基于UWB的船廠物流室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周 紅， 季 銘， 顧曉波

(1.江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

隨著船舶、海工裝備制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，船廠內(nèi)的生產(chǎn)物流越來(lái)越受到造船企業(yè)的重視，對(duì)產(chǎn)品的制造周期、生產(chǎn)效率和企業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)成本都發(fā)揮著重要的影響。在維持當(dāng)前生產(chǎn)資料投入的條件下，船企通過(guò)優(yōu)化廠內(nèi)物流計(jì)劃制訂、完善物資定置定位管理、提高廠內(nèi)物流效率，可在很大程度上節(jié)約企業(yè)的生產(chǎn)開(kāi)銷，在保障縮短工期的同時(shí)可有序完成生產(chǎn)任務(wù)[1]。目前，已有相關(guān)單位開(kāi)發(fā)出基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System， GNSS)的船廠物流解決方案。這些方案大多根據(jù)衛(wèi)星定位終端，追蹤物流位置信息，僅適用于室外，鋼結(jié)構(gòu)的廠房車間內(nèi)成為定位盲點(diǎn)，難以滿足企業(yè)對(duì)室內(nèi)物流定位的需求。隨著物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，基于超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)、藍(lán)牙、射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification， RFID)等的無(wú)線定位技術(shù)成為研究熱點(diǎn)，而UWB技術(shù)擁有更廣泛的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于UWB的船廠物流室內(nèi)定位系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括標(biāo)簽、定位基站、解算引擎和客戶端。標(biāo)簽用于周期性廣播報(bào)文，與基站相互通信，使其被定位；基站用于接收來(lái)載標(biāo)簽的報(bào)文，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將收到的報(bào)文上傳至解算引擎；解算引擎依據(jù)收到的報(bào)文信息，按照相關(guān)算法，計(jì)算出待定位標(biāo)簽(車輛、托盤)的坐標(biāo)并錄入數(shù)據(jù)庫(kù)；客戶端用于呈現(xiàn)車間道路、工位、車輛、托盤等生產(chǎn)要素的相對(duì)位置關(guān)系。由于定位基站和解算引擎間采用以太網(wǎng)連接，因此還需要增設(shè)必要的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如交換機(jī)、光收發(fā)器(光纖)等。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 基站設(shè)計(jì)

基于UWB的船廠物流室內(nèi)定位系統(tǒng)，其標(biāo)簽與定位基站的共同核心為DW1000芯片，遵循IEEE 802.15.4-2011:UWB標(biāo)準(zhǔn)，抗多徑效應(yīng)能力強(qiáng)[2]，功耗低，定位精度高。

DW1000芯片采用低功耗設(shè)計(jì)，其標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射功率只有-42 dBm/MHz。若按照傳統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，標(biāo)簽與基站間最遠(yuǎn)可靠測(cè)距距離只有約50 m，勢(shì)必造成車間需要部署大量基站以彌補(bǔ)單基站探測(cè)范圍小而帶來(lái)的覆蓋不足，進(jìn)而產(chǎn)生巨額部署成本。因此需要對(duì)基站的射頻電路做進(jìn)一步優(yōu)化，采取適當(dāng)?shù)拇胧?，增?qiáng)發(fā)射功率并提高接收靈敏度[3]，擴(kuò)大單基站的覆蓋范圍。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

定位基站針對(duì)傳統(tǒng)基于DW1000的模塊進(jìn)行電路改進(jìn)，增加低噪聲放大器(Low Noise Amplifier，LNA)、功率放大器(Power Amplifier，PA)、衰減器和射頻開(kāi)關(guān)，基站采用以太網(wǎng)供電(Power Over Ethernet，POE)。電路原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 定位基站電路結(jié)構(gòu)

DW1000的射頻信號(hào)由發(fā)射路徑與接收路徑組成，并通過(guò)2個(gè)射頻開(kāi)關(guān)控制。添加PA可增強(qiáng)發(fā)射功率，提升單基站的覆蓋范圍。在接收路徑上添加LNA可降低接收噪聲系數(shù)從而改善基站接收標(biāo)簽信號(hào)的靈敏度。采用POE可改善現(xiàn)場(chǎng)的布線環(huán)境，易于安裝和管理。

2.2 標(biāo)簽設(shè)計(jì)

UWB標(biāo)簽部署在車輛等載具上可由電瓶供電，而部署在托盤上則必須使用電池供電，因此優(yōu)化標(biāo)簽功耗、提升其續(xù)航就顯得較為重要。由于待測(cè)對(duì)象通常處于運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)，運(yùn)動(dòng)位置探測(cè)需求大，靜止位置探測(cè)需求低，因此可在標(biāo)簽上添加運(yùn)動(dòng)傳感器芯片，根據(jù)檢測(cè)到的加速度，動(dòng)態(tài)調(diào)整UWB標(biāo)簽射頻電路的工作時(shí)間，合理優(yōu)化報(bào)文發(fā)送頻次，降低標(biāo)簽的功耗，延長(zhǎng)標(biāo)簽續(xù)航。標(biāo)簽電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 標(biāo)簽電路結(jié)構(gòu)

3 定位算法

目前，常見(jiàn)的UWB定位算法有到達(dá)時(shí)間(Time of Arrival，TOA)和到達(dá)時(shí)間差(Time Difference of Arrival，TDOA)。TOA定位通過(guò)基站和標(biāo)簽之間的多次通信實(shí)現(xiàn)，基本流程[4]如下：

