TOF測(cè)距功能的原理以及使用方法的介紹

一、飛行時(shí)間測(cè)距法TOF（time-of-flight）測(cè)距方法

該方法屬于雙向測(cè)距技術(shù)，利用數(shù)據(jù)信號(hào)在一對(duì)收發(fā)機(jī)之間往返的飛行時(shí)間來(lái)測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間的距離。將發(fā)射端發(fā)出數(shù)據(jù)信號(hào)和接收到接收端應(yīng)答信號(hào)的時(shí)間間隔記為T(mén)t,接收端收到發(fā)射端的數(shù)據(jù)信號(hào)和發(fā)出應(yīng)答信號(hào)的時(shí)間間隔記為T(mén)r，如下圖所示。信號(hào)在這對(duì)收發(fā)機(jī)之間的單向飛行時(shí)間Tf=(Tt-Tr)/2，則兩點(diǎn)間的距離d=c*Tf,其中c表示電磁波傳播速度。

圖1?time-of-flight測(cè)距方法

1、SX1280測(cè)距功能詳解

SX1280的測(cè)距功能是基于測(cè)量一對(duì)SX1280收發(fā)機(jī)之間的往返飛行時(shí)間。這一過(guò)程使用了LoRa調(diào)制方案，使測(cè)距受益于LoRa所賦予的遠(yuǎn)距離和低功耗運(yùn)行的所有優(yōu)點(diǎn)?；镜臏y(cè)距操作如下圖所示：

圖2?SX1280測(cè)距原理

01一個(gè)SX1280承擔(dān)主機(jī)角色，發(fā)送一個(gè)測(cè)距請(qǐng)求，啟動(dòng)一次測(cè)距。測(cè)距請(qǐng)求發(fā)送到另一個(gè)SX1280（必須配置為從機(jī)模式），從機(jī)隨時(shí)接收傳入的測(cè)距請(qǐng)求。在主機(jī)發(fā)送測(cè)距請(qǐng)求時(shí)，它自身還啟動(dòng)一個(gè)內(nèi)部計(jì)時(shí)器，用作測(cè)距計(jì)時(shí)。

02從機(jī)接收到測(cè)距請(qǐng)求，它將同步處理傳入的測(cè)距請(qǐng)求。從機(jī)不需要知道測(cè)距請(qǐng)求是在什么時(shí)候發(fā)送的，但是主機(jī)需要知道從機(jī)同步過(guò)程中處理的時(shí)間（在下面從機(jī)發(fā)送的測(cè)距響應(yīng)中帶有處理時(shí)間，在最后的距離計(jì)算中需要去除這一段處理時(shí)間）。主從機(jī)并不共享同一個(gè)計(jì)時(shí)器，而是分開(kāi)獨(dú)立計(jì)時(shí)的。

03最后，從機(jī)將經(jīng)同步處理后的測(cè)距響應(yīng)發(fā)送回主機(jī)，主機(jī)接收到測(cè)距響應(yīng)后，從所經(jīng)過(guò)的時(shí)間，即電磁波從主機(jī)傳播到從機(jī)再傳播回來(lái)所花費(fèi)的時(shí)間，及同步處理時(shí)間，推斷出飛行的往返時(shí)間，從而推斷出距離。

2、SX1280測(cè)距過(guò)程中可能會(huì)造成測(cè)量誤差的操作

如我們?cè)谏厦嬷兴吹降模瑴y(cè)距過(guò)程主機(jī)生成一個(gè)內(nèi)部計(jì)時(shí)器，用于對(duì)測(cè)距信號(hào)往返的飛行時(shí)間(TOF)進(jìn)行計(jì)時(shí)。當(dāng)從機(jī)對(duì)測(cè)距請(qǐng)求進(jìn)行同步處理時(shí)，會(huì)產(chǎn)生已知的延遲（處理時(shí)間）。如果從機(jī)的時(shí)鐘頻率與主時(shí)鐘的頻率不同，那么計(jì)算時(shí)數(shù)據(jù)就會(huì)不準(zhǔn)確，也就是會(huì)造成距離偏移。這種誤差的來(lái)源稱為頻率誤差

