倉儲物流作業中動態資源定位精度分析

曾 瑞，劉志鋼，羅紫君

（上海工程技術大學 城市軌道交通學院，上海 201620）

0 引言

隨著現代倉儲物流業的蓬勃發展，物流體系不斷完善，越來越多的物流活動被集成化管理，如包裝、裝卸搬運、運輸、倉儲、流通加工、物流信息等。為了使各項物流活動能夠有機結合，達到相互協調的標準化、快速化、一體化的運作效果，實現倉儲庫區信息數字化、設施設備智能化、資源網絡化、日常管理可視化等功能具有重要意義。而上述功能的實現需要借助室內的高精度定位和實時通信傳輸。

目前，無線定位技術主要通過不同的應用場景區分為室外定位和室內定位。室外定位主要依靠全球衛星導航系統（GNSS），包括GPS、伽利略和我國的北斗衛星導航系統等。雖然基于GNSS的定位技術具有全地域、全時域、精度高、抗干擾等特點，但衛星信號的穿透力較弱，不能穿透建筑物設施，僅適用于戶外開放場景，難以滿足室內倉儲作業中對資源定位的需求。隨著室內導航定位需求的不斷增長，現在主流的室內定位技術根據傳輸信號的不同可分為藍牙、紅外、ZigBee、WiFi、RFID和UWB定位技術等。其中，與UWB技術的厘米級定位精度相比，其他五種技術的定位精度為3~10m，且所用信號的抗干擾能力和穿透能力均較弱。因此，UWB技術在高精度室內定位領域有著無可比擬的優勢，引起了社會各界的廣泛關注，多應用于變電站、煤礦井下、航空、監獄看守所等環境中的人員和設備監管。

一些研究人員認為，超寬帶技術的定位精度會受到外部條件的影響。丁震等在測試中發現定位環境中粉塵濃度會對UWB測距產生較大誤差。黃波等發現寬度方向的定位誤差與最近的傳感器與傳感器與標簽之間的垂直高度呈正相關，并且最大誤差易出現在兩個UWB錨點之間。孫小文等在對倉儲環境下農資物品與自動導引運輸車定位的研究中得出結論，農資倉庫環境下UWB技術的靜態測距與定位精度優于50mm，動態定位精度優于85mm。為了避免現有倉儲物流運行環境對倉庫內資源定位精度的影響，迫切需要分析其中可能存在的影響因素。

本文針對UWB技術的定位精度選擇建筑內部場景進行可控實驗，分析資源運動速度，標簽密度和信號傳播條件對動態資源定位精度的影響，為UWB定位技術在倉儲物流作業中的實際應用提供參考依據。

1 試驗設置

由于定位設備精度的限制和測量環境的復雜性，測量節點發送的信號參數在空間傳輸后往往存在誤差，使得節點的測量位置偏離實際位置。為了分析UWB定位技術對動態資源定位精度的影響因素，本文從資源運動速度，標簽密度及信號傳播條件這三個角度，遵循控制變量法，設計了三組可控試驗，表1記錄了試驗工況的詳細設置。其中，V、V、V是三種標簽的運動速度，ρ、ρ、ρ是三種同時運動的標簽的設置密度，LOS（Line of Sight）、NLOS（Non Line of Sight）分別代表無線信號發射端和接收端之間以直達波和非直達波的方式進行傳播。此外，每組試驗工況分別在信號傳輸頻率為1Hz和5Hz的條件下進行三次重復試驗，以防止偶然的數據誤差影響試驗結果的準確性。試驗工況設置如表1所示。

