高速通信的UWB定位系统、高速通信的UWB门禁系统和汽车的制作方法

高速通信的uwb定位系统、高速通信的uwb门禁系统和汽车
技术领域
1.本发明实施例涉及电子技术领域，尤其涉及高速通信的uwb定位系统、高速通信的uwb门禁系统和汽车。


背景技术：

2.uwb(ultra wide band，超宽带)是一种无线载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。
3.uwb技术具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，截获能力低，定位精度高等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入。uwb技术解决了困扰传统无线通信技术多年的有关传播方面的重大难题，具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、截获率低、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点。
4.在现有技术uwb的汽车门禁系统中，相关信号传输主要通过lin(local interconnect network，本地连接网络)总线实现，这种框架下实现的汽车门禁功能因通讯时间过长，整个门禁系统的响应比较迟钝。


技术实现要素：

5.本发明提供了高速通信的uwb定位系统、高速通信的uwb门禁系统和汽车，以解决现有技术汽车门禁功能因通讯时间过长，整个门禁系统的响应比较迟钝的技术问题。
6.第一方面，本发明实施例提供了高速通信的uwb定位系统，包括至少三个uwb锚点、至少三个第一差分收发器、uwb主控制器和第二差分收发器；
7.所述至少三个uwb锚点的数据收发端口与所述至少三个第一差分收发器的数据收发端口一一对应连接，所述第一差分收发器用于将所述uwb锚点检测到的uwb信号转换为差分信号；
8.所述至少三个第一差分收发器均通过双绞线与所述第二差分收发器连接，用于将所述差分信号传输到所述第二差分收发器；
9.所述第二差分收发器的数据收发端口与所述uwb主控制器的数据收发端口连接，所述第二差分收发器用于将所述差分信号转换为uwb信号发送到所述uwb主控制器。
10.进一步地，所述uwb锚点、第一差分收发器、第二差分收发器和uwb主控制器的数据收发端口均包括数据发送端口和数据接收端口。
11.进一步地，所述第一差分收发器为巴伦变换器。
12.进一步地，还包括网关和高速can收发器；
13.所述uwb主控制器的can接口与所述高速can收发器的第一端相连，所述网关的can接口与所述高速can收发器的第二端相连。
14.进一步地，所述高速can收发器为tja1044芯片。
15.进一步地，所述第一差分收发器设置有功率放大单元，用于在发送所述差分信号前对其进行放大。
16.进一步地，所述uwb锚点的数量为6个。
17.第二方面，本发明实施例还提供了高速通信的uwb门禁系统，包括控制终端以及第一方面所述的高速通信的uwb定位系统；
18.所述控制终端设置有无线收发装置，所述无线收发装置用于与所述网关进行控制指令传输。
19.第三方面，本发明实施例还提供了汽车，其特征在于，包括第一方面任一项所述的高速通信的uwb定位系统。
20.进一步地，所述uwb锚点至少设置于所述汽车的前部、中部和尾部。
21.上述高速通信的uwb定位系统、高速通信的uwb门禁系统和汽车，包括至少三个uwb锚点、至少三个第一差分收发器、uwb主控制器和第二差分收发器；所述至少三个uwb锚点的数据收发端口与所述至少三个第一差分收发器的数据收发端口一一对应连接，所述第一差分收发器用于将所述uwb锚点检测到的uwb信号转换为差分信号；所述至少三个第一差分收发器均通过双绞线与所述第二差分收发器连接，用于将所述差分信号传输到所述第二差分收发器；所述第二差分收发器的数据收发端口与所述uwb主控制器的数据收发端口连接，所述第二差分收发器用于将所述差分信号转换为uwb信号发送到所述uwb主控制器。通过将锚点检测到的uwb信号转换为差分信号，通过双绞线对差分信号进行传输，提高了定位信号的传输速度，进而缩短信号通讯时长，提高整个门禁系统的响应速度。
附图说明
22.图1为本发明实施例提供的高速通信的uwb定位系统的架构示意图。
23.图2为基于uwb定位的汽车门禁系统示意图。
24.图3为uwb定位的原理示意图。
25.图4为lin帧数据格式示意图。
26.图5为uwb lin数据包结构定义图。
27.图6为本发明实施例提供的高速通信的uwb定位系统的通讯时序图。
具体实施方式
28.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
29.需要注意的是，由于篇幅所限，本技术说明书没有穷举所有可选的实施方式，本领域技术人员在阅读本技术说明书后，应该能够想到，只要技术特征不互相矛盾，那么技术特征的任意组合均可以构成可选的实施方式。
30.下面对各实施例进行详细说明。
