無線定位技術(shù)在移動式起重機中的應(yīng)用

李劼人 徐 莉 徐青山 王建民

1.安徽柳工起重機有限公司研究院，蚌埠，233010 2.安徽理工大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院，淮南，232001

0 引言

移動式起重機(下文簡稱起重機)在復(fù)雜環(huán)境作業(yè)時需要滿足大跨度大負(fù)載極限作業(yè)、非視距(not line of sight，NLOS)環(huán)境高精度作業(yè)、高危環(huán)境作業(yè)等一系列嚴(yán)苛作業(yè)要求，因此起重機操作者操作壓力大、事故風(fēng)險較高。作業(yè)時，被吊件與起重機吊鉤易出現(xiàn)位置偏差，導(dǎo)致“歪拉斜拽”現(xiàn)象，造成起重機及被吊件損傷，甚至傾翻、碰撞等安全事故。為此，迫切需要提高起重機信息化、智能化水平，降低操作難度和風(fēng)險，解決起重機和被吊件位置信息的高精度、高動態(tài)定位和控制問題。

本文在分析各種無線定位技術(shù)優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，綜合考慮起重機復(fù)雜環(huán)境作業(yè)特點，提出了一種起重機無線定位方法，并通過仿真分析驗證其可行性，設(shè)計出無線定位系統(tǒng)軟硬件，通過起重機整機相關(guān)試驗驗證了該系統(tǒng)的有效性。

1 常見定位技術(shù)

近年來，起重機普遍配置通用GPS設(shè)備來滿足整機定位需要，但GPS的地面信號較弱、穩(wěn)定性較差、多徑分辨率低，一般只用來記錄整機大概的二維靜態(tài)位置，無法對起重機復(fù)雜環(huán)境作業(yè)所需的高精度動態(tài)三維坐標(biāo)進(jìn)行定位，圖1所示為起重機復(fù)雜作業(yè)環(huán)境典型工況。專業(yè)GPS設(shè)備通過復(fù)雜算法和高性能傳感器可以提供高精度、高動態(tài)的定位精度，但這些設(shè)備價格高，核心技術(shù)掌握在歐美少數(shù)企業(yè)手里，且使用受到各種限制，很難在起重機等工程機械上批量使用。

圖1 起重機典型作業(yè)工況Fig.1 Typical operating condition of crane

無線定位技術(shù)的快速發(fā)展為起重機高精度動態(tài)三維定位功能的實現(xiàn)提供了較成熟的低成本解決方案。常見無線定位技術(shù)及參數(shù)[1]見表1。

表1 無線定位技術(shù)對比

通過表1可以看出各種無線定位技術(shù)的優(yōu)缺點，超聲波定位需要有視距路徑，定位距離有限，不適合起重機定位；藍(lán)牙、ZigBee和Wi-Fi通過信號強度(received signal strength indication, RSSI)測距來實現(xiàn)低精度測距，不滿足高精度定位要求；超寬帶(ultra wide band, UWB)信號帶寬頻譜寬、脈沖信號持續(xù)時間短，可有效地使用到達(dá)時間(time of arrival, TOA)/到達(dá)時差(time difference of arrival, TDOA)算法來實現(xiàn)精確動態(tài)定位[2]。相關(guān)研究表明，經(jīng)過合適算法優(yōu)化后，UWB無線定位誤差在10 cm以內(nèi)，定位范圍大于200 m[3-5]，效果顯著優(yōu)于其他無線定位方法。

2 UWB定位原理

UWB利用納秒級的非正弦波窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，因而占用很寬的頻譜區(qū)域。從頻域上來看，UWB具有非常寬的頻帶，如圖2所示[6]，圖中，fH、fL和fC分別為無線非正弦波頻率的最高值、最低值和平均值。

圖2 信號按照帶寬的分類Fig.2 Signals in accordance with the classification of bandwidth

2.1 UWB定位技術(shù)特點

UWB具備其他通信系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點[7]：

(1)傳輸速率高，信道容量大。根據(jù)香農(nóng)信道容量公式[8]可知，在高斯白噪聲信道中，系統(tǒng)最大的無差錯信道容量為

C=Blb(1+RSN)

