倉儲物流作業(yè)中動態(tài)資源定位精度分析

曾 瑞，劉志鋼，羅紫君

（上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，上海 201620）

0 引言

隨著現(xiàn)代倉儲物流業(yè)的蓬勃發(fā)展，物流體系不斷完善，越來越多的物流活動被集成化管理，如包裝、裝卸搬運、運輸、倉儲、流通加工、物流信息等。為了使各項物流活動能夠有機結(jié)合，達(dá)到相互協(xié)調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)化、快速化、一體化的運作效果，實現(xiàn)倉儲庫區(qū)信息數(shù)字化、設(shè)施設(shè)備智能化、資源網(wǎng)絡(luò)化、日常管理可視化等功能具有重要意義。而上述功能的實現(xiàn)需要借助室內(nèi)的高精度定位和實時通信傳輸。

目前，無線定位技術(shù)主要通過不同的應(yīng)用場景區(qū)分為室外定位和室內(nèi)定位。室外定位主要依靠全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS），包括GPS、伽利略和我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等。雖然基于GNSS的定位技術(shù)具有全地域、全時域、精度高、抗干擾等特點，但衛(wèi)星信號的穿透力較弱，不能穿透建筑物設(shè)施，僅適用于戶外開放場景，難以滿足室內(nèi)倉儲作業(yè)中對資源定位的需求。隨著室內(nèi)導(dǎo)航定位需求的不斷增長，現(xiàn)在主流的室內(nèi)定位技術(shù)根據(jù)傳輸信號的不同可分為藍(lán)牙、紅外、ZigBee、WiFi、RFID和UWB定位技術(shù)等。其中，與UWB技術(shù)的厘米級定位精度相比，其他五種技術(shù)的定位精度為3~10m，且所用信號的抗干擾能力和穿透能力均較弱。因此，UWB技術(shù)在高精度室內(nèi)定位領(lǐng)域有著無可比擬的優(yōu)勢，引起了社會各界的廣泛關(guān)注，多應(yīng)用于變電站、煤礦井下、航空、監(jiān)獄看守所等環(huán)境中的人員和設(shè)備監(jiān)管。

一些研究人員認(rèn)為，超寬帶技術(shù)的定位精度會受到外部條件的影響。丁震等在測試中發(fā)現(xiàn)定位環(huán)境中粉塵濃度會對UWB測距產(chǎn)生較大誤差。黃波等發(fā)現(xiàn)寬度方向的定位誤差與最近的傳感器與傳感器與標(biāo)簽之間的垂直高度呈正相關(guān)，并且最大誤差易出現(xiàn)在兩個UWB錨點之間。孫小文等在對倉儲環(huán)境下農(nóng)資物品與自動導(dǎo)引運輸車定位的研究中得出結(jié)論，農(nóng)資倉庫環(huán)境下UWB技術(shù)的靜態(tài)測距與定位精度優(yōu)于50mm，動態(tài)定位精度優(yōu)于85mm。為了避免現(xiàn)有倉儲物流運行環(huán)境對倉庫內(nèi)資源定位精度的影響，迫切需要分析其中可能存在的影響因素。

本文針對UWB技術(shù)的定位精度選擇建筑內(nèi)部場景進(jìn)行可控實驗，分析資源運動速度，標(biāo)簽密度和信號傳播條件對動態(tài)資源定位精度的影響，為UWB定位技術(shù)在倉儲物流作業(yè)中的實際應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試驗設(shè)置

