徐曉芳， 劉鑫

(合肥工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，合肥 230009)

Job Shop作業(yè)車間物料配送小車定位方法研究

徐曉芳， 劉鑫

(合肥工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，合肥 230009)

針對當(dāng)前Job Shop作業(yè)車間物料配送小車利用不合理問題，提出一種基于RFID和超聲波相結(jié)合的Job Shop作業(yè)車間物料配送小車定位方法。該方法利用RFID技術(shù)解決了超聲波的發(fā)射與接收不在同一側(cè)而帶來的同步難題，且利用超聲波到達時間TOA(Time Of Arrival)與到達角度DOA(Direction Of Arrival)相結(jié)合的方法計算物料配送小車與錨節(jié)點之間的距離。實驗結(jié)果表明，文中所提出的定位方法的定位精度可以達到厘米級，滿足Job Shop作業(yè)車間內(nèi)對物料配送小車的定位要求。

Job Shop作業(yè)車間；超高頻RFID技術(shù)；超聲波技術(shù)；TOA；DOA

0 引 言

Job Shop作業(yè)車間內(nèi)物料流轉(zhuǎn)比例占整個生產(chǎn)制造過程的90%以上[1]，常見的人工叉車和AGV配送工具往往存在人工參與程度高、全局性差[2]和運動軌跡固定[3]等問題。若能實現(xiàn)物料配送小車的實時定位與導(dǎo)航，可使生產(chǎn)管理者更加合理有效地利用物料配送小車，實現(xiàn)物料配送小車按時完成指定的配送任務(wù)，進而避免車間生產(chǎn)過程停產(chǎn)、停線、產(chǎn)品不能如期交貨等系類問題[4]。

目前，室內(nèi)定位技術(shù)主要有：視覺導(dǎo)航定位技術(shù)、電磁導(dǎo)航定位技術(shù)、激光定位技術(shù)、超聲波定位技術(shù)、RFID定位技術(shù)等[5]。其中視覺導(dǎo)航定位技術(shù)受車間內(nèi)地面清潔度與光線影響，在定位精度和速度方面存在缺陷[6]；電磁導(dǎo)航定位技術(shù)在Job Shop作業(yè)車間內(nèi)易受切屑等鐵磁物質(zhì)的干擾[7]；激光傳感器受室內(nèi)光線影響較大且成本較高[8]；超聲波定位技術(shù)具有成本低廉、采集信息速率快、不受環(huán)境光照以及障礙物影響等優(yōu)點[9]，但超聲波信號受距離影響較大，不適合遠距離測距；RFID技術(shù)具有非接觸以及無視線的優(yōu)點，并能在幾毫秒的時間范圍內(nèi)獲得具有厘米級精度的目標(biāo)定位，其適應(yīng)性強、成本低、傳輸范圍廣，目前已成為室內(nèi)定位的首選技術(shù)[10]。

綜合分析以上各種室內(nèi)定位技術(shù)的特點，以及考慮技術(shù)成本、可靠性和Job Shop作業(yè)車間環(huán)境特點，文中采用RFID與超聲波相結(jié)合的定位方法實現(xiàn)物料配送小車的實時定位和導(dǎo)航。

1 定位系統(tǒng)及方法

1.1 定位系統(tǒng)

本文提出的Job Shop作業(yè)車間物料配送小車定位方法主要基于由MIT開發(fā)的可輕松隨意部署的定位系統(tǒng)Cricket[11]，并基于Cricket系統(tǒng)加以改進，圖1為本文提出的定位系統(tǒng)硬件圖，其工作原理如下：單片機控制RFID發(fā)射器分時向四周發(fā)射不同頻率的RF信號并立即啟動它的定時器，作為計時初始值，F(xiàn)RID讀寫器在接收到對應(yīng)的RF信號后啟動超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波信號，當(dāng)超聲波接收器接收到相應(yīng)的信號時，單片機就立即將其定時器關(guān)閉，并把這個值作為計時終值。從而實現(xiàn)對物料配送小車的位置進行精確定位，并通過WIFI通訊模塊將智能配送單元位置信息上傳至主系統(tǒng)。RF信號的傳播速度很高，大約是3×108m/s，而超聲波的傳播速度較低，大約是3.41×102m/s，因此在定位計算過程中，可忽略RF信號的傳播時間，一定程度上可解決因為超聲波的發(fā)射和接收裝置不在同一側(cè)而引起的同步難題[12]。