(1)

式中，B為信道帶寬；RSN為信噪比。

由式(1)可知，增加信號帶寬就可以提高信道容量。UWB的帶寬為500 MHz～7.5 GHz，在信噪比很低的情況下，短距離內(nèi)傳輸速率可達(dá)每秒幾百Mb。因此，UWB技術(shù)特別適合起重機無線定位系統(tǒng)， IEEE協(xié)會制定的低速WPAN標(biāo)準(zhǔn)即可滿足其需要。

(2)良好的共存性和電磁兼容性。相比于其他窄帶通信，UWB系統(tǒng)輻射譜密度極低，甚至低于電磁環(huán)境的背景噪聲，可以直接被其他窄帶通信視為白噪聲，符合起重機電磁兼容性要求。

(3)多徑分辨能力強，定位精度高。UWB的納秒級脈沖信號特性帶來極強的時間和空間分辨率，因而有很高的多徑分辨能力，賦予了UWB高精度測距、定位的能力。窄帶定位系統(tǒng)中，不可分辨的多徑效應(yīng)導(dǎo)致信號衰落，而UWB定位系統(tǒng)通過分集接收技術(shù)將其進(jìn)行合并，從而有效地抵抗衰落，很好地滿足了起重機在NLOS環(huán)境下高精度動態(tài)定位的需要。

(4)高可靠，低功耗，低成本。受益于脈沖收發(fā)的機制，相比其他的定位系統(tǒng)，UWB的收發(fā)機無需復(fù)雜的調(diào)制解調(diào)器、振蕩器和過濾器等元件，從而大大降低了定位系統(tǒng)的復(fù)雜度。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，UWB技術(shù)高可靠、低功耗、低成本的特點將更為明顯，極大地提高了UWB定位系統(tǒng)的市場競爭力。

現(xiàn)代起重機的作業(yè)范圍一般在以起重機轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸與地平面交點為中心、半徑小于50 m、高度小于100 m的三維柱狀空間內(nèi)。起重機設(shè)備對電磁兼容性、可靠性和安全性要求較高，要求定位測量設(shè)備具備高精度和高動態(tài)性能。UWB的技術(shù)特點能很好滿足起重機的上述要求，且功耗和成本較其他無線定位技術(shù)更低，適合起重機批量使用。

2.2 UWB定位算法

目前用于無線定位的算法主要有RSSI、到達(dá)角(angle of arrival，AOA)、TOA、TDOA。RSSI定位的缺點是易受外界環(huán)境因素的影響，定位結(jié)果會有較大的誤差和波動性，只能應(yīng)用在低精度測距；AOA定位一般需要架設(shè)陣列天線，占地較大，硬件系統(tǒng)配置復(fù)雜，且需要有傳輸視距，因此不適合非視距環(huán)境下的起重機無線定位；TOA定位中，以各個基站為圓心、以目標(biāo)點到各個基站的距離為半徑的圓形的交叉點為目標(biāo)點坐標(biāo)，其二維幾何原理如圖3所示，圖中，A、B和C分別為3個基站，(xi，yi)為基站坐標(biāo)，i=1,2,3；D為目標(biāo)點，(x，y)為其坐標(biāo)。TOA定位中，信號發(fā)射機和接收機之間有精確的時間標(biāo)記才能辨別該信號發(fā)出時間并計算出兩者間距離，該方法需要復(fù)雜的算法和高精度硬件以減小時間標(biāo)記誤差造成的測量誤差，因而未能被工業(yè)領(lǐng)域廣泛采用[9]。

圖3 TOA定位的幾何原理Fig.3 TOA positioning principle

TDOA定位的基本思路是測量目標(biāo)點脈沖信號發(fā)送到不同基站的時間差，進(jìn)而換算出到達(dá)不同基站的距離差，然后根據(jù)基站之間距離差來測算目標(biāo)點位置。根據(jù)幾何學(xué)原理，二維空間中達(dá)到兩定點距離的差為常數(shù)的點只取決于一條雙曲線，兩條雙曲線的交點就是目標(biāo)點的位置，原理如圖4所示，圖中，S1、S2和S3分別為3個基站，D1、D2和D3分別為3個基站到目標(biāo)點MT的距離，D3-D1和D3-D2為以距離差為常數(shù)的雙曲線。2條雙曲線有2個交點，可以利用已知條件排除其中一個非目標(biāo)點。

