基于UWB的危化品倉儲堆垛貨物定位技術(shù)的研究
第一章緒論
危險化學(xué)品作為重要的化工原料或產(chǎn)品,在我國經(jīng)濟和社會發(fā)展過程中發(fā)揮著無可取代的作用,與人民的生活息息相關(guān)。隨著我國石油、化工、煤炭、日化等產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,危險化學(xué)品的數(shù)量也隨著社會需求的増長與日俱增,以2014年上半年為例,據(jù)不完全統(tǒng)計,中國危險化學(xué)品總、產(chǎn)量達(dá)一萬五千多噸。在�；沸枨罅咳绱酥蟮那闆r下,其安全管理問題應(yīng)引起高度重視。危險化學(xué)品由于大多具有毒性、易燃易爆性、腐蝕性和放射性等危險性質(zhì),在生產(chǎn)、經(jīng)營、運輸、儲存、使用和廢棄等各個環(huán)節(jié)中都有可能產(chǎn)生嚴(yán)重事故,多年的研究表明,化學(xué)品泄漏、火災(zāi)以及爆炸中有約14-32%是發(fā)生在儲存環(huán)節(jié)。事故一旦發(fā)生,將不僅影響到事故發(fā)生地和�；穯挝槐旧�,還會嚴(yán)重影響到事故區(qū)域附近的居民生活和人身財產(chǎn)安全,甚至對周邊的生態(tài)環(huán)境造成長久難以恢復(fù)的污染。因此,加強倉儲環(huán)節(jié)的安全管理是圍家安全生產(chǎn)工作的重點。
根據(jù)調(diào)查,我國大部分倉庫對�；凡捎枚巡俅a放方式進行膽存。為規(guī)范管理�；反a垛的堆放安全,《常用危險化學(xué)品貯存通則》對堆操的誰距、墻距、頂距、柱距和通道距等"五距"的量值提出了嚴(yán)格要求。然而,部分倉庫經(jīng)營者對"五距"距離不重視,為了提高�；穾旆康睦寐�,節(jié)約成本,無視國家有關(guān)�；穫}儲的規(guī)定,私自將煤距減小,煤高增加,甚至將幾種明令不宜共存的�；�，混合貯存或密集貯存;再者,對堆垛安全距離狀態(tài)的保持的監(jiān)管也有著嚴(yán)重漏洞,某些企業(yè)當(dāng)面臨上級安全監(jiān)管部門前來監(jiān)查時,就臨時將�；范讯庖�(guī)范擺放,監(jiān)管部門離去后又重歸混亂。這給�；范讯獾陌踩O(jiān)管造成了極大的困難,也潛伏著巨大的安全隱患。研究�；穫}儲堆垛貨物"五距"腔測技術(shù),是提升危化品倉儲業(yè)安全管理自動化水平的重要課題,具有迫切的現(xiàn)實意義。
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Wi-Fl技術(shù)是一種基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線定位解決方案,可支持室內(nèi)環(huán)境中十幾米距離的接入。WLAN最大的特點是便攜性,可以用于實現(xiàn)復(fù)雜的大范定位,目前無線網(wǎng)絡(luò)的接入點(Access Point)已經(jīng)在許多家庭和公共場所中使用�；赪i-fi的無線定位系統(tǒng),根據(jù)其定位原理可分為兩種類型:第一種方式是收集Wi-Fi AP的位置,并使用AP的MAC(Media Access Control)地址來確定用戶的位置。典型例子如谷歌地圖。這種方法是基于RSS1原理測量用戶和AP的距離,受環(huán)境中未知因素干擾,用戶位置難以準(zhǔn)確確定,定位誤差約為10-20m;第二種方式是使用基于RSSI的指紋定位技術(shù),這種技術(shù)需要建立指紋數(shù)據(jù)庫,加重了系統(tǒng)負(fù)擔(dān),典型的有中國的Reindeer、加拿大的wifarer等,美國的Wi-FiSLAM IPS系統(tǒng)精度達(dá)3m。Wi-Fi技術(shù)的劣勢在于耗電量驚人,許多Wi-Fi設(shè)備需配置較大容量蓄電裝置,定位精度也會易受環(huán)境影響。
藍(lán)牙和Zigbee與Wi-FI定位原理相似,藍(lán)牙定位是基于接收信號強度(RSSI,Received Signal Strength Indication)的定位技術(shù)工作頻段為2.4GHz。藍(lán)牙定位的最大優(yōu)點是設(shè)備體積小,易于移植到PC、PDA和手機等小型終端設(shè)備上,在像大樓和倉儲之類的小區(qū)域定位內(nèi)多有應(yīng)用。但同Wi-Fi定位系統(tǒng)類似,由于是基于測量信號到達(dá)強度的定位方式,定位精度受環(huán)境噪聲干擾大,且造價較高。ZigBee定位是一種新型的短距離、低速率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),是基于圧EE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)定位方案。Zigbee只需消耗很少的能量,就可配置多達(dá)成千上萬個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),安裝方便簡捷且成本很低,傳感器么間采用無線電波進行接力式數(shù)據(jù)傳輸,數(shù)據(jù)傳輸過程可安全加密,保證傳輸可靠準(zhǔn)確,通信效率高。但Zigbee的定位精度不高,目前大約為3m,基于Zigbee的定位系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已成熟覆蓋的區(qū)域,比如煤礦系統(tǒng)。
