拖拉機智能裝配車間定位系統(tǒng)設計

王益曼，王霜，何旭

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拖拉機智能裝配車間定位系統(tǒng)設計

王益曼，王霜*，何旭

（西華大學 機械工程學院，四川 成都 610039）

針對拖拉機制造車間資源管理信息滯后和準確性差的問題，結合車間環(huán)境和定位需求，設計了基于UWB定位技術的拖拉機智能裝配車間定位系統(tǒng)。系統(tǒng)由定位標簽、定位基站、定位軟件、POE交換機等組成，通過定位軟件建立整個智能裝配車間實時地圖，設置各裝配單元的坐標位置，在各移動物資上安裝定位標簽，根據(jù)車間定位環(huán)境在適當位置處安裝定位基站并選用AOA和TDOA兩種算法進行組合作為智能裝配車間的定位方法；根據(jù)車間定位精度高的需求和定位對象的不同，對定位系統(tǒng)硬件進行選型，并在拖拉機智能裝配車間的基礎上對定位基站進行布局，滿足了長81 m、寬72 m的拖拉機智能裝配車間用13個定位基站實現(xiàn)0.1 m的定位精度要求，為拖拉機智能裝備車間提供實時準確的資源位置信息，方便智能管理系統(tǒng)對裝配物資的及時調度，實現(xiàn)對拖拉機離散制造車間資源實效、準確的管理。

拖拉機；智能裝配車間；UWB定位技術

拖拉機作為農業(yè)生產中的動力設備，市場需求呈現(xiàn)多品種、小批量的特點，對拖拉機裝配車間生產要求也越來越高。智能制造已成為當前制造企業(yè)追求的新生產方式[1]，在拖拉機智能裝配車間中，車間管理、生產信息跟蹤、物料輸送、生產調度等多方面均需要使用實時定位技術，以提高車間信息管理水平。實時定位技術是利用無線信號實時獲取定位對象位置信息的應用技術[2]。通過準確獲取車間資源的位置和狀態(tài)信息，管理人員能夠對生產過程精確把握，并對生產計劃進行優(yōu)化調度。協(xié)調各資源配合裝配作業(yè)，保證車間作業(yè)的協(xié)調性，提高裝配線的作業(yè)效率。

本文以A農業(yè)裝備有限公司拖拉機裝配車間為研究對象，以提高裝配線柔性和效率為目標設計了一套適合智能裝配車間的定位系統(tǒng)。

1 拖拉機智能裝配車間定位需求分析

1.1 傳統(tǒng)離散制造車間存在的問題

A公司拖拉機裝配車間屬于傳統(tǒng)離散制造車間，車間內產品的裝配工藝流程固定，裝配過程被分解成多個工序來完成，而工序之間的物料轉移是通過管理人員現(xiàn)場調度完成，對工人依賴性強。研究發(fā)現(xiàn)存在以下問題[3]：

（1）物料輸送效率低下：人工叉車輸送和有軌帶傳動輸送方式是目前離散制造企業(yè)主要的物料輸送形式。其中，人工叉車輸送靈活度高，但需要工人進行一對一控制，增加了人工成本，并且目前車間管理人員缺乏對人工叉車有效的監(jiān)控和管理，存在效率低、準確性差、有效性差等問題。帶傳動路徑固定，靈活性低，并不適合離散制造車間多品種、小批量的特點，加之企業(yè)沒有合理使用輸送工具及合理規(guī)劃輸送路徑，導致物料輸送缺乏準確性和及時性，進而不能滿足智能制造車間兼具靈活性和自動化的物料輸送需求。

（2）在制品管理復雜：產品具有特定制造流程，每種產品都會在車間工位之間流動，因此在制造過程中會出現(xiàn)在制品尋找困難、甚至丟失的現(xiàn)象。

（3）車間資源信息獲取困難：傳統(tǒng)車間的資源信息都是通過人工觀察和記錄的方式來獲取，缺乏實效性和準確性，導致現(xiàn)場調度繁瑣、資源利用不充分、車間狀態(tài)監(jiān)測不及時等問題。

