CN105303346A - 一种基于uwb的叉车防碰撞系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于UWB的叉车防碰撞系统和方法，该系统包括布置在叉车中的叉车模块和放置在仓库中的仓库模块。叉车模块的功能是：由叉车的蓄电池组，车载平板电脑，UWB阅读器，UWB天线和位于车顶的UWB标签组成。其中，UWB天线和UWB阅读器用串口进行连接，并使用叉车的蓄电池组为UWB阅读器供电。由于UWB标签功耗极低，故采用干电池供电，1节AAA电池即可满足该标签工作一年的电力需求。仓库模块的功能是：包括电源模块、参考标签、UWB天线和阅读器、同步分配器、交换机、服务器和显示器，该UWB天线与UWB阅读器用串口连接后，再通过电缆与同步分配器相连，最后经以太网交换机连接到服务器上。电源模块(即：叉车蓄电池组)采用48V直流电的方式向UWB阅读器供电。

Description

一种基于UWB的叉车防碰撞系统和方法

技术领域

本发明涉及一种基于UWB的叉车防碰撞系统和方法，属于无线通信和物联网技术领域。

背景技术

随着无线通信技术的发展和互联网技术的不断更新，网络中数据处理能力和数据吞吐量飞速增长。人们希望能够从互联网中获得更多信息，将各种物品通过新的无线通信技术接入到互联网中，进行信息的交换和共享，以此实现对物品的远程管理和控制。

在此背景下，物联网应运而生。物联网是指利用局部网络或互联网等通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物等通过各种通信方式联在一起，形成人与物、物与物相联，实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。为了实现物联网中的节点与互联网以及各节点之间的互联，大多数情况下会选择使用短距离无线通信技术。

短距离无线通信没有明确的定义，蓝牙技术、通信距离为5～100米的无线个域网(即WPAN)技术、射频标签(即RFID)、近场通信(即NFC)、超宽带(即UWB)等一些通信技术都可以属于这一范畴，有时红外通信也被划在这一范畴。这些技术的共同点是通信距离不长，一般不超过100米，在实现集成电路内部的连接时通信距离甚至达到微米级。

目前，在现有的短距离无线通信技术中，UWB以其抗干扰能力强、高达几个GHz的带宽、较小的功耗、穿透能力强和良好的保密性等优点广泛应用于地质勘探及可穿透障碍物的传感器，汽车防冲撞传感器，家电设备及便携设备之间的无线数据通信等方面。

物联网与UWB等无线通信技术是密不可分的。首先从技术的层面上，无线通信技术可以说是构建物联网所必须的技术之一，物联网各节点之间的通信依赖于无线通信这一方式。其次，在物联网的发展也带动了人们对无线传感器等无线通信设备的需求增长，同时也促进了无线通信技术向高速率，低能耗，抗干扰方向发展。

目前，物联网应用在工业、农业、节能环保、商贸流通、能源交通、社会事业、城市管理、安全生产等很多领域。UWB也被认为无线电领域的一次革命性进展，认为它将成为未来短距离无线通信的主流技术。

近年来，人们开始利用其亚纳秒级超窄脉冲来做近距离精确室内定位，极大的提高了室内定位系统的定位精度。传统的室内定位中，较常使用的技术是红外线定位技术，蓝牙定位技术，超声波定位技术以及RFID定位技术。仓库是一种典型的室内环境，同时仓库还具有空间很大，障碍物多，多径效应明显，人员和车辆较多，灯光分布不均匀等特点。所以，在仓库环境中，传统的室内定位技术都有着各自的缺陷和不足。蓝牙技术在仓库这种复杂的环境中会出现稳定性稍差和受噪声信号干扰大的问题，并且蓝牙器件和设备的价格比较昂贵。超声波在空气中的衰减较大，不适用于大型场合，加上反射测距时受多径效应和非视距传播影响很大，造成需要精确分析计算的底层硬件设施投资，成本太高。红外线只能视距传播，穿透性极差(即：可以参考家里的电视遥控器)，当标识被遮挡时就无法正常工作，也极易受灯光、烟雾等环境因素影响明显。加上红外线的传输距离不长，使其在布局上，无论哪种方式，都需要在每个遮挡背后、甚至转角都安装接收端，布局复杂，使得成本提升，而定位效果有限。RFID技术由于电磁场非视距等优点，传输范围很大，而且标识的体积比较小，造价比较低。但其不具有通信能力，抗干扰能力较差，不便于整合到其他系统之中，且用户的安全隐私保障和国际标准化都不够完善。该叉车防碰撞管理系统应用物联网技术，结合UWB技术实现叉车的防碰撞和智能化调度。而本发明能够很好地解决上面的问题。

