基于DWM1001 叉車智能防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王新保 梁建偉

（江西理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，江西 贛州341001）

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì):

叉車防撞系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示。包括叉車和廠區(qū)門所安裝的錨節(jié)點(diǎn)、工人所攜帶的標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)簽。

圖1 叉車在廠區(qū)UWB 測(cè)距防撞示意圖

叉車防撞系統(tǒng)具有三個(gè)主要作用：一是叉車與工人近距離報(bào)警；二是叉車與叉車近距離報(bào)警；三是叉車靠近廠區(qū)門報(bào)警提示。標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)可以安置在工人的安全帽、工作服和員工身份卡片上，當(dāng)叉車靠近工人時(shí)錨節(jié)點(diǎn)測(cè)量與工人所攜帶的標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)之間距離，經(jīng)過(guò)錨節(jié)點(diǎn)中的處理器判斷，當(dāng)距離達(dá)到危險(xiǎn)范圍啥報(bào)警器響起，提醒叉車司機(jī)注意行人。叉車與叉車之間靠近時(shí)，兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)相互測(cè)量彼此距離，當(dāng)進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，雙方報(bào)警器同時(shí)報(bào)警。當(dāng)叉車靠近廠區(qū)門時(shí)，進(jìn)入一定距離范圍內(nèi)，兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)上的報(bào)警器同時(shí)報(bào)警，既提醒叉車司機(jī)小心慢行，又可以提醒將要通過(guò)門的行人注意叉車。

1 硬件模塊設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)硬件選用STM32F072CBT6 芯片和DWM1001 模塊搭配其他外設(shè)使用。錨節(jié)點(diǎn)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 錨節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)圖

電源模塊是將外輸入的+5V 電壓提供給STM32 微型芯片，并將+5V 電壓轉(zhuǎn)換為+3.3V 和1.8V 為UWB 射頻收發(fā)模塊供電。UWB 射頻收發(fā)模塊主要是由DWM1001 模塊構(gòu)成，用于發(fā)送和接收無(wú)線電磁波信號(hào)。EEPROM 是用來(lái)儲(chǔ)存DWM1001 運(yùn)行模式的必要信息。STM32F072CBT6 微型芯片作為整個(gè)系統(tǒng)的中央處理器，控制UWB 射頻收發(fā)模塊，并處理由UWB 射頻收發(fā)模塊傳來(lái)的信息，從而做出距離判斷，控制報(bào)警器是否響應(yīng)。標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)同為基于DWM1001 模塊所設(shè)計(jì)的有源標(biāo)簽，但是不含有報(bào)警器，用來(lái)收發(fā)電磁波信號(hào)，并將延遲時(shí)間傳送到錨節(jié)點(diǎn)，不會(huì)對(duì)距離信息做出判斷。

2 軟件算法設(shè)計(jì)

2.1 軟件設(shè)計(jì)流程

本次設(shè)計(jì)選用Keil uVision5 開發(fā)工具，采用c 語(yǔ)言進(jìn)行編程。采用模塊化設(shè)計(jì)各個(gè)子程序，首先根據(jù)整個(gè)防撞測(cè)距系統(tǒng)的要求，做出系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)流程，然后再將整體系統(tǒng)分為各個(gè)不同的模塊，在完成各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)編程調(diào)試等工作后，再將各個(gè)模塊進(jìn)行整合調(diào)試。整體設(shè)計(jì)流程圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)流程圖

本整體設(shè)計(jì)作為系統(tǒng)的主程序，包含系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的各個(gè)子程序模塊，并且主程序作為整個(gè)系統(tǒng)的中樞，承擔(dān)著協(xié)調(diào)安排各個(gè)模塊子程序的功能。主系統(tǒng)的主要任務(wù)是完成DWM1001 的初始化和測(cè)距功能，并實(shí)現(xiàn)對(duì)DWM1001 的配置及存儲(chǔ)。

2.2 算法原理

采用基于無(wú)線電磁波傳播時(shí)間計(jì)算傳播距離的飛行時(shí)間（time of fly，TOF）方法，運(yùn)用雙向測(cè)距（Two-Way Ranging，TWR）算法提高測(cè)距的精度。