(1)標(biāo)簽廣播1個(gè)帶有自身編號(hào)的輪詢包，記錄發(fā)送時(shí)間戳并進(jìn)入接收模式。

(2)基站接收標(biāo)簽發(fā)過(guò)來(lái)的輪詢包，記錄各標(biāo)簽編號(hào)和到達(dá)時(shí)間戳。

(3)基站進(jìn)入發(fā)送模式，為避免標(biāo)簽接收沖突，各基站分別延時(shí)一定時(shí)隙，依次向標(biāo)簽回復(fù)響應(yīng)包，并進(jìn)入接收模式。

(4)標(biāo)簽收到響應(yīng)包，記錄時(shí)間戳，然后立即回復(fù)1個(gè)包含發(fā)送、接收時(shí)間戳及延時(shí)信息的結(jié)束包給相應(yīng)基站，隨后進(jìn)入接收模式。

(5)基站收到結(jié)束包并作預(yù)處理后上傳至解算引擎，然后回復(fù)報(bào)告包給標(biāo)簽，表明1次測(cè)距通信結(jié)束。

為1次定位，每個(gè)基站和標(biāo)簽之間需要進(jìn)行4次通信，因此將這種定位方法稱為雙向測(cè)距(Two-way-ranging，TWR)。該方法既占用信道又消耗標(biāo)簽電能，實(shí)際應(yīng)用起來(lái)可行性不佳。

TODA由多個(gè)時(shí)鐘完全同步的基站同時(shí)接收來(lái)自1個(gè)標(biāo)簽的報(bào)文，對(duì)于不同位置的基站，同一個(gè)標(biāo)簽的廣播報(bào)文到達(dá)的時(shí)間是不同的。定位算法的主要思想是：1組基站測(cè)量的時(shí)間差能確立1對(duì)雙曲線，其焦點(diǎn)就是兩基站，而待測(cè)標(biāo)簽就是在雙曲線上的某點(diǎn)。在二維情況下的TDOA定位模型[5]如圖4所示。

圖4 TDOA定位模型

假設(shè)標(biāo)簽的坐標(biāo)是(x,y)，第n(n=1, 2, 3)個(gè)基站的坐標(biāo)是(xn,yn)，因此可得到二維模型標(biāo)簽的位置為

(1)

式中：r1、r2、r3分別為標(biāo)簽至各基站的距離。

TDOA最終展現(xiàn)出來(lái)的是雙曲線定位模型，但該模型是非線性方程組。非線性方程組的求解過(guò)程比較困難，目前的求解算法主要有Fang算法、Chan算法及Taylor算法[6]等。TOA與TDOA的算法設(shè)計(jì)對(duì)比如表1所示。

4 業(yè)務(wù)邏輯

基于UWB的船廠車間物流定位系統(tǒng)，配合船廠制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)及GNSS，可實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶制造流程中生產(chǎn)資料運(yùn)輸環(huán)節(jié)的閉環(huán)追蹤，提高運(yùn)輸效率，增強(qiáng)管理水平，亦可應(yīng)用于托盤集配，使企業(yè)能更好地把控船舶制造周期，降低物流成本。

以運(yùn)輸環(huán)節(jié)為例簡(jiǎn)述定位系統(tǒng)參與生產(chǎn)環(huán)節(jié)的業(yè)務(wù)邏輯(見(jiàn)圖5)：(1)船廠MES系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃指派運(yùn)輸任務(wù)；(2)駕駛?cè)藛T接收運(yùn)輸任務(wù)；(3)室內(nèi)和室外的物流定位系統(tǒng)，根據(jù)廠區(qū)內(nèi)車輛、貨物位置關(guān)系及道路占用情況，規(guī)劃行駛路線；(4)車輛行至場(chǎng)地1，待運(yùn)貨物裝車，駕駛?cè)藛T在客戶端(手機(jī)或個(gè)人數(shù)字助手(Personal Digital Assistant，PDA)端)確認(rèn)(上傳)實(shí)際裝車貨物信息，此時(shí)貨物信息在系統(tǒng)中與車輛坐標(biāo)綁定；(5)室內(nèi)和室外的物流定位系統(tǒng)，根據(jù)廠區(qū)內(nèi)車輛、貨物位置關(guān)系及道路占用情況，規(guī)劃行駛路線；(6)車輛行至場(chǎng)地2，卸下貨物，駕駛?cè)藛T在客戶端確認(rèn)(上傳)實(shí)際卸貨信息，此時(shí)貨物信息在系統(tǒng)中與車輛坐標(biāo)解除綁定。

表1 TOA與TDOA的算法設(shè)計(jì)對(duì)比

圖5 定位系統(tǒng)參與生產(chǎn)環(huán)節(jié)的業(yè)務(wù)邏輯

5 結(jié) 語(yǔ)

闡述基于UWB的船廠物流室內(nèi)定位系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、硬件電路結(jié)構(gòu)、算法設(shè)計(jì)思路及業(yè)務(wù)流程邏輯。該系統(tǒng)契合船舶與海工制造企業(yè)的廠內(nèi)物流信息化、可視化、智能化需求，配合企業(yè)的MES，可實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)部門對(duì)物流信息的共享，增強(qiáng)計(jì)劃制訂部門與基層執(zhí)行部門間的聯(lián)動(dòng)，提高基層執(zhí)行部門信息反饋的主動(dòng)性和時(shí)效性，有利于提升廠內(nèi)物流的管理水平。