一种无人车控制系统的制作方法

本实用新型涉及无人设备控制领域，尤其涉及一种无人车控制系统。

背景技术：

目前，无人车技术愈发的成熟，被普遍应用于包括运输、游戏娱乐、农业、救援等各个领域。一般来说，可以采用遥控器或者利用移动终端app对无人车的运动模式进行控制，具体的，往往需要占用操作人员的双手才能完成操控过程，并且需要全程保持对无人车的操控才能使无人车到达预定地点。

技术实现要素：

针对现有无人车控制复杂的问题，本实用新型提供一种无人车控制系统，能够简化无人车控制的操作，同时具有更丰富的控制效果。本实用新型的具体方案如下：

本新型公开一种无人车控制系统，包括：移动终端、无人车和控制器，其中，无人车设置有uwb定位标签；控制器设置有uwb基站，控制器外形是由控制部和握柄组成的棒状结构，在控制部的上端面设置有激光发射装置和2个基站天线，在控制部的侧面设置有带距离刻度的滑动块、按钮和显示屏；uwb基站通过基站天线基于uwb通讯获取无人车的位置信息；激光发射装置用于指示无人车运动的目标地点以及测量目标地点与控制器之间的距离；滑动块用于调节无人车与控制器之间的距离；显示屏用于显示无人车与控制器之间的实时距离；按钮用于向无人车发送指示无人车运动的控制信息；移动终端和控制器还设置有蓝牙模块，基于蓝牙通讯交互无人车运动的设定信息。

进一步地，基站天线为无源天线。

进一步地，基站天线的中心点连线位于二维空间坐标系的同一轴上。

进一步地，控制器的uwb基站还包括：与基站天线一一对应的定位芯片；定位芯片基于uwb信号的tof方式获取每一基站天线与定位标签之间的距离信息，并基于uwb信号的pdoa方式获取空间坐标系中两个基站天线之间的相位差信息，基于相位差信息获取所述无人车在空间坐标系中的坐标位置。

进一步地，定位芯片为dw1000芯片。

进一步地，激光发射装置的光源为绿色光。

进一步地，握柄上设置有防滑纹路。

进一步地，控制信息和设定信息至少包括：无人车与控制器之间的距离、无人车与目标地点之间的距离、无人车运动加速度和无人车灯源开关等。

进一步地，移动终端可以是手机、手环、数据采集器、pda等设备。

采用上述方案后，本实用新型的有益效果如下：

1、本新型方案中的控制器只需要单手就可以操作，在确定了无人车的目标地点后无需后续操控，大大简化了对无人车的操控过程。

2、本新型的方案不仅可以控制无人车向目标位置运动，同时可以对无人车与控制器之间的距离进行调节，可以实现更丰富的控制效果。

3、本新型的方案基于uwb通讯实现无人车定位，具有抗干扰能力强、功耗低、精度高、反应快的特点，同时使用激光标记目标地点，这样可以使无人车获取更精准的起始位置和目标位置，使控制无人车运动的路径更加精准有效。

4、本新型的方案中控制器采用无源天线，与有源天线相比成本更低，并且可根据实际需求进行性能上的定制，提高了方案的实用性和适用性。

5、本新型的方案可以基于蓝牙等无线通讯方式建立控制器与移动终端之间的连接，交互无人车的设定信息和控制无人车运动的控制信息，增添了对无人车具体功能的实现手段。

附图说明

图1为本实用新型的系统组成示意图；

图2为本实用新型的操作器示意图；

图3为本实用新型的天线结构示意图；

图4为本实用新型的定位方法示意图；

图5为本实用新型的定位芯片电路原理图；

图6为本实用新型的无人车运动示意图；

图中标记，1-控制部，2-握柄，3-基站天线，4-滑动块，5-按钮，6-显示屏，7-激光发射装置，a-基站天线1，b-基站天线2。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

