斗輪機防撞系統設計與實現

安百俊，李桐滿

（1.寧夏銀星能源股份有限公司，寧夏銀川 750021；2.武漢烽火技術服務有限公司，湖北武漢 430205）

近年來，有限空間的定位需求呈現快速增長趨勢[1]，對人員、物品以及裝備的位置識別方面的精準定位服務需求旺盛，尤其是在工廠人機物料定位管理、無人搬運車定位(Automated Guided Vehicle，AGV)等環境下，對精準定位提出更高要求。精準定位技術呈現多種形式，目前一些常見的室內定位技術主要包括藍牙定位技術、Wi-Fi 定位技術、射頻定位技術（Radio Frequency Identification，RFID）、超聲波定位技術以及UWB 定位技術等[2]。這些技術近年來逐步應用于封閉工廠、商場、車站等多種環境中。

儲煤棚作為一種大型的中轉煤場建筑，煤場中斗輪機的運作需要定位監視。在儲煤棚現場電磁干擾強，斗輪機有鋼架鋼板等障礙物，需要選擇合適的定位技術，以滿足強抗干擾、強穿透、低功耗和高精度的要求[3]。文中通過UWB 定位技術的工程化應用，開發出一套具有防撞功能的精準定位軟件和監測系統，以滿足儲煤棚環境中斗輪機的精確定位。

1 斗輪機室內定位分析

儲煤棚長度達到幾百米，高度達到50 m，屬于大型建筑。斗輪機取料臂在靠近儲煤棚支撐柱取煤時，容易發生機械碰撞故障，中轉煤場的停運會造成生產事故，并會影響煤場后續的生產工作。斗輪機取料臂在靠近儲煤棚支撐柱可能發生碰撞故障，需要在取料臂靠近支撐柱前約5～6 m處預警[4]，提醒駕駛員在取煤時要注意取料臂的側邊可能碰撞支撐柱。針對儲煤棚可能發生的潛在的故障危險，需要開發滿足室內定位的斗輪機防撞方法。文獻[5]對室內三維高精度定位、室內三維精細化模型構建、三維場景下的路徑規劃方面，分析了室內定位技術的發展趨勢。文獻[6]對常見室內定位方法進行了分類，并分析了幾種常見的室內定位方法的優缺點。室內定位方法對比如表1所示。

表1 室內定位方法對比表

文中以某封閉儲煤棚為模型，建立了室內具有24 根支撐柱、支撐柱從東到西間隔50 m 分布的封閉環境。兩臺斗輪機分別部署在支撐柱的南部和北部區域。防撞系統要求兩臺斗輪機機械臂在靠近支撐柱時有預警提示，同時兩臺斗輪機機械臂相互之間具有預警功能[7]。通過對室內定位方法的對比，選取通信距離長、定位精度高、時延性短、抗干擾性強、數據傳輸率大的UWB 超帶寬定位方法。

2 UWB定位技術分析

UWB 是一種利用納秒級的非正弦波窄脈沖的新型的無線通信技術[8]。UWB 技術將脈沖信號通過正交頻分調制擴展到一個較寬的頻譜傳輸信號。UWB 定位算法通常有以下幾種：TOA（Time Of Arrival，到達時間）定位算法、TDOA（Time Difference Of Arrival，到達時間差）定位算法、AOA（Angle Of Arrival，到達角度）定位算法、TOF(Time Of Flight，飛行時間)定位算法和融合定位算法[9]。DWM 模塊采用TOF 定位算法，通過計算目標節點與基站之間電磁信號的飛行時間，確定標簽與基站之間的距離。

DWM 模塊三邊測量模型如圖1 所示。通常三個基站即可確定一個平面坐標，第四個基站可以確定空間坐標。在確定基站的位置坐標后，利用波速與時間差的乘積計算目標標簽到基站的距離[10]。

圖1 三邊測量模型

在該方案設計中，在駕駛室里和斗輪機的取料臂和支撐柱的周圍，使用基于無線DWM1000 芯片的UWB 定位模塊，定位模塊分為基站A 和標簽T單元[11]。充分發揮UWB 定位模塊在室內定位中的以下優勢：①基站的數量越多、定位也越精確；②有線同步定位效果比無線同步定位效果好；③有線同步器提供相同時鐘參考值。同時，要滿足駕駛室里響應報警信息，需要在駕駛室布置一套主基站用于報警提示。因此，制定四種定位策略，如表2 所示。

表2 定位策略

分析UWB 模塊技術文件[12]可知，方法一現場支撐柱和駕駛室之間不能使用有線連接；方法二多個支撐柱之間的基站通信需要另加一套通信協調單元，增加了系統的復雜程度；方法三成本小，定位精度高；方法四整體系統降低了成本，但是定位精度降低。綜合以上同步方式、可行性成本和定位精度選擇方法三作為文中定位方法。