发明内容

本发明目的在于解决了在仓库环境中叉车与人员、叉车与叉车间的防碰撞预警，实现了仓库中物品和人员之间的智能化管理。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于UWB的叉车防碰撞管理系统，该系统包括布置在叉车中的叉车模块和放置在仓库中的仓库模块。

叉车模块的功能是：包括叉车的蓄电池组、车载平板电脑、UWB阅读器、UWB天线和位于车顶的UWB标签。其中，UWB天线和UWB阅读器用串口进行连接，并使用叉车的蓄电池组为UWB阅读器供电。由于UWB标签功耗极低，故采用干电池供电，1节AAA电池即可满足该标签工作一年的电力需求。

仓库模块的功能是：包括电源模块、参考标签、UWB天线和阅读器、同步分配器、交换机、服务器和显示器，该UWB天线与UWB阅读器用串口连接后，再通过电缆与同步分配器相连，最后经过以太网交换机连接到服务器上。电源模块(即：叉车蓄电池组)采用48V直流电的方式向UWB阅读器供电。同步分配器、交换机、服务器和显示器均使用普通的220V交流电，并不需要额外的电源模块。

仓库环境中的叉车：人员以及特定物品上携带的UWB标签会不断发射纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲信号。仓库内的UWB天线接收到来自标签发送的信号，交由阅读器进行解析。各个阅读器的数据汇集到同步分配器中进行同步处理后经交换机传送给服务器。利用服务器端软件对数据进行计算，就可以得到各标签的位置信息和运动轨迹，结果可以实时的显示在显示器上。叉车上的车载电脑可以通过无线方式与服务器进行连接，并向服务器请求该叉车标签所在位置附近的其他标签的位置信息，车载电脑上的客户端软件可以对附近的标签与叉车的距离进行计算并在小于一定值时显示警告信息，并控制叉车上的高音喇叭发出警告提示音。

叉车模块上的车载电脑通过无线方式连接仓库内的定位服务器，不断接收来自服务器的定位信息，并由运行在其上的客户端软件生成周围标签位置的动态图像。客户端软件不断计算叉车周围有没有距离过近的标签(即：人员或叉车标签)，当发现异常情况时在车载电脑显示警告信息，并控制车载高音喇叭发出警报，提醒周围的单位及时避让。当叉车装载货物时，叉车上的UWB传感器(即：天线加上阅读器)会接收到货物上的标签传来的超宽频脉冲信号。UWB传感器将扫描到的信息传递给车载电脑，叉车驾驶员可以通过客户端软件得知装载货物的详细信息，在一定程度上可以提高工作效率。

本发明还提供了一种基于UWB的叉车防碰撞系统的实现方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：在仓库，人员以及叉车上布置若干个会不断发射纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲信号，并且将由UWB天线和UWB阅读器串口连接构成的UWB传感器布置在仓库的四周，传感器之间通过CAT5e屏蔽电缆互相连接并于同步分配器相连。

步骤2：仓库内的UWB天线接收到来自标签发送的信号，交由阅读器进行解析，各个阅读器的数据汇集到同步分配器中进行同步处理后经交换机传送给服务器。

步骤3：服务器在接收到同步分配器传来的数据包后，服务器端软件利用TDOA和AOA算法对标签位置进行计算，得到各标签的坐标。

步骤4：在服务器软件中的模拟仓库地图中对各标签位置进行标注，并用不同的颜色区分货物、人员、叉车三类标签。通过不停的标注各标签的位置，就会形成标签的运动轨迹。

步骤5：一旦服务器接收到来自安装在叉车车载电脑上的客户端软件的数据请求，服务器就以UDP数据包形式返回位置信息给客户端。

步骤6：叉车行驶过程中，客户端软件不断通过坐标计算周围标签与叉车的距离，并由运行在其上的客户端软件生成周围标签位置的动态图像。系统事先预设定一个警戒距离，如果有标签(即：车辆或行人)与该叉车的距离小于警戒距离，系统判断可能发生碰撞，否则叉车处于安全状态。

步骤7：当系统判断叉车处于可能碰撞状态，客户端软件控制车载电脑显示屏上显示警告信息提醒叉车驾驶员，并控制车载高音喇叭发出警报，提醒周围的叉车和行人及时避让，有效避免碰撞发生。