圖4 TDOA定位幾何原理Fig.4 TDOA positioning principle

TDOA定位的優(yōu)點是只需要基站之間進(jìn)行時間同步，目標(biāo)點位置測算精度與時間無關(guān)，測算精度高、算法簡單、硬件易于實現(xiàn)。因此工業(yè)領(lǐng)域廣泛采用TDOA定位，其中比較成熟的算法有：Chan算法和Taylor算法。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究[10]，Chan算法[11-12]由最大似然估計算法演化而來的一種算法，此算法在非視距環(huán)境下依然有很高的定位精度。

設(shè)主基站坐標(biāo)為(X，Y)，分基站坐標(biāo)為(Xi，Yi)，待定位的目標(biāo)點坐標(biāo)為(x，y)，則由幾何學(xué)雙曲線原理可知目標(biāo)點與第i個基站之間的距離：

(2)

由式(2)可推導(dǎo)出目標(biāo)點與第i個分基站和主基站之間的距離：

(3)

式(3)經(jīng)過一些數(shù)學(xué)變換可得到關(guān)于x、y、R1的線性方程組，因為起重機需要三維定位，即需要3條雙曲線確定目標(biāo)點的位置，即有i≥4，則三維定位方程組為超定方程組。由于測量誤差服從正態(tài)分布，因此采用加權(quán)最小二乘法來解方程組。

2.3 仿真結(jié)果及分析

將主基站作為定位原點，坐標(biāo)為(0，0，0)。為了提高定位精度，設(shè)4個分基站，其坐標(biāo)分別設(shè)為(20，30，30)，(20，30，30)，(0，-2，0)，(-8，-2，0)，假設(shè)目標(biāo)點位置坐標(biāo)為(20，30，0)，單位為cm。使用Chan算法，選擇以標(biāo)準(zhǔn)距離誤差為期望，設(shè)σ=100×0.25%/3，其中，0.25為設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)距離誤差，仿真結(jié)果見圖5。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)距離誤差密度函數(shù)Fig.5 Standard distance error density function

從仿真結(jié)果可知，該算法可以對目標(biāo)點進(jìn)行三維定位，但加入噪聲后，誤差有較大發(fā)散，圖5所示為簡化數(shù)學(xué)模型后的仿真結(jié)果，后期可以通過在仿真模型中增加濾波器模型提高仿真精度。目前，在NLOS環(huán)境下一般使用卡爾曼濾波器消除誤差影響[13]。

3 起重機無線定位系統(tǒng)

本文是在UWB定位原理的基礎(chǔ)上，針對起重機作業(yè)特性設(shè)計可批量使用的工業(yè)系統(tǒng)。系統(tǒng)框架見圖6，其中，靜錨點是分基站，動錨點既是目標(biāo)點，又是分基站，可以輔助系統(tǒng)定位，提高定位精度。

圖6 起重機無線定位系統(tǒng)框架圖Fig.6 Crane wireless positioning system frame diagram

通過測量目標(biāo)點(被吊件)與各個基站(錨點)的距離差值解算出目標(biāo)點的相對坐標(biāo)，為了加快計算，降低硬件成本，本系統(tǒng)采用TOA/TDOA兩步定位法，先使用基于TOA定位的雙向測距算法解算坐標(biāo)。該算法通過任意2個標(biāo)簽節(jié)點雙向飛行時間來估算坐標(biāo)，因為不考慮時鐘同步，所以存在較大誤差，只能估算坐標(biāo)位置。再使用基于TDOA定位的Chan算法進(jìn)行精確坐標(biāo)的浮點計算，根據(jù)計算結(jié)果動態(tài)調(diào)整浮點計算次數(shù)，減小系統(tǒng)計算量。

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計及實現(xiàn)

