能够控制目标设备方发出警报，例如，在发起方相对相对位置检测设备和目标方相对位置检测设备的数据处理模块之间建立通讯链路，当发起方测距后判断此时需要发出警报，发送一警报请求至目标方的数据处理模块，目标方的数据处理模块接收警报请求，驱动其所属的警报单元发出声光警报。

第一设定距离范围的设置目的在于，留有足够的时间给工作人员调整位置，避免碰撞或者避免跟丢，因此，可以根据监控的设备类型、以及工作方式以对第一设定距离范围做调整。

例如，当相对位置检测设备主要用于监测两台叉车的碰撞时，叉车移动速度快，碰撞造成的后果严重，可以将第一设定距离范围设定为以叉车为中心的半径10米的圆之外的区域，当相对位置检测设备主要用于监测人员时，人员的移动速度慢，碰撞造成的后果较轻，且人员对移动的控制性较为灵活、即时，可以将第一设定距离范围设定为以人员为中心的半径1米的圆之外的区域等等。当有其他物体进入以前述叉车为中心的10米圆内的区域、或者以前述人员为中心的半径1米的圆内区域时，相对位置检测设备发出警报。

在另一些例子中，如果相位位置检测方法的目的在于防止跟丢，则第一设定范围的设置相反。即，当跟随物体离开前述叉车为中心的10米圆内的区域，或者以前述人员为中心的半径1米的圆内区域时，相对位置检测设备发出警报。

例如，购物时，可以将推车设置成跟随用户，在推车和用户身上各安装一个相对位置检测设备，当推车离开用户较远时，相对位置检测设备发出警报，提醒用户，防止推车跟丢。

另外，由于在现场比较复杂，比如采用UWB感知的方式，由于有遮挡的原因，会导致测距失效，而变为没有距离，并且，即使测距测功，由于遮挡的原因，会导致测距出现较大的偏差，并且，报文通过多径到达，其所感知到的角度也是错误的，在这种模式是，需要基于近距离无线感知单元近距离感知模式的信号强度来控制，降低风险，可以通过设置信号强度的阈值，比如-60dBm，这时候，即使没有测距，也判断为进入高风险区域，产生对应的告警。通过前述方法实现了测距失败时的二重保护。

优选的，M等于2。一方面，经实践验证，结合前述较短的侦听周期，选择两台最近的设备进行测距，已经能够确保本设备与其他设备之间保持安全距离；另一方面，只选择两台设备进行测距，需要处理的数据量少，处理速度快、设备反应灵敏，不容易出现故障。

在测距数量选择实验中，在测试台车周围放置超过5辆不同的待检测台车，测试台车和待检测台车上均安装有一给相对位置检测设备，实验人员操纵每辆待检测台车在测试台车周围移动、靠近或者远离。

第一种情况：实验证明，当选择只与一辆距离最近的待检测台车之间进行测距时，系统反应速度最快，测距目标更换也最快，但由于测距目标更换后，需要重新选定目标进行测距，系统本身的运算量并不低，并且当目标更换过快时，测试台车反应不及仍然存在碰撞可能，经测试，测试台车存在11％的可能性会与其他未被测距的待检测台车碰撞。

第二种情况：当选择与3辆或者更多的待检测台车之间进行测距时，测距目标较为稳定，但由于测距目标较多，每个测距周期内系统的运算量较大，系统反应速度慢，需要分配给测距部分的时间也随之增多，电能消耗大，运算不及时，经测试，测试台车仍有6％的可能性会与待检测台车碰撞，碰撞的台车不限于未被测距的待检测台车。

第三种情况：当选择与2辆待检测台车之间进行测距时，测距目标虽有变换，但由于测距目标少，系统运算量、系统反应时间均介于前两种情况之间，留有足够的时间给予控制人员做测试台车位置的调整，经测试，测试台车仅有1％的可能性会有待检测台车发生碰撞。

