基于UWB技术在料框跟踪系统的研究

2023-11-16刘艳辉吝健全邱永刚

科学与信息化 2023年21期

刘艳辉吝健全邱永刚

郑州宝冶钢结构有限公司河南郑州 450000

引言

在钢结构生产车间管理过程中，零件料框的定期盘点和监视是车间管理的关键工作，要实时了解料框零件的位置，传统料框跟踪管理主要是人工标记﹑记录等管理模式，这种管理模式的弊端在于速度慢﹑散乱﹑复杂等缺点，让料框位置监控管理变得烦琐，大大减低工人的效率。为了实现料框高效管理，本文提出一种基于UWB技术结合三边定位算法[2]，基于Java EE的多平台料框设备管理系统搭建的核心是以料框定位模块，该模块用互联网技术精确运算料框位置。

1 UWB料框跟踪系统总设计

UWB[3]具有传波速度快﹑定位精度精确等特点被广泛应用于室内定位。UWB无线信号作为载体与到达时间定位三边定位算法[4]相结合，设计出一款定位性能较好的室内料框定位系统。UWB料框跟踪系统主要由UWB模块（标签）﹑信号基站和上位机定位算法软件组成成。UWB定位模块和信号基站通过双边双向测距[5]算法实现对料框位置的定位，UWB模块发送定位指令，信号基站接收到定位信号，从信号基站开始传输数据，定位数据集中传送到主信号基站进行料框位置解算，从而解算出UWB模块位置完成定位。

2 料框跟踪系统的硬件设计

料框跟踪系统的硬件由UWB模块和厂房4个基站组成，该定位系统的UWB定位模块和信号基站构成料框定位系统硬件层。其硬件电路包括STM32控制模块﹑供电模块﹑UWB定位模块﹑蓝牙传送模块4部分[6]。STM32控制模块主要负责采集定位信号﹑存储处理﹑发送定位信号﹑接收料框跟踪系统电路的控制数据，供电模块为整个料框跟踪系统提供电力管理，蓝牙传送模块主要作用于与上位机数据互通。

图1中STM32控制器选用的芯片型号为STM32F103C8T6，UWB定位模块型号是DW1000定位芯片[7]。DW1000定位芯片是料框定位系统的核心组成部件，用SPI连接DWM1000与STM32F103C8T6模块，料框跟踪系统还包含外部配置存储器﹑时钟使能等硬件配置。

图1 料框跟踪系统硬件框架图

图2 料框UWB定位料框

2.1 UWB无线收发模块

UWB定位模块所选用型号为DW1000芯片，此定位模块具有超宽带无线收发功能，用户不需要考虑天线设计。DWM1000芯片的供电为3.6V，定位模块主机接口形式为 SPI。

DWM1000芯片用于室内定位系统的精度为10cm，定位信号数据传输速率为6.8Mb/s，信号最大传送距离是为300米。DWM1000芯片对于多路径信号衰弱的抗干扰能力更强，DWM1000芯片凭着可靠信号通信，功率消耗小，供电使用时间长等特点广泛应用于实时定位系统和无线传感网络。

3 料框定位算法

3.1 三边定位算法

选择UWB信号传播模型，再选择合适定位算法就可以算出定位终端的位置信息。本文选择测距定位的基础定位算法——三边定位算法[8-10]，简单介绍测距定位的基本定位过程。如图3所示通过圆模型计算定位终端的位置信息——三边定位算法，A﹑B和C为已知位置信息的AP，A﹑B和C是圆心且圆的半径为测试点到圆心的距离。

图3 三边定位算法工作原理图

通过图3可以看出，料框定位终端测得与最近3个AP的信号值，根据信号传播模型就可以计算出圆的3个半径，3个圆交汇的地方就是室内运动载体的位置[11-13]。假设3个固定AP的坐标分别为载体到AP距离分别为假设室内运动载体D的位置坐标为，则三边定位算法的公式如下：

3.2 料框定位算法实现

上位机软件程序中用到了3.1中所提到的三边定位模型的原理。设备Device A 收到定位信号之后，立刻返回信号，最终得到Tround1﹑Treply1﹑Tround2﹑Treply2时间差。利用信号测距过程如下：Device A发送定位指令，Device B响应，规定Device A为定位模块标签，而Device B就是信号基站。Device A发出定位信息并记录发送时间TX，等待Device B基站接收。Device B到定位指令，发送定位信息至Device A标并记录接收时间RX，最后向基站发送final指令，Device B基站收到final，表示此次测距结束。