無線定位技術在移動式起重機中的應用

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.安徽理工大學經濟與管理學院，淮南，232001

0 引言

移動式起重機(下文簡稱起重機)在復雜環境作業時需要滿足大跨度大負載極限作業、非視距(not line of sight，NLOS)環境高精度作業、高危環境作業等一系列嚴苛作業要求，因此起重機操作者操作壓力大、事故風險較高。作業時，被吊件與起重機吊鉤易出現位置偏差，導致“歪拉斜拽”現象，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，降低操作難度和風險，解決起重機和被吊件位置信息的高精度、高動態定位和控制問題。

本文在分析各種無線定位技術優缺點的基礎上，綜合考慮起重機復雜環境作業特點，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，設計出無線定位系統軟硬件，通過起重機整機相關試驗驗證了該系統的有效性。

1 常見定位技術

近年來，起重機普遍配置通用GPS設備來滿足整機定位需要，但GPS的地面信號較弱、穩定性較差、多徑分辨率低，一般只用來記錄整機大概的二維靜態位置，無法對起重機復雜環境作業所需的高精度動態三維坐標進行定位，圖1所示為起重機復雜作業環境典型工況。專業GPS設備通過復雜算法和高性能傳感器可以提供高精度、高動態的定位精度，但這些設備價格高，核心技術掌握在歐美少數企業手里，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 起重機典型作業工況Fig.1 Typical operating condition of crane

無線定位技術的快速發展為起重機高精度動態三維定位功能的實現提供了較成熟的低成本解決方案。常見無線定位技術及參數[1]見表1。

表1 無線定位技術對比

通過表1可以看出各種無線定位技術的優缺點，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；藍牙、ZigBee和Wi-Fi通過信號強度(received signal strength indication, RSSI)測距來實現低精度測距，不滿足高精度定位要求；超寬帶(ultra wide band, UWB)信號帶寬頻譜寬、脈沖信號持續時間短，可有效地使用到達時間(time of arrival, TOA)/到達時差(time difference of arrival, TDOA)算法來實現精確動態定位[2]。相關研究表明，經過合適算法優化后，UWB無線定位誤差在10 cm以內，定位范圍大于200 m[3-5]，效果顯著優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據，因而占用很寬的頻譜區域。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定位技術特點

UWB具備其他通信系統無法比擬的優點[7]：

(1)傳輸速率高，信道容量大。根據香農信道容量公式[8]可知，在高斯白噪聲信道中，系統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，短距離內傳輸速率可達每秒幾百Mb。因此，UWB技術特別適合起重機無線定位系統， IEEE協會制定的低速WPAN標準即可滿足其需要。

(2)良好的共存性和電磁兼容性。相比于其他窄帶通信，UWB系統輻射譜密度極低，甚至低于電磁環境的背景噪聲，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。窄帶定位系統中，不可分辨的多徑效應導致信號衰落，而UWB定位系統通過分集接收技術將其進行合并，從而有效地抵抗衰落，很好地滿足了起重機在NLOS環境下高精度動態定位的需要。

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

現代起重機的作業范圍一般在以起重機轉臺回轉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。起重機設備對電磁兼容性、可靠性和安全性要求較高，要求定位測量設備具備高精度和高動態性能。UWB的技術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、到達角(angle of arrival，AOA)、TOA、TDOA。RSSI定位的缺點是易受外界環境因素的影響，定位結果會有較大的誤差和波動性，只能應用在低精度測距；AOA定位一般需要架設陣列天線，占地較大，硬件系統配置復雜，且需要有傳輸視距，因此不適合非視距環境下的起重機無線定位；TOA定位中，以各個基站為圓心、以目標點到各個基站的距離為半徑的圓形的交叉點為目標點坐標，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，i=1,2,3；D為目標點，(x，y)為其坐標。TOA定位中，信號發射機和接收機之間有精確的時間標記才能辨別該信號發出時間并計算出兩者間距離，該方法需要復雜的算法和高精度硬件以減小時間標記誤差造成的測量誤差，因而未能被工業領域廣泛采用[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點脈沖信號發送到不同基站的時間差，進而換算出到達不同基站的距離差，然后根據基站之間距離差來測算目標點位置。根據幾何學原理，二維空間中達到兩定點距離的差為常數的點只取決于一條雙曲線，兩條雙曲線的交點就是目標點的位置，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個基站到目標點MT的距離，D3-D1和D3-D2為以距離差為常數的雙曲線。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點。

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

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

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

(2)

由式(2)可推導出目標點與第i個分基站和主基站之間的距離：

(3)

式(3)經過一些數學變換可得到關于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分布，因此采用加權最小二乘法來解方程組。

2.3 仿真結果及分析

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

圖5 標準距離誤差密度函數Fig.5 Standard distance error density function

從仿真結果可知，該算法可以對目標點進行三維定位，但加入噪聲后，誤差有較大發散，圖5所示為簡化數學模型后的仿真結果，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

