叉车智能防撞预警系统的研究与开发

何靖

摘要：在智能化车间和现在实际应用中，叉车的碰撞问题始终是一个重要的研究方向。本文针对叉车的碰撞问题提出了一个可行的研究办法采用UWB技术比以往采用的超声波技术具有更高的准确性和可靠性。基于DWM1001模块的叉车防撞系统具有价格亲民，精确度高等突出特点，满足港口大规模使用的条件。另外该设计系统具有可行性和实用性，足以适应港口里的复杂环境，为提高叉车的安全系数做出技术支持。

关键词：叉车;UWB技术;测距;防撞;DWM1001模块

叉车防撞系统包括叉车和港口厂区门所安装的锚节点、工人所携带的标签节点签。叉车防撞系统具有三个主要作用：一是叉车与工人近距离报警;二是叉车与叉车近距离报警;三是叉车靠近港口厂区门报警提示。标签节点可以安置在工人的安全帽、工作服和员工身份卡片上，当叉车靠近工人时锚节点测量与工人所携带的标签节点之间距离，经过锚节点中的处理器判断，当距离达到危险范围啥报警器响起，提醒叉车司机注意行人。叉车与叉车之间靠近时，两个锚节点相互测量彼此距离，当进入危险区域时，双方报警器同时报警。当叉车靠近港口厂区门时，进入一定距离范围内，两个锚节点上的报警器同时报警，既提醒叉车司机小心慢行，又可以提醒将要通过门的行人注意叉车。

1硬件模块设计

本次设计硬件选用STM32F072CBT6芯片和DWM1001模块搭配其他外设使用。电源模块是将外输入的+5V电压提供给STM32微型芯片，并将+5V电压转换为+3.3V和1.8V为UWB射频收发模块供电。UWB射频收发模块主要是由DWM1001模块构成，用于发送和接收无线电磁波信号。EEPROM是用来储存DWM1001运行模式的必要信息。STM32F072CBT6微型芯片作为整个系统的中央处理器，控制UWB射频收发模块，并处理由UWB射频收发模块传来的信息，从而做出距离判断，控制报警器是否响应。标签节点同为基于DWM1001模块所设计的有源标签，但是不含有报警器，用来收发电磁波信号，并将延迟时间传送到锚节点，不会对距离信息做出判断。

2软件算法设计

2.1软件设计流程

本次设计选用KeiluVision5开发工具，采用c语言进行编程。采用模块化设计各个子程序，首先根据整个防撞测距系统的要求，做出系统整体的设计流程，然后再将整体系统分为各个不同的模块，在完成各个模块的设计编程调试等工作后，再将各个模块进行整合调试。

本整体设计作为系统的主程序，包含系统所对应的各个子程序模块，并且主程序作为整个系统的中枢，承担着协调安排各个模块子程序的功能。主系统的主要任务是完成DWM1001的初始化和测距功能，并实现对DWM1001的配置及存储。

2.2算法原理

采用基于无线电磁波传播时间计算传播距离的飞行时间（time of fly，TOF）方法，运用双向测距（Two-Way Ranging，TWR）算法提高测距的精度。

TOF方法是通过两个设备之间的无线电飞行时间来计算距离的，设备相距的距离是用无线电磁波的传播速度乘其飞行时间计算的。若有由一对DWM1001模块组成设备，分别为锚节点A和标签节点T，作为无线电磁波信号发起者的锚节点A具有发起测距的功能，标签节点T可以接收和响应无线电磁波信号，那么TWR测距的基本原理如下：锚节点A发射无线电磁波信号给标签节点T，同时并记下发送时间戳t1，标签节点T接收到无线电磁波信号并在一个规定的时间延迟后再给A应答一个信号，记延迟时间tdelay，最后A收到T的应答信号并记下接收时间戳t2。

根据锚节点A的时钟信号，记录下来自己的发送时间戳t1和接收时间戳t2，可得出无线电信号往返的时间：

tround=t2-t1

又有标签节点T根据自身时钟信号得知延迟时间tdelay，那么无线电的飞行时间为：

tfly=1/2（tround-tdelay）=1/2（t2-t1-tdelay）

若假设无线电信号的传播速度为光速c，则锚节点A和标签节点T之间的距离L为：

L=c×1/2（t2-t1-tdelay）

2.3误差分析

TWR测距方法，虽然不要求两个节点的时间是否同步，但是我们考虑到不同的设备之间的晶振会由于温漂而引起时钟测量的误差。我们假设eA和eT分别为锚节点和标签节点由于温漂引起的时钟漂移，如果考虑到eA和eT带来的影响，那么飞行时间tfly^可以表示：

tfly^=1/2（tround（1+eA）-tdelay（1+eT））

測量值和实际值之间的差值可以表示为：

ΔT=tfly^-tfly=tfly×eA1/2+tdelay（eA-eT）

由于tdelay的值远大于tfly的值，故tfly可以忽略，这样公式可以化简为：

Es=1/2tdelay（eA-eT）

由公式可得当eA和eT一定时，随着tdelay的增大误差也会增大。如果标签节点的延迟时间较长的话，那么所产生的距离误差是非常大的。我们可以根据TWR测得距离值与实际的基准距离值作比较，然后再不断调整系统的延迟时间，从而消除误差。

3功能测试

前面详细介绍了系统硬件方面的设计，在实际的制作过程中做出了硬件电路的PCB，依据原理图的走线对硬件进行焊接。在硬件完成之后根据DWM1001C的使用指导对硬件进行了功能能测试，在测试没有问题后给板子搭建测试环境，刷入固件。在一切顺利完成之后，将在完成的软件部分进行调试和写入，注意区分锚节点和标签节点。至此智能防撞系统的设计已基本完成。

为了测试锚节点和标签节点的准确性，在实验室内进行了实地测试，测试距离为1.5m。在实际测试过程中，可实现近距离报警功能，误差在接受范围内。

4结论

叉车是智能化车间中重要的一环广泛应用于港口厂区，本次研究主要是解决叉车在生产中的碰撞问题，采用由Decawave公司生产的DWM1001模块所设计的叉车智能防撞系统。该系统是采用基于UWB技术的TWR测距方法进行距离测量，这种方式需要在叉车、人和门安装UWB测距模块。由于该技术具有很强的抗干扰性，不会对常用设备产生干扰，能够满足港口中各种工作环境的需要。本此设计采用了模块化设计思想，阐述了各个模块的硬件组成和软件设计的思路。

参考文献

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