起重機無線定位系統(tǒng)的硬件主要包括控制模塊、通信模塊、定位模塊和安全模塊等。

(1)控制模塊以STM32系列微處理器為核心，包含電源轉(zhuǎn)換等組件，將基于Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407VET6芯片作為系統(tǒng)微控制單元(microcontroller unit，MCU)。

(2)通信模塊作用是使各錨點及系統(tǒng)處于CAN總線中，系統(tǒng)在工作狀態(tài)下實時上傳自身的運動狀態(tài)、當(dāng)前位置等信息給起重機的整機控制器，同時接收整機控制器的指令，從而完成起重機吊裝作業(yè)。

(3)定位模塊是本系統(tǒng)的核心設(shè)計部分。UWB定位模塊作為標(biāo)簽節(jié)點，可分為兩類：目標(biāo)點(移動節(jié)點)、固定基站(錨點)。錨點和標(biāo)簽節(jié)點具有相同的硬件設(shè)計，通過更改軟件上的配置，可實現(xiàn)不同的定位角色。UWB收發(fā)器是實現(xiàn)UWB的核心。本系統(tǒng)采用DecaWave公司的DW1000收發(fā)器來實現(xiàn)UWB定位，該收發(fā)器可通過SPI接口與系統(tǒng)進(jìn)行通信。系統(tǒng)采用STM32F105RCT6芯片作為控制器，通過SPI接口與DW1000進(jìn)行通信， UWB定位模塊的主要結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 UWB模塊硬件結(jié)構(gòu)Fig.7 Hardware structure of UWB module

(4)安全模塊功能使被吊件進(jìn)入危險區(qū)域時，系統(tǒng)能緊急停機，硬件包括超聲波傳感器、斷路器和蜂鳴器等?？刂颇K通過超聲波傳感器實時檢測目標(biāo)點是否進(jìn)入危險區(qū)域，控制起重機自動停機并蜂鳴報警。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計及實現(xiàn)

起重機無線定位系統(tǒng)需要快速地判斷位置和及時的安全保護(hù)，結(jié)合考慮系統(tǒng)功能性和實時性，本系統(tǒng)采用μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)來進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計[14-15]。

任務(wù)調(diào)度過程也是任務(wù)的切換過程，各個獨立執(zhí)行的任務(wù)可以相互競爭MCU運算時間，在中斷、等待、休眠、就緒、運行等狀態(tài)之間相互切換，各狀態(tài)切換過程如圖8所示。

圖8 μC/OS-Ⅱ任務(wù)狀態(tài)切換Fig.8 μC/OS-Ⅱ task state switch

在此基礎(chǔ)上結(jié)合起重機作業(yè)的實際過程，本系統(tǒng)將軟件系統(tǒng)劃分為5個任務(wù)。

(1)開機任務(wù)。開機任務(wù)是系統(tǒng)開機后運行的首個任務(wù)，主要功能包括：①通過自檢程序?qū)Ω鱾€硬件模塊進(jìn)行檢查；②對各模塊按照系統(tǒng)參數(shù)創(chuàng)建任務(wù)；③和起重機控制器建立通信。

(2)待機任務(wù)。開機任務(wù)完成后就進(jìn)入到待機任務(wù)，這是優(yōu)先級最低的一個任務(wù)，只在操作系統(tǒng)后臺處理信息或待機時才會發(fā)揮啟動。

(3)安全任務(wù)。安全任務(wù)是優(yōu)先級最高的任務(wù)，其作用是監(jiān)測外界環(huán)境的安全和檢測內(nèi)部設(shè)備的功能正常。前者主要是通過超聲波傳感器信號判斷起重機周圍是否安全，后者主要檢測各模塊是否正常。安全任務(wù)不被任何任務(wù)打斷，并且可以打斷其他任務(wù)。

(4)通信任務(wù)。通信任務(wù)一般處于等待消息狀態(tài)，當(dāng)需要向外發(fā)送信息時，會產(chǎn)生一個消息緩存。當(dāng)消息發(fā)送時，各種狀態(tài)數(shù)據(jù)會按規(guī)定的格式封裝，并通過CAN總線傳送給起重機整機控制器；當(dāng)接收外界消息時，該任務(wù)將收到的消息解析，并發(fā)送給待機任務(wù)。

