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        基于超寬帶技術(shù)的車輛智能裝載導(dǎo)引系統(tǒng)

        2020-09-10 23:53:42胡淦馬玉坤馬欣然孫艷鵬劉寧
        交通科技與管理 2020年6期
        關(guān)鍵詞:重型汽車超寬帶測(cè)距

        胡淦 馬玉坤 馬欣然 孫艷鵬 劉寧

        摘 要:為滿足重型車輛鐵路運(yùn)輸日益增長(zhǎng)的需求,解決現(xiàn)有裝運(yùn)方式存在的問題,本文基于超寬帶定位技術(shù)設(shè)計(jì)了一種低成本、高效率的裝載引導(dǎo)系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠有效彌補(bǔ)原有人工引導(dǎo)裝載方式的局限性和作業(yè)效率低下的不足,通過(guò)布置基站和標(biāo)簽掌握待裝車輛與鐵路平車相對(duì)位置信息,為待裝車輛駕駛員提供車輛偏差信息,實(shí)現(xiàn)車輛安全、快速、精確裝車,從而提高鐵路裝卸效率,降低裝卸現(xiàn)場(chǎng)安全隱患,提升鐵路運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量。本文還對(duì)系統(tǒng)定位算法和UWB測(cè)距算法進(jìn)行了優(yōu)化,降低了整體成本提高了定位測(cè)量精確性。

        關(guān)鍵詞:超寬帶;重型汽車;定位;測(cè)距

        中圖分類號(hào):TN925 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

        我國(guó)鐵路運(yùn)輸因其相對(duì)較低的運(yùn)輸成本、巨大的運(yùn)輸能力、準(zhǔn)確的到發(fā)時(shí)間、高可靠性、高安全性等優(yōu)點(diǎn),成為內(nèi)陸貨物運(yùn)輸?shù)闹匾侄巍?guó)內(nèi)各商用車主機(jī)廠生產(chǎn)完成的成品重型汽車也經(jīng)常會(huì)采用鐵路平車運(yùn)輸?shù)姆绞竭M(jìn)行批量運(yùn)輸,重型汽車裝載加固要求高,裝載難度大,受限于車輛高度和寬度,部分車輛尺寸會(huì)接近限界,某些車型寬度接近鐵路平車寬度,裝載過(guò)程中很容易對(duì)位不準(zhǔn),有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)車輛掉落的情況。

        目前重型汽車主要通過(guò)人工提示導(dǎo)引的方式進(jìn)行裝載。每輛待裝車均通過(guò)高站臺(tái)與尾端平車相連的渡板駛上平車,并從列尾端向前行駛,直至到列達(dá)指定的平車既定位置停止。為保證車輛裝載過(guò)程中不偏離中線,需要數(shù)名輔助導(dǎo)引員同時(shí)指引駕駛員駕駛,效率低下且耗費(fèi)人力,遇到夜間裝車情況,待裝車輛還需關(guān)閉大燈,由引導(dǎo)員用手電筒照亮指引,裝載效率和可靠性大大降低。

        針對(duì)重型車輛裝載存在的問題,本文提出了一種基于超寬帶技術(shù)的重型汽車鐵路運(yùn)輸裝載定位系統(tǒng),用以代替人工引導(dǎo),為待裝車駕駛員提供車輛位置及偏離信息,實(shí)現(xiàn)車輛安全、快速、精確裝車,從而提高鐵路裝卸效率,降低裝卸現(xiàn)場(chǎng)安全隱患,提升鐵路運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量。

        1 超寬帶(UWB)測(cè)距原理

        超寬帶無(wú)線技術(shù)(Ultra Wideband,UWB)電磁波的一種,真空下傳播速度與光速相同,最早應(yīng)用于軍用雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域,于2002年被FFC(美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì))批準(zhǔn)民用,此后獲得了快速發(fā)展。由于UWB具備信息容量大、測(cè)距精度高、抗干擾性能強(qiáng)以及發(fā)送功率小等優(yōu)點(diǎn)被人們廣泛關(guān)注,成為一種新興的測(cè)距定位技術(shù),其電磁波輻射對(duì)人體的影響也很小。

        UWB的測(cè)距方法是通過(guò)測(cè)量移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與固定節(jié)點(diǎn)傳播的時(shí)間信息以求出距離,主要采用飛行時(shí)間(Time Of Flight,TOF)、到達(dá)時(shí)間差(Time difference of Arrival,TDOA)兩種測(cè)距方式。TDOA定位需要精確的時(shí)鐘同步,分為有線時(shí)鐘同步和無(wú)線時(shí)鐘同步兩種方式,有線時(shí)鐘同步需要設(shè)計(jì)同步信號(hào)裝置,無(wú)線時(shí)鐘同步需要設(shè)計(jì)時(shí)鐘同步算法,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。而TOF定位采用雙向雙邊測(cè)距測(cè)量標(biāo)簽到多個(gè)基站距離,基站無(wú)需時(shí)鐘同步。