31.请参考图1-图6，其中图1为本发明实施例提供的高速通信的uwb定位系统的架构示意图，图2为基于uwb定位的汽车门禁系统示意图，图3为uwb定位的原理示意图，图4为lin帧数据格式示意图，图5为uwb lin数据包结构定义图，图6为本发明实施例提供的高速通信的uwb定位系统的通讯时序图。
32.汽车门禁系统是基于uwb定位的一种典型使用场景，在发明实施例中也主要以汽
车门禁系统作为示例性说明，应当理解，在室内定位、机器人路径规划等场景下，本方案也可以实施并具有相同的实施效果。
33.如图1所示，本发明实施例中的包括至少三个uwb锚点101、至少三个第一差分收发器102、uwb主控制器105和第二差分收发器104；
34.所述至少三个uwb锚点101的数据收发端口与所述至少三个第一差分收发器102的数据收发端口一一对应连接，所述第一差分收发器102用于将所述uwb锚点101检测到的uwb信号转换为差分信号；
35.所述至少三个第一差分收发器102均通过双绞线103与所述第二差分收发器104连接，用于将所述差分信号传输到所述第二差分收发器104；
36.所述第二差分收发器104的数据收发端口与所述uwb主控制器105的数据收发端口连接，所述第二差分收发器104用于将所述差分信号转换为uwb信号发送到所述uwb主控制器105。
37.在本方案中，如图1所示，对应于每个uwb锚点101，分别对应设置第一差分收发器102，第一差分收发器102与uwb锚点101直接进行数据交互；在uwb主控制器105对应设置第二差分收发器104，第二差分收发器104与uwb主控制器105直接进行数据交互。通过第一差分收发器102和第二差分收发器104以及二者之间通过双绞线103连接，uwb锚点101和uwb主控制器105之间的数据传输实际采用基于双绞线103的差分通信，可以有效提高传输速度。而且通过差分收发器和双绞线103的数据传输优化不需要额外的mcu来实现高速通讯，例如基于can总线也可以实现高速通讯，但是需要对应mcu才能实现高速通讯的效果，本方案中的实现方式相较于完全用其他的总线架构实现高速传输，可以有效减少bom器件数量和成本，从而减少uwb锚点的体积，更方便于uwb锚点101布置。同时还可以因为采用双绞线103和差分通信，提高了系统的可靠性，使得整个定位系统的抗干扰能力更强。
38.需要说明的是，本方案中的第一差分收发器102和第二差分收发器104可以是相同的差分收发器，区分定义仅用于描述时的连接关系更加清楚。而且uwb锚点101对应有uwb天线等具体结构是uwb定位系统中基本硬件实现，在此不对现有的基本实现做过多描述。
39.基于uwb的技术常用于定位，与其他定位技术(例如高低频信号)相比，基于uwb的定位感应距离远，感应距离可以达到50米以上；定位精度高，可提供更精准的定位结果；而且实现uwb检测的硬件体积较小，通过手机、手环等即可实现定位，可以相对减少用户携带物品的数量；uwb定位过程中信号自带的时间戳功能，也能有效防止中继攻击，提高定位设备的使用安全性。因为uwb定位的以上优势，该定位方式常用于如图2所示汽车100的定位及门禁控制中，即在汽车100中设置多个uwb锚点101，当用户随身携带控制终端108进入uwb锚点101的检测范围内，即可实现对控制终端108与汽车100相对位置关系的定位(包括距离和角度)，从而提供基于相对位置关系的既定控制逻辑。
40.在具体定位过程中，如图3所示，定位系统已经记录有每个uwb锚点101的相对位置关系，即图3中所示的六个uwb锚点101已经有同一坐标系上的固定位置，当控制终端108进入uwb锚点101的检测范围，每个uwb锚点101可以独立与控制终端108中的uwb基站进行通信得到测距信号。整个设备的处理器可以根据每个测距信号得到uwb锚点101与控制终端108的距离，只要有三个uwb锚点101与控制终端108的距离，即可如图3所示通过三点定位原理，确认控制终端108在同一坐标系上的位置，进而根据位置确认是否执行相应的控制逻辑。
41.更深入到测距过程中的信号传输，以图2为例，汽车100上的处理器通过lin总线和各个uwb锚点通信，处理器通过lin总线配置uwb锚点101，启动uwb锚点101进行测距，读取各个uwb锚点101的测量结果。在基于lin总线的数据传输过程中，如图4所示的lin数据帧格式，为尽可能地传输尽量多的数据，每帧lin数据的data数据长度为8，总的数据字节数为11字节+break符(13位数据0)，每帧数据需要传输的数据位数为123位，采用单线形式传输的lin总线通讯的波特率为19.2kbps，因此每帧数据传输的时间最少需要6.4ms。