1.2 拖拉機智能裝配車間定位環(huán)境分析

拖拉機智能裝配過程中，生產資源需要在車間智能管理系統(tǒng)的協(xié)調下緊密配合，共同完成裝配作業(yè)。拖拉機裝配車間中，柔性裝配線的生產方式靈活多變、車間調度智能靈活。

拖拉機裝配車間環(huán)境可概括為：

（1）裝配車間物料種類多，庫存總量大。拖拉機倉儲系統(tǒng)采用自動化立體倉庫對物料進行管理，為減少倉儲占地面積，貨架較高，且為金屬材質，定位環(huán)境較為復雜[4]。

（2）AGV（Automated Guided Vehicle，自動導引小車）小車數(shù)量多、運動靈活。AGV式裝配夾具裝載著拖拉機機體在裝配工作站間移動，物料輸送AGV則需為工作站輸送物料，整個車間的AGV數(shù)量多，且運動路線靈活多變，在車間中會出現(xiàn)AGV并行、等待、避讓等情況。

（3）車間人員調度靈活高效。智能裝配車間會根據(jù)生產計劃的變化對車間人員進行及時高效的安排，但在人員流動過程中也會存在人車并行的情況。

（4）在制品裝配路徑靈活多變。裝配線生產方式靈活，在制品在工作站之間的運動路徑根據(jù)裝配現(xiàn)場情況和生產計劃的變化而改變。

1.3 拖拉機智能裝配車間定位需求

拖拉機智能裝配車間生產資源類型多，物資輸送位置與狀態(tài)靈活多變。以高效完成裝配作業(yè)和提高車間信息管理水平為目標，智能裝配車間需要在長81 m、寬72 m的范圍內實時定位實現(xiàn)以下目標：

（1）車間資源位置與狀態(tài)信息獲取。拖拉機智能裝配車間中，定位系統(tǒng)需要實時準確獲取車間資源的位置與狀態(tài)，為資源管理和調度提供基礎數(shù)據(jù)，故要求車間定位精度滿足0.1～0.5 m。在裝配過程中，智能管理系統(tǒng)需要掌握車間資源狀態(tài)，以便更好地進行生產調度；AGV導航系統(tǒng)需要通過定位系統(tǒng)了解自身的位置信息來規(guī)劃運動路徑；管理人員實時監(jiān)控車間工人的位置與工作狀態(tài)，保證人員與設備的安全。

（2）車間可視化管理。通過實時定位技術可獲取車間資源信息，但獲取的數(shù)據(jù)無法直觀表現(xiàn)車間資源的相對位置信息和具體狀態(tài)，管理人員難以準確了解制造過程。因此構建可視化定位環(huán)境直觀展示車間定位對象的狀態(tài)，管理人員可進行可視化管理，提高管理效率[5]。

2 拖拉機智能裝配車間定位技術選型

2.1 車間定位技術對比分析

實時定位技術是通過無線信號在短時間內獲取定位對象位置信息的應用技術。根據(jù)無線信號的不同，實時定位技術可分為：紅外線定位技術、超聲波定位技術、ZigBee定位技術、WiFi定位技術、UWB定位技術、藍牙定位技術、RFID定位技術、地磁定位技術，各定位技術特點對比如表1所示。

表1 實時定位技術對比

序號定位技術定位精度/m安全性穿透性抗干擾功耗輻射傳輸距離/m 1紅外線5～10高無弱高低5 2超聲波0.03～0.3高無強高低5 3ZigBee3～5較低弱弱低較高70 4WiFi2～10較高強較強高較高30～50 5UWB0.1～0.5非常高強強低低＞100 6藍牙3～15較高弱弱較低較低10 7RFID0.15～5低弱弱低或無低5 8地磁0.1～2較高無極弱低無－

