基于UWB的廠區(qū)車輛防撞測距方法研究

詹 林 王 曜 劉喚喚 徐楊洋

（安徽理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 安徽淮南 232001）

廠區(qū)人車交叉作業(yè)頻繁，多種類型的作業(yè)車輛在貨物堆積的廠區(qū)中容易受到視野的阻擋，操作人員也因疲勞、疏忽存在違反安全操作規(guī)范的情況，這些因素導(dǎo)致廠區(qū)的碰撞安全事故時(shí)有發(fā)生。因此研究如何實(shí)現(xiàn)人與作業(yè)車輛以及車輛之間的安全距離監(jiān)測很有必要，可以及時(shí)提醒相關(guān)人員預(yù)防危險(xiǎn)的發(fā)生，降低意外事故發(fā)生的概率[1-2]。國內(nèi)外學(xué)者對于車輛障礙物檢測的研究很多，如采用視覺傳感器采集圖像信息，獲取障礙物的距離和運(yùn)動特征等信息來及時(shí)規(guī)避[3-4]；或是建立車輛的運(yùn)動幾何模型，配合激光傳感器動態(tài)的獲取車身姿態(tài)和周圍的環(huán)境信息來檢測障礙物[5];又如基于毫米波雷達(dá)方位角探測原理并構(gòu)建防撞多級預(yù)警模型來防止碰撞的發(fā)生[6]。但是在環(huán)境復(fù)雜的廠區(qū)，這些技術(shù)方案都存在無法檢測的盲區(qū)，當(dāng)作業(yè)車輛匯聚于直角墻或者自身裝配貨物有遮擋都會出現(xiàn)檢測失效的情況，這對防撞預(yù)警的準(zhǔn)確率都有極大的影響。

超寬帶(Ultra-WideBand,UWB)是一項(xiàng)近年來新興的短距無線通信技術(shù)，它傳輸數(shù)據(jù)利用的是納秒級非正弦波窄脈沖，所占的頻譜范圍較大[7-9]。與其它短距離通信技術(shù)相比，具有穿透能力強(qiáng)、功耗低、精度高等優(yōu)點(diǎn)[10]。對于車間廠房等此類視線容易受阻，測量精度要求較高，監(jiān)測設(shè)備眾多的環(huán)境，UWB技術(shù)更適合在此類場景下的應(yīng)用。因此，本文以UWB技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了廠區(qū)車輛之間以及車輛與人員之間的測距方法和預(yù)警模型，以降低碰撞事故發(fā)生的幾率。

一、測距原理

雙邊雙向測距方法(Double-sided Two-way Ranging,DSTWR)是一種利用信號飛行時(shí)間來測量距離的方法[11]，且無需基站和標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。該方法由標(biāo)簽和基站周期性的收發(fā)信號來建立通信，通過記錄信號收發(fā)的時(shí)間戳來計(jì)算信號傳播的時(shí)間，無線電波的飛行速度和信號傳播時(shí)間的乘積即為雙方節(jié)點(diǎn)的距離[12]，具體步驟如圖1所示。標(biāo)簽發(fā)送輪詢消息給基站，并記錄下發(fā)送時(shí)間Ttx1，基站接收到標(biāo)簽的消息后，記錄下接收到消息的時(shí)間Srx1，經(jīng)過設(shè)定的延時(shí)TreplyA后發(fā)送消息給標(biāo)簽，并記錄時(shí)間Stx1。標(biāo)簽接收到消息后同樣記錄下時(shí)間Trx1，經(jīng)過設(shè)定的延時(shí)TreplyB后，打包此前通信記錄下的Ttx1、Trx1時(shí)間戳發(fā)送給基站，基站記錄下接收時(shí)間Srx2，并根據(jù)收到的時(shí)間信息和此前記錄的時(shí)間戳即可計(jì)算出信號飛行時(shí)間TOF。