表1 試驗工況設置

筆者選取某高校倉儲實驗室布設四臺兼容TOF和TDOA定位算法的U3000-W防水定位基站，空間坐標分別為（51.16,46.21,2.85），（60.13,46.33,2.85），（50.76,36.24,2.85），（59.11,35.73,2.85），（文中坐標單位：m），用于接收定位標簽的位置信號，試驗場景如圖1（a）所示。為了測量動態標簽的速度對各個節點定位精度的影響，使用電動軌道車牽引UWB定位標簽。由于定位標簽設置在物體頂部時得到的數據效果最佳，因此文中定位標簽均設置在電動軌道車頂部，如圖1（b）所示。電動軌道車和標簽的實際運動路徑如圖2所示。根據電動軌道車的設備規格，可以產生三種不同速度水平的等速運動。試驗中研究了速度對動態資源位置估計精度的影響，因此電動軌道車保持等速運動十分重要。試驗進行前，以毫秒為精度分別測量了V、V、V三個速度水平下電動軌道車運行15圈的單圈耗時，測量結果如圖3所示。其中，三個速度對應耗時的方差分別為0.004s、0.007s和0.012s，較小的方差值表明了電動軌道車等速運動的穩定性和多次實驗的可重復性。

圖1

圖2 電動軌道車軌道和標簽的實際運動路徑

圖3 V1、V2、V3對應的單圈耗時T1、T2、T3

為了獲取UWB定位標簽的實際位置，使用激光測距儀確定軌道中心定位點A的坐標（55.54,40.17），在定位點A上方垂直架設一臺實驗攝像機（1 980*1 080pixel，30fps），記錄標簽運動軌跡。同時，基于定位點A建立平面坐標系，通過視頻處理（Tracker）獲得運動過程中UWB標簽的實際位置，并與UWB設備的測量位置進行精度分析。

每次試驗中，UWB定位標簽測量的位置數據均為10圈，從起始點B開始順時針運動，回到起始點B結束。另外，由于電動軌道車需要加速時間來實現試驗所需的等速運動，所以軌道車在UWB設備開始記錄之前需要完成兩圈預運行來達到目標速度。由于軌道水平放置在實驗工作臺上，UWB定位標簽的高度在試驗過程中不會改變，因此本研究僅涉及水平面上的二維定位精度分析。

2 定位精度計算方法

定位精度是衡量UWB定位設備對資源位置測量準確性的重要評價指標。目前，針對無線定位技術常用的指標主要包括：均方誤差（MS E）、均方根誤差（RM SE）、圓概率誤差（CE P）、克拉美羅下界（CR LB）、累積概率分布（CD F）等。鑒于試驗中獲取的數據為UWB標簽在運動過程中的實際位置（X,Y）、測量位置（x,y）以及二者對應的時間t，本文通過計算目標節點的實際位置和測量位置間的距離均方根誤差DRMS（The Distance Root Mean Squared）來反應測量位置偏離實際位置的程度，如公式（1）所示。

式中：N為電動軌道車運行中設備測量節點的個數，DRMS的數值越小表明UWB設備定位精度越高。

為了分析試驗工況中各條件變量改變后定位精度的變化，引入了相對誤差RF的概念，用于量化同組間定位精度的變化程度，如公式（2）所示。

式中：A和a分別對應一種試驗工況（表1），RF的數值越大表明該變量產生的定位精度變化程度越大。

3 定位精度試驗結果分析

本節中，對資源運動速度、標簽密度、信號傳播條件三種可能影響UWB定位精度的條件變量進行分析，分別計算了每次試驗對應的距離均方根誤差（DR MS）和同組試驗之間的相對誤差（RF）。此外，針對試驗中動態標簽的實際軌跡和基于UWB技術的測量軌跡進行可視化，便于直接觀測測量軌跡的準確程度（實際軌跡為黑色線，測量軌跡為灰色點線）。其中，標簽的實際軌跡以3幀（0.1s）作為增量進行坐標取值，測量軌跡以1Hz的頻率進行坐標取值。

3.1 標簽運動速度。I組試驗中，電動軌道車搭載1個UWB標簽以三種不同的速度進行勻速運動（V=0.21m/s，V=0.31m/s，V=0.41m/s）。圖4記錄了三種速度下UWB標簽測量位置的DRMS值（a）以及與實際運動軌跡相比的測量軌跡（b）。試驗結果表示，在定位不同速度下的動態資源時，UWB技術的定位精度可以控制在0.096m以內。并且數據還表明，定位誤差隨著速度的增加而減小。適當提高定位對象的運動速度可以有效提高UWB技術的定位精度。從定位軌跡對比圖也可以清楚的看出，隨著速度的增加，標簽的測量軌跡與實際軌跡的一致性更高。