下面结合附图和实施例对本实用新型作详细说明。

如图1所示，本新型提供一种无人车控制系统，包括移动终端、无人车和控制器，其中，在无人车上设置有定位标签，控制器设置有uwb基站。基于uwb通讯，可以使控制器获知无人车的定位位置，并向无人车发送运动信息，控制无人车向目标地点运动。并且，控制器和移动终端都设置有蓝牙模块，基于蓝牙通讯可以对控制无人车运动的设定信息进行数据交互。

可以理解地，在一种可实现方式中，也可以使用wifi、zigbee、gprs/cdma等无线通讯方式实现控制器与移动终端之间的数据交互，此处不再赘述。

可以理解地，uwb是一种无载波通信技术，基于该技术，本新型的控制器与无人车之间能够利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，使传输速度达到几十mbit/s到几百mbit/s，具体来说，是蓝牙传输速度的100倍，也同时高于ieee802.11a和ieee802.11b协议的传输速度。由此可见，基于uwb的通讯方式抗干扰性能强，传输速率高，能够有效避免气候对于数据传输的影响度。与此同时，由于uwb通讯方式的发射功率很小，一般来说，只需要小于1mw的发射功率就能实现通信，而低发射功率也就意味着低电源功耗和人体辐射影响，因此具有较强的实用性。

如图2所示，本新型的控制器外形是由控制部1和握柄2组成的棒状结构，在控制部1的上端面设置有激光发射装置7和若干基站天线3，在控制部1的侧面设置有带距离刻度的滑动块4、按钮5和显示屏6。

可以理解地，此处的激光发射装置7主要用于指示无人车运动的目标地点并测距；滑动块4带有距离刻度，主要用于调节无人车与控制器之间的距离；显示屏6用于显示无人车与控制器之间的实时距离；按钮5用于向无人车发送指示无人车运动的运动信息。在实际操作中，可以通过带距离刻度的滑动块4调节无人车与操作器之间的距离，并在显示屏6中显示出来，再使用激光发射装置7对目标地点进行指示并测距，在指定了目标地点后通过按下按钮5确定向无人车发送运动信息，无人车就可以根据运动信息向目标地点进行运动。

可选地，显示屏6也可以显示的是无人车与目标地点之间的距离，此处不再赘述。

可以理解地，本新型的握柄2上设置有防滑纹路，以获得更好的防滑效果。

可选地，也可以对握柄设置其他类型的防滑工艺，如覆盖防滑涂层，此处不再赘述。

由此可见，本新型的方案只需要单手就可以握持控制器实现对无人车的控制，在按下按钮5后就无需再操控无人车，无人车可以根据获取的运动信息自动向激光指示的目标地点运动。显而易见地，这种控制方式可以有效简化操作，降低无人车的操作量。与此同时，由于通过滑动块4可以实时调节无人车与操控器之间的距离，因此可以实现更丰富的控制效果。

进一步地，此处的激光发射装置7主要用于指示目标地点以及进行激光测距，具体地，激光发射装置使用的是绿色激光。

可以理解地，激光光源一般分为红光源和绿光源。由于绿光波长只有红光波长的一半(532nm)，因此比红光能量更高。一般来说，绿色光源能达到红色光源亮度的6倍，光柱更加明显，指示效果更好。

可以理解地，本新型的激光发射装置同时具有利用激光测距的作用。具体地，是基于脉冲测距原理，通过将瞬时功率极大的脉冲发射至很远的位置，针对激光脉冲的飞行时间差进行测距。如果光以速度c在空气中传播在a、b两点间往返一次所需时间为t，则a、b两点间距离d可用以下公式表示。

由公式(1)可知，要测量a、b距离只需要测量光传播的时间t即可。

可以理解地，本新型中的基站天线3都位于同一水平端面上，并在电路结构上与控制器内部的uwb基站电连接，即，uwb基站可以通过基站天线3与无人车的uwb标签进行通讯，获取无人车的位置信息。