本发明上述方法应用于基于UWB的叉车防碰撞系统。

有益效果：

1、本发明UWB标签发出的超宽频脉冲数据包发送时间极短碰撞概率极低，使得本系统能够同时处理几百到几千个标签，提高了系统效率。

2、本发明采用到达时间差(即TDOA)和到达角度(即AOA)相结合的方法可以使覆盖仓库所需的阅读器数量减少，并且提高了定位精度。

3、本发明服务器端的标签位置信息能够实时传给车载电脑可以让叉车驾驶员了解周围的状况，并自动发出警报提示叉车附近的行人。

4、本发明叉车模块的所有器件利用叉车蓄电池的供电，不需要额外的电源模块，一定程度上节约了成本。

5、本发明的系统平台具有良好的可扩展性和易维护性，增加传感器不需要变动更改已经部署的系统，能够轻松地扩大定位范围。

附图说明

图1为本发明系统的叉车模块的整体结构示意图。

图2为本发明叉车模块防碰撞流程图。

图3为本发明系统所用的两种标签定位算法示意图。

图4为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明的系统能够在仓库区域内通过UWB收发模块的通信，实现仓库与叉车之间的信息交互，对叉车提供防碰撞预警。

本发明提供了一种基于UWB的叉车防碰撞管理系统，该系统由布置在叉车中的叉车模块和放置在仓库中的仓库模块组成，叉车模块由叉车的铅酸蓄电池组，车载平板电脑，UWB阅读器，小型UWB天线和位于车顶的UWB标签组成。其中，UWB天线和UWB阅读器用串口进行连接，并使用叉车的蓄电池组为UWB阅读器供电。由于UWB标签功耗极低，故采用干电池供电，1节电压为3V的CR2430锂电池即可满足该标签工作一年的电力需求。

仓库模块由一个电源模块、若干个小型UWB天线和阅读器、一台8接口的同步分配器、一台交换机、一台运行windows系统的服务器和一台液晶显示器组成。UWB天线与UWB阅读器用串口连接后，再通过电缆与同步分配器相连，最后经过交换机连接到服务器上。仓库还需要布置一定数量的参考标签，用于确定整个仓库的坐标轴的位置。

电源模块(即：叉车蓄电池组)采用48V直流电的方式向UWB阅读器供电。同步分配器、交换机、服务器和显示器均使用普通的220V交流电，并不需要额外的电源模块。

如图1所示，本发明叉车模块上的车载平板电脑通过802.11b协议以无线方式连接仓库内的定位服务器，不断接收来自服务器的定位信息，并由运行在其上的客户端软件生成周围标签位置的动态图像。

客户端软件每隔一小段时间主动向服务器请求一次数据更新，服务器返回数据采用UDP封装，UDP数据包的格式如下：即(标签ID，标签类别，时间，X轴坐标，Y轴坐标，Z轴坐标)，如“002-431-320，2，2015-04-2715：30：25，7.523，－6.375，13.287”。客户端收到UDP数据包后对其解析，在软件界面上标注出该标签的具体位置和类别等信息。

客户端软件不断计算叉车周围有没有距离过近的标签(即：人员或叉车标签)，当发现异常情况时在车载电脑显示警告信息，并控制车载高音喇叭发出警报，提醒周围的车辆和行人及时避让。在平稳行驶过程中，叉车驾驶员点击定位图像中货物标签的标注或者直接输入目标货物的标签号，系统可以给出路线导航，帮助驾驶员快速寻找到目标货物，避免行驶到错误的路线。

当叉车从货架上取出货物时，叉车上的UWB传感器(即：天线加上阅读器)会接收到货物上的标签传来的超宽频脉冲信号。UWB传感器将扫描到的信息通过无线方式传递给车载电脑，叉车驾驶员可以通过客户端软件得知装载货物的详细信息，在一定程度上可以提高整个仓库的工作效率。

图2是仓库模块的整体结构示意图，将由UWB天线和UWB阅读器串口连接构成的UWB传感器布置在仓库的四周，每个传感器负责接收一块区域内的UWB信号。传感器之间通过CAT5e屏蔽电缆互相连接并与同步分配器相连。同步分配器，以太网交换机和系统服务器之间采用CAT5e非屏蔽电缆连接，构成了整个网络的拓扑结构。

系统实际上是一个局域网，不和外网直接连接，不需要专门的防火墙，如果网络没有联上外网，自然是安全的。如果网络连接外网，只需要有接口保护即可。提供具体的IP地址终端数量取决于系统阅读器的数量，每一个阅读器拥有一个独立IP地址，一个8端口同步分配器可以最多连接48个阅读器，也就是每个8端口同步分配器可以处理最多48个IP地址传来的数据，对于一个8端口同步分配器所支持的系统，6位寻址(即：64个IP地址)已经足够了。

