CN104914869B - 基于uwb的离散制造车间物料配送小车控制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于UWB的离散制造车间物料配送小车控制系统，包括车间布局模块、上位机模块、物料配送小车、实时定位模块。所述的车间布局模块是针对离散制造车间的基本要求进行简化提取，用于映射整个离散制造车间；所述的上位机模块用于实现物料配送小车的运动控制、实时定位和轨迹追踪，实时显示物料配送整个过程；物料配送小车完成整个物料配送过程；实时定位模块实现物料配送小车的实时定位和跟踪。本发明可以有效提升离散制造车间物料配送的柔性化；实时显示物料配送小车的位置和运动轨迹，可视化物料配送过程；每个基本功能区域通过RFID阅读器识别物料种类，实现物料追踪；对于离散制造车间有很高的推广价值。

Description

基于UWB的离散制造车间物料配送小车控制系统

技术领域

本发明涉及一种物流技术，尤其是一种单件或小批量离散制造车间中物料配送技术，具体地说是一种基于UWB的离散制造车间物料配送小车控制系统。

背景技术

在离散制造车间中，生产过程通常被分解成很多加工任务。每项任务仅需要少量的加工资源。企业内部一般将功能类似的设备按照空间和行政管理建成一些生产组织（部门、工段或小组）。在生产组织内部，工件需要从一个工作中心到另一个工作中心进行不同类型的工序加工。在离散制造中，加工工艺路线和设备的使用非常灵活，需要根据工艺流程合理安排生产设备的位置，使物料的传输距离最小。

离散制造车间中，物料配送通常有两种方式：一种为人工配送，一种为AGV配送。人工配送即工人操作专门的物料车进行物料配送，如果缺乏统一的调度规划，极易造成物料配送的拥堵滞后；同时在混合生产过程中，物料种类繁多，配送路径复杂多变，人工配送极易造成物料丢失以及配送错误。AGV配送即使用AGV作为物料配送工具，目前AGV的常用的导引方式主要有电磁导引以及磁带导引。使用时需要在离散车间地面铺设金属线或磁带，AGV沿铺设的金属线或磁带运动，自动化程度高，但此类AGV运动路径很难更改扩展，对复杂路径的局限性很大，灵活性差，一旦生产工艺路线变化，将很难完成离散制造车间物料配送。

目前离散制造车间使用的物料配送方法，常常造成离散制造车间物料配送不及时、配送错误、物料丢失，影响生产节拍，打乱正常的生产流程，成为制约离散制造发展的一个重要因数。

超宽带技术的出现和应用，为离散制造车间物料配送小车的实时定位提供了有效的技术支持，使离散制造车间物料实时配送成为可能。超宽带技术通过对很陡的上升和下降时间的冲击脉冲进行直接调制，使信号具有GHz量级的带宽，具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、以及能提供数厘米的定位精度等优点。英国剑桥大学研制的超宽带实时定位系统已经用于英国Sellafied核电站，为员工提供定位服务；唐恩科技已将UWB技术应用于室内人员的定位，仓储定位管理系统，生产自动化辅助系统。但如何使用UWB技术实现离散制造车间物料配送小车实时定位，通过实时坐标对物料配送小车进行引导，从而实现离散制造车间物料配送的实时化、柔性化、可视化是提高离散制造车间物流配送效率和精度的当务之急。

发明内容

本发明的目的在于现有的离散车间物流配送依赖于AGV小车而造成配送灵活性差，配送布线复杂的问题，提供一种基于超宽带技术的离散制造车间物料配送系统。通过对离散制造车间布局进行简化提取形成车间布局模块，使用超宽带技术实现对物料配送小车的实时定位，上位机模块通过实时坐标实现对物料配送小车的实时定位和轨迹追踪，同时可选择不同的运动控制模式来完成不同的物料配送任务，最终实现离散制造车间物料配送的实时化、柔性化、可视化。

本发明的技术方案是：

一种基于UWB的离散制造车间物料配送小车控制系统，其特征是它包括：

一车间布局模块；该车间布局模块由离散制造车间布局简化提取，是对整个离散制造车间布局的映射，它包括若干个基本区域，每个区域至少安装一个RFID阅读器，用于识别物料信息并进行上传；

一上位机模块；该上位机模块与物料配送小车进行实时通信，向物料配送小车发送运动控制指令和物料配送小车的实时坐标信息，控制物料配送小车的运动，并实时显示物料配送小车的位置信息和运动轨迹；