當(dāng)測(cè)距信號(hào)通過(guò)數(shù)字和模擬信號(hào)處理和調(diào)制后傳輸時(shí)，通過(guò)無(wú)線電的發(fā)射和接收會(huì)產(chǎn)生一定的延遲(或距離)誤差。通常，這種延遲可以被認(rèn)為是必然的，這意味著在計(jì)算時(shí)需要對(duì)這種延遲給與一定的補(bǔ)償。??另一個(gè)類似的測(cè)量誤差來(lái)源是天線延遲，天線發(fā)射的信號(hào)(或接收到的信號(hào))會(huì)有一定的延遲。此外，這種延遲可能不是均勻的，因?yàn)樵谝粋€(gè)輻射方向所產(chǎn)生的延遲可能會(huì)不同于另一個(gè)輻射

多路徑是指發(fā)射信號(hào)從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)經(jīng)過(guò)多次反射和衍射的現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間存在障礙物時(shí)，這種影響會(huì)變得嚴(yán)重。綜上所述，基于對(duì)各種誤差源的劃分，我們可以得出分為以下兩種誤差源： 1. 由各種特定延遲引起的固定偏差，我們需要給予特定補(bǔ)償 2. 由一個(gè)未知的變量引起的偏差，主機(jī)和從機(jī)都要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行糾正

二、E28模塊的測(cè)距定位應(yīng)用

E28模塊測(cè)距定位無(wú)需涉及到GPS定位技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)最小尺寸、最低功耗、最低成本?？梢员粦?yīng)用到各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域，如倉(cāng)庫(kù)物流、畜牧業(yè)、建筑行業(yè)等。

1、畜牧業(yè)

目前畜牧業(yè)中，牛羊主要靠人工看管，人工投入成本大；牛羊無(wú)定位，每年存在不同程度的牛羊走失；部分用GPS+GPRS定位方案費(fèi)用高、續(xù)航時(shí)間短。 ? 將E28模塊測(cè)距定位功能應(yīng)用到畜牧業(yè)上，組成一個(gè)牛羊定位系統(tǒng)。該牛羊定位系統(tǒng)主要由E28定位模塊、E28網(wǎng)關(guān)、牲畜管理平臺(tái)組成。E28定位模塊主要用于牛羊的佩戴，一一對(duì)應(yīng)。幾個(gè)E28網(wǎng)關(guān)便可以滿足大型牧場(chǎng)的需求。E28定位模塊定時(shí)向幾個(gè)E28網(wǎng)關(guān)傳輸數(shù)據(jù)包，而E28網(wǎng)關(guān)向牲畜管理平臺(tái)傳輸這些數(shù)據(jù)。牲畜管理平臺(tái)通過(guò)算法處理分析這些數(shù)據(jù)，可以查看牛羊的具體位置、健康狀態(tài)等。當(dāng)牛羊生病時(shí)，工作人員可以及時(shí)趕到牛羊的位置進(jìn)行處理、治療等。 ?

此定位方案成本低，功耗低（可電池供電），是非常理想的畜牧業(yè)動(dòng)物定位方案。

2、倉(cāng)庫(kù)管理

現(xiàn)代倉(cāng)庫(kù)已成為企業(yè)的物流中心，其作用不僅是保管，更多是物資流轉(zhuǎn)，因此如何運(yùn)行現(xiàn)代技術(shù)，如信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)來(lái)提高倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)作的速度和效益是目前人們關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。在倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)中，叉車(chē)是貨物搬運(yùn)作業(yè)的主要工具，在作業(yè)時(shí)需要快速定位貨物位置，快速回傳作業(yè)信息。而叉車(chē)又可以與貨倉(cāng)組成智能倉(cāng)儲(chǔ)定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)叉車(chē)路徑導(dǎo)航功能和叉車(chē)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)（貨物定位）。

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