        2 裝載定位系統(tǒng)構(gòu)成

        2.1 系統(tǒng)整體方案

        本方案中,每列車的頭車前端需固定兩個(gè)基站,兩基站均位于平車中心面上,每個(gè)運(yùn)輸車輛車頭固定兩個(gè)標(biāo)簽,兩標(biāo)簽沿運(yùn)輸車輛中心面對(duì)稱。若要保持運(yùn)輸車輛沿中線行駛不偏移,則需保持各基站與每個(gè)標(biāo)簽的實(shí)時(shí)距離分別相等,即保持基站和兩標(biāo)簽三點(diǎn)相連的三角形始終為等腰三角形。當(dāng)車輛發(fā)生偏移時(shí),由基站間距、標(biāo)簽間距以及標(biāo)簽與倆基站的距離值可得到運(yùn)輸車輛與板車中心線的偏移量。

        2.2 定位系統(tǒng)構(gòu)成

        定位系統(tǒng)主要由2個(gè)固定基站(Mbs)、2個(gè)可移動(dòng)標(biāo)簽(Tag)、一個(gè)解算計(jì)算機(jī)以及一個(gè)平板電腦構(gòu)成。

        (1)基站(Mbs)。定位系統(tǒng)的兩個(gè)基站固定放置在車列的車頭位置,基站集成了UWB定位模塊、電源模塊以及無(wú)線傳輸模塊?;镜腢WB信號(hào)收發(fā)模塊在接收到標(biāo)簽發(fā)送的UWB信號(hào)后將信號(hào)轉(zhuǎn)換位數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線模塊傳送給解算計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

        (2)標(biāo)簽?zāi)K(Tag)。標(biāo)簽像基站一樣集成了定位、電源以及無(wú)線模塊,標(biāo)簽與基站實(shí)時(shí)通訊,將距離數(shù)據(jù)發(fā)送給基站,從而實(shí)現(xiàn)位置解算。

        (3)解算計(jì)算機(jī)。接收基站發(fā)送的原始數(shù)據(jù),并將經(jīng)過(guò)解算得到車輛位置和中心偏離值發(fā)送給平板電腦端顯示。

        (4)平板電腦。是定位系統(tǒng)與駕駛員的交互端,與解算計(jì)算機(jī)通過(guò)局域網(wǎng)實(shí)時(shí)通信,用于顯示汽車偏離數(shù)據(jù),輔助駕駛員駕駛。

        3 系統(tǒng)定位算法

        超寬帶定位系統(tǒng)一般至少需要四個(gè)基站才能三維空間內(nèi)標(biāo)簽的定位,本論文提出的定位策略對(duì)定位算法進(jìn)行了簡(jiǎn)化,用兩個(gè)基站即可實(shí)現(xiàn)測(cè)偏差功能,減小了計(jì)算量降低了成本。

        圖2中,、為兩基站位置,、為車頭倆標(biāo)簽位置兩基站、間距與兩標(biāo)簽與間距為已知固定值,與間距、與間距、與間距、與間距為實(shí)時(shí)測(cè)量值,兩基站、均位于平車中心線上,標(biāo)簽與放置于車頭兩端,延車輛縱向中心面對(duì)稱,為與連線中點(diǎn)。、分別為兩標(biāo)簽與基站連線與平車中心線夾角。

        4 基于對(duì)稱雙邊雙向測(cè)距算法減小誤差

        UWB測(cè)距精度決定了整個(gè)系統(tǒng)定位精度,而時(shí)鐘漂移引起的誤差是主要誤差,因此需要通過(guò)算法來(lái)減小誤差。

        UWB定位系統(tǒng)最簡(jiǎn)單的測(cè)距方式是單程測(cè)距,但是這對(duì)節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘同步要求極其嚴(yán)格,而基站和標(biāo)簽間有各自本地時(shí)鐘,無(wú)法保證時(shí)間同步。雙程測(cè)距雖能消除節(jié)點(diǎn)之間未能完全同步的影響,但無(wú)法消除晶振時(shí)鐘漂移的影響。對(duì)稱雙邊雙向測(cè)距,可以消除晶振時(shí)鐘漂移的影響,這樣大大降低了定位的實(shí)時(shí)性。在此采用對(duì)稱雙邊雙向測(cè)距算法來(lái)減小時(shí)鐘漂移誤差。

        對(duì)稱雙邊雙向測(cè)距示意圖如圖所示,圖中,A和B是一對(duì)基站和標(biāo)簽,A收到響應(yīng)后,經(jīng)過(guò)時(shí)間TA向B發(fā)送信息,B收到信息后經(jīng)過(guò)TB向A發(fā)送信息,A、B設(shè)備發(fā)送和收到信息時(shí)間差分別為Troud1、Troud2。

        由此可得,通過(guò)對(duì)稱雙邊雙向測(cè)距算法使得時(shí)鐘漂移引起的誤差減半了。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        本文基于超寬帶測(cè)距技術(shù)設(shè)計(jì)了一套適用于重型汽車鐵路運(yùn)輸?shù)难b載定位系統(tǒng),基于應(yīng)用條件簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)超寬帶定位的基站配置,通過(guò)對(duì)稱雙邊雙向測(cè)距算法減小誤差提升系統(tǒng)精確度,為重型車輛鐵路運(yùn)輸裝載提供了新思路。

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