至少一台物料配送小车；该物料配送小车在上位机模块的控制下将物送输送到车间布局模块中对应的基本区域；

一实时定位模块；该实时定位模块将实时定位坐标系、车间布局坐标系和物料配送小车运动坐标系三者形成一个统一的坐标系，为物料配送小车的实时定位和轨迹追踪提供技术支持；所述的实时定位模块以Ubisnese系统硬件为底层平台，以安装在中的至少3个Ubisense读写器来接收物料配送小车上安装的定位标签发射的UWB信号，并上传该UWB信号到Ubisense定位引擎平台，通过AOA和TDOA算法计算出所述的定位标签的坐标；上位机模块通过访问Ubisense定位引擎平台，获得物料配送小车的实时位置信息，再通过上位机模块中的电子地图模块可视化整个物料配送过程。

所述的车间布局模块包括8个基本区域，分别为物料区、车床区、铣床区、刨床区、磨床区、钳工区、质检室和成品区，通过统一的坐标系标定每个基本区域特征点的坐标；每个基本区域安装一个RFID阅读器，当有相配的标签进入阅读器范围时，阅读器读取该标签的ID号，识别该标签对应的物料，并将物料信息传送给上位机模块，上位机模块中的电子地图模块将在相应工位显示小车所配送的物料。

所述上位机模块包含上位机通信模块、调速模块、运动控制模块、任务配送模块、收发显示模块和电子地图模块；电子地图模块与车间布局模块使用统一的坐标系，与基本区域的特征点一一对应，上位机模块通过电子地图模块实时显示物料配送小车的坐标信息和运动轨迹，当小车到达相应工位时，电子地图模块将在相应工位显示小车配送物料；上位机模块通过上位机通信模块与物料配送小车上的小车通信模块建立通信，向物料配送小车发送运动控制指令和实时坐标信息；运动控制模块和任务配送模块用于实现物料配送小车不同运动形式的控制，完成不同形式的物料配送任务；收发显示模块用于显示上位机模块和物料配送小车通信数据量以及当前通信数据。

所述物料配送小车包含运动控制模块、小车通信模块、避障模块和UWB有源定位标签；物料配送小车通过运动控制模块实现自身的启动、停止、直行、转向，通过小车通信模块获得上位机模块发送的运动控制指令和实时坐标信息，通过避障模块防止物料配送小车的意外碰撞；物料配送小车携带的UWB有源定位标签与实时定位模块一起实现物料配送小车的实时定位与追踪。

所述的实时定位模块以Ubisnese系统硬件为底层平台，在车间4个角用支架安装4个Ubisense读写器，用于接收UWB有源定位标签发射的UWB信号，并上传该UWB信号到Ubisense定位引擎平台，通过AOA和TDOA算法计算出UWB有源定位标签的坐标；上位机模块通过访问Ubisense定位引擎平台，获得物料配送小车的实时位置信息，通过上位机模块中的电子地图模块可视化整个物料配送过程。

所述的上位机通信模块和小车通信模块均为ZigBee无线通信模块。

本发明的有益效果：

1）本发明通过Ubisense定位系统，实现了离散制造车间物料配送小车准确的实时定位和追踪。

2）本发明采用实时坐标对物料配送小车进行导引和运动控制，物料配送小车运动路径灵活性大大提高。

3）本发明上位机模块可设计在不同的运动控制模块，能完成不同类型的物料配送任务，很好的适应离散制造车间的物料配送需求。

4）本发明上位机模块带有电子地图模块，能实时显示物料配送小车的位置信息和运动轨迹，有利于整个物料配送过程的监控。

5）本发明在每个基本功能区域放置一个RFID读写器，能够有效地识别进入该区域的物料种类，实现生产过程中物料的追踪。

本发明配置灵活，无需在离散车间地面铺设金属线或磁带。运动路径更改扩展方便，尤其适用于复杂路径的规划，灵活性好，不论生产工艺路线如何变化，都能很好地完成离散制造车间的物料配送。

本发明可以有效提升离散制造车间物料配送的柔性化；实时显示物料配送小车的位置和运动轨迹，可视化物料配送过程；每个基本功能区域通过RFID阅读器识别物料种类，实现物料追踪；对于离散制造车间有很高的推广价值。