圖1 測距原理圖

基站和標(biāo)簽回復(fù)的延時(shí)表示為：

標(biāo)簽和基站從發(fā)送消息到接收對方回復(fù)經(jīng)過的時(shí)間TroundA、TroundB可表示為：

那么可根據(jù)信號的飛行時(shí)間列得方程：

因此，信號飛行時(shí)間可表示為：

考慮到時(shí)鐘偏差的存在，設(shè)定基站和標(biāo)簽設(shè)備相對基準(zhǔn)頻率有固定的時(shí)鐘誤差偏移EA、EB，那么有：

將式(5)、(6)作差得到測量誤差為：

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)中主要存在兩種設(shè)備，一種是測距基站，安裝于車輛上；另一種是測距標(biāo)簽，內(nèi)置于可穿戴設(shè)備，裝備在人員身上。每個(gè)車輛的周圍空間按照離中心點(diǎn)距離被劃分為三段區(qū)域，如圖2所示。依據(jù)報(bào)警的危急程度劃分為預(yù)警、警示和限速區(qū)域，身處不同的區(qū)域給予相關(guān)人員不同程度的預(yù)警輔助。

圖2 防撞模型示意圖

UWB的測距一般僅需要一個(gè)基站和標(biāo)簽之間保持通信，但是廠區(qū)作業(yè)的車輛種類多，車身的大小尺寸各異，如果僅以一個(gè)基站表示作業(yè)車的位置，那么車身上基站安裝的位置則會對測距結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，導(dǎo)致精度下降。如果為了保證測距精度增加標(biāo)簽或者基站的數(shù)量達(dá)到四個(gè)，可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的三維定位，精度達(dá)到了最高，但是成本和能耗也會大幅的增加，且由于廠區(qū)車間特殊的作業(yè)環(huán)境，作業(yè)車的長寬普遍較小，在水平面上的定位分量對實(shí)際測距結(jié)果影響并不大。因此在車身安裝兩個(gè)固定點(diǎn)位的基站，在人員身上佩帶一個(gè)標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)在垂直于地面的平面上三點(diǎn)共面來定位目標(biāo)，成為了精度高的同時(shí)控制住成本的選擇。為進(jìn)一步提高測距精度，我們在車輛上安裝的兩個(gè)基站位置固定，且在一條垂線上。標(biāo)簽可安置于安全頭盔或者手環(huán)當(dāng)中。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到距離達(dá)到安全設(shè)限時(shí)，及時(shí)發(fā)出聲響報(bào)警以提示相關(guān)人員提高警惕，注意安全防護(hù)。

（一）人員與車輛間防撞模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如圖3所示，基站O、C相距?，位于垂直地面的z軸上。UWB測距能測量C點(diǎn)到人員身上的標(biāo)簽P點(diǎn)的距離S1，同理O點(diǎn)能測得到P點(diǎn)的距離S2。過P點(diǎn)作y軸的垂線交于E點(diǎn)，則車輛到人員的實(shí)際距離即為PE。設(shè)OE的長度為x，則有：

圖3 人與車輛的測距示意圖

解方程組可得到：

將結(jié)果帶入方程組(9)中可求出車輛到人員的距離為：

（二）車輛間防撞模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于廠區(qū)工作的車輛種類繁多，要求所有基站安裝保持同一水平高度對于設(shè)備的布置難度將大幅提升，因此兩個(gè)車輛之間測距存在的非水平誤差問題依然需要解決。如圖4所示，A1、A2和B1、B2分別為兩輛車上的基站，通過DS-TWR測距算法得到車輛A上的基站A1到車輛B上兩個(gè)基站的距離分別為d1和d2。而安裝在同一輛車上的基站之間距離可控，我們可設(shè)其距離為?，即B1B2=?。這樣我們便得到三邊確定的ΔA1B1B2，其半周長為：

