一種基于uwb的叉車防碰撞系統(tǒng)和方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于UWB的叉車防碰撞系統(tǒng)和方法，屬于無線通信和物聯(lián)網(wǎng)技術領域。
【背景技術】
[0002]隨著無線通信技術的發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)技術的不斷更新，網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)處理能力和數(shù)據(jù)吞吐量飛速增長。人們希望能夠從互聯(lián)網(wǎng)中獲得更多信息，將各種物品通過新的無線通信技術接入到互聯(lián)網(wǎng)中，進行信息的交換和共享，以此實現(xiàn)對物品的遠程管理和控制。
[0003]在此背景下，物聯(lián)網(wǎng)應運而生。物聯(lián)網(wǎng)是指利用局部網(wǎng)絡或互聯(lián)網(wǎng)等通信技術把傳感器、控制器、機器、人員和物等通過各種通信方式聯(lián)在一起，形成人與物、物與物相聯(lián)，實現(xiàn)信息化、遠程管理控制和智能化的網(wǎng)絡。為了實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點與互聯(lián)網(wǎng)以及各節(jié)點之間的互聯(lián)，大多數(shù)情況下會選擇使用短距離無線通信技術。
[0004]短距離無線通信沒有明確的定義，藍牙技術、通信距離為5?100米的無線個域網(wǎng)(即WPAN)技術、射頻標簽(即RFID)、近場通信(即NFC)、超寬帶(即UWB)等一些通信技術都可以屬于這一范疇，有時紅外通信也被劃在這一范疇。這些技術的共同點是通信距離不長，一般不超過100米，在實現(xiàn)集成電路內(nèi)部的連接時通信距離甚至達到微米級。
[0005]目前，在現(xiàn)有的短距離無線通信技術中，UWB以其抗干擾能力強、高達幾個GHz的帶寬、較小的功耗、穿透能力強和良好的保密性等優(yōu)點廣泛應用于地質(zhì)勘探及可穿透障礙物的傳感器，汽車防沖撞傳感器，家電設備及便攜設備之間的無線數(shù)據(jù)通信等方面。
[0006]物聯(lián)網(wǎng)與UWB等無線通信技術是密不可分的。首先從技術的層面上，無線通信技術可以說是構建物聯(lián)網(wǎng)所必須的技術之一，物聯(lián)網(wǎng)各節(jié)點之間的通信依賴于無線通信這一方式。其次，在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也帶動了人們對無線傳感器等無線通信設備的需求增長，同時也促進了無線通信技術向高速率，低能耗，抗干擾方向發(fā)展。
[0007]目前，物聯(lián)網(wǎng)應用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、節(jié)能環(huán)保、商貿(mào)流通、能源交通、社會事業(yè)、城市管理、安全生產(chǎn)等很多領域。UWB也被認為無線電領域的一次革命性進展，認為它將成為未來短距離無線通信的主流技術。
[0008]近年來，人們開始利用其亞納秒級超窄脈沖來做近距離精確室內(nèi)定位，極大的提高了室內(nèi)定位系統(tǒng)的定位精度。傳統(tǒng)的室內(nèi)定位中，較常使用的技術是紅外線定位技術，藍牙定位技術，超聲波定位技術以及RFID定位技術。倉庫是一種典型的室內(nèi)環(huán)境，同時倉庫還具有空間很大，障礙物多，多徑效應明顯，人員和車輛較多，燈光分布不均勻等特點。所以，在倉庫環(huán)境中，傳統(tǒng)的室內(nèi)定位技術都有著各自的缺陷和不足。藍牙技術在倉庫這種復雜的環(huán)境中會出現(xiàn)穩(wěn)定性稍差和受噪聲信號干擾大的問題，并且藍牙器件和設備的價格比較昂貴。超聲波在空氣中的衰減較大，不適用于大型場合，加上反射測距時受多徑效應和非視距傳播影響很大，造成需要精確分析計算的底層硬件設施投資，成本太高。紅外線只能視距傳播，穿透性極差(即:可以參考家里的電視遙控器)，當標識被遮擋時就無法正常工作，也極易受燈光、煙霧等環(huán)境因素影響明顯。加上紅外線的傳輸距離不長，使其在布局上，無論哪種方式，都需要在每個遮擋背后、甚至轉角都安裝接收端，布局復雜，使得成本提升，而定位效果有限。RFID技術由于電磁場非視距等優(yōu)點，傳輸范圍很大，而且標識的體積比較小，造價比較低。但其不具有通信能力，抗干擾能力較差，不便于整合到其他系統(tǒng)之中，且用戶的安全隱私保障和國際標準化都不夠完善。該叉車防碰撞管理系統(tǒng)應用物聯(lián)網(wǎng)技術，結合UWB技術實現(xiàn)叉車的防碰撞和智能化調(diào)度。而本發(fā)明能夠很好地解決上面的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明目的在于解決了在倉庫環(huán)境中叉車與人員、叉車與叉車間的防碰撞預警，實現(xiàn)了倉庫中物品和人員之間的智能化管理。