拖拉機智能裝配車間的定位范圍大，對定位精度要求為亞米級，藍牙、WiFi、ZigBee定位技術定位精度較差，難以實現(xiàn)精確定位，在工廠車間中尚未被大量使用；拖拉機智能裝配車間金屬物質多、干擾性強，而紅外線定位技術無穿透力、定位精度低、抗干擾能力弱、需要可視化定位環(huán)境的系統(tǒng)成本高，不適用于該裝配車間；超聲波定位技術不具備穿透能力，在傳輸距離上難以達到智能裝配車間需求，存在定位環(huán)境要求高、系統(tǒng)成本高的局限性，常被用于工業(yè)和醫(yī)療領域；RFID定位技術具有簡單通信功能，在獲取定位對象位置信息時還能獲取其ID信息，在人員定位、資產管理和生產制造等方面被廣泛應用，但定位范圍小、通信能力較差，不便于整合到其他系統(tǒng)之中，智能裝配車間有自身的一個智能管理系統(tǒng)，定位范圍不低于5600 m2，定位精度要求范圍為0.1～0.5 m，故RFID定位技術不能滿足要求；地磁定位技術的定位精度雖滿足車間定位要求，但磁信號容易受到環(huán)境中不斷變化的電、磁信號源干擾，定位結果不穩(wěn)定，精度會受影響。

UWB定位技術定位精度高、穿透力強、抗干擾能力強、輻射低、抗多徑效果好、安全性好、傳輸距離遠、系統(tǒng)復雜度低，能很好地滿足智能裝配車間的定位環(huán)境需求，目前該定位技術已比較成熟，被廣泛用于車間AGV定位、車間工具管理、人員定位等方面。如歐萊雅蘇州工廠使用UWB定位技術實現(xiàn)叉車的安全管理；寶潔倉庫分揀中心利用UWB技術完成叉車、人員的精確定位，并對貨物實時位置進行記錄；唐恩科技某工廠實現(xiàn)基于UWB技術的無軌式AGV小車精確定位、行駛控制等[6]。綜合多方面考慮，拖拉機智能裝配車間確定選用UWB定位技術對拖拉機智能裝配車間資源進行實時準確定位。

2.2 UWB定位技術

UWB（Ultra-Wideband，超寬帶）技術是一種無載波使用窄脈沖進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通信技術。美國聯(lián)邦通信委員會對超寬帶定義為：絕對帶寬大于500 MHz或者相對帶寬B大于20%的信號帶寬[7]。

UWB定位系統(tǒng)主要組成包括UWB定位軟件、UWB定位標簽、UWB定位基站、POE交換機、服務器等，典型UWB定位系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

圖1 UWB定位系統(tǒng)硬件組成

使用UWB系統(tǒng)定位時，定位基站將接收到的由定位標簽發(fā)射的脈沖信號上傳至定位軟件，定位軟件根據(jù)脈沖信號的相關數(shù)據(jù)（角度、時間、信號強度等）計算定位標簽的精確位置信息。

UWB定位系統(tǒng)的定位實現(xiàn)是在已知定位基站位置信息的前提下，通過測量無線定位信號的相關數(shù)據(jù)，結合定位算法獲取定位標簽位置信息。根據(jù)計算參量的不同，UWB定位算法可分為：基于信號接收強度（Received Signal Strength Indication，RSSI）法；基于信號到達角度（Angle of Arrival，AOA）法、基于信號到達時間（Time of Arrival，TOA）法、基于信號到達時間差（Time Difference of Arrival，TDOA）法[8]。各種定位算法的特征如表2所示，都有各自的優(yōu)缺點，在實際應用時需要根據(jù)定位環(huán)境選擇使用。

表2 UWB四種定位算法的特征

拖拉機裝配車間環(huán)境復雜，對定位精度要求高，部分區(qū)域定位環(huán)境復雜，因此選用AOA和TDOA兩種算法相結合，例如：庫存區(qū)環(huán)境較差，主要采用AOA法、以TDOA法為輔進行定位；而庫存區(qū)外定位環(huán)境良好，則主要使用TDOA法、AOA法輔助定位而實現(xiàn)精確定位，既能實現(xiàn)復雜環(huán)境的定位需求，又能保證定位精度。

