基于UWB的危化品仓储堆垛货物定位技术的研究
第一章绪论
危险化学品作为重要的化工原料或产品,在我国经济和社会发展过程中发挥着无可取代的作用,与人民的生活息息相关。随着我国石油、化工、煤炭、日化等产业的迅速发展,危险化学品的数量也随着社会需求的増长与日俱增,以2014年上半年为例,据不完全统计,中国危险化学品总、产量达一万五千多吨。在危化品需求量如此之大的情况下,其安全管理问题应引起高度重视。危险化学品由于大多具有毒性、易燃易爆性、腐蚀性和放射性等危险性质,在生产、经营、运输、储存、使用和废弃等各个环节中都有可能产生严重事故,多年的研究表明,化学品泄漏、火灾以及爆炸中有约14-32%是发生在储存环节。事故一旦发生,将不仅影响到事故发生地和危化品单位本身,还会严重影响到事故区域附近的居民生活和人身财产安全,甚至对周边的生态环境造成长久难以恢复的污染。因此,加强仓储环节的安全管理是围家安全生产工作的重点。
根据调查,我国大部分仓库对危化品采用堆操码放方式进行胆存。为规范管理危化品码垛的堆放安全,《常用危险化学品贮存通则》对堆操的谁距、墙距、顶距、柱距和通道距等"五距"的量值提出了严格要求。然而,部分仓库经营者对"五距"距离不重视,为了提高危化品库房的利用率,节约成本,无视国家有关危化品仓储的规定,私自将煤距减小,煤高增加,甚至将几种明令不宜共存的危化品，混合贮存或密集贮存;再者,对堆垛安全距离状态的保持的监管也有着严重漏洞,某些企业当面临上级安全监管部门前来监查时,就临时将危化品堆垛规范摆放,监管部门离去后又重归混乱。这给危化品堆垛的安全监管造成了极大的困难,也潜伏着巨大的安全隐患。研究危化品仓储堆垛货物"五距"腔测技术,是提升危化品仓储业安全管理自动化水平的重要课题,具有迫切的现实意义。
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Wi-Fl技术是一种基于IEEE802.11标准的短距离无线定位解决方案,可支持室内环境中十几米距离的接入。WLAN最大的特点是便携性,可以用于实现复杂的大范定位,目前无线网络的接入点(Access Point)已经在许多家庭和公共场所中使用。基于Wi-fi的无线定位系统,根据其定位原理可分为两种类型:第一种方式是收集Wi-Fi AP的位置,并使用AP的MAC(Media Access Control)地址来确定用户的位置。典型例子如谷歌地图。这种方法是基于RSS1原理测量用户和AP的距离,受环境中未知因素干扰,用户位置难以准确确定,定位误差约为10-20m;第二种方式是使用基于RSSI的指纹定位技术,这种技术需要建立指纹数据库,加重了系统负担,典型的有中国的Reindeer、加拿大的wifarer等,美国的Wi-FiSLAM IPS系统精度达3m。Wi-Fi技术的劣势在于耗电量惊人,许多Wi-Fi设备需配置较大容量蓄电装置,定位精度也会易受环境影响。
蓝牙和Zigbee与Wi-FI定位原理相似,蓝牙定位是基于接收信号强度(RSSI,Received Signal Strength Indication)的定位技术工作频段为2.4GHz。蓝牙定位的最大优点是设备体积小,易于移植到PC、PDA和手机等小型终端设备上,在像大楼和仓储之类的小区域定位内多有应用。但同Wi-Fi定位系统类似,由于是基于测量信号到达强度的定位方式,定位精度受环境噪声干扰大,且造价较高。ZigBee定位是一种新型的短距离、低速率的无线网络技术,是基于圧EE802.15.4标准的无线网络定位方案。Zigbee只需消耗很少的能量,就可配置多达成千上万个网络节点组成的网络系统,安装方便简捷且成本很低,传感器么间采用无线电波进行接力式数据传输,数据传输过程可安全加密,保证传输可靠准确,通信效率高。但Zigbee的定位精度不高,目前大约为3m,基于Zigbee的定位系统已广泛应用于无线传感器网络已成熟覆盖的区域,比如煤矿系统。