[0010]本發(fā)明解決其技術問題所采取的技術方案是:一種基于UWB的叉車防碰撞管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括布置在叉車中的叉車模塊和放置在倉庫中的倉庫模塊。
[0011]叉車模塊的功能是:包括叉車的蓄電池組、車載平板電腦、UWB閱讀器、UWB天線和位于車頂?shù)腢WB標簽。其中，UWB天線和UWB閱讀器用串口進行連接，并使用叉車的蓄電池組為UWB閱讀器供電。由于UWB標簽功耗極低，故采用干電池供電，1節(jié)AAA電池即可滿足該標簽工作一年的電力需求。
[0012]倉庫模塊的功能是:包括電源模塊、參考標簽、UWB天線和閱讀器、同步分配器、交換機、服務器和顯示器，該UWB天線與UWB閱讀器用串口連接后，再通過電纜與同步分配器相連，最后經(jīng)過以太網(wǎng)交換機連接到服務器上。電源模塊(即:叉車蓄電池組)采用48V直流電的方式向UWB閱讀器供電。同步分配器、交換機、服務器和顯示器均使用普通的220V交流電，并不需要額外的電源模塊。
[0013]倉庫環(huán)境中的叉車:人員以及特定物品上攜帶的UWB標簽會不斷發(fā)射納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖信號。倉庫內(nèi)的UWB天線接收到來自標簽發(fā)送的信號，交由閱讀器進行解析。各個閱讀器的數(shù)據(jù)匯集到同步分配器中進行同步處理后經(jīng)交換機傳送給服務器。利用服務器端軟件對數(shù)據(jù)進行計算，就可以得到各標簽的位置信息和運動軌跡，結果可以實時的顯示在顯示器上。叉車上的車載電腦可以通過無線方式與服務器進行連接，并向服務器請求該叉車標簽所在位置附近的其他標簽的位置信息，車載電腦上的客戶端軟件可以對附近的標簽與叉車的距離進行計算并在小于一定值時顯示警告信息，并控制叉車上的尚首喇機發(fā)出警告提不首。
[0014]叉車模塊上的車載電腦通過無線方式連接倉庫內(nèi)的定位服務器，不斷接收來自服務器的定位信息，并由運行在其上的客戶端軟件生成周圍標簽位置的動態(tài)圖像?？蛻舳塑浖粩嘤嬎悴孳囍車袥]有距離過近的標簽(即:人員或叉車標簽)，當發(fā)現(xiàn)異常情況時在車載電腦顯示警告信息，并控制車載高音喇叭發(fā)出警報，提醒周圍的單位及時避讓。當叉車裝載貨物時，叉車上的UWB傳感器(即:天線加上閱讀器)會接收到貨物上的標簽傳來的超寬頻脈沖信號。UWB傳感器將掃描到的信息傳遞給車載電腦，叉車駕駛員可以通過客戶端軟件得知裝載貨物的詳細信息，在一定程度上可以提高工作效率。
[0015]本發(fā)明還提供了一種基于UWB的叉車防碰撞系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，該方法包括如下步驟:
[0016]步驟1:在倉庫，人員以及叉車上布置若干個會不斷發(fā)射納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖信號，并且將由UWB天線和UWB閱讀器串口連接構成的UWB傳感器布置在倉庫的四周，傳感器之間通過CAT 5e屏蔽電纜互相連接并于同步分配器相連。
[0017]步驟2:倉庫內(nèi)的UWB天線接收到來自標簽發(fā)送的信號，交由閱讀器進行解析，各個閱讀器的數(shù)據(jù)匯集到同步分配器中進行同步處理后經(jīng)交換機傳送給服務器。
[0018]步驟3:服務器在接收到同步分配器傳來的數(shù)據(jù)包后，服務器端軟件利用TD0A和Α0Α算法對標簽位置進行計算，得到各標簽的坐標。
[0019]步驟4:在服務器軟件中的模擬倉庫地圖中對各標簽位置進行標注，并用不同的顏色區(qū)分貨物、人員、叉車三類標簽。通過不停的標注各標簽的位置，就會形成標簽的運動軌跡。
[0020]步驟5:—旦服務器接收到來自安裝在叉車車載電腦上的客戶端軟件的數(shù)據(jù)請求，服務器就以UDP數(shù)據(jù)包形式返回位置信息給客戶端。
[0021]步驟6:叉車行駛過程中，客戶端軟件不斷通過坐標計算周圍標簽與叉車的距離，并由運行在其上的客戶端軟件生成周圍標簽位置的動態(tài)圖像。系統(tǒng)事先預設定一個警戒距離，如果有標簽(即:車輛或行人)與該叉車的距離小于警戒距離，系統(tǒng)判斷可能發(fā)生碰撞，否則叉車處于安全狀態(tài)。