圖4 車輛間測距立體示意圖

根據(jù)海倫公式可得到ΔA1B1B2的面積為：

由三角形的面積公式可得到ΔA1B1B2以B1B2為底的高，即車輛間距離d為：

同理，車輛A上的基站A2到車輛B上兩個(gè)基站的距離分別為d3和d4，得到三邊確定的ΔA2B1B2?？汕蟮靡訠1B2為底的高，即車輛間距離d`為：

取兩次計(jì)算得到的距離均值為車輛間的真實(shí)距離，則為：

（三）測距頻率自適應(yīng)方法。為了降低實(shí)際工作中誤報(bào)警的幾率、減少系統(tǒng)資源消耗、延長使用壽命，本文提出一種測距頻率自適應(yīng)方法。標(biāo)簽與基站在設(shè)定好的安全警戒范圍外以較低頻率保持基本的測距通信，當(dāng)進(jìn)入警戒范圍內(nèi)，系統(tǒng)會根據(jù)標(biāo)簽與基站之間的距離和移動速度等參數(shù)判斷碰撞發(fā)生的緊急程度以快速調(diào)節(jié)通信頻率，保證測距的精度和實(shí)時(shí)性，算法流程如圖5所示。當(dāng)基站和周圍標(biāo)簽設(shè)備建立起通信，會保持1Hz的低頻測距并根據(jù)單位時(shí)間的距離變化監(jiān)測標(biāo)簽的移動速度v。當(dāng)監(jiān)測到距離處于預(yù)警區(qū)間[P,M]時(shí)，會根據(jù)距離S計(jì)算基礎(chǔ)測距頻率f，f的計(jì)算公式為：

圖5 測距頻率自適應(yīng)算法流程

當(dāng)標(biāo)簽在預(yù)警區(qū)間內(nèi)發(fā)生移動時(shí)，系統(tǒng)會根據(jù)移動速度，在基礎(chǔ)測距頻率的基礎(chǔ)上快速調(diào)整測距頻率以適應(yīng)碰撞發(fā)生的緊急程度，頻率F的計(jì)算公式如下：

式中f為基礎(chǔ)測距頻率；v為標(biāo)簽向基站方向的移動速度，v＞0表示距離在減小，v＜0表示距離在增加；c為常數(shù)，可根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)節(jié)，這里取值為1。

三、誤差分析與修正

在實(shí)際場景中，系統(tǒng)測量的精度會因?yàn)槎喾N環(huán)境因素的干擾產(chǎn)生一定程度偏差。造成誤差的主要因素可分為兩類：一是固定時(shí)延和時(shí)鐘漂移，通信過程中天線在信號的接收和發(fā)送過程中存在延時(shí)，以及硬件設(shè)備的時(shí)鐘漂移導(dǎo)致的誤差；二是多徑效應(yīng)和非視距(Non-Line-of-Sight,NLOS)誤差，多徑效應(yīng)是UWB信號在較短距離多條路徑經(jīng)過傳播后，各分量在接收端相關(guān)疊加干擾使原始信號發(fā)生失真而帶來多徑誤差。NLOS誤差是在信號傳播中因障礙物遮擋，阻隔信號的傳播而引起接收端的誤差，可導(dǎo)致信息的傳播效率大幅度下降。

（一）距離修正。對于第1類原因造成的誤差，本文采用線性擬合的方法對固定時(shí)延和時(shí)鐘漂移引起的誤差進(jìn)行修正，可以在系統(tǒng)使用前進(jìn)行初始校準(zhǔn)來消除。測試環(huán)境為室內(nèi)無障礙物遮擋，無人員擾動，完全視距的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下。測距范圍為1m～8m，每間隔0.5m進(jìn)行100次測量，測量結(jié)果取均值作為最終結(jié)果。將實(shí)際距離數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)測試的距離數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果如圖6所示，得到標(biāo)準(zhǔn)偏差的誤差模型。擬合函數(shù)為：

圖6 測距擬合結(jié)果

（二）卡爾曼濾波優(yōu)化測距。由于在廠區(qū)的實(shí)際使用場景中，遮擋物較多，人員流動頻繁，多徑效應(yīng)和非視距環(huán)境對實(shí)際測距結(jié)果還是會產(chǎn)生較大程度的影響[13]。為了降低這些因素對精度的影響，本文引入了卡爾曼濾波，通過上一階段的測距結(jié)果和當(dāng)前時(shí)段的觀測結(jié)果對現(xiàn)階段真實(shí)的距離進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)[14-15]。用雙邊雙向測距算法測出的距離和計(jì)算出的距離變化率，作為系統(tǒng)狀態(tài)向量xt，基于系統(tǒng)的上一階段狀態(tài)預(yù)測現(xiàn)在的狀態(tài)，建立狀態(tài)方程和觀測方程：

