叉車智能防撞預警系統的研究與開發

何靖

摘要：在智能化車間和現在實際應用中，叉車的碰撞問題始終是一個重要的研究方向。本文針對叉車的碰撞問題提出了一個可行的研究辦法采用UWB技術比以往采用的超聲波技術具有更高的準確性和可靠性。基于DWM1001模塊的叉車防撞系統具有價格親民，精確度高等突出特點，滿足港口大規模使用的條件。另外該設計系統具有可行性和實用性，足以適應港口里的復雜環境，為提高叉車的安全系數做出技術支持。

關鍵詞：叉車;UWB技術;測距;防撞;DWM1001模塊

叉車防撞系統包括叉車和港口廠區門所安裝的錨節點、工人所攜帶的標簽節點簽。叉車防撞系統具有三個主要作用：一是叉車與工人近距離報警;二是叉車與叉車近距離報警;三是叉車靠近港口廠區門報警提示。標簽節點可以安置在工人的安全帽、工作服和員工身份卡片上，當叉車靠近工人時錨節點測量與工人所攜帶的標簽節點之間距離，經過錨節點中的處理器判斷，當距離達到危險范圍啥報警器響起，提醒叉車司機注意行人。叉車與叉車之間靠近時，兩個錨節點相互測量彼此距離，當進入危險區域時，雙方報警器同時報警。當叉車靠近港口廠區門時，進入一定距離范圍內，兩個錨節點上的報警器同時報警，既提醒叉車司機小心慢行，又可以提醒將要通過門的行人注意叉車。

1硬件模塊設計

本次設計硬件選用STM32F072CBT6芯片和DWM1001模塊搭配其他外設使用。電源模塊是將外輸入的+5V電壓提供給STM32微型芯片，并將+5V電壓轉換為+3.3V和1.8V為UWB射頻收發模塊供電。UWB射頻收發模塊主要是由DWM1001模塊構成，用于發送和接收無線電磁波信號。EEPROM是用來儲存DWM1001運行模式的必要信息。STM32F072CBT6微型芯片作為整個系統的中央處理器，控制UWB射頻收發模塊，并處理由UWB射頻收發模塊傳來的信息，從而做出距離判斷，控制報警器是否響應。標簽節點同為基于DWM1001模塊所設計的有源標簽，但是不含有報警器，用來收發電磁波信號，并將延遲時間傳送到錨節點，不會對距離信息做出判斷。

2軟件算法設計

2.1軟件設計流程

本次設計選用KeiluVision5開發工具，采用c語言進行編程。采用模塊化設計各個子程序，首先根據整個防撞測距系統的要求，做出系統整體的設計流程，然后再將整體系統分為各個不同的模塊，在完成各個模塊的設計編程調試等工作后，再將各個模塊進行整合調試。

本整體設計作為系統的主程序，包含系統所對應的各個子程序模塊，并且主程序作為整個系統的中樞，承擔著協調安排各個模塊子程序的功能。主系統的主要任務是完成DWM1001的初始化和測距功能，并實現對DWM1001的配置及存儲。

2.2算法原理

采用基于無線電磁波傳播時間計算傳播距離的飛行時間（time of fly，TOF）方法，運用雙向測距（Two-Way Ranging，TWR）算法提高測距的精度。

TOF方法是通過兩個設備之間的無線電飛行時間來計算距離的，設備相距的距離是用無線電磁波的傳播速度乘其飛行時間計算的。若有由一對DWM1001模塊組成設備，分別為錨節點A和標簽節點T，作為無線電磁波信號發起者的錨節點A具有發起測距的功能，標簽節點T可以接收和響應無線電磁波信號，那么TWR測距的基本原理如下：錨節點A發射無線電磁波信號給標簽節點T，同時并記下發送時間戳t1，標簽節點T接收到無線電磁波信號并在一個規定的時間延遲后再給A應答一個信號，記延遲時間tdelay，最后A收到T的應答信號并記下接收時間戳t2。

根據錨節點A的時鐘信號，記錄下來自己的發送時間戳t1和接收時間戳t2，可得出無線電信號往返的時間：

tround=t2-t1

又有標簽節點T根據自身時鐘信號得知延遲時間tdelay，那么無線電的飛行時間為：

tfly=1/2（tround-tdelay）=1/2（t2-t1-tdelay）

若假設無線電信號的傳播速度為光速c，則錨節點A和標簽節點T之間的距離L為：

L=c×1/2（t2-t1-tdelay）

2.3誤差分析

TWR測距方法，雖然不要求兩個節點的時間是否同步，但是我們考慮到不同的設備之間的晶振會由于溫漂而引起時鐘測量的誤差。我們假設eA和eT分別為錨節點和標簽節點由于溫漂引起的時鐘漂移，如果考慮到eA和eT帶來的影響，那么飛行時間tfly^可以表示：

tfly^=1/2（tround（1+eA）-tdelay（1+eT））

測量值和實際值之間的差值可以表示為：

ΔT=tfly^-tfly=tfly×eA1/2+tdelay（eA-eT）

由于tdelay的值遠大于tfly的值，故tfly可以忽略，這樣公式可以化簡為：

Es=1/2tdelay（eA-eT）

由公式可得當eA和eT一定時，隨著tdelay的增大誤差也會增大。如果標簽節點的延遲時間較長的話，那么所產生的距離誤差是非常大的。我們可以根據TWR測得距離值與實際的基準距離值作比較，然后再不斷調整系統的延遲時間，從而消除誤差。

3功能測試

前面詳細介紹了系統硬件方面的設計，在實際的制作過程中做出了硬件電路的PCB，依據原理圖的走線對硬件進行焊接。在硬件完成之后根據DWM1001C的使用指導對硬件進行了功能能測試，在測試沒有問題后給板子搭建測試環境，刷入固件。在一切順利完成之后，將在完成的軟件部分進行調試和寫入，注意區分錨節點和標簽節點。至此智能防撞系統的設計已基本完成。

為了測試錨節點和標簽節點的準確性，在實驗室內進行了實地測試，測試距離為1.5m。在實際測試過程中，可實現近距離報警功能，誤差在接受范圍內。

4結論

叉車是智能化車間中重要的一環廣泛應用于港口廠區，本次研究主要是解決叉車在生產中的碰撞問題，采用由Decawave公司生產的DWM1001模塊所設計的叉車智能防撞系統。該系統是采用基于UWB技術的TWR測距方法進行距離測量，這種方式需要在叉車、人和門安裝UWB測距模塊。由于該技術具有很強的抗干擾性，不會對常用設備產生干擾，能夠滿足港口中各種工作環境的需要。本此設計采用了模塊化設計思想，闡述了各個模塊的硬件組成和軟件設計的思路。

參考文獻

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