TOF 方法是通過(guò)兩個(gè)設(shè)備之間的無(wú)線電飛行時(shí)間來(lái)計(jì)算距離的，設(shè)備相距的距離是用無(wú)線電磁波的傳播速度乘其飛行時(shí)間計(jì)算的。若有由一對(duì)DWM1001 模塊組成設(shè)備，分別為錨節(jié)點(diǎn)A 和標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)T，作為無(wú)線電磁波信號(hào)發(fā)起者的錨節(jié)點(diǎn)A 具有發(fā)起測(cè)距的功能，標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)T 可以接收和響應(yīng)無(wú)線電磁波信號(hào)，那么TWR 測(cè)距的基本原理如下：錨節(jié)點(diǎn)A 發(fā)射無(wú)線電磁波信號(hào)給標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)T，同時(shí)并記下發(fā)送時(shí)間戳t1，標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)T 接收到無(wú)線電磁波信號(hào)并在一個(gè)規(guī)定的時(shí)間延遲后再給A 應(yīng)答一個(gè)信號(hào)，記延遲時(shí)間tdelay，最后A 收到T 的應(yīng)答信號(hào)并記下接收時(shí)間戳t2，測(cè)距原理如圖4 所示。

圖4 雙向測(cè)距原理示意圖

根據(jù)錨節(jié)點(diǎn)A 的時(shí)鐘信號(hào)，記錄下來(lái)自己的發(fā)送時(shí)間戳t1和接收時(shí)間戳t2，可得出無(wú)線電信號(hào)往返的時(shí)間：

2.3 誤差分析

TWR 測(cè)距方法，雖然不要求兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間是否同步，但是我們考慮到不同的設(shè)備之間的晶振會(huì)由于溫漂而引起時(shí)鐘測(cè)量的誤差。我們假設(shè)eA和eT分別為錨節(jié)點(diǎn)和標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)由于溫漂引起的時(shí)鐘漂移，如果考慮到eA和eT帶來(lái)的影響，那么飛行時(shí)間tfly^可以表示：

由公式可得當(dāng)eA和eT一定時(shí)，隨著tdelay的增大誤差也會(huì)增大。如果標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的延遲時(shí)間較長(zhǎng)的話，那么所產(chǎn)生的距離誤差是非常大的。我們可以根據(jù)TWR 測(cè)得距離值與實(shí)際的基準(zhǔn)距離值作比較，然后再不斷調(diào)整系統(tǒng)的延遲時(shí)間, 從而消除誤差。

3 功能測(cè)試

前面詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件方面的設(shè)計(jì)，在實(shí)際的制作過(guò)程中做出了硬件電路的PCB，依據(jù)原理圖的走線對(duì)硬件進(jìn)行焊接。在硬件完成之后根據(jù)DWM1001C 的使用指導(dǎo)對(duì)硬件進(jìn)行了功能能測(cè)試，在測(cè)試沒(méi)有問(wèn)題后給板子搭建測(cè)試環(huán)境，刷入固件。在一切順利完成之后，將在第四章完成的軟件部分進(jìn)行調(diào)試和寫入，注意區(qū)分錨節(jié)點(diǎn)和標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)。至此智能防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已基本完成，相關(guān)實(shí)物展示見圖5。

圖5 錨節(jié)點(diǎn)和標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的實(shí)物展示

為了測(cè)試錨節(jié)點(diǎn)和標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試，測(cè)試距離為1.5m。在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，可實(shí)現(xiàn)近距離報(bào)警功能，誤差在接受范圍內(nèi)。實(shí)際的測(cè)試場(chǎng)景圖見圖6。

圖6 錨節(jié)點(diǎn)和標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)測(cè)試

4 結(jié)論

在智能化車間和現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用中，叉車的碰撞問(wèn)題始終是一個(gè)重要的研究方向。本文針對(duì)叉車的碰撞問(wèn)題提出了一個(gè)可行的研究辦法采用UWB 技術(shù)比以往采用的超聲波技術(shù)具有更高的準(zhǔn)確性和可靠性。基于DWM1001 模塊的叉車防撞系統(tǒng)具有價(jià)格親民，精確度高等突出特點(diǎn)，滿足工廠大規(guī)模使用的條件。另外該設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有可行性和實(shí)用性，足以適應(yīng)工廠里的復(fù)雜環(huán)境，為提高叉車的安全系數(shù)做出技術(shù)支持。