结合图2，在本实用新型中，还提及了一种控制系统的时间管理方法。具体的：

所述数据处理模块包括一时间片管理单元。

所述时间片管理单元将系统时间的时间单元划分成管理时间片和测距时间片，其中，处于管理时间片的数据处理模块用以对接收到的数据进行处理，处于测距时间片的数据处理模块用以驱动无线测距单元对候选测距目标的相对位置进行测量。

优选的，所述测距时间片包括基础测距时间片和临时时间片。

所述时间片管理单元响应于所属相对位置检测设备与候选测距目标之间的相对位置位于预警范围，根据预设的分配规则将临时时间片调整成基础测距时间片。

完成系统时间同步之后，系统进行自动时间分片。在这个系统中，典型以1s为基本的时间单元，即1000ms，将其分为两个大的部分，其中比如A ms为管理时间片，其他(1000-A)ms为测距时间片，若每个时间片按B ms划分，则测距时间片可以换算成C＝(1000-A)/B个时间片。然后继续划分，将其中D＝1/3C为普通测距时间片，另外E＝2/3C个时间片作为临时时间片。当两个目标碰撞风险高的时候，将E个临时时间片中的一部分或者全部，分配给这类目标使用，当风险解除的时候，重新收回分配出去的临时时间片。

时间片的分配使用和释放，是通过远距离无线感知单元广播以实现的，当收到其他目标的广播宣告之后，所述相对位置检测设备需要更新自己本地的时间片使用信息，若自己需要使用的时候，可以通过查找空闲的临时时间片来使用。当超过一定时间不再使用此临时时间片或目标已经离开了危险区域，则将通过广播来宣告临时时间片已经不再被占用，可以给其他设备来分配。

如前所述的时间片管理方法，能够考虑到控制系统时间同步，通过时分的方法，降低由于无线传输冲突的原因导致的测距失败，同时，提高时间的利用率，增加系统的容量。

本实用新型从以下几个方面对前述方案进行了进一步的优化。

第一个方面，优化第二设定范围

前述方案是选择以设备作为中心点的圆作为第二设定范围，以叉车为例，在叉车移动过程中，处于其移动方向之外的人或者叉车即使距离它再近，也不会与其发生碰撞，这就导致了大量的无效告警。

对此，本实用新型提出建立动态保护区。

具体的，所述数据处理模块包括运动传感器单元和处理器单元。

所述运动传感器单元用以根据处理器单元发送的控制指令，对所属相对位置检测设备对应的移动物体的行进方向进行识别，将识别结果发送至处理器单元。

所述处理器单元接收运动传感器单元反馈的识别结果，计算需要监控的第二设定范围、第一设定距离范围、第一设定角度范围，并且将计算出的第二设定范围发送至近距离无线感知单元。

所述近距离无线感知单元接收处理器单元发送的第二设定范围，对第二设定范围内处于工作状态的其他相对位置检测设备进行周期性侦听，并且将侦听结果反馈至处理器单元。

结合图3，当设备装在车辆上的时候，需要根据车辆的运行方向建立动态保护区，这样能有效降低无效的告警次数。当车辆向前行驶的时候，需要在前方建立保护区，左右转的时候，需要将保护区调整为左侧或右侧，当车辆倒车的时候，需要在后方建立保护区。

这个部分主要是基于运动传感器单元和处理器单元两个部分完成，根据运动传感器单元的数据采集，判断车辆的行驶方向的变化。比较典型的是，在车前进的时候，不需要在后方设置保护，即使人靠近也没有关系，但当车后退的时候，需要将保护区调整到后向的角度。

第二个方面，动态调整测距频率

当目标在没有进入保护区之前，其位置感知的频率为不感知或低频感知，当进入保护区之后，车载设备会主动将临时时隙使用起来，将感知的频率调整到更高，比如5Hz或更高。当离开保护区之后，又自动释放临时时间片的占用，避免其他目标无法使用。

第三个方面，设置预警区域

所述数据处理模块将无线测距单元测量到的所属相对位置检测设备与候选测距目标之间的相对距离和相对角度分别与第二设定距离范围、第二设定角度范围进行比对，以及响应于以下条件中任意一个成立：1)测量到的相对距离超出第二设定距离范围，测量到的相对角度超出第二设定角度范围，2)候选测距目标对应的信号强度超出第二设定强度范围，判断所属相对位置检测设备与候选测距目标之间的相对位置位于预警范围，发出预警。

