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    • 专利摘要:
    本实用新型涉及一种地埋式UWB基站及其车辆定位系统。该地埋式UWB基站包括底板、挡板和环形套筒，底板和挡板设置于环形套筒的两端，在环形套筒内形成一密闭空间；基站固定板，设置于密闭空间，将密闭空间横向分割为第一腔室和第二腔室；UWB单元，设置于第一腔室内，UWB单元的顶部设有UWB天线，UWB天线向上伸出到挡板外；蓄电池，设置于第二腔室，蓄电池向UWB单元供电。本实用新型提出了一种地埋式UWB基站及其车辆定位系统，能使地埋式UWB基站的维护成本大大降低，提升车辆的定位效果。
    公开号:CN214338135U
    申请号:CN202120651930.9U
    申请日:2021-03-30
    公开日:2021-10-01
    发明作者:沈勇；王阳明；靳宝宝；吕鹏远；邵浙海
    申请人:Shanghai Intelligent New Energy Vehicle Technology Innovation Platform Co ltd；
    IPC主号:H04W64-00
    专利说明:
    [n0001] 本实用新型涉及车辆定位技术领域，尤其涉及一种地埋式UWB基站及其车辆定位系统。
    [n0002] 随着科学技术的发展，车路协同和无人驾驶的应用与实现逐步被提上日程，其中高精度车辆定位技术是至关重要的技术之一。除传统定位技术外，近年来，基于超宽带(UWB，Ultra-Wideband)的无线定位技术的兴起和迅速发展为实现车辆精确定位提供了新思路，目前，UWB定位技术主要被用于室内定位领域如人员、智能小车、机器人定位等。由于UWB的带宽极宽，脉冲信号穿透力强，多径分辨能力良好等技术优点，基于UWB实现室外环境下的车辆定位亦具备了一定的可行性。
    [n0003] 目前，随着信息与通信行业的发展，基站建设正在规模化发展，当前路侧灯杆上挂载基站的数量愈来愈多，一定程度上占用了地表空间，给周围环境带来较大影响，而且基站位于地表以上，受到太阳光、雨水等因素的影响，老化侵蚀速度加快，对基站质量造成不利影响，同时当基站出现故障时，需要通过升降梯对基站进行检测维修，成本、效率问题凸显出来。
    [n0004] 针对现有技术的上述问题，本实用新型提出了一种地埋式UWB基站及其车辆定位系统，使地埋式UWB基站的维护成本大大降低，提升车辆的定位效果。
    [n0005] 具体地，本实用新型提出了一种地埋式UWB基站，包括：
    [n0006] 底板、挡板和环形套筒，所述底板和挡板设置于所述环形套筒的两端，在所述环形套筒内形成一密闭空间；
    [n0007] 基站固定板，设置于所述密闭空间，将所述密闭空间横向分割为第一腔室和第二腔室；
    [n0008] UWB单元，设置于所述第一腔室内，所述UWB单元的顶部设有UWB天线，所述 UWB天线向上伸出到所述挡板外；
    [n0009] 蓄电池，设置于所述第二腔室，所述蓄电池向所述UWB单元供电。
    [n0010] 根据本实用新型的一个实施例，还包括固定衬套，所述固定衬套设置在所述第一腔室内，所述固定衬套的顶面与所述挡板贴靠，所述固定衬套的底面与所述 UWB单元贴靠。
    [n0011] 根据本实用新型的一个实施例，所述UWB天线穿过所述固定衬套并向上伸出到所述挡板外。
    [n0012] 根据本实用新型的一个实施例，还包括固定衬垫，铺设于所述挡板上，所述 UWB天线向上穿过所述固定衬垫形成一天线头部，所述固定衬垫被压紧在所述天线头部和挡板之间。
    [n0013] 根据本实用新型的一个实施例，在所述基站固定板上开设有通孔，用于穿设所述蓄电池到所述UWB单元的连接线。
    [n0014] 根据本实用新型的一个实施例，所述挡板可拆卸地设置于所述环形套筒上。
    [n0015] 本实用新型还提供了一种车辆定位系统，包括设置在所述车辆上的UWB模块，还包括设置于所述车辆所在路面的至少三个前述的地埋式UWB基站，所述UWB模块与所述地埋式UWB基站通信以获得车辆的位置信息。
    [n0016] 根据本实用新型的一个实施例，车辆定位系统还包括设置在所述车辆上的INS 模块和控制器，所述INS模块用于获取所述车辆的运动数据，所述控制器接收所述 UWB模块的车辆位置信息和INS模块的车辆运动数据来计算获得所述车辆的位置坐标。
