基于UWB的�；穫}儲堆垛貨物定位技術(shù)的研究
第一章緒論
危險化學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。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,中國危險化學品總、產(chǎn)量達一萬五千多噸。在危化品需求量如此之大的情況下,其安全管理問題應引起高度重視。危險化學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)生嚴重事故,多年的研究表明,化學品泄漏、火災以及爆炸中有約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,我國大部分倉庫對危化品采用堆操碼放方式進行膽存。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�；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)管也有著嚴重漏洞,某些企業(yè)當面臨上級安全監(jiān)管部門前來監(jiān)查時,就臨時將危化品堆垛規(guī)范擺放,監(jiān)管部門離去后又重歸混亂。這給危化品堆垛的安全監(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標準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)復雜的大范定位,目前無線網(wǎng)絡的接入點(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)負擔,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3m。Wi-Fi技術(shù)的劣勢在于耗電量驚人,許多Wi-Fi設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。
藍牙和Zigbee與Wi-FI定位原理相似,藍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。藍牙定位的最大優(yōu)點是設備體積小,易于移植到PC、PDA和手機等小型終端設備上,在像大樓和倉儲之類的小區(qū)域定位內(nèi)多有應用。但同Wi-Fi定位系統(tǒng)類似,由于是基于測量信號到達強度的定位方式,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)絡技術(shù),是基于圧EE802.15.4標準的無線網(wǎng)絡定位方案。Zigbee只需消耗很少的能量,就可配置多達成千上萬個網(wǎng)絡節(jié)點組成的網(wǎng)絡系統(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)已廣泛應用于無線傳感器網(wǎng)絡已成熟覆蓋的區(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1.2Gbps,DS-CDMA的缺陷,首先在于需要軟頻譜適應(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480Mbps 521, MB-OFDM方案的缺點在于系統(tǒng)復雜度較高,設計難度大,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。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用。
常規(guī)無線信號受周圍環(huán)境造成的多徑效應干擾,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定位設備。將每￣種在庫或待出入庫的�；范讯庳浳锷辖壎║WB標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)絡節(jié)點。數(shù)據(jù)庫服務器通過網(wǎng)絡節(jié)點開始接收危化品的屬性數(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電子標簽已和�；坟浳锝壎�,故電子標簽的運動軌跡就是�；坟浳锏倪\動軌跡。其動態(tài)位置數(shù)據(jù)實時發(fā)送至數(shù)據(jù)庫服務器。
(4)當服務器讀取到UWB標簽的定位數(shù)據(jù)變動幅度和頻率小于某個設巧闊值(比如X,y,Z軸的定位坐標跳動幅度不超過15cm),判定�；坟浳镆堰\達到某個固定位置,此時服務器調(diào)用實時接收的UWB定位坐標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…………………………………………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簽極易受到上層或其他堆垛貨箱的遮擋,導致信號傳播存在嚴重的多徑效應。當傳感器和信號發(fā)射器(標簽)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角度進行測量,定位精度是最高的;當接收機和信號發(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,但多徑效應引起的DP的檢測精度和算法復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到精確測距。然而,在信噪比很低或多徑效應嚴重的非視距環(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的UWB信號,還會接收到其他脈沖信號,干擾對目標信號的判斷從而降低定位估計的準確性。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繕诵盘柌捎梅謺r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�；穫}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。
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,適合應用于�；穫}儲堆垛貨物的"五距"監(jiān)測。
參考文獻（略）
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本文編號：44515
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