圖4

此外，通過計算兩個連續速度之間的相對誤差發現，速度越高，定位精度收斂的程度越高。當速度從V變化到V時，速度增量為0.1m/s，相對誤差為5.56%（1Hz）和5.88%（5Hz），而當速度從V變化到V時，速度增量為0.1m/s，相對誤差為7.29%（1Hz）和7.87%（5Hz）。當然，該結論是在本試驗速度范圍內獲得，需要以更多的速度水平進行多次試驗才能得出更具有一般性的結論。

3.2 標簽密度。在實際的室內倉儲資源定位中，通常面臨UWB基站和定位標簽數量較多的問題，標簽在高密度設置條件下，傳輸的信號之間會相互干擾。II組試驗中，電動軌道車在單位面積內分別搭載了1個、3個和8個UWB標簽，以V的速度水平保持勻速運動。圖5記錄了三種標簽密度下UWB標簽測量位置的DRMS值（a）以及與實際運動軌跡相比的測量軌跡（b）。試驗結果表明，隨著標簽密度的增加，定位誤差增大。當定位標簽信號傳輸頻率為1Hz時，定位誤差均小于0.089m，仍能達到10cm以內的定位精度。而當信號傳輸頻率為5Hz，標簽密度從3PCs./m變化到8PCs./m時，定位誤差急劇增加，相對誤差為36.78%。因此，降低待定位資源的定位標簽的設置密度和信號傳輸頻率，可以有效提高對動態資源的定位精度。

圖5

3.3 信號傳播條件。在室內環境中，由于建筑空間的復雜性和局限性，UWB信號的發射端和接收端之間不可避免地存在障礙物，因此信號無法以直達波的形式傳輸。UWB信號在此類NLOS傳輸過程中經常會出現反射、衍射、折射等現象，導致多徑效應的出現。當定位信號通過不同的傳輸路徑到達每個接收端時，它們根據各自的數據相互疊加，導致原始信號受到干擾，測量結果出現較大的誤差。III組試驗中，在電動軌道車的軌道四周設置高2m的隔板，用于模擬NLOS信號傳播條件。圖6記錄了LOS和NLOS條件下UWB標簽測量位置的DRMS值（a）以及與實際運動軌跡相比的測量軌跡（b）。試驗結果表明，非視距傳播會極大地影響UWB技術的定位精度。當動態單定位標簽信號傳播條件從LOS變化為NLOS條件時，定位誤差分別從原先的0.08m（1Hz）和0.082m（5Hz）增長到0.129m（1Hz）和0.151m（5Hz），相對誤差分別達到了61.25%（1Hz）和84.15%（5Hz）。因此，將定位標簽設置在待定位對象的頂部，減少定位標簽與UWB定位基站之間的障礙物，從而避免NLOS傳播條件對動態資源定位精度的顯著影響。

圖6

4 結論

本文基于UWB技術對倉儲物流作業中動態資源定位精度的試驗研究，詳細分析并驗證了資源的運動速度、定位標簽的設置密度、信號傳播條件及信號傳輸頻率等因素對UWB定位精度的影響。

（1）UWB定位技術對于建筑內動態資源的定位精度可以有效保持在10cm左右，能夠充分滿足倉儲物流作業中對于人員、車輛及重要物資和設備的定位監控的精度要求。（2）隨著動態資源的運動速度增加，定位精度逐漸提高，動態資源的測量軌跡和實際運動軌跡更加吻合。（3）高密度的UWB定位標簽會造成信號的多址接入干擾，出現較大的定位誤差。特別在信號傳輸頻率為5Hz，標簽密度從3PCs./m增加到8PCs./m時，定位誤差增加了36.78%。（4）非視距NLO（ ）S傳播會導致基于UWB定位技術的位置測量結果出現極大的偏移，試驗中所測量出的最大相對誤差為84.15%。因此，采取資源頂部定位、減少UWB信號發射端和接收端之間的障礙物等方法能大大提升UWB技術對動態資源的定位精度。（5）本研究為UWB定位技術在倉儲物流作業中的應用提供了參考依據，同時滿足了檢測該技術在倉儲環境下的定位精度需求，具有較高的理論價值和實際應用價值。