所述第二设定距离范围大于第一设定距离范围。

所述第二设定角度范围大于第一设定距离范围。

所述第二设定强度范围大于第一设定强度范围。

优选的，所述数据处理模块响应于所属相对位置检测设备与候选测距目标之间的相对位置位于预警范围，驱动无线测距单元按照第四设定周期对第二设定范围内处于工作状态的其他相对位置检测设备进行周期性侦听。

所述第四设定周期小于第三设定周期。

通过设置预警区域，使工作人员可以提前做好位置调整准备，降低碰撞风险。

第四个方面，增加直接控制手段

所述相对位置检测设备安装在可移动设备上，相对位置检测设备与可移动设备一一对应。

所述相对位置检测设备的数据处理模块与所对应的可移动设备的控制系统和/或电源开关电连接。

当情况较为危急时，相对位置检测设备直接切断电源，强迫移动设备，如叉车等停止移动，避免发生碰撞。

基于前述方法，本实用新型还提及一种相对位置检测设备的工作方法，所述工作方法包括：

启动电源，按照第一设定周期进行广播，以对第一设定范围内的处于工作状态的其他相对位置检测设备进行侦听，以及将所述相对检测设备并入以其中一个相对检测检测设备为中心点的Mesh网络中。

按照第二设定周期对第二设定范围内处于工作状态的其他相对位置检测设备进行周期性侦听，侦听结果包括侦听到的其他相对位置检测设备的编号和对应的信号强度。

根据预先设定的判断规则，从侦听到的目标中判断出候选测距目标。

按照第三设定周期对所述相对位置检测设备与候选测距目标之间的相对距离和相对角度进行测量。

将测量到的所述相对位置检测设备与候选测距目标之间的相对距离和相对角度分别与第一设定距离范围、第一设定角度范围进行比对，以及响应于以下两个条件中任意一个成立：1)测量到的相对距离超出第一设定距离范围、测量到的相对角度超出第一设定角度范围，2)候选测距目标对应的信号强度超出第一设定强度范围，判断所述相对位置检测设备与候选测距目标之间的相对位置位于警戒范围，发出警报。

所述第一设定范围大于第二设定范围。

所述第二设定范围大于第二设定距离范围。

所述第三设定周期小于等于第二设定周期。

以上本实用新型的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于，

1)控制系统时间同步，通过时分的方法，降低由于无线传输冲突的原因导致的测距失败，同时，提高时间的利用率，增加系统的容量。

2)采用距离和信号两种判断方式，即使测距失败，当信号达到阈值，仍然可以提供有效告警。

3)先感知，后测距，通过低功率的通讯手段，相互感知，根据信号强度，选择较近的目标进行测距，提示了系统容量。

4)运动目标之间方位识别，判断目标时间属于相互靠近还是相互远离、或是跟随，降低误报，改善用户感知。

5)自动调整测距频率，根据危险程度，自动调整目标间的测距频率，当风险降低之后，降低感知的频率。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的实用新型主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的实用新型主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本实用新型教导的前述和其他方面、实施例和特征。本实用新型的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本实用新型教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本实用新型的各个方面的实施例，其中：

图1是本实用新型的相对位置检测设备的结构示意图。

图2是本实用新型的时间片管理方法示意图。

图3是本实用新型的动态保护区示意图。

图4是本实用新型的具体实施例二的其中一种测距失败的场景例子。

具体实施方式

为了更了解本实用新型的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

具体实施例一

在工厂内，最为典型的是叉车和人的防撞，由于视线，转角，工人漫不经心，叉车的快速行驶，每年都导致大量的事故，工人受到伤害，工厂带来损失。这种模型最为典型的是人和车都在运动，并且，由于瞬时会出现人车都非常集中的问题。

