王新保 梁建偉

（江西理工大學 電氣工程與自動化學院，江西 贛州341001）

系統(tǒng)整體設(shè)計:

叉車防撞系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示。包括叉車和廠區(qū)門所安裝的錨節(jié)點、工人所攜帶的標簽節(jié)點簽。

圖1 叉車在廠區(qū)UWB 測距防撞示意圖

叉車防撞系統(tǒng)具有三個主要作用：一是叉車與工人近距離報警；二是叉車與叉車近距離報警；三是叉車靠近廠區(qū)門報警提示。標簽節(jié)點可以安置在工人的安全帽、工作服和員工身份卡片上，當叉車靠近工人時錨節(jié)點測量與工人所攜帶的標簽節(jié)點之間距離，經(jīng)過錨節(jié)點中的處理器判斷，當距離達到危險范圍啥報警器響起，提醒叉車司機注意行人。叉車與叉車之間靠近時，兩個錨節(jié)點相互測量彼此距離，當進入危險區(qū)域時，雙方報警器同時報警。當叉車靠近廠區(qū)門時，進入一定距離范圍內(nèi)，兩個錨節(jié)點上的報警器同時報警，既提醒叉車司機小心慢行，又可以提醒將要通過門的行人注意叉車。

1 硬件模塊設(shè)計

本次設(shè)計硬件選用STM32F072CBT6 芯片和DWM1001 模塊搭配其他外設(shè)使用。錨節(jié)點的整體結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 錨節(jié)點的硬件設(shè)計總體結(jié)構(gòu)圖

電源模塊是將外輸入的+5V 電壓提供給STM32 微型芯片，并將+5V 電壓轉(zhuǎn)換為+3.3V 和1.8V 為UWB 射頻收發(fā)模塊供電。UWB 射頻收發(fā)模塊主要是由DWM1001 模塊構(gòu)成，用于發(fā)送和接收無線電磁波信號。EEPROM 是用來儲存DWM1001 運行模式的必要信息。STM32F072CBT6 微型芯片作為整個系統(tǒng)的中央處理器，控制UWB 射頻收發(fā)模塊，并處理由UWB 射頻收發(fā)模塊傳來的信息，從而做出距離判斷，控制報警器是否響應(yīng)。標簽節(jié)點同為基于DWM1001 模塊所設(shè)計的有源標簽，但是不含有報警器，用來收發(fā)電磁波信號，并將延遲時間傳送到錨節(jié)點，不會對距離信息做出判斷。

2 軟件算法設(shè)計

2.1 軟件設(shè)計流程

本次設(shè)計選用Keil uVision5 開發(fā)工具，采用c 語言進行編程。采用模塊化設(shè)計各個子程序，首先根據(jù)整個防撞測距系統(tǒng)的要求，做出系統(tǒng)整體的設(shè)計流程，然后再將整體系統(tǒng)分為各個不同的模塊，在完成各個模塊的設(shè)計編程調(diào)試等工作后，再將各個模塊進行整合調(diào)試。整體設(shè)計流程圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)整體設(shè)計流程圖

本整體設(shè)計作為系統(tǒng)的主程序，包含系統(tǒng)所對應(yīng)的各個子程序模塊，并且主程序作為整個系統(tǒng)的中樞，承擔著協(xié)調(diào)安排各個模塊子程序的功能。主系統(tǒng)的主要任務(wù)是完成DWM1001 的初始化和測距功能，并實現(xiàn)對DWM1001 的配置及存儲。

2.2 算法原理

采用基于無線電磁波傳播時間計算傳播距離的飛行時間（time of fly，TOF）方法，運用雙向測距（Two-Way Ranging，TWR）算法提高測距的精度。

TOF 方法是通過兩個設(shè)備之間的無線電飛行時間來計算距離的，設(shè)備相距的距離是用無線電磁波的傳播速度乘其飛行時間計算的。若有由一對DWM1001 模塊組成設(shè)備，分別為錨節(jié)點A 和標簽節(jié)點T，作為無線電磁波信號發(fā)起者的錨節(jié)點A 具有發(fā)起測距的功能，標簽節(jié)點T 可以接收和響應(yīng)無線電磁波信號，那么TWR 測距的基本原理如下：錨節(jié)點A 發(fā)射無線電磁波信號給標簽節(jié)點T，同時并記下發(fā)送時間戳t1，標簽節(jié)點T 接收到無線電磁波信號并在一個規(guī)定的時間延遲后再給A 應(yīng)答一個信號，記延遲時間tdelay，最后A 收到T 的應(yīng)答信號并記下接收時間戳t2，測距原理如圖4 所示。

圖4 雙向測距原理示意圖

根據(jù)錨節(jié)點A 的時鐘信號，記錄下來自己的發(fā)送時間戳t1和接收時間戳t2，可得出無線電信號往返的時間：

2.3 誤差分析

TWR 測距方法，雖然不要求兩個節(jié)點的時間是否同步，但是我們考慮到不同的設(shè)備之間的晶振會由于溫漂而引起時鐘測量的誤差。我們假設(shè)eA和eT分別為錨節(jié)點和標簽節(jié)點由于溫漂引起的時鐘漂移，如果考慮到eA和eT帶來的影響，那么飛行時間tfly^可以表示：

由公式可得當eA和eT一定時，隨著tdelay的增大誤差也會增大。如果標簽節(jié)點的延遲時間較長的話，那么所產(chǎn)生的距離誤差是非常大的。我們可以根據(jù)TWR 測得距離值與實際的基準距離值作比較，然后再不斷調(diào)整系統(tǒng)的延遲時間, 從而消除誤差。

3 功能測試

前面詳細介紹了系統(tǒng)硬件方面的設(shè)計，在實際的制作過程中做出了硬件電路的PCB，依據(jù)原理圖的走線對硬件進行焊接。在硬件完成之后根據(jù)DWM1001C 的使用指導對硬件進行了功能能測試，在測試沒有問題后給板子搭建測試環(huán)境，刷入固件。在一切順利完成之后，將在第四章完成的軟件部分進行調(diào)試和寫入，注意區(qū)分錨節(jié)點和標簽節(jié)點。至此智能防撞系統(tǒng)的設(shè)計已基本完成，相關(guān)實物展示見圖5。

圖5 錨節(jié)點和標簽節(jié)點的實物展示

為了測試錨節(jié)點和標簽節(jié)點的準確性，在實驗室內(nèi)進行了實地測試，測試距離為1.5m。在實際測試過程中，可實現(xiàn)近距離報警功能，誤差在接受范圍內(nèi)。實際的測試場景圖見圖6。

圖6 錨節(jié)點和標簽節(jié)點測試

4 結(jié)論

在智能化車間和現(xiàn)在實際應(yīng)用中，叉車的碰撞問題始終是一個重要的研究方向。本文針對叉車的碰撞問題提出了一個可行的研究辦法采用UWB 技術(shù)比以往采用的超聲波技術(shù)具有更高的準確性和可靠性?；贒WM1001 模塊的叉車防撞系統(tǒng)具有價格親民，精確度高等突出特點，滿足工廠大規(guī)模使用的條件。另外該設(shè)計系統(tǒng)具有可行性和實用性，足以適應(yīng)工廠里的復雜環(huán)境，為提高叉車的安全系數(shù)做出技術(shù)支持。