除了以上部件，仓库模块中还包含若干个UWB标签，其中的一部分会用于人员，货物的定位，另外一些会当作参考标签作为定位的基准。标签是一个每秒发射数次超宽频信号的信号发射装置。传感器(即：天线和阅读器的组合)接收标签发来的标签ID，标签类型，记录到达时间TOA和到达角度AOA然后传给同步器进行同步处理，解析出到达时间差TDOA，然后把以上信号和其他一些验证信号例如信号强度等打包通过网络协议发送给服务器进行处理，就可以计算出标签(也就是需要被定位的人员或者物体)所处位置以及运动轨迹。每一个标签都有一个独一无二的ID，系统可以通过这个ID区分该标签对应的是人员，叉车还是货物，并在服务器和客户端软件上区分表示。

本系统采用了如图3所示的两种定位方法来确定标签在仓库中的位置。TDOA定位方法是根据两个传感器传来的到达时间TOA得定位目标的UWB信号到达两个传感器的时间差TDOA。时间差TDOA乘以光速可以得到距离差,根据到达定位原理两个定点的距离差为定值的轨迹是双曲线的原理。建立多个双曲线方程带入UWB传感器的坐标数据，即可解出待测标签的估计坐标。AOA定位方法测量待测标签和传感器之间的角度来重构目标标签与传感器节点之间的距离。通常需要采用定向天线或阵列天线，测量的准确性对多径传播，非视距传播和阵列的精度很敏感。通过多个传感器测量从定位目标最先到达传感器的信号的到达角度AOA从而估计出定位目标的位置。在二维空间中得知目标标签信号到达两个传感器角度分别为θ1和θ2，即可从传感器的坐标(x1，y1)和(x2,y2)出发分别沿θ1和θ2方向引一条射线，两条射线的交点即目标标签的位置。由TDOA和AOA的原理可知，标签位置可有两个信息计算出来，比如两个TDOA或者一个TDOA和一个AOA，因此最少一个传感器便可定位一个标签。实际应用中，增加系统的传感器数量可以提高定位精度的可靠性与有效性，增加系统的鲁棒性。

下面对图4所示的本叉车防碰撞系统的具体方法流程进行说明，包括

首先在仓库中的叉车，人员以及货品上布置有源的UWB标签，这些标签一旦被激活便不断发射纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲信号。

仓库内布置的UWB天线一旦接收到来自标签发送的信号，就传递给相连的阅读器并由阅读器进行解析。从信号中解析出标签ID，标签类型，到达时间TOA和到达角度AOA等数据后，各个阅读器通过CAT5e屏蔽电缆将数据发送到相连的同步分配器中。

同步分配器对各路信号进行时间同步处理，得到同一标签到达不同传感器的TOA后，计算各路信号到达时间差TDOA，将数据打包经交换机传送给定位服务器。

服务器在接收到同步分配器传来的数据包后，服务器端软件利用TDOA和AOA算法对标签位置进行计算，得到各标签的坐标。在服务器软件中的模拟仓库地图中对各标签位置进行标注，并用不同的颜色区分货物、人员、叉车三类标签。通过不停的标注各标签的位置，就会形成标签的运动轨迹。

当有叉车进入仓库，车载电脑上的客户端软件会通过无线网络向服务器请求仓库内各标签的位置信息。服务器接收到请求后就把标签位置信息以UDP数据包的形式传递给客户端软件。客户端软件通过标签ID匹配到所在叉车的位置并显示周围的模拟地图，叉车驾驶员根据地图上的标注可以快速的找到目标货物。

叉车行驶过程中，客户端软件不断通过坐标计算周围标签与叉车的距离，并由运行在其上的客户端软件生成周围标签位置的动态图像。系统事先预设定一个警戒距离，如果有标签(即：车辆或行人)与该叉车的距离小于警戒距离，系统判断可能发生碰撞，否则叉车处于安全状态。

当系统判断叉车处于可能碰撞状态，客户端软件控制车载电脑显示屏上显示警告信息提醒叉车驾驶员，并控制车载高音喇叭发出警报，提醒周围的叉车和行人及时避让，有效避免碰撞发生。

当叉车到达目标位置装载货物时，叉车上的UWB传感器(即：天线加上阅读器)会接收到货物上的标签传来的超宽频脉冲信号。UWB传感器将扫描到的信号解析后传递给车载电脑，客户端软件会显示装载货物的详细信息。驾驶员可以根据这些信息核对是否装载了正确的货物，在一定程度上可以提高工作效率，减少了装载过程中的失误。

另外，本系统的服务器软件可以与企业的仓库库存管理系统进行信息同步。当服务器软件中货物标签和叉车标签一起移动到仓库出口并消失在定位图上时，系统可以判定该货物已被运出仓库。服务器软件可以根据扫描到的标签信息(即：在原数据上需增加货物数量等)，调用库存管理软件的接口，调整相应库存。该方法可以提升原库存管理系统的自动化水平，节约人力成本。