    [n0017] 本实用新型提供的一种地埋式UWB基站及其车辆定位系统，由于地埋式UWB 基站设置与底面上，使UWB基站的维护成本大大降低，利用USB无限定位技术通过贴近地表的数据传输，从而为车辆提供高精度定位。
    [n0018] 应当理解，本实用新型以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为所述的本实用新型提供进一步的解释。
    [n0019] 包括附图是为提供对本实用新型进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本实用新型的实施例，并与本说明书一起起到解释本实用新型原理的作用。附图中：
    [n0020] 图1示出了本实用新型一个实施例的地埋式UWB基站的结构示意图。
    [n0021] 图2示出了本实用新型一个实施例的车辆定位系统的结构示意图。
    [n0022] 图3示出了本实用新型一个实施例的车辆定位系统的定位方法的工作流程示意图。
    [n0023] 图4是图3基于TDOA定位算法的车辆定位系统原理图。
    [n0024] 其中，上述附图包括以下附图标记：
    [n0025] 地埋式UWB基站 100 底板 101
    [n0026] 挡板 102 环形套筒 103
    [n0027] 基站固定板 104 UWB单元 105
    [n0028] 蓄电池 106 第一腔室 107
    [n0029] 第二腔室 108 UWB天线 109
    [n0030] 固定衬套 110 固定衬垫 111
    [n0031] 车辆定位系统 200 INS模块 201
    [n0032] 控制器 202 UWB解算单元 203
    [n0033] INS解算单元204 卡尔曼滤波模块 205
    [n0034] 车辆 206 UWB模块 207
    [n0035] 第一地埋式UWB基站 1001 第二地埋式UWB基站1002
    [n0036] 第三地埋式UWB基站 1003
    [n0037] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
    [n0038] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
    [n0039] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
    [n0040] 除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。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讨论。
    [n0041] 在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
    [n0042] 为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位旋转90 度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
    [n0043] 此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，尽管本申请中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本申请说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本申请。
    [n0044] 图1示出了本实用新型一个实施例的地埋式UWB基站的结构示意图。如图所示，一种地埋式UWB基站100主要包括底板101、挡板102、环形套筒103、基站固定板104、UWB单元105和蓄电池106。
    [n0045] 其中，底板101和挡板102设置于环形套筒103的两端，在环形套筒103内形成一密闭空间。该密闭空间的作用是要保持一个干净整洁的环境，避免其内部的元器件受到意外干扰。
    [n0046] 基站固定板104设置于密闭空间内。基站固定板104将密闭空间横向分割为第一腔室107和第二腔室108。
    [n0047] UWB单元105设置于第一腔室107内。在UWB单元105的顶部设有UWB天线 109，UWB天线109向上伸出到挡板102外，用于收发无线信号。
