CN111966113A - 一种基于超带宽无线通信的智能工具车系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超带宽无线通信的智能工具车系统，包括：智能工厂服务器系统、UWB工厂基站网络，工具车以及电子工作证；工厂服务器系统作为智能计算中心，用于完成工厂资源配置、设备调度、工程管理，并对工厂数据进行存储；UWB工厂基站网络根据工厂大小分片布局，UWB工厂基站在工厂中的坐标存储在服务器系统中，用于实现位置定位；工具车系统和电子工作证均带有UWB射频标签，在工厂服务器系统中注册，并分配唯一设备ID号进行管理。该系统适用于未来智能工厂的智能化信息管理，实现人与工具车的协调工作，满足工业装配生产中工人对工具的使用需求，做到工人在使用工具时能够“随用随拿”，在工具管理上能够自动识别并统计，有效防止工具丢失，简化工具进出的登记流程。

Description

一种基于超带宽无线通信的智能工具车系统

技术领域

本发明涉及智能工厂和计算机控制技术领域，特别涉及一种基于超带宽无线通信的智能工具车系统与设计方法。

背景技术

智能生产是智能制造的主线，而智能工厂是智能生产的主要载体，随着中国制造2025的提出，中国工厂未来20年将向着智能生产和智能管理的方向发展，通过构建工厂智能化网络，实现自主判断、自主协调、自主规划。因此，智能工厂将实现人与设备之间的相互协调合作，从而提高工厂的生产效率。在未来的智能工厂中，人类、机器和资源能够相互通信，工人能够知道设备的状态，而设备也能够“知道”工程人员的需求等，设备和工具将主动参与到工厂的生产中。市面上现有的工具车只是作为一种工具收纳装置，在使用上存在很多的不足：

1.现有工具车不具有动力输出装置，当工作人员需要往返多个作业点开展工作时，需要人力推动工具车移动，尤其需要携带大型设备仪器时，工具车使用体验较差。

2.现有工具车不具备工具管理的能力，当工作完成后，需要人工清点工具并统计，浪费人力物力，如果管理稍有不善，很容易造成工具串拿或者丢失的情况，当工作完成后，工具车任意停放造成现场混乱时有发生。

3.现有工具车一般作为独立的设备，很难做到工厂统筹的管理的能力，更不可能将工具需求、项目和人员进行关联管理。

综上，在现有的工具车设备中，还没有适用于智能工厂的工具管理系统可供适用。

发明内容

有鉴于此，针对未来工厂智能化发展的趋势，本发明提供了一套基于UWB智能工具车系统，其中，所述UWB是指超宽带(Ultra Wide Band，UWB)技术。该系统适用于智能工厂设备的智能化信息管理，有效提高工厂的执行效率。该系统基于UWB无线通讯技术读取智能工具车的状态信息，以及通过工作牌(UWB便签)读取工厂在岗工程师信息，并进行人与设备关联；基于RFID快速识技术，可以对工具车内工具盒仪器快速识别统计；通过对工具车室内定位与轨迹规划，工作状态时自主跟随关联标签，即跟踪服务于对应工程师，完工时工具车自主返回到指定区域位置停放。

为实现上述目的，本发明提供一种基于超带宽无线通信的智能工具车系统，包括：

智能工厂服务器系统、UWB工厂基站网络，工具车以及电子工作证；

所述工厂服务器系统作为智能计算中心，用于完成工厂资源配置、设备调度、工程管理，并对工厂数据进行存储；

UWB工厂基站网络根据工厂大小分片布局，包括多个UWB设备，UWB工厂基站在工厂中的坐标存储在服务器系统中，用于实现位置定位；

工具车和电子工作证均带有UWB射频标签，在工厂服务器系统中注册，并分配唯一设备ID号进行管理。

进一步的，智能工厂服务器系统，根据工程任务要求和人员需求，自动实现工具车分配，并与相关工作人员关联，向工具车发送控制指令；在系统运行时，实时检测工具车状态信息和使用情况，进行存储并建立数据分析平台。