不同的定位系統(tǒng)有著不同的定位精度和反應(yīng)速度,下表1-1給出了UWB與現(xiàn)有其他無線通訊技術(shù)的比較:
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第二章基于UWB的堆垛"五距"監(jiān)測技術(shù)研究
UWB無線傳輸技術(shù)按照實現(xiàn)方式的不同,可以分為脈沖無線電(IR:Impulse RacM和載波調(diào)制(CM:Carrier Modulation)方式兩大類。IR-UWB的特點是采用非載波調(diào)制,波形持續(xù)時間非常短,脈沖寬度可達(dá)ns級甚至亞ns級,具有極低的占空比。載波調(diào)制方式分為擴頻超寬帶(DS-CDMA)和多頻帶正交頻分復(fù)用(MB-OFDMA:Multi-Band OFDM)超寬帶兩種,前者最早由美國Xtreme Spectrum公司提出,是將UWB的3.1GHZ-10.6G化的頻譜分為高低兩個頻段,是一種采用多進制的雙正交鍵控的聯(lián)合編碼擴頻調(diào)制方案,傳輸速率最高可達(dá)1.2Gbps,DS-CDMA的缺陷,首先在于需要軟頻譜適應(yīng)(Soft Spectral Adaptation,SSA),W便于各個國家地區(qū)間UWB頻帶的使用劃分,其次是無法解決與其他無線通信設(shè)備的符間干擾問題,因此己經(jīng)遂漸被放棄;MB-OFDM方案由WiMedia聯(lián)盟所發(fā)起,是將UWB頻譜劃分為14個帶寬為528MB的頻帶,允許MB-OFDM使用128條并行信道傳輸被調(diào)制的編碼數(shù)據(jù),最新的編碼傳輸速率可達(dá)480Mbps 521, MB-OFDM方案的缺點在于系統(tǒng)復(fù)雜度較高,設(shè)計難度大,收發(fā)信機需要做128位的IFFT和FFT運算,并且需要能夠快速跳頻的振蕩器,功率損耗也不容忽視。
由此可見,基于時間測量的定位估計其測距精度和信號帶寬正相關(guān)。由于UWB的超大帶寬特性,因此即使在信噪比較低的情況下也能具有較高的測距精度,具有其他窄帶系統(tǒng)無可比擬的精度優(yōu)勢。UWB的高精度定位優(yōu)勢也使得其商業(yè)化優(yōu)勢凸顯,在商場、倉庫、室內(nèi)辦公等多種場所有所應(yīng)用。
常規(guī)無線信號受周圍環(huán)境造成的多徑效應(yīng)干擾,接收信號波形易產(chǎn)生失真。IR-UWB采用占空比極低的窄脈沖,其信號能量在時域上很集中,通過時域濾波的方法可有效抑制噪聲干擾。信號能量集中的特點也使得UWB信號對信道的多徑衰落不敏感,具有優(yōu)良的抗多徑性能。而通過分集技術(shù),能最大限度減輕信道衰落對UWB接收脈沖的影響。
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目前我國對堆垛"五距"的監(jiān)管,缺乏有效的技術(shù)監(jiān)控手段。本文提出一種基于UWB的堆垛"五距"監(jiān)測技術(shù)方案,通過對�；返亩亚韶浵溥M行跟蹤定位,獲取貨箱的實時運動軌跡和固定位置處的定位信息,將貨物穩(wěn)定時的定位信息結(jié)合堆操尺寸進行倉庫環(huán)境三維重構(gòu)。
(1)在�；穫}庫的監(jiān)控區(qū)域中安裝UWB定位設(shè)備。將每￣種在庫或待出入庫的危化品堆垛貨物上綁定UWB標(biāo)簽和可電子識別的條碼。
(2)在每一種�；坟浳锶霂鞎r,信息識別系統(tǒng)通過讀寫器掃描《碼內(nèi)存儲的幾何尺寸和屬性信息,無線發(fā)送至嵌入式模塊,嵌入式模塊的MCU將數(shù)據(jù)和定位起始信號轉(zhuǎn)發(fā)給空間無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點開始接收�；返膶傩詳�(shù)據(jù)和持續(xù)的定位信號。
(3)危化品搬運裝置載著貨物行進時,由于UWB電子標(biāo)簽已和�；坟浳锝壎�,故電子標(biāo)簽的運動軌跡就是危化品貨物的運動軌跡。其動態(tài)位置數(shù)據(jù)實時發(fā)送至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。