由于定位設(shè)備精度的限制和測量環(huán)境的復(fù)雜性，測量節(jié)點發(fā)送的信號參數(shù)在空間傳輸后往往存在誤差，使得節(jié)點的測量位置偏離實際位置。為了分析UWB定位技術(shù)對動態(tài)資源定位精度的影響因素，本文從資源運動速度，標(biāo)簽密度及信號傳播條件這三個角度，遵循控制變量法，設(shè)計了三組可控試驗，表1記錄了試驗工況的詳細(xì)設(shè)置。其中，V、V、V是三種標(biāo)簽的運動速度，ρ、ρ、ρ是三種同時運動的標(biāo)簽的設(shè)置密度，LOS（Line of Sight）、NLOS（Non Line of Sight）分別代表無線信號發(fā)射端和接收端之間以直達(dá)波和非直達(dá)波的方式進(jìn)行傳播。此外，每組試驗工況分別在信號傳輸頻率為1Hz和5Hz的條件下進(jìn)行三次重復(fù)試驗，以防止偶然的數(shù)據(jù)誤差影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。試驗工況設(shè)置如表1所示。

表1 試驗工況設(shè)置

筆者選取某高校倉儲實驗室布設(shè)四臺兼容TOF和TDOA定位算法的U3000-W防水定位基站，空間坐標(biāo)分別為（51.16,46.21,2.85），（60.13,46.33,2.85），（50.76,36.24,2.85），（59.11,35.73,2.85），（文中坐標(biāo)單位：m），用于接收定位標(biāo)簽的位置信號，試驗場景如圖1（a）所示。為了測量動態(tài)標(biāo)簽的速度對各個節(jié)點定位精度的影響，使用電動軌道車牽引UWB定位標(biāo)簽。由于定位標(biāo)簽設(shè)置在物體頂部時得到的數(shù)據(jù)效果最佳，因此文中定位標(biāo)簽均設(shè)置在電動軌道車頂部，如圖1（b）所示。電動軌道車和標(biāo)簽的實際運動路徑如圖2所示。根據(jù)電動軌道車的設(shè)備規(guī)格，可以產(chǎn)生三種不同速度水平的等速運動。試驗中研究了速度對動態(tài)資源位置估計精度的影響，因此電動軌道車保持等速運動十分重要。試驗進(jìn)行前，以毫秒為精度分別測量了V、V、V三個速度水平下電動軌道車運行15圈的單圈耗時，測量結(jié)果如圖3所示。其中，三個速度對應(yīng)耗時的方差分別為0.004s、0.007s和0.012s，較小的方差值表明了電動軌道車等速運動的穩(wěn)定性和多次實驗的可重復(fù)性。

圖1

圖2 電動軌道車軌道和標(biāo)簽的實際運動路徑

圖3 V1、V2、V3對應(yīng)的單圈耗時T1、T2、T3

為了獲取UWB定位標(biāo)簽的實際位置，使用激光測距儀確定軌道中心定位點A的坐標(biāo)（55.54,40.17），在定位點A上方垂直架設(shè)一臺實驗攝像機（1 980*1 080pixel，30fps），記錄標(biāo)簽運動軌跡。同時，基于定位點A建立平面坐標(biāo)系，通過視頻處理（Tracker）獲得運動過程中UWB標(biāo)簽的實際位置，并與UWB設(shè)備的測量位置進(jìn)行精度分析。

每次試驗中，UWB定位標(biāo)簽測量的位置數(shù)據(jù)均為10圈，從起始點B開始順時針運動，回到起始點B結(jié)束。另外，由于電動軌道車需要加速時間來實現(xiàn)試驗所需的等速運動，所以軌道車在UWB設(shè)備開始記錄之前需要完成兩圈預(yù)運行來達(dá)到目標(biāo)速度。由于軌道水平放置在實驗工作臺上，UWB定位標(biāo)簽的高度在試驗過程中不會改變，因此本研究僅涉及水平面上的二維定位精度分析。

2 定位精度計算方法

定位精度是衡量UWB定位設(shè)備對資源位置測量準(zhǔn)確性的重要評價指標(biāo)。目前，針對無線定位技術(shù)常用的指標(biāo)主要包括：均方誤差（MS E）、均方根誤差（RM SE）、圓概率誤差（CE P）、克拉美羅下界（CR LB）、累積概率分布（CD F）等。鑒于試驗中獲取的數(shù)據(jù)為UWB標(biāo)簽在運動過程中的實際位置（X,Y）、測量位置（x,y）以及二者對應(yīng)的時間t，本文通過計算目標(biāo)節(jié)點的實際位置和測量位置間的距離均方根誤差DRMS（The Distance Root Mean Squared）來反應(yīng)測量位置偏離實際位置的程度，如公式（1）所示。