（1）基于信號到達角度（AOA）法

AOA定位方法利用角度信息計算目標點的位置，如圖2所示，假定參考點1（1,1）、2（2,2）與目標點夾角分別為1、2，通過式（1）可計算目標點坐標（,）。

AOA法易于實現(xiàn)，且只需要兩個參考點就能實現(xiàn)定位，但易受環(huán)境干擾，需要額外設備來提高定位精度。當參考點與目標點距離較大時定位精度差，在實際應用中需要與其他方法相結合，有一定的局限性。

（2）基于信號到達時間差（TDOA）法

TDOA方法用目標點到各參考點的距離差來實現(xiàn)目標定位[5]。只需要參考點之間保持時鐘同步，實際應用中基站（參考點）與主機相連，時鐘同步容易實現(xiàn)。

假定參考點1(1,1)、2(2,2)、3(3,3)到目標點距離分別為1、2、3。則目標點到參考點1、2的距離差為21＝2－1，則目標點必在以1、2為焦點，21為焦距的雙曲線上。同理，目標點也在以2、3為焦點，32為焦距的雙曲線上。兩組雙曲線的交點即為目標點位置，如圖3所示。

圖3 TDOA定位原理

TDOA方法目標點位置求解方程組為：

TDOA方法只需要保持參考點之間的時鐘同步，利用了UWB時間分辨率高的特點，定位精度高，但算法較為復雜。

3 拖拉機智能裝配車間UWB定位方案設計

3.1 拖拉機智能裝配車間UWB定位方案

在A公司目前拖拉機裝配車間布局的基礎上，為實現(xiàn)柔性裝配和合理的AGV小車路徑規(guī)劃，現(xiàn)設計如圖4所示的拖拉機智能裝配車間布局圖，物料輸送AGV負責輸送物料到裝配線上，其運動區(qū)域主要是在倉儲區(qū)和裝配線之間，而裝配AGV配合裝配作業(yè)，其運動區(qū)域主要在充電區(qū)和總裝區(qū)。

拖拉機裝配車間中需要定位的車間資源為裝配工人、AGV式柔性裝配夾具、物料輸送AGV。零部件庫存區(qū)內使用自動化立體倉庫和有軌堆垛機對零部件進行進出庫管理，物料輸送AGV在貨架通道內運動，不會進入倉庫內部，但因貨架較高且為金屬材質，因此定位環(huán)境較差；而車間其他區(qū)域環(huán)境相對開闊、遮擋物少，定位環(huán)境良好。

圖4 車間布局及定位基站布局圖

UWB技術現(xiàn)已成功應用在工業(yè)領域，在車間定位上能取得良好的效果，其軟硬件均已成熟，能直接進行選型使用，在實際定位中需要考慮具體定位環(huán)境，從而構建定位方案。結合UWB定位原理，拖拉機裝配車間UWB定位方案可表述為：在車間資源上搭載定位標簽，車間特定位置布置定位基站，定位基站與POE交換機連接，交換機與服務器（定位軟件）相連；定位基站實時接收定位標簽發(fā)射的脈沖信號，并將信號經交換機傳輸?shù)椒掌魃?，服務器根?jù)不同的定位環(huán)境，選用不同的定位方法對定位標簽的位置信息進行解算，從而實現(xiàn)物資的準確定位。

拖拉機裝配車間中搭建定位系統(tǒng)時需要考慮硬件選型、數(shù)據(jù)傳輸、軟件應用和基站布局等問題。硬件選型和定位基站的布局尤為重要。定位基站與交換機之間的數(shù)據(jù)傳輸考慮裝配車間金屬物多的特點，選用有線傳輸形式，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。軟件應用上，現(xiàn)有定位軟件已成熟，用戶可以利用軟件對車間進行地圖編輯，實時查看資源位置信息及運動軌跡，實現(xiàn)可視化管理；同時能夠輸出實時位置信息，為智能車間其他系統(tǒng)提供資源信息數(shù)據(jù)，從而進行生產調度。定位系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

