基于UWB技術在料框跟蹤系統的研究

劉艷輝 吝健全 邱永剛

鄭州寶冶鋼結構有限公司 河南 鄭州 450000

引言

在鋼結構生產車間管理過程中，零件料框的定期盤點和監視是車間管理的關鍵工作，要實時了解料框零件的位置，傳統料框跟蹤管理主要是人工標記﹑記錄等管理模式，這種管理模式的弊端在于速度慢﹑散亂﹑復雜等缺點，讓料框位置監控管理變得煩瑣，大大減低工人的效率。為了實現料框高效管理，本文提出一種基于UWB技術結合三邊定位算法[2]，基于Java EE的多平臺料框設備管理系統搭建的核心是以料框定位模塊，該模塊用互聯網技術精確運算料框位置。

1 UWB料框跟蹤系統總設計

UWB[3]具有傳波速度快﹑定位精度精確等特點被廣泛應用于室內定位。UWB無線信號作為載體與到達時間定位三邊定位算法[4]相結合，設計出一款定位性能較好的室內料框定位系統。UWB料框跟蹤系統主要由UWB模塊（標簽）﹑信號基站和上位機定位算法軟件組成成。UWB定位模塊和信號基站通過雙邊雙向測距[5]算法實現對料框位置的定位，UWB模塊發送定位指令，信號基站接收到定位信號，從信號基站開始傳輸數據，定位數據集中傳送到主信號基站進行料框位置解算，從而解算出UWB模塊位置完成定位。

2 料框跟蹤系統的硬件設計

料框跟蹤系統的硬件由UWB模塊和廠房4個基站組成，該定位系統的UWB定位模塊和信號基站構成料框定位系統硬件層。其硬件電路包括STM32控制模塊﹑供電模塊﹑UWB定位模塊﹑藍牙傳送模塊4部分[6]。STM32控制模塊主要負責采集定位信號﹑存儲處理﹑發送定位信號﹑接收料框跟蹤系統電路的控制數據，供電模塊為整個料框跟蹤系統提供電力管理，藍牙傳送模塊主要作用于與上位機數據互通。

圖1中STM32控制器選用的芯片型號為STM32F103C8T6，UWB定位模塊型號是DW1000定位芯片[7]。DW1000定位芯片是料框定位系統的核心組成部件，用SPI連接DWM1000與STM32F103C8T6模塊，料框跟蹤系統還包含外部配置存儲器﹑時鐘使能等硬件配置。

圖1 料框跟蹤系統硬件框架圖

圖2 料框UWB定位料框

2.1 UWB無線收發模塊

UWB定位模塊所選用型號為DW1000芯片，此定位模塊具有超寬帶無線收發功能，用戶不需要考慮天線設計。DWM1000芯片的供電為3.6V，定位模塊主機接口形式為 SPI。

DWM1000芯片用于室內定位系統的精度為10cm，定位信號數據傳輸速率為6.8Mb/s，信號最大傳送距離是為300米。DWM1000芯片對于多路徑信號衰弱的抗干擾能力更強，DWM1000芯片憑著可靠信號通信，功率消耗小，供電使用時間長等特點廣泛應用于實時定位系統和無線傳感網絡。

3 料框定位算法

3.1 三邊定位算法

選擇UWB信號傳播模型，再選擇合適定位算法就可以算出定位終端的位置信息。本文選擇測距定位的基礎定位算法——三邊定位算法[8-10]，簡單介紹測距定位的基本定位過程。如圖3所示通過圓模型計算定位終端的位置信息——三邊定位算法，A﹑B和C為已知位置信息的AP，A﹑B和C是圓心且圓的半徑為測試點到圓心的距離。

圖3 三邊定位算法工作原理圖

通過圖3可以看出，料框定位終端測得與最近3個AP的信號值，根據信號傳播模型就可以計算出圓的3個半徑，3個圓交匯的地方就是室內運動載體的位置[11-13]。假設3個固定AP的坐標分別為載體到AP距離分別為假設室內運動載體D的位置坐標為，則三邊定位算法的公式如下：

3.2 料框定位算法實現

上位機軟件程序中用到了3.1中所提到的三邊定位模型的原理。設備Device A 收到定位信號之后，立刻返回信號，最終得到Tround1﹑Treply1﹑Tround2﹑Treply2時間差。利用信號測距過程如下：Device A發送定位指令，Device B響應，規定Device A為定位模塊標簽，而Device B就是信號基站。Device A發出定位信息并記錄發送時間TX，等待Device B基站接收。Device B到定位指令，發送定位信息至Device A標并記錄接收時間RX，最后向基站發送final指令，Device B基站收到final，表示此次測距結束。

4 料框定位實際測試

設計完成UWB定位模塊在廠區進行實測，主要測試該料框定位模塊的定位精度和實時跟蹤效果。

實驗地點：鄭州寶冶鋼結構有限公司二車間。

實驗設備：4個基站﹑一個UWB定位模塊﹑一臺裝有定位軟件的電腦。

實驗場景：在二車間范圍內進行，在車間依次將料框定位模塊放置在（1，1）﹑（2，2）﹑（3，3）﹑（4，4）﹑（5，5）﹑（6，6）﹑（7，7）﹑（8，8）﹑（9，9）﹑（10，10）位置進行實測。

實測定位結果與測試點進行對比，并記錄測試數據如下表1所示。

表1 UWB定位模塊實測定位數據

通過記錄數據進行對比發現，定位模塊移動的距離越大時，誤差也在不斷增大，但總體上能夠滿足車間對料框位置的跟蹤。

5 結束語

本文介紹了基于UWB技術在料框跟蹤系統的研究及相應定位算法和實驗數據誤差分析，并經過車間實際測試驗證。該料框跟蹤系統的定位精度能夠滿足車間對料框位置管理需要。此料框定位系統對提高鋼結構行業零件裝配效率具有重要的意義。