进一步地，本新型中，基站天线3是无源天线，数量为2个，位于同一水平面上。

可以理解地，本新型方案中，基站天线3只需具有传导作用。而有源天线由于需要在天线后添加放大器，往往成本较高，此处使用无源天线可以对无源天线的形状大小进行适用场景的设计，比如对于需求增益方向增大传导面积铺设，这样能够更方便于进行试验以及和提高实施效果。显而易见地，本新型的方案中控制器采用无源天线，与有源天线相比成本更低，并且可根据实际需求进行性能上的定制，提高了方案的实用性和适用性。

此处需注意的是，由于本新型方案中，无源天线的辐射增益方向只位于控制器的上端面，因此为了当控制器指示目标地点的同时能够与无人机建立更良好的通讯状况，指挥棒在垂直方向的最大偏移角度优选地不超过60°。

可选地，针对其他的应用场景或者电路板布线需求，为了获取期望的天线辐射增益，也可以将无源天线设计为线性、矩型、椭圆形等其他形状，此处不再赘述。

由图3可见，在控制器的同一端面上，设置有两个基站天线：基站天线1和基站天线2，并且基站天线1位于平面上的位置a处，基站天线2位于平面上的位置b处。由于a和b都位于同一个平面上，因此可以设a和b中心点连线位于二维坐标系的同一轴向上(x轴或y轴)，以这样建立的x轴和y轴可以构成一个用于定位的二维坐标系。

这里，对获取无人车定位的过程做进一步解释与说明。

如图4所示的标签定位示意图，可见在由x轴和y轴构成的二维坐标系中，可以基于uwb通讯的飞行时间测距法(tof，timeofflight)获取无人车定位标签与两个基站天线所处位置a和b之间的距离l1和l2。

此处，tof是一种双向测距技术，即一个设备向另一个设备发送数据，并接收对于该数据的反馈信号，通过获取数据在往返路径的时间计算设备之间的距离。该方法中，涉及测距精度有两个要点，一是收发数据的两个设备必须时钟同步，二是发送和反馈数据的时间必须短，由此可见，本新型使用uwb通讯的方案由于速度快，时间短，非常适用于这种测距方法。

具体地，在本新型的方案中，定位基站通过基站天线向定位标签发送一个数据包，记录发包时刻t1；当定位标签在接收到数据包后立刻发送反馈数据包；而定位基站通过基站天线再次收到反馈数据包后，记录接收时刻t2。由此可见，数据脉冲在空中传播的时间将t乘以光速就可以计算得到各个基站天线与定位标签之间的距离。需要注意的是，此处的光速一般取光在真空中的速度，即3*108m/s，为了方便计算，还可以将光速转换单位为30cm/ns。

上述方案的优点在于，数据传播的差值时间都是基于定位基站获取的，能够有效低效本地时钟误差。而对于定位基站和定位标签设备各自的时钟偏移，可以通过计算误差值进行修正。具体地，可以假设定位标签时钟是标准时钟的e1倍，通讯芯片u1设备时钟是标准时钟的e2倍，那么修正误差值通过error乘以已获取的距离值就可以得到更加精准的结果。

可以理解地，还可以使用uwb双边双向测距ds-twr方法，通过定位基站和定位标签分别作为本地设备进行一次数据交互计算距离，这种方法也可以有效抵消时钟偏移，此处由于这种方法的具体计算过程近乎为前述tof方法的重复，因此不再赘述。

可以理解地，假设图4中基站天线1对应的a位置与基站天线2对应的b位置两点之间距离为d，那么基于uwb信号的tof方式也可以获取定位标签与a之间的距离l1，以及定位标签与b之间的距离l2。进一步的，假设定位标签向a位置发射通讯脉冲方向与x轴产生的偏角为α1，定位标签向b位置发射通讯脉冲方向与x轴产生的偏角为α2，那么基于uwb信号的pdoa获取定位标签向a位置和b位置发送脉冲的相位差距离可以得到定位标签在x轴的坐标位置，此处相位差距离即是为脉冲波长乘以定位标签分别到a位置和b位置的相位差值，具体地，脉冲波长等于光速除以脉冲发射频率，在此处取6.5ghz；相位差距离的计算结果可以从定位基站的定位芯片中直接获取；基于由tof获取了l1和l2的值，并且a与b之间的距离d也可以获取，这样通过对α1角或α2角的余弦运算和勾股运算就可以计算出定位标签在x轴的投影x。