圖5 定位系統(tǒng)工作流程圖

3.2 UWB定位系統(tǒng)硬件選型

UWB定位技術應用于拖拉機智能裝配車間不僅需要構建完整的定位系統(tǒng)方案，還需要根據(jù)車間情況對UWB定位系統(tǒng)的硬件進行選型，確保定位硬件能滿足系統(tǒng)性能需求。UWB定位系統(tǒng)硬件主要有定位基站、定位標簽。

（1）定位基站選型

考慮裝配車間對定位基站的性能需求，從信號傳輸形式、有效距離、定位精度、工作溫度、安裝方式等方面對現(xiàn)有產品進行選型，最終選擇某室內有線定位基站HXZK-SN[9]，其產品參數(shù)如表3所示。

表3 定位基站參數(shù)表

該定位基站通過吸頂方式安裝在裝配車間鋼結構頂部，使用定位天線接收脈沖信號，并通過網(wǎng)線將脈沖信號傳輸至交換機。具有定位范圍大、定位精度高、信號傳輸安全可靠的優(yōu)點，能滿足拖拉機裝配車間的定位需求。

（2）定位標簽選型

定位標簽選型考慮定位對象不同，對AGV和裝配工人選用不同定位標簽，主要考慮定位標簽的有效距離、尺寸、工作溫度、時間同步方式等因素。定位標簽其性能參數(shù)如表4所示。

表4 定位標簽參數(shù)表

根據(jù)市場現(xiàn)有產品，結合定位對象的特點，裝配工人使用工牌式定位標簽HXZK-AQM[9]，可掛在工人身上，具有便攜可靠的特點，同時UWB本身輻射低，對工人基本沒有輻射傷害；AGV使用粘附式定位標簽HXZK-CZ，粘附在AGV小車特定位置，體積小，不會影響AGV小車的正常工作[9]。

3.3 拖拉機智能裝配車間定位基站布局設計

拖拉機智能裝配車間定位系統(tǒng)中，定位基站接收脈沖信號，其位置的布置關乎定位系統(tǒng)的性能好壞，不合理的定位基站布局中定位系統(tǒng)會出現(xiàn)接收不到脈沖信號或接收到的脈沖信號弱而導致定位不準確。因此需要對定位基站進行合理的布局設計，實現(xiàn)車間定位信號全覆蓋，從而提高定位的可靠性，保證定位系統(tǒng)的定位精度。定位基站的布局設計需要考慮多方面因素的影響，主要包括定位區(qū)域大小、定位硬件的性能、定位環(huán)境和定位方法的類型。在拖拉機智能裝配車間整體布局圖的基礎上，考慮各部分的面積大小和工業(yè)廠房標準數(shù)據(jù)，結合裝配車間設計數(shù)據(jù)，最終設計廠房長81 m、寬72 m，面積5832 m2。選用的定位基站和定位標簽在無遮擋環(huán)境中，均能達到有效定位距離大于100 m、定位精度10 cm的性能。定位方法上，零部件庫存區(qū)主要使用AOA算法進行定位，在庫存區(qū)外則主要使用TDOA算法進行定位。結合AGV車道布局圖、定位硬件的性能、定位方案的要求，對定位基站的布局進行設計，如圖4所示。

基于定位硬件在無遮擋的環(huán)境下能達到不小于100 m的定位距離，因此，零部件庫存區(qū)任意位置的定位標簽信號均能保證被至少兩個定位基站接收，庫存區(qū)外每個定位標簽的信號至少能被三個定位基站所接收，從而能實現(xiàn)對整個車間的資源定位。在拖拉機智能裝配車間中，按圖4所示方式對車間定位基站進行布局，只需要13個定位基站即可實現(xiàn)對整個智能裝配車間的定位區(qū)域全覆蓋。