不同的定位系统有着不同的定位精度和反应速度,下表1-1给出了UWB与现有其他无线通讯技术的比较:
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第二章基于UWB的堆垛"五距"监测技术研究
UWB无线传输技术按照实现方式的不同,可以分为脉冲无线电(IR:Impulse RacM和载波调制(CM:Carrier Modulation)方式两大类。IR-UWB的特点是采用非载波调制,波形持续时间非常短,脉冲宽度可达ns级甚至亚ns级,具有极低的占空比。载波调制方式分为扩频超宽带(DS-CDMA)和多频带正交频分复用(MB-OFDMA:Multi-Band OFDM)超宽带两种,前者最早由美国Xtreme Spectrum公司提出,是将UWB的3.1GHZ-10.6G化的频谱分为高低两个频段,是一种采用多进制的双正交键控的联合编码扩频调制方案,传输速率最高可达1.2Gbps,DS-CDMA的缺陷,首先在于需要软频谱适应(Soft Spectral Adaptation,SSA),W便于各个国家地区间UWB频带的使用划分,其次是无法解决与其他无线通信设备的符间干扰问题,因此己经遂渐被放弃;MB-OFDM方案由WiMedia联盟所发起,是将UWB频谱划分为14个带宽为528MB的频带,允许MB-OFDM使用128条并行信道传输被调制的编码数据,最新的编码传输速率可达480Mbps 521, MB-OFDM方案的缺点在于系统复杂度较高,设计难度大,收发信机需要做128位的IFFT和FFT运算,并且需要能够快速跳频的振荡器,功率损耗也不容忽视。
由此可见,基于时间测量的定位估计其测距精度和信号带宽正相关。由于UWB的超大带宽特性,因此即使在信噪比较低的情况下也能具有较高的测距精度,具有其他窄带系统无可比拟的精度优势。UWB的高精度定位优势也使得其商业化优势凸显,在商场、仓库、室内办公等多种场所有所应用。
常规无线信号受周围环境造成的多径效应干扰,接收信号波形易产生失真。IR-UWB采用占空比极低的窄脉冲,其信号能量在时域上很集中,通过时域滤波的方法可有效抑制噪声干扰。信号能量集中的特点也使得UWB信号对信道的多径衰落不敏感,具有优良的抗多径性能。而通过分集技术,能最大限度减轻信道衰落对UWB接收脉冲的影响。
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目前我国对堆垛"五距"的监管,缺乏有效的技术监控手段。本文提出一种基于UWB的堆垛"五距"监测技术方案,通过对危化品的堆巧货箱进行跟踪定位,获取货箱的实时运动轨迹和固定位置处的定位信息,将货物稳定时的定位信息结合堆操尺寸进行仓库环境三维重构。
(1)在危化品仓库的监控区域中安装UWB定位设备。将每￣种在库或待出入库的危化品堆垛货物上绑定UWB标签和可电子识别的条码。
(2)在每一种危化品货物入库时,信息识别系统通过读写器扫描《码内存储的几何尺寸和属性信息,无线发送至嵌入式模块,嵌入式模块的MCU将数据和定位起始信号转发给空间无线网络节点。数据库服务器通过网络节点开始接收危化品的属性数据和持续的定位信号。
(3)危化品搬运装置载着货物行进时,由于UWB电子标签已和危化品货物绑定,故电子标签的运动轨迹就是危化品货物的运动轨迹。其动态位置数据实时发送至数据库服务器。
(4)当服务器读取到UWB标签的定位数据变动幅度和频率小于某个设巧阔值(比如X,y,Z轴的定位坐标跳动幅度不超过15cm),判定危化品货物已运达到某个固定位置,此时服务器调用实时接收的UWB定位坐标和之前收到的该危化品的尺寸信息,重构出危化品货物此刻的堆垛状态。
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3.1影响UWB定位精度的因素分析……………………27