同理，可以对定位标签在y轴的投影y进行求解，这样就可以得到定位标签在二维空间中的坐标位置(x，y)。

可以理解地，定位标签与操控器之间的直线距离l可以根据以下公式求得：

可以理解地，信号到达相位差pdoa的具体应用方法包括单边双向测距(ss，single-sidedtwo-wayranging)和双边双向测距(ds，double-sidedtwo-wayranging)，以下对于这两种方法做具体说明。

对于ss法，是定位基站的定位芯片通过基站天线向定位标签发送一个数据包，并记录发包时刻t1，定位标签收到数据包后，记录接收时刻t2；定位标签在等待了treply时刻后的t3时刻向定位芯片发送反馈数据包，此处的treply一般设置为t2-t1，当定位芯片收到反馈数据包后，记录接收时刻t4。由此可见，数据脉冲在空中传播的时间tss＝1/2*[(t4-t1)-(t3-t2)]。将tss乘以光速就可以计算得到基站天线与定位标签之间的距离。需要注意的是，此处的光速一般取光在真空中的速度，即3*10⁸m/s，为了方便计算，还可以将光速转换单位为30cm/ns。

可以理解地，对于ss法，由于定位标签和定位芯片设备的时钟各自独立，可能出现时钟偏差导致计时误差的情况，可以通过计算误差值来实现修正。

具体地，假设定位标签时钟是预期时钟的e1倍，定位芯片设备时钟是预期时钟的e2倍，那么修正误差值error＝1/2(e2-e1)*treply，通过error乘以已获取的距离值就可以得到更加精准的结果。

可以理解地，由于距离值是基于光速获取的，因此即使很小的时钟误差也会造成很大的距离误差值，而ds法是基于ss法基础上再增加一次通讯过程实现的，就可以互相弥补因为时钟偏差导致的误差，获取比ss法更加精准的结果，由于计算过程是ss法的重复，此处对于具体的计算过程不再赘述。

可以理解地，本新型的基站定位芯片采用了decawave公司的dw1000芯片，该芯片集成度高，符合ieee802.15.4-2011uw标准，支持3.5ghz至6.5ghz的4个rf频段，具有可编程发射机输出功率，通过同时设置多个定位芯片，可以获得用于最大范围，数据速率一般为110kbps、850kbps和6.8mbps，最大数据包长度支持1023字节并且集成mac支持功能支持双向测距和tdoa。通过使用dw1000芯片进行测距，可以将定位误差缩减至小于10cm，大大提高了无人车定位的精准度。

此处需要注意的是，dw1000芯片自带有天线，但是本新型方案中采用的是外接的无源天线，因此不会使用dw1000天线部分的电路结构。

如图6所示，其示出了本新型采用dw1000芯片作为uwb通讯芯片的电路原理图，明显地，此处的通讯芯片u1主要使用3.3v和1.8v的工作电压，晶振y1的工作频率为38.4mhz，对于供给vdd的3.3v电源分别设有包括容值为100nf、330pf和12pf的滤波电容，并分别设置有由c26和l1，c25和l2组成的lc振荡电路作为vddpa1和vddpa2引脚的谐振电路。vddldoa和vddldod引脚此处采用1.8v供电。

可以理解地，本新型采用外接天线设计，此处的e1即代表任一子天线的输出端子，将e1和地接于变压器t1一端，t1另一端分别与dw1000的rf_p和rf_n引脚相接。此处由于本新型采用高频触发脉冲，因此在实际布线时需注意与天线之间的连接线路应尽可能做短，而明显地，将无源天线设计为平面圆形相较于条形的线路更短，因此这里可以凸显出本新型的无源天线形状的优势之处，可以获取最优的射频匹配效果。

