一種基于uwb的叉車防碰撞系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)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(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷更新，網(wǎng)絡(luò)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(shù)接入到互聯(lián)網(wǎng)中，進(jìn)行信息的交換和共享，以此實(shí)現(xiàn)對物品的遠(yuǎn)程管理和控制。
[0003]在此背景下，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。物聯(lián)網(wǎng)是指利用局部網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)把傳感器、控制器、機(jī)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(shí)現(xiàn)信息化、遠(yuǎn)程管理控制和智能化的網(wǎng)絡(luò)。為了實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)與互聯(lián)網(wǎng)以及各節(jié)點(diǎn)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(shù)。
[0004]短距離無線通信沒有明確的定義，藍(lán)牙技術(shù)、通信距離為5?100米的無線個域網(wǎng)(即WPAN)技術(shù)、射頻標(biāo)簽(即RFID)、近場通信(即NFC)、超寬帶(即UWB)等一些通信技術(shù)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(shù)的共同點(diǎn)是通信距離不長，一般不超過100米，在實(shí)現(xiàn)集成電路內(nèi)部的連接時通信距離甚至達(dá)到微米級。
[0005]目前，在現(xiàn)有的短距離無線通信技術(shù)中，UWB以其抗干擾能力強(qiáng)、高達(dá)幾個GHz的帶寬、較小的功耗、穿透能力強(qiáng)和良好的保密性等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)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(shè)備及便攜設(shè)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(shù)是密不可分的。首先從技術(shù)的層面上，無線通信技術(shù)可以說是構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)所必須的技術(shù)之一，物聯(lián)網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)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(shè)備的需求增長，同時也促進(jìn)了無線通信技術(shù)向高速率，低能耗，抗干擾方向發(fā)展。
[0007]目前，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(lǐng)域。UWB也被認(rèn)為無線電領(lǐng)域的一次革命性進(jìn)展，認(rèn)為它將成為未來短距離無線通信的主流技術(shù)。
[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(shù)是紅外線定位技術(shù)，藍(lán)牙定位技術(shù)，超聲波定位技術(shù)以及RFID定位技術(shù)。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(yīng)明顯，人員和車輛較多，燈光分布不均勻等特點(diǎn)。所以，在倉庫環(huán)境中，傳統(tǒng)的室內(nèi)定位技術(shù)都有著各自的缺陷和不足。藍(lán)牙技術(shù)在倉庫這種復(fù)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(lán)牙器件和設(shè)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(yīng)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(shè)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(dāng)標(biāo)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(zhuǎn)角都安裝接收端，布局復(fù)雜，使得成本提升，而定位效果有限。RFID技術(shù)由于電磁場非視距等優(yōu)點(diǎn)，傳輸范圍很大，而且標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)化都不夠完善。該叉車防碰撞管理系統(tǒng)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合UWB技術(shù)實(shí)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(yù)警，實(shí)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(shù)問題所采取的技術(shù)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(biāo)簽。其中，UWB天線和UWB閱讀器用串口進(jìn)行連接，并使用叉車的蓄電池組為UWB閱讀器供電。由于UWB標(biāo)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(biāo)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(biāo)簽、UWB天線和閱讀器、同步分配器、交換機(jī)、服務(wù)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(jī)連接到服務(wù)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(jī)、服務(wù)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(biāo)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(biāo)簽發(fā)送的信號，交由閱讀器進(jìn)行解析。各個閱讀器的數(shù)據(jù)匯集到同步分配器中進(jìn)行同步處理后經(jīng)交換機(jī)傳送給服務(wù)器。利用服務(wù)器端軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，就可以得到各標(biāo)簽的位置信息和運(yùn)動軌跡，結(jié)果可以實(shí)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(wù)器進(jìn)行連接，并向服務(wù)器請求該叉車標(biāo)簽所在位置附近的其他標(biāo)簽的位置信息，車載電腦上的客戶端軟件可以對附近的標(biāo)簽與叉車的距離進(jìn)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(jī)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(wù)器，不斷接收來自服務(wù)器的定位信息，并由運(yùn)行在其上的客戶端軟件生成周圍標(biāo)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(biāo)簽(即:人員或叉車標(biāo)簽)，當(dāng)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(dāng)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(biāo)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(xì)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(shí)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(gòu)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(biāo)簽發(fā)送的信號，交由閱讀器進(jìn)行解析，各個閱讀器的數(shù)據(jù)匯集到同步分配器中進(jìn)行同步處理后經(jīng)交換機(jī)傳送給服務(wù)器。
[0018]步驟3:服務(wù)器在接收到同步分配器傳來的數(shù)據(jù)包后，服務(wù)器端軟件利用TD0A和Α0Α算法對標(biāo)簽位置進(jìn)行計算，得到各標(biāo)簽的坐標(biāo)。
[0019]步驟4:在服務(wù)器軟件中的模擬倉庫地圖中對各標(biāo)簽位置進(jìn)行標(biāo)注，并用不同的顏色區(qū)分貨物、人員、叉車三類標(biāo)簽。通過不停的標(biāo)注各標(biāo)簽的位置，就會形成標(biāo)簽的運(yùn)動軌跡。
[0020]步驟5:—旦服務(wù)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(wù)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(biāo)計算周圍標(biāo)簽與叉車的距離，并由運(yùn)行在其上的客戶端軟件生成周圍標(biāo)簽位置的動態(tài)圖像。系統(tǒng)事先預(yù)設(shè)定一個警戒距離，如果有標(biāo)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)。