3.1.1多径效应…………………………………………27
3.1.2直射路径缺失……………………………………28
3.1.3其他因素…………………………………………28
3.2基于四參考点矢量补偿的UWB定位技术…………28
3.2.1四参考点矢量补偿定位算法……………………29
3.2.2四参考点矢量补偿技术算法实现………………31
3.2.3四参考点矢量补偿技术实验数据分析…………33
3.3 小结………………………………………………37……
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第三章基于四参考点矢量补偿的UWB定位技术研究
多径效应是影响UWB定位精度的最主要因素之一。UWB单脉冲一旦发射,接收到的信号波形总会存在一定程度的失真,因为接收信号波形中往往包含了直射路径信号,反射信号,噪声和其他不确定性干扰。位于底层的传感器标签极易受到上层或其他堆垛货箱的遮挡,导致信号传播存在严重的多径效应。当传感器和信号发射器(标签)之间无阻挡信号的障碍物,存在信号直射路径时,信号多径分量中的首径(DirectPath)能量最强,且为信号的直射分量采用直射分量的到这时间或到达角度进行测量,定位精度是最高的;当接收机和信号发射器之间中存在阻挡信号的障碍物,信号的直射路径受到影响,此时脉冲波形的首径分量往往不是最强径,多径效应引起的波形失真会引起时间测量上的误差。UWB的测距精度取决于首径的检测精度。尽管UWB具有相比于其他定位技术更优越的多径分辨力,但多径效应引起的DP的检测精度和算法复杂度之间的矛盾难以实现妥善调和。在目前的抑制多径算法中,研究较充分的TOA估计为例,基于能量检测的非相干估计算法简单,但受采样频率限制,定位精度不理想;基于匹配滤波的相干估计算法,采用较高的采样频率,算法复杂度高,比如CLEAN算法,MUSIC算法,PM算法,这些算法在视距环境中,能充分挖掘UWB的时间空间分辨率达到精确测距。然而,在信噪比很低或多径效应严重的非视距环境中,上述算法在实现峰值捜索方面依然十分困难。文献提出了基于传播算子算法的TOA和TD0A联合估计,一定程度上提高了低信噪比环境下基于时间测距的定位精度,但所采用的更高的采样率也导致算法可行性较差。总之,UWB信号多径分量的传播无法避免,目前没有任何一种算法能完全排除多径效应对直射信号分量判断的影响。
影响UWB定位精度的因素还有其他,比如同频干扰等。当室内环境存在多个UWB信号时,传感器不仅接收到待测目标的UWB信号,还会接收到其他脉冲信号,干扰对目标信号的判断从而降低定位估计的准确性。解决同频干扰的方式是对发射信号采用跳时扩频方式发送,或对目标信号采用分时接收。另外,系统时钟漂移也会引起测距误差。采样率低于UWB信号的Nquist采样率时,也会引起定位误差。
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结论
1)提出了基于UWB的危化品仓储堆垛货物"五距"监测的技术方案,搭建了基于UWB的堆操定位实验平台,为进一步研究危化品仓储环境的定位精度打下基础。
2)对模拟危化品堆垛定位实验平台下的UWB定位精度进行了动态和静态测试,根据测试结果,结合危化品仓库的信道环境,分析了危化品仓储环境中影响UWB定位精度的因素。
3)针对危化品仓储环境下的堆垛定位,提出了基于UWB四参考点矢量补偿技术,经实验测试,该技术能有效改善堆垛货物的定位精度,适合应用于危化品仓储堆垛货物的"五距"监测。
参考文献（略）
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本文编号：44515
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/caipu/44515.html