本文是在UWB定位原理的基礎上，針對起重機作業特性設計可批量使用的工業系統。系統框架見圖6，其中，靜錨點是分基站，動錨點既是目標點，又是分基站，可以輔助系統定位，提高定位精度。

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

通過測量目標點(被吊件)與各個基站(錨點)的距離差值解算出目標點的相對坐標，為了加快計算，降低硬件成本，本系統采用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。該算法通過任意2個標簽節點雙向飛行時間來估算坐標，因為不考慮時鐘同步，所以存在較大誤差，只能估算坐標位置。再使用基于TDOA定位的Chan算法進行精確坐標的浮點計算，根據計算結果動態調整浮點計算次數，減小系統計算量。

3.1 系統硬件設計及實現

起重機無線定位系統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，包含電源轉換等組件，將基于Cortex-M4內核的STM32F407VET6芯片作為系統微控制單元(microcontroller unit，MCU)。

(2)通信模塊作用是使各錨點及系統處于CAN總線中，系統在工作狀態下實時上傳自身的運動狀態、當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。

(3)定位模塊是本系統的核心設計部分。UWB定位模塊作為標簽節點，可分為兩類：目標點(移動節點)、固定基站(錨點)。錨點和標簽節點具有相同的硬件設計，通過更改軟件上的配置，可實現不同的定位角色。UWB收發器是實現UWB的核心。本系統采用DecaWave公司的DW1000收發器來實現UWB定位，該收發器可通過SPI接口與系統進行通信。系統采用STM32F105RCT6芯片作為控制器，通過SPI接口與DW1000進行通信， UWB定位模塊的主要結構如圖7所示。

圖7 UWB模塊硬件結構Fig.7 Hardware structure of UWB module

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

3.2 系統軟件設計及實現

起重機無線定位系統需要快速地判斷位置和及時的安全保護，結合考慮系統功能性和實時性，本系統采用μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統來進行系統軟件設計[14-15]。

任務調度過程也是任務的切換過程，各個獨立執行的任務可以相互競爭MCU運算時間，在中斷、等待、休眠、就緒、運行等狀態之間相互切換，各狀態切換過程如圖8所示。

圖8 μC/OS-Ⅱ任務狀態切換Fig.8 μC/OS-Ⅱ task state switch

在此基礎上結合起重機作業的實際過程，本系統將軟件系統劃分為5個任務。

(1)開機任務。開機任務是系統開機后運行的首個任務，主要功能包括：①通過自檢程序對各個硬件模塊進行檢查；②對各模塊按照系統參數創建任務；③和起重機控制器建立通信。

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

(3)安全任務。安全任務是優先級最高的任務，其作用是監測外界環境的安全和檢測內部設備的功能正常。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。安全任務不被任何任務打斷，并且可以打斷其他任務。

(4)通信任務。通信任務一般處于等待消息狀態，當需要向外發送信息時，會產生一個消息緩存。當消息發送時，各種狀態數據會按規定的格式封裝，并通過CAN總線傳送給起重機整機控制器；當接收外界消息時，該任務將收到的消息解析，并發送給待機任務。

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

3.3 系統性能指標

起重機無線定位系統的硬件設計盡可能利用起重機現有控制系統，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定位要求。使用市場占有率較高、與STM32平臺結合度較好的μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統進行定位控制軟件開發[16-18]。經過起重機整車試驗，無線定位系統滿足以下設定性能參數指標：①靜態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出時間不超過2 s，緊急停機時間不超過5 s；④定位準確度不低于98%，定位距離不小于100 m；⑤滿足起重機電磁兼容標準和IP65防護等級要求；⑥起重機作業工況覆蓋率不低于95%。

4 整機測試與結論

為了測試無線定位系統的實際效果，在起重機實車上對定位精度和準確度進行測試。選取起重機吊裝作業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(位于起重機轉臺回轉中心點處)，錨點位置布置見前述系統框架圖，圖9中，序號1～9的圓形代號為預先設置好的目標點。設置9個以回轉中心為坐標的目標點，并將其坐標測量值作為實際坐標值，以無線定位系統顯示在起重機操縱室顯示器上的坐標值為顯示坐標值，兩坐標的差為定位誤差。

圖9 起重機試驗目標點布置圖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次的數據，由這些數據可得以下結論：①實測定位精度平均值為25 cm；②最大偏差值為31.25 cm，出現在目標點5、7，位置接近試驗設定邊界；③最小偏差值為8.14 cm，出現在目標點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，無線定位系統在定位區域中間的定位精度較高，在環境邊界的定位精度較低。

表2 試驗目標點誤差分布表

5 結語

本文針對現有起重機作業時無法對起重機臂架和被吊件位置進行高精度動態定位的不足，提出了一種基于UWB定位原理的起重機無線定位算法，并設計了相應的無線定位系統。本文主要從系統的定位原理、定位算法和系統軟硬件實現三個方面來進行研究：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；采用行業主流軟硬件來實現系統功能，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在起重機實際作業工況下使用的有效性。