(5)定位任務(wù)。定位任務(wù)每隔一定時間獲取各個標(biāo)簽節(jié)點間距離，再結(jié)合其他信息計算目標(biāo)點的位置。定位任務(wù)優(yōu)先級相對較低，在每次完成定位功能后通過消息通知整機控制器，整機控制器根據(jù)需要改變起重機作業(yè)狀態(tài)。

3.3 系統(tǒng)性能指標(biāo)

起重機無線定位系統(tǒng)的硬件設(shè)計盡可能利用起重機現(xiàn)有控制系統(tǒng)，并使用低成本、低功耗、高可靠性的成熟模塊，最大程度地降低硬件成本，并滿足起重機高精度動態(tài)定位要求。使用市場占有率較高、與STM32平臺結(jié)合度較好的μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行定位控制軟件開發(fā)[16-18]。經(jīng)過起重機整車試驗，無線定位系統(tǒng)滿足以下設(shè)定性能參數(shù)指標(biāo)：①靜態(tài)及微動定位誤差小于10c m(被吊件運動速度不超過3 m/min時)，動態(tài)定位誤差小于50 cm(被吊件運動速度不超過100 m/min時)；②冷啟動定位延時不超過45 s，待機下重新解算定位延時不超過5 s；③安全模塊報警信號發(fā)出時間不超過2 s，緊急停機時間不超過5 s；④定位準(zhǔn)確度不低于98%，定位距離不小于100 m；⑤滿足起重機電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)和IP65防護(hù)等級要求；⑥起重機作業(yè)工況覆蓋率不低于95%。

4 整機測試與結(jié)論

為了測試無線定位系統(tǒng)的實際效果，在起重機實車上對定位精度和準(zhǔn)確度進(jìn)行測試。選取起重機吊裝作業(yè)時車身變形量最小的4個位置放置4個靜錨點(起重機4個固定支腿上方)；基本臂臂頭頂部放置動錨點(位于起重機轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)中心點處)，錨點位置布置見前述系統(tǒng)框架圖，圖9中，序號1～9的圓形代號為預(yù)先設(shè)置好的目標(biāo)點。設(shè)置9個以回轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)的目標(biāo)點，并將其坐標(biāo)測量值作為實際坐標(biāo)值，以無線定位系統(tǒng)顯示在起重機操縱室顯示器上的坐標(biāo)值為顯示坐標(biāo)值，兩坐標(biāo)的差為定位誤差。

圖9 起重機試驗?zāi)繕?biāo)點布置圖Fig.9 Test target point layout of crane

依次在各個測試點測試定位誤差，記錄下9次的數(shù)據(jù)，由這些數(shù)據(jù)可得以下結(jié)論：①實測定位精度平均值為25 cm；②最大偏差值為31.25 cm，出現(xiàn)在目標(biāo)點5、7，位置接近試驗設(shè)定邊界；③最小偏差值為8.14 cm，出現(xiàn)在目標(biāo)點2，其到各個靜錨點距離較近，且差值基本相同。由表2可直觀看出，無線定位系統(tǒng)在定位區(qū)域中間的定位精度較高，在環(huán)境邊界的定位精度較低。

表2 試驗?zāi)繕?biāo)點誤差分布表

5 結(jié)語

本文針對現(xiàn)有起重機作業(yè)時無法對起重機臂架和被吊件位置進(jìn)行高精度動態(tài)定位的不足，提出了一種基于UWB定位原理的起重機無線定位算法，并設(shè)計了相應(yīng)的無線定位系統(tǒng)。本文主要從系統(tǒng)的定位原理、定位算法和系統(tǒng)軟硬件實現(xiàn)三個方面來進(jìn)行研究：采用TOA/TDOA兩步定位算法，減小了計算量，提高了解算速度，降低了解算單元成本；采用行業(yè)主流軟硬件來實現(xiàn)系統(tǒng)功能，最大程度地降低軟硬件成本；搭建了起重機整車的試驗測試平臺，驗證了該無線定位系統(tǒng)在起重機實際作業(yè)工況下使用的有效性。