附图说明

图1是本发明的总体体系结构图。

图2是本发明的车间布局模块结构图。

图3是本发明的上位机操作界面图。

图4是本发明的物料配送小车电路图。

图5是本发明的物料配送小车程序流程图。

图6是本发明的Ubisense系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1-6所示。

一种基于UWB的离散制造车间物料配送小车控制系统，它包括车间布局模块、上位机模块、物料配送小车和实时定位模块，如图1所示。车间布局模块由8个基本功能区域组成，如图2所示，分别是物料区、车床区、铣床区、刨床区、磨床区、钳工区、质检室和成品区，每个基本功能区域特征点坐标由统一的坐标系标定，同时每个基本功能区域放置一个RFID阅读器，用于检测该区域是否有物料送达以及配送物料的种类；上位机模块包括通信模块、调速模块、运动控制模块、任务配送模块、收发显示模块、电子地图模块，它用于物料配送小车的实时定位、轨迹追踪、运动控制、路径规划，并实时显示物料配送小车整个物料配送过程；物料配送小车包括运动控制模块、通信模块、避障模块、定位标签，它是整个系统的运动执行部分，执行上位机模块的运动指令，完成整个物料配送过程；实时定位模块是物料配送小车实时精确定位与物料配送实时监控的硬件基础，定位引擎通过AOA和TDOA算法计算出物料配送小车的坐标。定位标签按一定频率发送UWB信号，定位引擎以相同频率刷新标签的坐标信息，实现物料配送小车的实时定位。

详述如下：

图1是本发明基于UWB的离散制造车间物料配送小车控制系统的总体结构，其包括车间布局模块、上位机模块、物料配送小车和实时定位模块。

图2是本发明根据车间生产要素简化提取，形成的车间布局模块。在车间布局模块中一个包含8个基本区域，分别是物料区、车床区、铣床区、刨床区、磨床区、钳工区、质检室和成品区。在每个基本区域，分别布置一个RFID阅读器，用于识别该区域物料类别以及物料是否存在。

本发明的上位机模块的控制界面如图3所示。上位机模块主要包括6个模块，分别是上位机通信模块（通过ZigBee网络实现通讯）、调速模块、运动控制模块、任务配送模块、收发显示模块、电子地图模块。通信模块硬件为ZigBee无线通信模块，上位机模块与物料配送小车通过ZigBee模块建立无线通信。通信模块用于设置通信参数，即选择通信端口和设置波特率。调速模块用于控制物料配送小车的运动速度，通过调节物料配送小车电机控制信号占空比实现小车调速。运动控制模块和任务配送模块设置了小车的不同运动方式，可以完成不同类型的物料配送任务。执行运动控制模块时，上位机模块向物料配送小车发送起点、终点坐标，物料配送小车转过一定角度调整运动方向以后，沿直线从起点运动到终点，完成配送任务。执行任务配送模块时，人工选择多个目标任务配送点，物料配送小车以当前点为起点，第一个目标点为终点，调整运动方向，运动到第一目标点；然后以第一个目标点为起点，第二个目标点为终点，运动至第二个目标点，如此循环运动至最后一个目标点。电子地图模块为上位机模块的主要显示部分，用于实时显示物料配送小车的实时坐标和运动轨迹，实现物料配送小车的实时定位和追踪，最终实现物料配送小车整个运动过程的监控。

本发明的物料配送小车是整个系统的运动执行部分，主要包括运动控制模块、通信模块、避障模块、定位标签，物料配送小车的控制电路图如图4所示。物料配送小车核心控制芯片为MSP430F149单片机，用于处理上位机发送的运动控制指令以及实时坐标信息，实现物料配送小车的运动控制。物料配送小车的通信模块为ZigBee无线通信模块，该模块通过RS232将数据传递给单片机。避障模块为3个数字红外避障传感器，实现物料配送小车的避障检测，防止意外碰撞。定位标签放置在物料配送小车上，该定位标签自带电源，主动发出UWB信号，定位系统通过AOA和TDOA算法计算出标签坐标，实现物料配送小车的定位。

物料配送小车控制程序流程如图5所示，程序开始执行以后，首先进行初始化，设置物料配送小车的通信口、波特率；其次通过无线通信获得运动的起点和终点坐标，计算出小车转角并对小车进行调速，物料配送小车开始运动，在运动过程中不断与上位机通信，刷新实时坐标，当实际终点和理论终点距离小于0.2米时认为小车到达目标点，小车便停止运动，调整运动方向与参考方向一致，同时判定当前点是否为物料配送最后一点，若当前点为物料配送最后一点，物料配送小车则完成整个物料配送过程；若当前点不是物料配送最后一点，物料小车则以当前点为起点，下一个物料配送点为终点重复运动，直至运动到物料配送最后一点。在物料配送过程中吗，为规避障碍物物料配送小车触发避障中断，执行避障程序，调整运动路径，重新获得起点后从新起点运动到终点。