    [n0048] 蓄电池106设置在第二腔室108内。该蓄电池106向UWB单元105提供直流电源。
    [n0049] 本实用新型提供的一种适于埋设于地表内的地埋式UWB基站100。常规的，铺设时，在地表挖一个坑，坑体最好为砌体结构，与周围沙坪土壤环境隔离，使整个坑体具有一定的抗压能力。容易理解的，该种结构的UWB基站不易受环境影响，当出现故障时，更方便维护保养，其检测维修的成本比较低。需要说明的是，UWB是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。美国联邦通信委员会对UWB的定义是：带宽大于500MHz，或相对带宽大于20％的无线电技术。从频域来看，UWB与传统的窄带和宽带不同，它的频带更宽。通常窄带是指相对带宽小于1％，宽带指的相对带宽在1％到25％之间，而相对带宽大于25％，而且中心频率大于500MHz的无线电技术，称为UWB。
    [n0050] 较佳地，地埋式UWB基站100还包括固定衬套110。固定衬套110设置在第一腔室107内，固定衬套110的顶面与挡板102贴靠，固定衬套110的底面与UWB 单元105贴靠。设置固定衬套110，使UWB单元105的结构更稳固，防止UWB单元 105异动进而导致定位不准确。
    [n0051] 较佳地，UWB天线109穿过固定衬套110并向上伸出到挡板102外。固定衬套 110同时具有固定和保护UWB天线109的功能，可缓冲UWB天线109受到的地表上方的冲击和碾压。
    [n0052] 较佳地，还包括固定衬垫111。固定衬垫111铺设于挡板102上，UWB天线109 的顶部向上穿过固定衬垫111形成一天线头部，固定衬垫111被压紧在天线头部和挡板102之间，以提升密闭空间的密封性能。
    [n0053] 较佳地，在基站固定板104上开设有通孔112。该通孔112用于穿设蓄电池 106到UWB单元105的连接线。连接线可以是电源线，蓄电池106通过电源线向UWB 单元105供电。该通孔112结构便于穿设连接线，也同样便于连接线的固定。
    [n0054] 较佳地，挡板102可拆卸地设置于环形套筒103上。当UWB单元105需要检测维修或蓄电池106需要充电时，可以方便地打开挡板102，取出蓄电池106或UWB 单元105，以提升地埋式UWB基站100维护效率。
    [n0055] 本实用新型还提供了一种车辆定位系统200。其中，车辆包括传统的小汽车、大客车或泊车机器人等。图2示出了本实用新型一个实施例的车辆定位系统200 的结构示意图。图3示出了本实用新型一个实施例的车辆定位系统200的定位方法的工作流程示意图。如图所示，车辆定位系统200包括设置在车辆206上的UWB 模块207，还包括设置于车辆206所在路面的至少三个前述的地埋式UWB基站100。 UWB模块207与地埋式UWB基站100通信以获得车辆206的位置信息。
    [n0056] 其中，地埋式UWB基站100用于接收UWB模块207发出的无线定位信号以及根据该无线定位信号确定参数值。
    [n0057] 在上述的基于UWB的车辆定位系统200中，所述参数值为信号到达时间，车载UWB模块207周期性的发出广播信号，路侧的接收该光波信号并计算车辆206 与各个之间的距离值，由三个距离值解算车辆206的位置信息。
    [n0058] 较佳地，参考图2，车辆定位系统200还包括设置在车辆206上的INS模块 201和控制器202，INS模块201用于获取车辆206的运动数据。控制器202接收 UWB模块207的车辆206位置信息和INS模块201的车辆206的运动数据来计算获得车辆206的位置坐标。
    [n0059] 其中，INS模块201用于基于惯性导航技术测定车辆206运动数据。INS模块 201实时测量出车辆206运动的加速度和角速度信息，进而通过积分计算可得到车辆206的速度、位置、角度信息。
    [n0060] 参考图3，在车辆定位系统200中，UWB模块207通过UWB解算单元203获得的车辆206的位置信息作为测量值，由INS模块201通过INS解算单元204获得的车辆206运动数据作为状态值。控制器202包括卡尔曼滤波模块205。控制器202 通过卡尔曼滤波模块205对测量值和状态值进行信息融合，得到高精度的车辆206 的位置坐标。
    [n0061] 图4是图3基于TDOA定位算法的车辆定位系统原理图。如图所示，包括第一地埋式UWB基站1001、第二地埋式UWB基站1002和第三地埋式UWB基站1003，各自坐标分别为(x1、y1)、(x2、y2)、(x3、y3)。以第一地埋式UWB基站1001为参考基准点，根据移动终端信号到第一地埋式UWB基站1001和第二地埋式UWB基站1002 的时间t1和t2得到关于移动终端坐标(x0,y0)的方程为：
