一種基于UWB技術的分布式倉儲管理系統(tǒng)

閆澤昊 劉世紀 牛凱業(yè) 孫琛 黃丁一

摘?要：本文提出一種針對倉儲物流管理方面的智能倉儲定位系統(tǒng)。基于UWB技術在定位方面的精度優(yōu)勢，結合當前國內外倉儲貨物存儲量大，出入庫頻率高，不易及時查找的現(xiàn)狀，推出基于UWB的倉儲定位管理系統(tǒng)。系統(tǒng)的基本工作流程為：在規(guī)定區(qū)域內安裝定位基站→為需要定位的貨物配置標簽→定位標簽將貨物三維位置實時數(shù)據傳送至基站→基站將數(shù)據傳送至上位機實時顯示。區(qū)別于傳統(tǒng)智能化倉儲管理的PDA掃碼及RFID射頻標簽，采用電子定位標簽，無需人為掃碼，可節(jié)約大量人力，同時能夠解決查找貨物位置的難題，提高貨物出庫率，實現(xiàn)對倉庫貨物的智能化定位管理。

關鍵詞：UWB技術;倉儲管理系統(tǒng);智能倉儲;室內精確定位

1研究背景

目前我國的智能倉儲系統(tǒng)已經進入了全面建設的時代，隨著近些年科技的發(fā)展進步，在智能技術的發(fā)展上也慢慢跟上了國際的步伐。自動化立體庫的普及速度越來越快，我國的大型物流公司已經逐漸開始應用智能倉儲管理系統(tǒng)。截止到現(xiàn)在，智能倉儲管理系統(tǒng)使用的領域主要包括了醫(yī)藥行業(yè)、零售行業(yè)和煙草行業(yè)這些產品數(shù)量大，種類多的倉庫當中。隨著國家對于智能化倉儲戰(zhàn)略方向的明確，許多其他類型的倉儲貨架也紛紛投入使用了自動化技術，從而提升整個倉庫的運營以及管理，帶領我國的物流行業(yè)正式進入自動化，智能化的時代。

而傳統(tǒng)的倉儲貨架采用的都是人工操縱的工作方式，這樣的工作方式記錄信息是否繁瑣，員工工作速度有效，效率低。而且人工操作容易因為工人的粗心大意而出現(xiàn)差錯，如果出現(xiàn)問題沒有及時的發(fā)現(xiàn)這樣就很容易影響到倉庫后期的工作。從而導致倉庫延遲出貨等等的問題，進一步的為企業(yè)帶來了多余的損失，而使用了UWB智能定位倉儲管理系統(tǒng)之后這些錯誤都可以有效的避免。

2國內外研究現(xiàn)狀

在國外的UWB定位技術研究中，Z.Irahhauten等人[1]介紹了無線個人局域網的UWB信道測量，提出了無線個人局域網通訊技術應用程序的相關方案，并且在室內視距和非視距環(huán)境下進行測量。H.Luecken[2]為了克服UWB定位受到多徑干擾的問題，提出了一種基于雷達成像的方法來預測信號在傳播路徑中的延遲，進而達到提高測量精度的目的。Tingcong Ye[3]等人提出了一種IEEE.802.15.4a的脈沖超寬帶收發(fā)信機技術，結果表明UWB收發(fā)信機能夠捕獲兩個無線電之間的精確傳輸時間，可用于實際距離的計算中。Kegen[4]等人利用UWB系統(tǒng)中的到達時間的測距方法來估計其性能，同時為了使測量值更接近真實值，在UWB定位技術中應用了卡爾曼濾波算法。

雖然我國在研究UWB定位技術方面起步較國外晚一些，但我們在UWB定位方面也取得了一定的進展。魏培[5]根據工業(yè)現(xiàn)場自動導引運輸車定位靈活性差的現(xiàn)象，利用DW1000芯片，設計了UWB定位系統(tǒng)，同時為解決標簽存在的沖突問題及組網問題，提出多基站測距和多標簽調度機制。劉書倫等人[6]針對目前井下人員定位技術在定位精度、抗多徑干擾以及傳輸距離方面存在的問題，提出改進的井下人員定位系統(tǒng)，避免井下人員的生命安全受到威脅。