42.进一步结合图5，其为处理器和uwb锚点的lin通讯数据包含义，整个uwb定位系统存在8个uwb锚点时，如果使用现有的lin总线传输机制，需要传输27帧以上的数据，每帧传输数据为8字节，完成所有的uwb锚点配置及测量过程需要172ms以上的时间。而对于汽车而言，为实现基于uwb定位的门禁系统相关控制逻辑，需要处理器快速完成和各个锚点的通讯，得到定位结果，在用户接触到汽车之前留出尽可能多的逻辑功能控制时间，现有技术中172ms的定位时间严重影响了定位后可用的逻辑功能控制时间，系统功能实现的实时性得不到保证。从图5可以看出，第一个uwb锚点和第二uwb锚点之间为2个位的时间差，大概为104μs，计算lin通讯的波特率为19.2k，同时由于长距离单线lin通讯波形畸变的影响，高电平位和低电平位的占空比不足50％，整体的最大波特率被限制为不超过20kbps，不是最理想的数据传输状态，不能满足uwb定位系统高速传输数据的需求。
43.在本方案中，基于双绞线和差分收发器，构建uwb锚点和uwb主控制器之间的差分通讯链路，可以实现更高uwb主控制器和uwb锚点的通讯速率，整体速率可以达到20kbps～8mbps，很明显，相比于现有的单线lin通讯方式，大大提高了uwb主控制器和uwb锚点的最大通讯带宽，缩短了系统的通讯时间，同时也提升了系统的鲁棒性。
44.进一步结合如图6所示的本发明实施例提供的高速通信的uwb定位系统的通讯时序图，通过前文所述的理论分析和图6的实际测试可以发现，uwb主控制器和uwb锚点之间采用差分通讯，可以稳定实现500kbps的通讯速率，大大缩短了整个系统的通讯时间，通过在图6中也可以看到，单个位的传输时间是2μs，传输时间的精确度也更高。
45.在本方案的具体实现时，所述uwb锚点、第一差分收发器、第二差分收发器和uwb主控制器的数据收发端口均包括数据发送端口和数据接收端口。通过各个物理结构之间的数据发送端口和数据接收端口，可以提供高效稳定的数据传输，当然，对于信号传输路径中相邻的两个物理结构，一端的数据发送端口与另一端的数据接收端口相连，一端的数据接收端口与另一端的数据发送端口相连。作为一种可选的实现方式，所述第一差分收发器为巴伦变换器。
46.为实现基于定位的具体控制逻辑，本方案中高速通信的uwb定位系统，还可以包括网关107和高速can收发器106；
47.所述uwb主控制器105的can接口与所述高速can收发器106的第一端相连，所述网关107的can接口与所述高速can收发器106的第二端相连。在实现数据发送的硬件架构中，所述高速can收发器106可以采用tja1044芯片。
48.对于应用本实施例中的高速通信的uwb定位系统的设备而言，通常不仅是只需要自身获得和使用定位信息，也有可能是需要将定位信息发送到其他个体设备，由此，通过网关和高速can收发器，可以实现定位信息向其他个体设备的发送。
49.为进一步提高信号发送的效果，所述第一差分收发器设置有功率放大单元，用于
在发送所述差分信号前对其进行放大，进而提升信号传输效果。
50.为提高定位检测的精度和覆盖范围，本方案中所述uwb锚点的数量可以设置为6个。例如图2中所示应用于汽车100的场景下，uwb锚点101布置于汽车100的四角以及汽车100的中轴线的中部。当用户携带控制终端108从汽车100的任意方向靠近，均能被至少三个uwb锚点101在无遮挡的状态下检测到，从而完成定位。
51.当然，6个只是一种可选的实现方式，在不同的应用场景下，根据uwb锚点的布局需求或者应用场景的特性，可以有不同的布局方式，例如在无人智慧工厂，可以在工厂设置位置固定不变的uwb锚点，在每个机器人上设置uwb基站，uwb锚点根据uwb信号可以定位出每个uwb基站的位置，即每个机器人的位置，从而进行路径规划和机器人调度。在这种应用场景下，uwb锚点的数量根据工厂的大小、空旷程度等进行综合布局，很可能数量会大于前文中的6个。在这种应用场景下，可以是在机器人上完成定位后自行规划路径，不需要将定位信息实时发送到其他设备。
52.本发明实施例还提供了一种高速通信的uwb门禁系统，包括控制终端以及前文任一所述的高速通信的uwb定位系统；
53.所述控制终端设置有无线收发装置，所述无线收发装置用于与所述网关进行控制指令传输。
54.在具体的产品实现上，控制终端(例如经用户绑定注册的移动终端设备、专用的汽车钥匙等)设置有uwb基站，基于前文所述的检测原理，汽车上的uwb锚点各自检测到自身与uwb基站的距离，然后根据三点定位原理，可以得出控制终端与汽车的距离，从而判断当前是开启车门、关闭车门或其他对车辆的控制逻辑，具体的控制逻辑是现有的汽车控制方案，本方案的效果是因为信号的传输速度的提高，使得整个控制过程的响应更快，即具备与前文所述的高速通信的uwb定位系统相同的有益效果。
55.本发明实施例还提供了一种汽车，包括前文任一所述的高速通信的uwb定位系统。具体到该汽车，高速通信的uwb定位系统中的uwb锚点至少设置于所述汽车的前部、中部和尾部。该定位系统在汽车用于定位或在定位基础上的智能控制，具体控制过程在前文已有说明，并具有相应的有益效果，在此不做重复说明。
56.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
57.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。