圖1 硬件拓撲圖

1.2 物料配送小車位置計算單元設(shè)計

在Job Shop作業(yè)車間物料配送小車實時定位系統(tǒng)中，將位置計算單元（Position Calculation Unit PCU）嵌入到物料配送小車上，PCU中的微控制器利用超聲波到達時間參數(shù)與到達角度參數(shù)計算出物料配送小車至各錨節(jié)點的距離。文中將采用具有兩個平行放置的接收器的PCU裝置接收超聲波信號，這兩個接收器接收超聲波信號的時間是不一樣的。當(dāng)傳播距離差小于信號波長時，體現(xiàn)為某一相位差，因此可以通過檢測兩個接收器上獲得的信號相位差值得到錨節(jié)點與未知節(jié)點的夾角θ，如圖2所示。

圖2 超聲波測向原理

為了更加全面地接收超聲波信號，文中將PCU裝放在物料配送小車的正上方。由于物料配送小車不是一個點，而是有一定尺寸范圍的移動機器，因此在定位前需先計算出物料配送小車相對于PCU的位置。在定位過程中，首先需計算出PCU在Job Shop作業(yè)車間的空間位置，然后通過該位置信息獲得物料配送小車在Job Shop作業(yè)車間的空間位置，完成物料配送小車的實時定位。

2 定位算法

文中對物料配送小車定位算法的研究將從以下兩個方面展開。

1）時間參數(shù)計算。文中基于超聲波在空氣中的聲速v與從錨節(jié)點發(fā)射超聲波到未知節(jié)點接收到相應(yīng)的超聲波所產(chǎn)生的時間差t之間的乘積[13]，獲得未知節(jié)點和錨節(jié)點的距離S為

文中考慮車間內(nèi)空氣中的溫度對超聲波聲速影響較大[14]，為了提高精度，需要對超聲波的聲速進行重新調(diào)整。

2）角度參數(shù)計算。假設(shè)錨節(jié)點與超聲波接收器的距離遠大于兩個接收器之間的距離d，則兩束聲波傳播距離之間的夾角是比較小的，因此當(dāng)超聲波信號與接收面垂直夾角為θ時，兩束超聲波傳播的距離差為Δl=d×sinθ，由此得到兩個接收器接收到的信號相位差：

常用40 kHz的超聲波的波長λ一般取值為8.5 mm，采用40 kHz頻率的超聲波進行測量可獲得較高的靈敏度[15]，超聲波方向角的計算公式為

通過以上公式可知，只要獲得相位差Δφ，即可獲得方向角θ。利用鑒相電路獲得相位差Δφ與輸出電壓Uo的關(guān)系：Δφ=k×Uo，通過測得輸出電壓Uo，也就可以求出相位差Δφ的值。

式中，k為轉(zhuǎn)換的比例系數(shù)。

3 實 驗

為了驗證本文所采用的Job Shop作業(yè)車間物料配送小車定位方法的可行性與準(zhǔn)確性，我們做了以下實驗：實驗場景為模擬Job Shop作業(yè)車間工作環(huán)境的室內(nèi)實驗室，室溫28℃，實驗空間1600 cm×1600 cm×400 cm；錨節(jié)點的空間坐標(biāo)已知；物料配送小車的尺寸大小為150 cm×80 cm×100 cm，RFID標(biāo)簽安裝在物料配送小車中間正上方，超聲波接收器分別安裝在車頭和車尾正上方處。選取試驗區(qū)域內(nèi)8個固定坐標(biāo)，物料配送小車以一定的速度在實驗區(qū)域內(nèi)勻速行進，并經(jīng)過這8個已知點，物料配送小車空間坐標(biāo)誤差測量結(jié)果如表1所示。