3 系統設計

3.1 通信模塊設計

UWB 定位系統如圖2 所示。安裝于斗輪機駕駛室內的主基站每次計算后實時顯示當前計算的最近距離，并通過將得到的近似解與預設危險值進行比對，判斷是否產生預備發生碰撞的危險，當發現危險時對斗輪機的控制室進行自動報警。系統主基站[13]包括PC 顯示屏、DWM 通信模塊、TTL 轉USB 模塊和Lora 模塊，主基站接收端硬件框圖如圖3 所示。從基站為DWM 定位模塊和電源模塊，標簽為DWM 標簽模塊和電源模塊。

圖2 UWB定位系統構成圖

圖3 通信模塊的硬件框圖

3.2 軟件設計

按照定位模塊工作流程制定主基站STM32 程序。定位模塊上電后，斗輪機在正常運行中對目標堆料進行取料時，駕駛室上的主基站打開通信頻道，接收斗輪機上四個從基站在通信范圍內可達的所有標簽通信測距信息，從基站實時獲取該斗輪機相對標簽的距離，然后主基站根據空間四點定位算法計算斗輪機與支撐柱的距離，實時計算距離值與警戒值比較[14]。設置警報參數600 cm，若監控的警戒值小于600 cm，PC 端發出警報并語音提醒操作人員在此處容易發生機械碰撞。主函數程序流程如圖4所示。

圖4 主函數程序流程圖

3.2.1 數據寫入

在程序初始化后，FLASH 寫入操作檢查，當系統的FLASH 空間準備好后，開始數據的收集計算。從基站在發出信號收集指令后，使用卡爾曼濾波算法[15]對串口數據進行收集處理，對所得的四個從基站數據進行分組計算，得到各從基站相對于支撐柱標簽的空間坐標方程組關系。在數據操作長時間未完成時，提醒系統超時操作。

3.2.2 方程組求解

進一步計算得到支撐柱標簽在取料臂從基站坐標結構系內的三維坐標值，累計分組得到支撐柱標簽的距離值，采用補償值進行迭代修正，以得到各支撐柱在斗輪機取料臂坐標系內的實時修正距離值[16]。若方程組沒有解，則重新收集數據。

3.2.3 報警值

距離值與報警值比較后，當小于或等于報警值時，進入報警程序響起報警聲音。報警程序結束后，進入新一輪的數據收集與計算，通信與計算的功能值歸零；若距離值大于報警值，則退出報警程序取消報警聲音，通信與計算的功能值歸零后進入新一輪計算。

4 現場布局

在系統應用中，在駕駛室安裝主基站，在取料臂四周布置從基站，在支撐柱上布置標簽。從基站之間采用有線同步時鐘連接，從基站與標簽之間采用無線連接。主基站與主基站之間采用LoRa 設備數據傳輸，主基站與其他斗輪機的主基站進行通信，從而相互協調。主基站通過采集取料臂從基站的數據控制所在斗輪機上的從基站，主基站負責計算從基站到標簽的距離和報警。標簽負責響應從基站的測距信號，從基站控制標簽工作，給所在斗輪機的主基站提供基準坐標。

斗輪機防撞系統安裝示意圖如圖5 所示。斗輪機駕駛室安裝一臺主基站，取料臂四周安裝四臺從基站，每根支撐柱安裝四臺標簽?，F場兩臺主基站，同時與從基站通信增加了主基站的工作量，兩臺主基站通過LoRa 設備通信后輪流工作，當主基站A 與從基站信息交互時，主基站B 不允許發送，只允許接收。當主基站B 工作時，主基站A 與從基站不允許發送，只允許進行接收，用LoRa 設備協調主基站A與主基站B 的工作時間。

圖5 防撞系統安裝示意圖

按照硬件安裝圖在斗輪機上安裝主從基站，并在儲煤棚內的支撐柱上安裝相應的標簽。安裝后給主從基站及標簽通電，并連接分組從基站的同步時鐘線，減少了定位的速度。駕駛室里PC 顯示屏連接主基站，主基站程序獲取安裝于斗輪機從基站、標簽的距離后，應用幾何算法監控測算點位置實時推算所剩安全距離。通過與預設危險值進行比對，判斷是否發生碰撞，并傳給駕駛室PC 顯示屏顯示及發送報警提示。斗輪機防撞從基站實物連接圖和系統距離參考值如圖6 所示。

圖6 斗輪機防撞系統距離參考值

5 結論

通過室內定位方法對比選擇UWB 定位技術，利用UWB 模塊進行無線數據傳輸，對防撞系統的硬件和軟件進行設計。防撞系統利用卡爾曼濾波算法對從基站數據融合求得支撐柱標簽的距離值，實現了斗輪機防撞系統預警，現場測試效果良好。對于室內定位通過布置多基站組成網絡通信并用濾波算法計算位置信息，對于解決大面積儲藏庫定位問題具有參考價值。