将此实用新型所提及的相对位置检测设备在每个叉车上安装一个，同时，每个工人带一个，能有效实现叉车撞人的预判，同时也适应于其他车辆，也适应于车与车之间防撞。

实现方法：

叉车上安装相对位置检测设备，验证运动传感单元201和叉车的使用方向匹配，为叉车设置一定距离的保护区，比如30米就要求开始测距，15米为保护区，8米为告警区域，进入这个范围之后，就需要调高感知的频率，设置保护角度为行径方向的90度。

叉车上的相对位置检测设备一般采用叉车直供电的方式，叉车上电之后，相对位置检测设备的远距离无线感知单元102先检查环境中是否有其他叉车已经在运行，完成系统的时间同步，感知周边相对位置检测设备的时间片分配情况。

叉车上相对位置检测设备的近距离无线感知单元101开始广播，其工作距离一般要求达到40米以上，便于让人佩戴的相对位置检测设备能感知到。

人佩戴的相对位置检测设备基于远距离无线感知单元102模块和系统同步，搜索来自车辆的近距离无线感知单元101的广播信号，若感知不到叉车的存在，则自动进入休眠状态，然后周期性恢复到工作模式。若感知到存在叉车，并且信号强度已经达到需要测距的阈值(比如-88dBm)，开始选择信号强度最强的两个目标进行测距。

叉车上车载的相对位置检测设备获得测距距离和角度。

一，若目标所在范围接近保护区范围，则通过无线测距单元103测量与人所佩戴的相对位置检测设备之间的距离和角度，调高测距频率，并通过处理器单元202指定人所佩戴的相对位置检测设备所使用的时间片，人佩戴的相对位置检测设备收到之后，调高测距频率。二，若目标所在范围进入告警区域，则叉车车载的相对位置检测设备输出告警信号，用户可以选择声光告警，也可以通过处理器单元202告知人佩戴的相对位置检测设备告警，同时也可以通过输出信号，控制车辆行动，比如自动刹车。三、当人离开告警区域后，车载的相对位置检测设备释放时间片，降低测距频率，当信号强度进一步降低的时候，人佩戴的相对位置检测设备不再测距。

具体实施例二

结合图4，当车和人在两个不同的墙角的时候，由于测距数据可行度低，获得的角度数据是通过多径到达，也不可用。此时，需要基于两个相对位置检测设备的近距离无线感知单元101感知，若信号强度超过阈值，这时候，车载的相对位置检测设备也需要发送告警。

应当理解，图4所提及的场景是其中一种测距失败的例子，本实用新型提出通过信号强度的判断来实现告警，不局限于测距是否失败，仅作为另一种告警触发手段，以实现多重方式判断，提高安全性。

具体实施例三

当选择防止跟丢功能时，典型的是超市中使用，为了提高效率，或解放双手的场景，比如超市的补货车，补货员需要不停地去推车，但实际上可以根据补货员行走，补货车可以做到自动跟随，降低补货员的来回行走次数，提升补货效率。另外一种是超市购物车，购物人员不用再推购物车行走，只需要在前面走，购物车在后面跟随即可。

将本实用新型所提及的相对位置检测设备一个装在跟随车上，另外一个人员佩戴，同步、时间分片等设置同前，在系统使用前，需要完成两个设备的配对，避免跟错。在一些例子中，可以设置并采用配对功能，例如蓝牙配对，此时基本上可以不使用近距离无线感知单元101。具体的，所述数据处理模块包括一配对模块，如蓝牙配对模块，数据处理模块通过配对模块与其他设备之间建立数据通讯链路，此处的其他设备不局限于相对位置检测设备，还包括带有蓝牙配对功能的用户移动终端等等。

这个保护区设置正好相反，当人和车距离比较近的时候，感知频率比较低，当人车距离比较远的时候，感知频率提高，避免跟丢。所以，需要设置近距离2米内，按一秒一次感知，2米以上，调高感知频率。

当角度偏差比较大的时候，也需要调高感知频率，避免跟丢。

在本公开中参照附图来描述本实用新型的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本实用新型的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本实用新型所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本实用新型公开的一些方面可以单独使用，或者与本实用新型公开的其他方面的任何适当组合来使用。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型。本实用新型所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本实用新型的保护范围当视权利要求书所界定者为准。