式中：N為電動軌道車運行中設(shè)備測量節(jié)點的個數(shù)，DRMS的數(shù)值越小表明UWB設(shè)備定位精度越高。

為了分析試驗工況中各條件變量改變后定位精度的變化，引入了相對誤差RF的概念，用于量化同組間定位精度的變化程度，如公式（2）所示。

式中：A和a分別對應(yīng)一種試驗工況（表1），RF的數(shù)值越大表明該變量產(chǎn)生的定位精度變化程度越大。

3 定位精度試驗結(jié)果分析

本節(jié)中，對資源運動速度、標(biāo)簽密度、信號傳播條件三種可能影響UWB定位精度的條件變量進(jìn)行分析，分別計算了每次試驗對應(yīng)的距離均方根誤差（DR MS）和同組試驗之間的相對誤差（RF）。此外，針對試驗中動態(tài)標(biāo)簽的實際軌跡和基于UWB技術(shù)的測量軌跡進(jìn)行可視化，便于直接觀測測量軌跡的準(zhǔn)確程度（實際軌跡為黑色線，測量軌跡為灰色點線）。其中，標(biāo)簽的實際軌跡以3幀（0.1s）作為增量進(jìn)行坐標(biāo)取值，測量軌跡以1Hz的頻率進(jìn)行坐標(biāo)取值。

3.1 標(biāo)簽運動速度。I組試驗中，電動軌道車搭載1個UWB標(biāo)簽以三種不同的速度進(jìn)行勻速運動（V=0.21m/s，V=0.31m/s，V=0.41m/s）。圖4記錄了三種速度下UWB標(biāo)簽測量位置的DRMS值（a）以及與實際運動軌跡相比的測量軌跡（b）。試驗結(jié)果表示，在定位不同速度下的動態(tài)資源時，UWB技術(shù)的定位精度可以控制在0.096m以內(nèi)。并且數(shù)據(jù)還表明，定位誤差隨著速度的增加而減小。適當(dāng)提高定位對象的運動速度可以有效提高UWB技術(shù)的定位精度。從定位軌跡對比圖也可以清楚的看出，隨著速度的增加，標(biāo)簽的測量軌跡與實際軌跡的一致性更高。

圖4

此外，通過計算兩個連續(xù)速度之間的相對誤差發(fā)現(xiàn)，速度越高，定位精度收斂的程度越高。當(dāng)速度從V變化到V時，速度增量為0.1m/s，相對誤差為5.56%（1Hz）和5.88%（5Hz），而當(dāng)速度從V變化到V時，速度增量為0.1m/s，相對誤差為7.29%（1Hz）和7.87%（5Hz）。當(dāng)然，該結(jié)論是在本試驗速度范圍內(nèi)獲得，需要以更多的速度水平進(jìn)行多次試驗才能得出更具有一般性的結(jié)論。

3.2 標(biāo)簽密度。在實際的室內(nèi)倉儲資源定位中，通常面臨UWB基站和定位標(biāo)簽數(shù)量較多的問題，標(biāo)簽在高密度設(shè)置條件下，傳輸?shù)男盘栔g會相互干擾。II組試驗中，電動軌道車在單位面積內(nèi)分別搭載了1個、3個和8個UWB標(biāo)簽，以V的速度水平保持勻速運動。圖5記錄了三種標(biāo)簽密度下UWB標(biāo)簽測量位置的DRMS值（a）以及與實際運動軌跡相比的測量軌跡（b）。試驗結(jié)果表明，隨著標(biāo)簽密度的增加，定位誤差增大。當(dāng)定位標(biāo)簽信號傳輸頻率為1Hz時，定位誤差均小于0.089m，仍能達(dá)到10cm以內(nèi)的定位精度。而當(dāng)信號傳輸頻率為5Hz，標(biāo)簽密度從3PCs./m變化到8PCs./m時，定位誤差急劇增加，相對誤差為36.78%。因此，降低待定位資源的定位標(biāo)簽的設(shè)置密度和信號傳輸頻率，可以有效提高對動態(tài)資源的定位精度。

