基于超寬帶技術(shù)的車輛智能裝載導(dǎo)引系統(tǒng)

胡淦 劉金超 馬欣然 孫艷鵬 劉寧

摘 要：為滿足重型車輛鐵路運輸日益增長的需求，解決現(xiàn)有裝運方式存在的問題，本文基于超寬帶定位技術(shù)設(shè)計了一種低成本、高效率的裝載引導(dǎo)系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠有效彌補原有人工引導(dǎo)裝載方式的局限性和作業(yè)效率低下的不足，通過布置基站和標(biāo)簽掌握待裝車輛與鐵路平車相對位置信息，為待裝車輛駕駛員提供車輛偏差信息，實現(xiàn)車輛安全、快速、精確裝車，從而提高鐵路裝卸效率，降低裝卸現(xiàn)場安全隱患，提升鐵路運輸服務(wù)質(zhì)量。本文還對系統(tǒng)定位算法和UWB測距算法進行了優(yōu)化，降低了整體成本提高了定位測量精確性。

關(guān)鍵詞：超寬帶;重型汽車;定位;測距

中圖分類號：TN925 文獻標(biāo)識碼：A

我國鐵路運輸因其相對較低的運輸成本、巨大的運輸能力、準(zhǔn)確的到發(fā)時間、高可靠性、高安全性等優(yōu)點，成為內(nèi)陸貨物運輸?shù)闹匾侄?。國?nèi)各商用車主機廠生產(chǎn)完成的成品重型汽車也經(jīng)常會采用鐵路平車運輸?shù)姆绞竭M行批量運輸，重型汽車裝載加固要求高，裝載難度大，受限于車輛高度和寬度，部分車輛尺寸會接近限界，某些車型寬度接近鐵路平車寬度，裝載過程中很容易對位不準(zhǔn)，有時甚至?xí)霈F(xiàn)車輛掉落的情況。

目前重型汽車主要通過人工提示導(dǎo)引的方式進行裝載。每輛待裝車均通過高站臺與尾端平車相連的渡板駛上平車，并從列尾端向前行駛，直至到列達指定的平車既定位置停止。為保證車輛裝載過程中不偏離中線，需要數(shù)名輔助導(dǎo)引員同時指引駕駛員駕駛，效率低下且耗費人力，遇到夜間裝車情況，待裝車輛還需關(guān)閉大燈，由引導(dǎo)員用手電筒照亮指引，裝載效率和可靠性大大降低。

針對重型車輛裝載存在的問題，本文提出了一種基于超寬帶技術(shù)的重型汽車鐵路運輸裝載定位系統(tǒng)，用以代替人工引導(dǎo)，為待裝車駕駛員提供車輛位置及偏離信息，實現(xiàn)車輛安全、快速、精確裝車，從而提高鐵路裝卸效率，降低裝卸現(xiàn)場安全隱患，提升鐵路運輸服務(wù)質(zhì)量。

1 超寬帶（UWB）測距原理

超寬帶無線技術(shù)（Ultra Wideband，UWB）是電磁波的一種，真空下傳播速度與光速相同，最早應(yīng)用于軍用雷達技術(shù)領(lǐng)域，于2002年被FFC（美國聯(lián)邦通信委員會）批準(zhǔn)民用，此后獲得了快速發(fā)展。由于UWB具備信息容量大、測距精度高、抗干擾性能強以及發(fā)送功率小等優(yōu)點被人們廣泛關(guān)注，成為一種新興的測距定位技術(shù)，其電磁波輻射對人體的影響也很小。

UWB的測距方法是通過測量移動節(jié)點與固定節(jié)點傳播的時間信息以求出距離，主要采用飛行時間（Time Of Flight，TOF）、到達時間差（Time difference of Arrival，TDOA）兩種測距方式。TDOA定位需要精確的時鐘同步，分為有線時鐘同步和無線時鐘同步兩種方式，有線時鐘同步需要設(shè)計同步信號裝置，無線時鐘同步需要設(shè)計時鐘同步算法，設(shè)計實現(xiàn)較為復(fù)雜。而TOF定位采用雙向雙邊測距測量標(biāo)簽到多個基站距離，基站無需時鐘同步。

2 裝載定位系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)整體方案

本方案中，每列車的頭車前端需固定兩個基站，兩基站均位于平車中心面上，每個運輸車輛車頭固定兩個標(biāo)簽，兩標(biāo)簽沿運輸車輛中心面對稱。若要保持運輸車輛沿中線行駛不偏移，則需保持各基站與每個標(biāo)簽的實時距離分別相等，即保持基站和兩標(biāo)簽三點相連的三角形始終為等腰三角形。當(dāng)車輛發(fā)生偏移時，由基站間距、標(biāo)簽間距以及標(biāo)簽與倆基站的距離值可得到運輸車輛與板車中心線的偏移量。