    [n0062]
    [n0063] 根据移动终端信号到第一地埋式UWB基站1001和第三地埋式UWB基站1003 的时间t1和t3得到关于移动终端坐标(x0,y0)的方程为：
    [n0064]
    [n0065] 根据图3，将INS模块201所测得的水平方向和垂直方向上的位置、速度和加速度数据作为状态值，即k时刻系统状态向量为X(k)＝[xx(k) xv(k) vx(k) vv(k) ax(k) au(k)]T，在车辆运动过程中，由于受空气阻力，摩擦力等外界因素的干扰必不可免地产生过程噪声W(k)，所述过程噪声均值为0，方差为
    [n0066] UWB模块207通过无线定位信号获得车辆206到达任意两个地埋式UWB基站 100的距离差，并以此作为k时刻的观测向量Z(k)，所述距离差观测噪声矩阵均值为0，方差为用矩阵形式表示系统状态方程为 X(k+1)＝FX(k)+GW(k)，系统量测方程为Z(k)＝h[X(k)]+V(k)。结合图3所示，由INS 模块201通过INS解算单元204获得的车辆206运动数据作为状态值。控制器202 包括卡尔曼滤波模块205。控制器202通过卡尔曼滤波模块205对测量值和状态值进行信息融合，最终得到高精度的车辆206的位置坐标。
    [n0067] 本实用新型提供的一种地埋式UWB基站及其车辆定位系统具有以下有益效果：
    [n0068] 1、通过将地埋式UWB基站置于地表以下，能够防止太阳直射和雨水浸湿，延缓地埋式UWB基站的老化，保证地埋式UWB基站的运行安全；
    [n0069] 2、地埋式UWB基站需要检测或维修时，无需升降梯辅助拆卸，可直接在地面拆开挡板对地埋式UWB基站进行检修，降低成本，提高效率；
    [n0070] 3、节省地面上方空间，美化杆体，保证城市空间环境和谐。
    [n0071] 本领域技术人员可显见，可对本实用新型的上述示例性实施例进行各种修改和变型而不偏离本实用新型的精神和范围。因此，旨在使本实用新型覆盖落在所附权利要求书及其等效技术方案范围内的对本实用新型的修改和变型。
    权利要求:
    Claims (8)
    [0001] 1.一种地埋式UWB基站，其特征在于，包括：
    底板、挡板和环形套筒，所述底板和挡板设置于所述环形套筒的两端，在所述环形套筒内形成一密闭空间；
    基站固定板，设置于所述密闭空间，将所述密闭空间横向分割为第一腔室和第二腔室；
    UWB单元，设置于所述第一腔室内，所述UWB单元的顶部设有UWB天线，所述UWB天线向上伸出到所述挡板外；
    蓄电池，设置于所述第二腔室，所述蓄电池向所述UWB单元供电。
    [0002] 2.如权利要求1所述的地埋式UWB基站，其特征在于，还包括固定衬套，所述固定衬套设置在所述第一腔室内，所述固定衬套的顶面与所述挡板贴靠，所述固定衬套的底面与所述UWB单元贴靠。
    [0003] 3.如权利要求2所述的地埋式UWB基站，其特征在于，所述UWB天线穿过所述固定衬套并向上伸出到所述挡板外。
    [0004] 4.如权利要求1所述的地埋式UWB基站，其特征在于，还包括固定衬垫，铺设于所述挡板上，所述UWB天线向上穿过所述固定衬垫形成一天线头部，所述固定衬垫被压紧在所述天线头部和挡板之间。
    [0005] 5.如权利要求1所述的地埋式UWB基站，其特征在于，在所述基站固定板上开设有通孔，用于穿设所述蓄电池到所述UWB单元的连接线。
    [0006] 6.如权利要求1所述的地埋式UWB基站，其特征在于，所述挡板可拆卸地设置于所述环形套筒上。
    [0007] 7.一种车辆定位系统，其特征在于，包括设置在所述车辆上的UWB模块，还包括设置于所述车辆所在路面的至少三个如权利要求1至6任一所述的地埋式UWB基站，所述UWB模块与所述地埋式UWB基站通信以获得车辆的位置信息。
    [0008] 8.如权利要求7所述的车辆定位系统，其特征在于，还包括设置在所述车辆上的INS模块和控制器，所述INS模块用于获取所述车辆的运动数据，所述控制器接收所述UWB模块的车辆位置信息和INS模块的车辆运动数据来计算获得所述车辆的位置坐标。
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