基于UWB的船廠物流室內定位系統設計

周 紅， 季 銘， 顧曉波

(1.江蘇現代造船技術有限公司，江蘇 鎮江 212003；2.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

0 引 言

隨著船舶、海工裝備制造業的蓬勃發展，船廠內的生產物流越來越受到造船企業的重視，對產品的制造周期、生產效率和企業運轉成本都發揮著重要的影響。在維持當前生產資料投入的條件下，船企通過優化廠內物流計劃制訂、完善物資定置定位管理、提高廠內物流效率，可在很大程度上節約企業的生產開銷，在保障縮短工期的同時可有序完成生產任務[1]。目前，已有相關單位開發出基于全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System， GNSS)的船廠物流解決方案。這些方案大多根據衛星定位終端，追蹤物流位置信息，僅適用于室外，鋼結構的廠房車間內成為定位盲點，難以滿足企業對室內物流定位的需求。隨著物聯網、無線傳感網絡等技術的發展，基于超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)、藍牙、射頻識別(Radio Frequency Identification， RFID)等的無線定位技術成為研究熱點，而UWB技術擁有更廣泛的應用前景。

1 系統結構

基于UWB的船廠物流室內定位系統總體結構如圖1所示，包括標簽、定位基站、解算引擎和客戶端。標簽用于周期性廣播報文，與基站相互通信，使其被定位；基站用于接收來載標簽的報文，并通過網絡將收到的報文上傳至解算引擎；解算引擎依據收到的報文信息，按照相關算法，計算出待定位標簽(車輛、托盤)的坐標并錄入數據庫；客戶端用于呈現車間道路、工位、車輛、托盤等生產要素的相對位置關系。由于定位基站和解算引擎間采用以太網連接，因此還需要增設必要的網絡設備，如交換機、光收發器(光纖)等。

2 硬件設計

2.1 基站設計

基于UWB的船廠物流室內定位系統，其標簽與定位基站的共同核心為DW1000芯片，遵循IEEE 802.15.4-2011:UWB標準，抗多徑效應能力強[2]，功耗低，定位精度高。

DW1000芯片采用低功耗設計，其標準發射功率只有-42 dBm/MHz。若按照傳統電路設計，標簽與基站間最遠可靠測距距離只有約50 m，勢必造成車間需要部署大量基站以彌補單基站探測范圍小而帶來的覆蓋不足，進而產生巨額部署成本。因此需要對基站的射頻電路做進一步優化，采取適當的措施，增強發射功率并提高接收靈敏度[3]，擴大單基站的覆蓋范圍。

圖1 系統總體結構

定位基站針對傳統基于DW1000的模塊進行電路改進，增加低噪聲放大器(Low Noise Amplifier，LNA)、功率放大器(Power Amplifier，PA)、衰減器和射頻開關，基站采用以太網供電(Power Over Ethernet，POE)。電路原理結構如圖2所示。

圖2 定位基站電路結構

DW1000的射頻信號由發射路徑與接收路徑組成，并通過2個射頻開關控制。添加PA可增強發射功率，提升單基站的覆蓋范圍。在接收路徑上添加LNA可降低接收噪聲系數從而改善基站接收標簽信號的靈敏度。采用POE可改善現場的布線環境，易于安裝和管理。

2.2 標簽設計

UWB標簽部署在車輛等載具上可由電瓶供電，而部署在托盤上則必須使用電池供電，因此優化標簽功耗、提升其續航就顯得較為重要。由于待測對象通常處于運動或靜止狀態，運動位置探測需求大，靜止位置探測需求低，因此可在標簽上添加運動傳感器芯片，根據檢測到的加速度，動態調整UWB標簽射頻電路的工作時間，合理優化報文發送頻次，降低標簽的功耗，延長標簽續航。標簽電路結構如圖3所示。

圖3 標簽電路結構

3 定位算法

目前，常見的UWB定位算法有到達時間(Time of Arrival，TOA)和到達時間差(Time Difference of Arrival，TDOA)。TOA定位通過基站和標簽之間的多次通信實現，基本流程[4]如下：

(1)標簽廣播1個帶有自身編號的輪詢包，記錄發送時間戳并進入接收模式。

(2)基站接收標簽發過來的輪詢包，記錄各標簽編號和到達時間戳。

(3)基站進入發送模式，為避免標簽接收沖突，各基站分別延時一定時隙，依次向標簽回復響應包，并進入接收模式。

(4)標簽收到響應包，記錄時間戳，然后立即回復1個包含發送、接收時間戳及延時信息的結束包給相應基站，隨后進入接收模式。

(5)基站收到結束包并作預處理后上傳至解算引擎，然后回復報告包給標簽，表明1次測距通信結束。

為1次定位，每個基站和標簽之間需要進行4次通信，因此將這種定位方法稱為雙向測距(Two-way-ranging，TWR)。該方法既占用信道又消耗標簽電能，實際應用起來可行性不佳。

TODA由多個時鐘完全同步的基站同時接收來自1個標簽的報文，對于不同位置的基站，同一個標簽的廣播報文到達的時間是不同的。定位算法的主要思想是：1組基站測量的時間差能確立1對雙曲線，其焦點就是兩基站，而待測標簽就是在雙曲線上的某點。在二維情況下的TDOA定位模型[5]如圖4所示。

圖4 TDOA定位模型

假設標簽的坐標是(x,y)，第n(n=1, 2, 3)個基站的坐標是(xn,yn)，因此可得到二維模型標簽的位置為

(1)

式中：r1、r2、r3分別為標簽至各基站的距離。

TDOA最終展現出來的是雙曲線定位模型，但該模型是非線性方程組。非線性方程組的求解過程比較困難，目前的求解算法主要有Fang算法、Chan算法及Taylor算法[6]等。TOA與TDOA的算法設計對比如表1所示。

4 業務邏輯

基于UWB的船廠車間物流定位系統，配合船廠制造執行系統(Manufacturing Execution System，MES)及GNSS，可實現對船舶制造流程中生產資料運輸環節的閉環追蹤，提高運輸效率，增強管理水平，亦可應用于托盤集配，使企業能更好地把控船舶制造周期，降低物流成本。

以運輸環節為例簡述定位系統參與生產環節的業務邏輯(見圖5)：(1)船廠MES系統根據生產計劃指派運輸任務；(2)駕駛人員接收運輸任務；(3)室內和室外的物流定位系統，根據廠區內車輛、貨物位置關系及道路占用情況，規劃行駛路線；(4)車輛行至場地1，待運貨物裝車，駕駛人員在客戶端(手機或個人數字助手(Personal Digital Assistant，PDA)端)確認(上傳)實際裝車貨物信息，此時貨物信息在系統中與車輛坐標綁定；(5)室內和室外的物流定位系統，根據廠區內車輛、貨物位置關系及道路占用情況，規劃行駛路線；(6)車輛行至場地2，卸下貨物，駕駛人員在客戶端確認(上傳)實際卸貨信息，此時貨物信息在系統中與車輛坐標解除綁定。

表1 TOA與TDOA的算法設計對比

圖5 定位系統參與生產環節的業務邏輯

5 結 語

闡述基于UWB的船廠物流室內定位系統的系統架構、硬件電路結構、算法設計思路及業務流程邏輯。該系統契合船舶與海工制造企業的廠內物流信息化、可視化、智能化需求，配合企業的MES，可實現各業務部門對物流信息的共享，增強計劃制訂部門與基層執行部門間的聯動，提高基層執行部門信息反饋的主動性和時效性，有利于提升廠內物流的管理水平。