表1 空間坐標(biāo)誤差測量結(jié)果

4 結(jié) 論

文中采用了RFID與超聲波相結(jié)合的定位方法，以實現(xiàn)Job Shop作業(yè)車間物料配送小車的實時定位與導(dǎo)航，并采用TOA與DOA相結(jié)合的定位算法進行求解獲得物料配送小車的空間位置。最后進行相關(guān)實驗，結(jié)果表明，文中所采用的物料配送小車定位方法具有精度高、成本低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，可以達到Job Shop作業(yè)車間物料配送小車自主定位要求。

[1] 劉書巖,梅中義.航空復(fù)合材料車間物料配送系統(tǒng)的研究[J].現(xiàn)代制造工程,2009(5):29-32.

[2] 張莉.離散制造企業(yè)生產(chǎn)物流系統(tǒng)設(shè)計研究[D].濟南:山東大學(xué),2012.

[3] SRIVASTAVA S C,CHOUDHARY A K,KUMAR S,et al.Development of an intelligent agent-based AGV controller for a flexiblemanufacturingsystem[J].InternationalJournalofAdvanced Manufacturing Technology,2007,36(7):780-797.

[4] 周光輝,張紅州,張映鋒,等.基于RFID的數(shù)字化制造車間物料實時配送方法[J].應(yīng)用科技,2010,37(4):1-5.

[5] 汪苑,林錦國.幾種常用室內(nèi)定位技術(shù)的探討[J].中國儀器儀表,2011(2):54-57.

[6] 齊立磊,梁智學(xué),馮高峰.一種基于高頻RFID的室內(nèi)定位方法的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機與數(shù)字工程,2013,41(4):673-675.

[7] 王皖君,張為公.自動導(dǎo)引車導(dǎo)引技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].傳感器與微系統(tǒng),2009,28(12):5-7.

[8] LEE J H,LEE C M,LEE K K.A modified path-following algorithm using a known algebraic path [J].IEEE Transactions on Signal Processing,1999,47(5):1407-1409.

[9] 洪林.移動機器人超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)研究[D].南京:南京理工大學(xué),2012.

[10]KUNG H Y,CHAISIT S,PHUONG N T M.Optimization of an RFID location identification scheme based on the neural network[J].InternationalJournalofCommunicationSystems,2013,28(4):625-644.

[11]PRIYANTHA N B.The Cricket indoor location system[J].Massachusetts Institute of Technology,2005.

[12]YAYAN U,YUCEL H,YAZICI A.A Low Cost Ultrasonic Based Positioning System for the Indoor Navigation of Mobile Robots[J].Journal of Intelligent&Robotic Systems,2015,78(3-4):541-552.

[13]王富東.超聲波定位系統(tǒng)的原理與應(yīng)用[J].自動化與儀表,1998(3):15-17.

[14] 卜英勇,王紀(jì)嬋,趙海鳴,等.基于單片機的高精度超聲波測距系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2007(3):66-6.

[15]李昌祿,蘇寒松.超聲波定位系統(tǒng)的研究[J].實驗室研究與探索,2013,32(2):39-44

Research on Location Method of Job Shop Material Distribution Car

XU Xiaofang,LIU Xin
(School ofMechanical Engineering,Hefei UniversityofTechnology,Hefei 230009,China)

Considering the unreasonable utilization of distribution tools oriented to present Job Shop,this paper explores the location method of material distribution car by combining the RFID technology with the ultrasonic technology.This location method can solve the synchronization problem that the ultrasonic transmitting and receiving are not on the same side.Based on this,the distance between the material distribution car and the anchor node is calculated by combining the time of arrival of TOA(Time Of Arrival)with DOA(Direction Of Arrival).Finally,the experiment results show that the location accuracy of this location method can reach centimeter level,and can meet the location demand of the material distribution car in Job Shop.

Job Shop;RFID technology;ultrasonic technology;location method;TOA;DOA

TH 18

A

1002－2333（2018）01－0055－03

（編輯啟 迪）

徐曉芳(1991—),女，碩士研究生，研究方向為制造過程監(jiān)測與控制。

2017-03-30