圖5

3.3 信號傳播條件。在室內(nèi)環(huán)境中，由于建筑空間的復(fù)雜性和局限性，UWB信號的發(fā)射端和接收端之間不可避免地存在障礙物，因此信號無法以直達(dá)波的形式傳輸。UWB信號在此類NLOS傳輸過程中經(jīng)常會出現(xiàn)反射、衍射、折射等現(xiàn)象，導(dǎo)致多徑效應(yīng)的出現(xiàn)。當(dāng)定位信號通過不同的傳輸路徑到達(dá)每個接收端時，它們根據(jù)各自的數(shù)據(jù)相互疊加，導(dǎo)致原始信號受到干擾，測量結(jié)果出現(xiàn)較大的誤差。III組試驗中，在電動軌道車的軌道四周設(shè)置高2m的隔板，用于模擬NLOS信號傳播條件。圖6記錄了LOS和NLOS條件下UWB標(biāo)簽測量位置的DRMS值（a）以及與實際運動軌跡相比的測量軌跡（b）。試驗結(jié)果表明，非視距傳播會極大地影響UWB技術(shù)的定位精度。當(dāng)動態(tài)單定位標(biāo)簽信號傳播條件從LOS變化為NLOS條件時，定位誤差分別從原先的0.08m（1Hz）和0.082m（5Hz）增長到0.129m（1Hz）和0.151m（5Hz），相對誤差分別達(dá)到了61.25%（1Hz）和84.15%（5Hz）。因此，將定位標(biāo)簽設(shè)置在待定位對象的頂部，減少定位標(biāo)簽與UWB定位基站之間的障礙物，從而避免NLOS傳播條件對動態(tài)資源定位精度的顯著影響。

圖6

4 結(jié)論

本文基于UWB技術(shù)對倉儲物流作業(yè)中動態(tài)資源定位精度的試驗研究，詳細(xì)分析并驗證了資源的運動速度、定位標(biāo)簽的設(shè)置密度、信號傳播條件及信號傳輸頻率等因素對UWB定位精度的影響。

（1）UWB定位技術(shù)對于建筑內(nèi)動態(tài)資源的定位精度可以有效保持在10cm左右，能夠充分滿足倉儲物流作業(yè)中對于人員、車輛及重要物資和設(shè)備的定位監(jiān)控的精度要求。（2）隨著動態(tài)資源的運動速度增加，定位精度逐漸提高，動態(tài)資源的測量軌跡和實際運動軌跡更加吻合。（3）高密度的UWB定位標(biāo)簽會造成信號的多址接入干擾，出現(xiàn)較大的定位誤差。特別在信號傳輸頻率為5Hz，標(biāo)簽密度從3PCs./m增加到8PCs./m時，定位誤差增加了36.78%。（4）非視距NLO（ ）S傳播會導(dǎo)致基于UWB定位技術(shù)的位置測量結(jié)果出現(xiàn)極大的偏移，試驗中所測量出的最大相對誤差為84.15%。因此，采取資源頂部定位、減少UWB信號發(fā)射端和接收端之間的障礙物等方法能大大提升UWB技術(shù)對動態(tài)資源的定位精度。（5）本研究為UWB定位技術(shù)在倉儲物流作業(yè)中的應(yīng)用提供了參考依據(jù)，同時滿足了檢測該技術(shù)在倉儲環(huán)境下的定位精度需求，具有較高的理論價值和實際應(yīng)用價值。