(4)當(dāng)服務(wù)器讀取到UWB標(biāo)簽的定位數(shù)據(jù)變動幅度和頻率小于某個設(shè)巧闊值(比如X,y,Z軸的定位坐標(biāo)跳動幅度不超過15cm),判定�；坟浳镆堰\達(dá)到某個固定位置,此時服務(wù)器調(diào)用實時接收的UWB定位坐標(biāo)和之前收到的該危化品的尺寸信息,重構(gòu)出�；坟浳锎丝痰亩讯鉅顟B(tài)。
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3.1影響UWB定位精度的因素分析……………………27
3.1.1多徑效應(yīng)…………………………………………27
3.1.2直射路徑缺失……………………………………28
3.1.3其他因素…………………………………………28
3.2基于四參考點矢量補償?shù)腢WB定位技術(shù)…………28
3.2.1四參考點矢量補償定位算法……………………29
3.2.2四參考點矢量補償技術(shù)算法實現(xiàn)………………31
3.2.3四參考點矢量補償技術(shù)實驗數(shù)據(jù)分析…………33
3.3 小結(jié)………………………………………………37……
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第三章基于四參考點矢量補償?shù)腢WB定位技術(shù)研究
多徑效應(yīng)是影響UWB定位精度的最主要因素之一。UWB單脈沖一旦發(fā)射,接收到的信號波形總會存在一定程度的失真,因為接收信號波形中往往包含了直射路徑信號,反射信號,噪聲和其他不確定性干擾。位于底層的傳感器標(biāo)簽極易受到上層或其他堆垛貨箱的遮擋,導(dǎo)致信號傳播存在嚴(yán)重的多徑效應(yīng)。當(dāng)傳感器和信號發(fā)射器(標(biāo)簽)之間無阻擋信號的障礙物,存在信號直射路徑時,信號多徑分量中的首徑(DirectPath)能量最強,且為信號的直射分量采用直射分量的到這時間或到達(dá)角度進行測量,定位精度是最高的;當(dāng)接收機和信號發(fā)射器之間中存在阻擋信號的障礙物,信號的直射路徑受到影響,此時脈沖波形的首徑分量往往不是最強徑,多徑效應(yīng)引起的波形失真會引起時間測量上的誤差。UWB的測距精度取決于首徑的檢測精度。盡管UWB具有相比于其他定位技術(shù)更優(yōu)越的多徑分辨力,但多徑效應(yīng)引起的DP的檢測精度和算法復(fù)雜度之間的矛盾難以實現(xiàn)妥善調(diào)和。在目前的抑制多徑算法中,研究較充分的TOA估計為例,基于能量檢測的非相干估計算法簡單,但受采樣頻率限制,定位精度不理想;基于匹配濾波的相干估計算法,采用較高的采樣頻率,算法復(fù)雜度高,比如CLEAN算法,MUSIC算法,PM算法,這些算法在視距環(huán)境中,能充分挖掘UWB的時間空間分辨率達(dá)到精確測距。然而,在信噪比很低或多徑效應(yīng)嚴(yán)重的非視距環(huán)境中,上述算法在實現(xiàn)峰值捜索方面依然十分困難。文獻(xiàn)提出了基于傳播算子算法的TOA和TD0A聯(lián)合估計,一定程度上提高了低信噪比環(huán)境下基于時間測距的定位精度,但所采用的更高的采樣率也導(dǎo)致算法可行性較差�？傊�,UWB信號多徑分量的傳播無法避免,目前沒有任何一種算法能完全排除多徑效應(yīng)對直射信號分量判斷的影響。
影響UWB定位精度的因素還有其他,比如同頻干擾等。當(dāng)室內(nèi)環(huán)境存在多個UWB信號時,傳感器不僅接收到待測目標(biāo)的UWB信號,還會接收到其他脈沖信號,干擾對目標(biāo)信號的判斷從而降低定位估計的準(zhǔn)確性。解決同頻干擾的方式是對發(fā)射信號采用跳時擴頻方式發(fā)送,或?qū)δ繕?biāo)信號采用分時接收。另外,系統(tǒng)時鐘漂移也會引起測距誤差。采樣率低于UWB信號的Nquist采樣率時,也會引起定位誤差。
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結(jié)論
1)提出了基于UWB的危化品倉儲堆垛貨物"五距"監(jiān)測的技術(shù)方案,搭建了基于UWB的堆操定位實驗平臺,為進一步研究�；穫}儲環(huán)境的定位精度打下基礎(chǔ)。
2)對模擬�；范讯舛ㄎ粚嶒炂脚_下的UWB定位精度進行了動態(tài)和靜態(tài)測試,根據(jù)測試結(jié)果,結(jié)合危化品倉庫的信道環(huán)境,分析了�；穫}儲環(huán)境中影響UWB定位精度的因素。
3)針對危化品倉儲環(huán)境下的堆垛定位,提出了基于UWB四參考點矢量補償技術(shù),經(jīng)實驗測試,該技術(shù)能有效改善堆垛貨物的定位精度,適合應(yīng)用于�；穫}儲堆垛貨物的"五距"監(jiān)測。
參考文獻(xiàn)（略）
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本文編號：44515
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