本发明的实时定位模块为一套Ubisense定位系统。在可车间4个角（也可视具体情况多或少配置）分别用4个支架布置4个Ubisense读写器，选择其中一个读写器作为主读写器，另外3个读写器通过时间同步线与主读写器相连，最后将4个读写器通过信号输出线连接到交换机，通过路由器将数据传递到定位引擎服务平台。物料配送小车上的定位标签发出UWB 信号，读写器接收到定位标签发出的信号以后，将该信号上传给定位引擎，定位引擎通过AOA和TDOA算法，计算出定位标签的坐标。定位标签以一定频率发送UWB信号，定位引擎以相同频率不断刷新标签坐标信息，实现物料配送小车的实时定位并在上位机模块中的显示模块中加以实时显示。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可以采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种基于UWB的离散制造车间物料配送小车控制系统，其特征是它包括：

一车间布局模块；该车间布局模块由离散制造车间布局简化提取，是对整个离散制造车间布局的映射，它包括若干个基本区域，每个区域至少安装一个RFID阅读器，用于识别物料信息并进行上传；当有相配的标签进入阅读器范围时，阅读器读取该标签的ID号，识别该标签对应的物料，并将物料信息传送给上位机模块，上位机模块中的电子地图模块将在相应工位显示小车所配送的物料；

一上位机模块；该上位机模块与物料配送小车进行实时通信，向物料配送小车发送运动控制指令和物料配送小车的实时坐标信息，控制物料配送小车的运动，并实时显示物料配送小车的位置信息和运动轨迹；所述上位机模块包含上位机通信模块、调速模块、运动控制模块、任务配送模块、收发显示模块和电子地图模块；电子地图模块与车间布局模块使用统一的坐标系，与基本区域的特征点一一对应，上位机模块通过电子地图模块实时显示物料配送小车的坐标信息和运动轨迹，当小车到达相应工位时，电子地图模块将在相应工位显示小车配送物料；上位机模块通过上位机通信模块与物料配送小车上的小车通信模块建立通信，向物料配送小车发送运动控制指令和实时坐标信息；运动控制模块和任务配送模块用于实现物料配送小车不同运动形式的控制，完成不同形式的物料配送任务；收发显示模块用于显示上位机模块和物料配送小车通信数据量以及当前通信数据；

至少一台物料配送小车；该物料配送小车在上位机模块的控制下将物料输送到车间布局模块中对应的基本区域；所述物料配送小车包含运动控制模块、小车通信模块、避障模块和UWB有源定位标签；物料配送小车通过运动控制模块实现自身的启动、停止、直行、转向，通过小车通信模块获得上位机模块发送的运动控制指令和实时坐标信息，通过避障模块防止物料配送小车的意外碰撞；物料配送小车携带的UWB有源定位标签与实时定位模块一起实现物料配送小车的实时定位与追踪；

一实时定位模块；该实时定位模块将实时定位坐标系、车间布局坐标系和物料配送小车运动坐标系三者形成一个统一的坐标系，为物料配送小车的实时定位和轨迹追踪提供技术支持；所述的实时定位模块以Ubisnese系统硬件为底层平台，以安装在车间中的至少3个Ubisense读写器来接收物料配送小车上安装的定位标签发射的UWB信号，并上传该UWB信号到Ubisense定位引擎平台，通过AOA和TDOA算法计算出所述的定位标签的坐标；上位机模块通过访问Ubisense定位引擎平台，获得物料配送小车的实时位置信息，再通过上位机模块中的电子地图模块可视化整个物料配送过程。

2.根据权利要求1所述的基于UWB的离散制造车间物料配送小车控制系统，其特征是所述的车间布局模块包括8个基本区域，分别为物料区、车床区、铣床区、刨床区、磨床区、钳工区、质检室和成品区，通过统一的坐标系标定每个基本区域特征点的坐标；每个基本区域安装一个RFID阅读器。

3.根据权利要求1所述的基于UWB的离散制造车间物料配送小车控制系统，其特征是所述的实时定位模块以Ubisnese系统硬件为底层平台，在车间4个角用支架安装4个Ubisense读写器，用于接收UWB有源定位标签发射的UWB信号，并上传该UWB信号到Ubisense定位引擎平台，通过AOA和TDOA算法计算出UWB有源定位标签的坐标；上位机模块通过访问Ubisense定位引擎平台，获得物料配送小车的实时位置信息，通过上位机模块中的电子地图模块可视化整个物料配送过程。

4.根据权利要求3所述的基于UWB的离散制造车间物料配送小车控制系统，其特征是所述的上位机通信模块为ZigBee无线通信模块。

5.根据权利要求3所述的基于UWB的离散制造车间物料配送小车控制系统，其特征是所述的小车通信模块为ZigBee无线通信模块。