可以理解地，本新型的控制器电路结构中还包括中央处理器，通讯芯片u1与中央处理器之间通过spi进行数据交互，而中央处理器可以通过gpio引脚和reset引脚对通讯芯片u1进行启动和调试控制，此处的gpio4和gpio5既可以作为调试测试点，也可以连接led灯，通过led灯明灭变化判断通讯芯片u1的工作状态。而通过设置两pin接口的j1和j2插座分别与gpio0-3接口相接，可以对通讯芯片u1的状态进行实时读取。

可以理解地，本新型的通讯芯片u1与定位标签之间进行uwb数据交互的工作频率大于30hz，优选值为100hz。基于这种频率的数据更新，能够增强位置数据的实时有效性，提高定位的准确性。

可以理解地，本新型的中央处理器可以是stm32系列单片机，如stm32f103c8等。可以通过uart总线、gpio总线和i2c总线对通讯芯片u1进行调试，由于stm32单片机应用广泛，且在本新型中的电路为通用设计，此处对于中央处理器的电路部分不再赘述。

可选地，本新型的中央处理器也可以采用gd32f130g8u6等其他单片机，此处不再赘述。

可以理解地，本新型的定位芯片与定位标签之间进行uwb数据交互的工作频率大于30hz，优选值为100hz。基于这种频率的数据更新，能够增强无人车位置数据的实时有效性，保证了无人车定位和运动的精度。

如图6所示，其示出了本新型一种可实现方式中控制无人车运动的示意图，以控制器位置为原点，那么假设无人车与控制器都位于同一个轴向上，并且控制器位置、无人车位置和目标地点都位于同一水平高度，那么基于uwb定位可以获取无人车与控制器之间的距离p1，而通过激光测距可以获取目标地点与控制器位置之间的距离p2，可见，只要获取到同一平面上目标地点与控制器位置的偏角β，就可以计算出无人车与目标地点之间的直线距离p3。

可以理解地，本新型的控制器中还设置有陀螺仪，当使用者用控制器的激光发射装置指示目标地点时陀螺仪可以直接获取偏角β的参数。而基于已知偏角β、p1和p2的值，通过正余弦定理就可以计算出p3的值。

对于控制器位置、无人车位置和目标地点不位于同一水平高度的情况，只不过需要在各轴向上进一步地的基于角度进行正余弦运算，此处不再赘述。

可以理解地，在本新型的方案中，使用者通过滑动块设定了无人车与控制器之间的距离并通过激光指示了目标地点，在使用者按下按钮确认之后，控制器就向无人车发送相关的运动信息，此处的运动信息至少包括：无人车与控制器之间的距离、无人车与目标地点之间的距离，以及各个位置之间的角度信息等，无人车基于运动信息计算出无人车与目标地点之间的直线距离并沿计算路径运动至目标地点，实现相关功能。

在一种可实现方式中，还可以通过移动终端向控制器发送无人车的运动设定信息，再由控制器向无人车发送控制信息，控制无人车按照设定方式运动，此处需要注意的是，设定信息除了控制器本身能够实现的控制功能，还可以进一步包括无人车的相关功能控制，例如：改变无人车的运动加速度或者控制无人车的车灯开关等。

在另一种可实现方式中，可以只在控制器进行运动控制的设定，并将设定信息发送至移动终端界面进行显示，此处不再赘述。

进一步地，无人车也可以基于uwb通讯向控制器反馈各种状态信息，例如：当前载重信息，车胎胎压信息等，此处不再赘述。

由此可见，本新型基于移动终端、控制器和无人车三方的通讯，既可以以控制器为控制主体直接控制无人车，同时向移动终端反馈无人车的状态信息；也可以以移动终端为控制主体，向控制器发送无人车运动的设定信息，继而对无人车进行功能上的控制，这样能够增添无人车操控的多样化手段，使无人车控制功能更加丰富有效。

可以理解地，本新型的移动端可以是任意一种具有无线通讯功能的终端设备，包括手机、手环、数据采集器、pda等设备，此处不再赘述。

本实用新型不局限于上述具体实施例，应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思做出诸多修改和变化。总之，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。