Claims (6)

1.一种基于UWB的叉车防碰撞系统，其特征在于，所述系统包括布置在叉车中的叉车模块和放置在仓库中的仓库模块；

叉车模块的功能是：包括叉车的蓄电池组、车载平板电脑、UWB阅读器、UWB天线和位于车顶的UWB标签，其中，UWB天线和UWB阅读器用串口进行连接，并使用叉车的蓄电池组为UWB阅读器供电；

仓库模块的功能是：包括电源模块、参考标签、UWB天线和阅读器、同步分配器、交换机、服务器和显示器，所述的UWB天线与UWB阅读器用串口连接后，再通过电缆与同步分配器相连，最后经过以太网交换机连接到服务器上，所述的电源模块采用48V直流电的方式向UWB阅读器供电；所述的同步分配器、交换机、服务器和显示器均使用普通的220V交流电，并不需要额外的电源模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于UWB的叉车防碰撞系统，其特征在于，所述系统的电源模块为叉车蓄电池组，所述叉车蓄电池组采用干电池供电。

3.根据权利要求1所述的一种基于UWB的叉车防碰撞系统，其特征在于，所述系统包括：仓库环境中的叉车，人员以及特定物品上携带的UWB标签会不断发射纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲信号，仓库内的UWB天线接收到来自标签发送的信号，交由阅读器进行解析，各个阅读器的数据汇集到同步分配器中进行同步处理后经交换机传送给服务器，利用服务器端软件对数据进行计算，得到各标签的位置信息和运动轨迹，结果实时的显示在显示器上，叉车上的车载电脑通过无线方式与服务器进行连接，并向服务器请求该叉车标签所在位置附近的其他标签的位置信息，车载电脑上的客户端软件对附近的标签与叉车的距离进行计算并在小于一定值时显示警告信息，并控制叉车上的高音喇叭发出警告提示音。

4.根据权利要求1所述的一种基于UWB的叉车防碰撞系统，其特征在于，所述叉车模块上的车载电脑通过无线方式连接仓库内的定位服务器，不断接收来自服务器的定位信息，并由运行在其上的客户端软件生成周围标签位置的动态图像，客户端软件不断计算叉车周围有没有距离过近的标签，即：人员或叉车标签，当发现异常情况时在车载电脑显示警告信息，并控制车载高音喇叭发出警报，提醒周围的单位及时避让，当叉车装载货物时，叉车上的UWB传感器会接收到货物上的标签传来的超宽频脉冲信号，UWB传感器将扫描到的信息传递给车载电脑，叉车驾驶员通过客户端软件得知装载货物的详细信息。

5.一种基于UWB的叉车防碰撞系统的实现方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：在仓库，人员以及叉车上布置若干个会不断发射纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲信号，并且将由UWB天线和UWB阅读器串口连接构成的UWB传感器布置在仓库的四周，传感器之间通过CAT5e屏蔽电缆互相连接并于同步分配器相连；

步骤2：仓库内的UWB天线接收到来自标签发送的信号，交由阅读器进行解析，各个阅读器的数据汇集到同步分配器中进行同步处理后经交换机传送给服务器；

步骤3：服务器在接收到同步分配器传来的数据包后，服务器端软件利用TDOA和AOA算法对标签位置进行计算，得到各标签的坐标；

步骤4：在服务器软件中的模拟仓库地图中对各标签位置进行标注，并用不同的颜色区分货物、人员、叉车三类标签；通过不停的标注各标签的位置，形成标签的运动轨迹；

步骤5：一旦服务器接收到来自安装在叉车车载电脑上的客户端软件的数据请求，服务器就以UDP数据包形式返回位置信息给客户端；

步骤6：叉车行驶过程中，客户端软件不断通过坐标计算周围标签与叉车的距离，并由运行在其上的客户端软件生成周围标签位置的动态图像；系统事先预设定一个警戒距离，如果有标签，即：车辆或行人与该叉车的距离小于警戒距离，系统判断可能发生碰撞，否则叉车处于安全状态；

步骤7：当系统判断叉车处于可能碰撞状态，客户端软件控制车载电脑显示屏上显示警告信息提醒叉车驾驶员，并控制车载高音喇叭发出警报，提醒周围的叉车和行人及时避让，避免碰撞发生。

6.根据权利要求5所述的一种基于UWB的叉车防碰撞系统的实现方法，其特征在于，所述方法应用于基于UWB的叉车防碰撞系统。