3研究思路

系統(tǒng)根據倉庫、車間或廠房的大小及結構，合理布置基站的位置，基于UWB定位技術，利用TDOA定位原理，與現(xiàn)有的WMS倉庫管理體系結合。以分米級的精度準確定位到目標貨物的空間位置，實現(xiàn)對倉庫中的貨物、人員和叉車實時精準定位，獲取實時的空間位置信息。從而實現(xiàn)人員、設備的實時高精準智能化監(jiān)管，以達到降低成本、節(jié)省人力和物力、便捷高效以及提高人身安全的目的。

本套倉儲物流管理系統(tǒng)的工作流程是：在規(guī)定區(qū)域內架設基站，為需定位的推車、貨物以及人員配置定位標簽，定位標簽通過定位基站將實時定位數(shù)據傳回后臺服務中心，后臺服務中心通過TDOA定位算法，解算出設備和人員精確的實時位置信息及運動軌跡，并將位置信息示范區(qū)域地上顯示，實現(xiàn)實時高精度定位，保證操作人員可以在系統(tǒng)界面中實現(xiàn)對物資的實時監(jiān)控、配送、管理和智能化調度等任務。

4系統(tǒng)特點

4.1工作模式創(chuàng)新：利用UWB定位技術精度高、安全可靠、低功耗、抗干擾性強等特點，打破傳統(tǒng)的倉庫管理流程，實現(xiàn)對倉庫管理人員、設備的實時高精準智能化監(jiān)管。

通過UWB技術定位與現(xiàn)有的WMS倉庫管理體系結合，可實現(xiàn)對倉庫中的貨物、人員和叉車實時精準定位，獲取實時的空間位置信息。有效的對倉庫流程和空間進行管理，實現(xiàn)批次管理、快速出入庫和動態(tài)盤點。倉庫管理人員通過觀看倉庫三維動態(tài)場景圖，即可實現(xiàn)對庫存物品的入庫、出庫、移動、盤點、找料等操作進行全面的控制和管理，提高倉庫存儲空間的利用率，降低庫存成本，提升市場競爭力。

4.2應用技術創(chuàng)新：本產品采用分布式定位設計，在基站中植入定位算法，可以實現(xiàn)一臺上位機同時對多個目標的定位追蹤，減小開銷。

我們在前期工作的基礎上，分析倉儲物流行業(yè)對定位點個數(shù)需求量大的特點，對基站傳感器檢測裝置進行創(chuàng)新設計，優(yōu)化設計方案。利用TDOA定位算法得到定位用的參數(shù)信息并將定位求解算法植入定位基站中，通過基站本身來完成定位方程的解算過程以得到目標節(jié)點的坐標值。這樣在基站內部便完成整個定位過程，而不再需要上位機進行定位計算。這樣既實現(xiàn)了準確高效定位，又減小了開銷，符合目前倉儲行業(yè)的需求。

5可行性論證

在空間為16m*18m的實驗室中模擬倉庫環(huán)境，在實驗室的四個角落布置四個基站，高度各為2米，信號發(fā)生裝置安裝于測試者身上，由測試者模擬倉庫中的儲貨，變換定位點的位置，我們從中選取10個測量的，每個測量點測量50個數(shù)，分別計算其坐標的標準偏差，下圖展示了TDOA定位的算術平均值標準偏差。經數(shù)據驗證得其誤差在6cm左右，其精度要求可實現(xiàn)微小范圍移動的判斷。

由此可見，在大型倉儲中的貨物定位可實現(xiàn)精準定位，該系統(tǒng)的應用可滿足目前倉儲貨物的精準定位要求。

參考文獻

[1]Irahhauten，Z，et al.UWB Channel Measurements and Results for Wireless Personal Area Networks Applications [C].In Eur.Conf.Wirel.Technol，2005，209-212

[2]Luecken，H，A.Wittneben.UWB radar imaging based multipath delay prediction for NLOS Position estimation[C].IEEE International Conference on Ultra-Wideband 2011，101-105

[3]Ye，T，et al.Experimental Impulse Radio IEEE 802.15.4a UWB Based Wireless Sensor Localization Technology：Characterization，Reliability and Ranging[J].Trinity College Dublin，2011

[4]Yu，K，et al.UWB location and tracking for wireless embedded networks [J].Signal Processing，2006（09），2153-2171

[5]魏培，姜平，賀晶晶，張會猛.基于內三角形質心算法的UWB室內定位[].計算機的用，2017，37（01）：289-293+298.

[6]劉書倫，王樹森.基于超寬帶技術的井下人員定位系統(tǒng)[]工礦自動化，2014，40（10）：81-83.