2.2 定位系統(tǒng)構(gòu)成

定位系統(tǒng)主要由2個固定基站（Mbs）、2個可移動標(biāo)簽（Tag）、一個解算計算機以及一個平板電腦構(gòu)成。

（1）基站（Mbs）。定位系統(tǒng)的兩個基站固定放置在車列的車頭位置，基站集成了UWB定位模塊、電源模塊以及無線傳輸模塊?；镜腢WB信號收發(fā)模塊在接收到標(biāo)簽發(fā)送的UWB信號后將信號轉(zhuǎn)換位數(shù)據(jù)通過無線模塊傳送給解算計算機進行處理。

（2）標(biāo)簽?zāi)K（Tag）。標(biāo)簽像基站一樣集成了定位、電源以及無線模塊，標(biāo)簽與基站實時通訊，將距離數(shù)據(jù)發(fā)送給基站，從而實現(xiàn)位置解算。

（3）解算計算機。接收基站發(fā)送的原始數(shù)據(jù)，并將經(jīng)過解算得到車輛位置和中心偏離值發(fā)送給平板電腦端顯示。

（4）平板電腦。是定位系統(tǒng)與駕駛員的交互端，與解算計算機通過局域網(wǎng)實時通信，用于顯示汽車偏離數(shù)據(jù)，輔助駕駛員駕駛。

3 系統(tǒng)定位算法

超寬帶定位系統(tǒng)一般至少需要四個基站才能三維空間內(nèi)標(biāo)簽的定位，本論文提出的定位策略對定位算法進行了簡化，用兩個基站即可實現(xiàn)測偏差功能，減小了計算量降低了成本。

4 基于對稱雙邊雙向測距算法減小誤差

UWB測距精度決定了整個系統(tǒng)定位精度，而時鐘漂移引起的誤差是主要誤差，因此需要通過算法來減小誤差。

UWB定位系統(tǒng)最簡單的測距方式是單程測距，但是這對節(jié)點之間的時鐘同步要求極其嚴(yán)格，而基站和標(biāo)簽間有各自本地時鐘，無法保證時間同步。雙程測距雖能消除節(jié)點之間未能完全同步的影響，但無法消除晶振時鐘漂移的影響。對稱雙邊雙向測距，可以消除晶振時鐘漂移的影響，這樣大大降低了定位的實時性。在此采用對稱雙邊雙向測距算法來減小時鐘漂移誤差。

對稱雙邊雙向測距示意圖如圖所示，圖中，A和B是一對基站和標(biāo)簽，A收到響應(yīng)后，經(jīng)過時間TA向B發(fā)送信息，B收到信息后經(jīng)過TB向A發(fā)送信息，A、B設(shè)備發(fā)送和收到信息時間差分別為Troud1、Troud2。

由此可得，通過對稱雙邊雙向測距算法使得時鐘漂移引起的誤差減半了。

5 結(jié)束語

本文基于超寬帶測距技術(shù)設(shè)計了一套適用于重型汽車鐵路運輸?shù)难b載定位系統(tǒng)，基于應(yīng)用條件簡化了傳統(tǒng)超寬帶定位的基站配置，通過對稱雙邊雙向測距算法減小誤差提升系統(tǒng)精確度，為重型車輛鐵路運輸裝載提供了新思路。

參考文獻：

[1]黃永剛.重型汽車鐵路運輸裝載加固方案設(shè)計[J].重型汽車，2019，31（04）：34-36.

[2]安迪，李可佳，胡淦，等.大型車輛鐵路裝載智能化引導(dǎo)系統(tǒng)研究[J].鐵道運輸與經(jīng)濟，2018，40（07）：122-126.[3]胡淦，李可佳，安迪，等.鐵路汽車裝載激光雷達技術(shù)應(yīng)用[J].鐵道貨運，2018，36（08）：54-58.

[4]李小亭，郎月新，韋子輝，等.基于改進雙向雙邊測距的超寬帶定位技術(shù)及應(yīng)用研究[J].中國測試，2019，45（10）：21-27.

[5]朱文剛，常海濤，薄云覽，等.基于超寬帶技術(shù)的軌道交通定位算法研究[J].計算機測量與控制，2019，27（07）：218-222.

[6]趙紅梅，趙杰磊.超寬帶室內(nèi)定位算法綜述[J].電信科學(xué)，2018，34（09）：130-142.

[7]徐會彬，孫樹芳.基于超寬帶測距的定位精度及時延的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2019，32（05）：735-738.

[8]林相澤，王祥，林彩鑫，等.基于超寬帶的溫室農(nóng)用車輛定位信息采集與優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2018，49（10）：23-29+45.

[9]王全輝，黃建軍，胡堅耀.超寬帶定位的AGV定位跟蹤算法研究[J].信號處理，2017，33（04）：516-522.