4 小結

（1）設計了拖拉機智能裝配車間的UWB定位系統(tǒng)，解決了拖拉機離散制造車間的資源管理問題。通過對車間內人員及AGV安裝定位標簽，在車間內適當位置安裝定位基站，借助UWB定位軟件建立了整個車間的定位坐標，實現(xiàn)了整個拖拉機智能制造車間的精確定位。

（2）確定選用以AOA和TDOA兩種算法相結合的方法作為UWB定位系統(tǒng)的定位算法。根據(jù)拖拉機智能裝配車間的庫存區(qū)和裝配區(qū)定位環(huán)境的不同，庫存區(qū)金屬物資多、貨架高，定位環(huán)境較差，故主要采用AOA定位算法、以TDOA算法為輔進行定位；而庫存區(qū)外空間大、金屬遮擋物資少，定位環(huán)境良好，則主要使用TDOA定位算法、AOA法輔助定位而實現(xiàn)精確定位。根據(jù)智能車間高定位精度的需求和定位對象的不同，完成了對定位硬件的選型，并在拖拉機智能裝配車間布局圖的基礎上對定位基站進行布局，滿足了為長81 m、寬72 m的拖拉機智能裝配車間用13個定位基站實現(xiàn)0.1 m的定位精度要求，為拖拉機智能裝備車間提供實時準確的資源位置信息，方便智能管理系統(tǒng)對裝配物資的及時調度，實現(xiàn)了對拖拉機離散制造車間資源有效、準確的管理。

[1]劉峰. 全球制造業(yè)變革的前景與挑戰(zhàn)——智能制造發(fā)展形勢多重解析[J]. 人民論壇·學術前沿，2015（11）：18-26.

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[9]楊文正. 華星智控公司產品[DB/OL]. http://www.huaxingzhi kong.com/gscp，2018.

Design of Positioning Scheme for Tractor Intelligent Assembly Workshop

WANG Yiman，WANG Shuang，HE Xu

(College of Mechanical Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, China )

In view of the problems of resource management information lag and poor accuracy in tractor manufacturing workshop at present, combined with the environment and positioning requirements, designed a positioning system of tractor intelligent assembly workshop based on UWB positioning technology. The orientation of the system by tags, base station, positioning software, POE switches etc, through the establishment of the positioning software of intelligent assembly shop real-time map, set the coordinates of each assembly unit in all the materials are installed on the mobile positioning labels, according to the workshop environment, positioning base station at appropriate location and select two TDOA and AOA algorithms are combined as the intelligent positioning method of assembly shop; According to the requirements of workshop high positioning accuracy and positioning the different object, the positioning system hardware selection, and on the basis of the tractor intelligent assembly shop to layout, positioning base station can meet the in width of 81 meters, 72 meters respectively tractor intelligent assembly shop with 13 base stations for 0.1 meters of positioning accuracy, for the intelligent equipment of tractor workshop provides real-time accurate location information resources, and convenient intelligent management system for timely dispatch of materials for the assembly, implements the effective and accurate for tractor discrete manufacturing plant resources management.

tractor assembly；intelligent assembly shop；UWB positioning technology

S219.08

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.09.011

1006－0316 (2018) 09－0063－07

2018－07－02

國家重點研發(fā)項目“丘陵山地拖拉機關鍵技術研究與整機開發(fā)”（2016YFD0700400）

王益曼（1993－），女，四川達州人，在讀碩士研究生，主要研究方向為農業(yè)機械研究設計；何旭（1993－），男，四川南充人，碩士研究生，主要研究方向為農業(yè)機械研究設計。

通訊作者：王霜（1974－），男，四川成都人，博士，教授、碩士研究生導師，主要研究方向為農業(yè)機械、CAD、創(chuàng)新設計理論。