基于DWM1001 叉車智能防撞系統的設計

王新保 梁建偉

（江西理工大學 電氣工程與自動化學院，江西 贛州341001）

系統整體設計:

叉車防撞系統組成框圖如圖1 所示。包括叉車和廠區門所安裝的錨節點、工人所攜帶的標簽節點簽。

圖1 叉車在廠區UWB 測距防撞示意圖

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。錨節點的整體結構圖如圖2 所示。

圖2 錨節點的硬件設計總體結構圖

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Keil uVision5 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。整體設計流程圖如圖3 所示。

圖3 系統整體設計流程圖

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，測距原理如圖4 所示。

圖4 雙向測距原理示意圖

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：

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：

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，將在第四章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，相關實物展示見圖5。

圖5 錨節點和標簽節點的實物展示

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。實際的測試場景圖見圖6。

圖6 錨節點和標簽節點測試

4 結論

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，滿足工廠大規模使用的條件。另外該設計系統具有可行性和實用性，足以適應工廠里的復雜環境，為提高叉車的安全系數做出技術支持。