式中Kt為卡爾曼增益矩陣；Kt-1和Kt分別為t-1和t時(shí)刻的估計(jì)狀態(tài)向量；Pt-1和Pt為t-1和t時(shí)刻的估計(jì)狀態(tài)協(xié)方差矩陣；I為單位矩陣。

四、試驗(yàn)與分析

（一）硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)中UWB通訊模塊采用的是基于Decawave公司DWM1000芯片設(shè)計(jì)的無線收發(fā)模塊，符合IEEE802.15.4-2011超寬帶標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)傳輸率設(shè)為110kbps。

（二）系統(tǒng)測試。試驗(yàn)在12m×16m的室內(nèi)場地中進(jìn)行，并堆有模擬廠區(qū)貨物的障礙物。兩個(gè)基站相距1m垂直固定于測試車身上。標(biāo)簽佩帶于測試人員手腕模擬廠區(qū)人員的真實(shí)狀態(tài)。為了驗(yàn)證測距頻率自適應(yīng)算法的有效性，將基站固定于測試場地的中心，攜帶標(biāo)簽的測試人員以不同速度在周圍移動進(jìn)行測試，測試記錄的詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1。從表中數(shù)據(jù)可以看出當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入通信范圍內(nèi)，測距的頻率可以根據(jù)標(biāo)簽的移動情況，實(shí)時(shí)的發(fā)生變化，最低保持1Hz的測距頻率，最高達(dá)到50Hz。當(dāng)標(biāo)簽靜止時(shí)，會根據(jù)距離計(jì)算出一個(gè)基礎(chǔ)測距頻率，當(dāng)標(biāo)簽以一定的速度靠近或者遠(yuǎn)離時(shí)，系統(tǒng)會在基礎(chǔ)測距頻率的基礎(chǔ)上做相應(yīng)的調(diào)整，以便于在節(jié)省能耗的同時(shí)保證測距的準(zhǔn)確度和即時(shí)。測試的結(jié)果可以看出實(shí)際與設(shè)計(jì)的理論測距頻率的偏差控制在4%以內(nèi)。

表1 測距頻率自適應(yīng)算法試驗(yàn)數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證誤差修正的效果，選取固定距離為6m的位置進(jìn)行200次的測距采樣，將修正前后的結(jié)果進(jìn)行比對。從圖7和圖8中所示可以看出經(jīng)過擬合以及卡爾曼濾波后，誤差得到了顯著的抑制。即使在采樣中部分時(shí)段信道受阻等原因?qū)е聹y量偏差較大，也能將誤差控制在較小的范圍內(nèi)。

圖7 車輛間固定位置測距修正前后對比

圖8 人與車輛間固定位置測距修正前后對比

為了驗(yàn)證不同位置系統(tǒng)測距的有效性，試驗(yàn)選取人車和車輛模型相距3m、6m、9m處，以不同的距離和方向進(jìn)行多次測量，提取各位置的最大誤差與最小誤差。從表2中可以看出系統(tǒng)的測距誤差控制在0.3m以內(nèi)，平均誤差不超過0.23m。

表2 不同位置定位誤差比較

五、結(jié)語

分析了采用UWB技術(shù)的DS-TWR測距算法的實(shí)現(xiàn)原理，構(gòu)建了車輛之間和人與車輛之間防撞預(yù)警模型，在測距精度、搭建成本和設(shè)備便攜性上作了平衡。討論了室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境中影響測距精度的具體因素，并通過線性擬合和卡爾曼濾波降低噪聲對距離測量精度的影響，一定程度上抑制了多徑效應(yīng)和非視距環(huán)境誤差。并提出測距頻率自適應(yīng)算法以動態(tài)的調(diào)整預(yù)警的靈敏度，有效降低誤報(bào)率，控制系統(tǒng)功耗。試驗(yàn)結(jié)果表明：該車輛防撞測距系統(tǒng)在駕駛員視野狀況不好的情況下，能及時(shí)有效的提醒廠區(qū)走動人員以及車輛駕駛員提前預(yù)判危險(xiǎn)，謹(jǐn)慎操作以避免事故的發(fā)生，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。