进一步的，所述工具车搭载独立运动控制器，采用三轮全向移动机构，实时读取各电机编码器信息进行闭环控制，驱动工具车整机在工厂内空间按照规划的轨迹移动。

进一步的，所述工具车搭载RFID射频系统，在存储柜的隔层中布置RFID陶瓷天线，通过识别工具或者仪器上的电子标签，自动完成对工具扫描识别和统计。

进一步的，工具车根据服务器指令要求，支持轨迹规划与自主导航，工作状态时，获取关联工程人员坐标，并驱动底部运动单元，实现目标跟随；工作完成时，按照规划路线自主返回到停放区域；

进一步的，所述工具车包括运动控制系统、RFID检测系统、UWB定位与通信系统、人机交互系统和工具车主控系统五个部分；工具车状态信息，包括工具车位置、运行状态、工具信息，均通过UWB定位与通信系统实现无线数据上传到工厂服务器系统。

进一步的，所述智能工厂服务器系统UWB室内定位基于TOA、AOA或者TDOA算法得到工具车坐标信息和电子工作证位置，然后工具车基于搭载九轴姿态传感器解算工具车当前姿态，进而控制工具车运动方向实现自主导航和目标跟随。

进一步的，假设工具车控制柜置于二维空间内，建立工具车运动坐标系和空间坐标系，两个坐标系之间存在平移和旋转的关系，得到场地坐标系速度Vx，Vy，旋转角速度W转化为小车坐标系速度vx，vy，w公式：

其中角θ是机器人坐标系的X轴正方向和场地坐标X轴正方向的夹角，角θ通过姿态传感器进行检测，对三个全向轮实现精确的速度控制即实现在空间坐标系中任意方向移动和自旋控制。

进一步的，在室内每个定位区域至少设置四个定位基站，其中一个定位基站设定为主基站，并连接到工厂服务器系统。

进一步的，工具车的人机交互系统采用液晶触摸屏，通过操作主界面能够实现三种基本功能的操作：

在“目标跟随”模式下，工具车系统自动定位系统目标，并实现自主跟随，且工具车保持在目标30cm范围内，当操作员需要调整控制柜姿态时，能够通过触摸屏交互界面进行控制；

在“工具统计”功能模式下，工具车系统通过RFID自动扫描电子标签，达到工具识别统计的目的，然后在工具统计界面显示工具名称和数量信息并提示缺失工具信息；

在“自主返回”功能模式下，设置了两个虚拟按钮，“设置原点”按钮主要用于设置工具车停放点坐标，而“返回原点”则控制工具车自主返回到停放点。

本发明的有益效果为：

本发明设计的一种基于超带宽无线通信的智能工具车系统能够实现室内定位，并配合自身姿态传感器和三轮全向移动机构实现自主导航和目标跟随运动，工具车的RFID系统可实现工具车内的工具和设备的快速扫描与统计，并上传工厂服务器进行统一管理。本发明的系统很好的满足了工厂车间装配需求下对工具的使用需求，解决了工具设备仪器携带不方便和有效管理等问题，更是为智能工厂的设备资源管理提供了保驾护航的技术手段。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为工具车的结构图；

图3为控制系统结构框图；

图4为HMI界面功能图；

图5为定位系统原理图；

图6为基站定位布局示意图；

图7为定位系统非对称双边双向测距原理示意图；

图8为UWB模块定位布局示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明为一种基于超带宽无线通信的智能工具车系统，如图1所示为工具车系统定位导航原理示意图。在移动结构上采用了三轮全向移动机构，负载整机实现在空间移动；采用超宽带UWB室内定位技术，基于室内定位基站，获取工具车和跟踪目标在工作空间的二维坐标，实现自主跟随和返回的功能；并结合了RFID标签识别技术，实现对工具扫描和统计的功能。

如图2所示为工具车结构图，工具车整体结构按照运动控制层、工具存储层、核心控制层、人机交互层的由下到上的设计结构。运动控制层采用独立控制器，实时采集各电机位置编码器，实现位置闭环控制，并集成姿态传感器实现工具车位置姿态检测，另外，系统采用锂电池供电，电池也安装在运动控制层中；在工具车的工具存储层中，在存储层上方安装有RFID陶瓷天线，柜中的每个物品(工具)都贴有定制的电子标签，从而实现工具扫描识别和统计的功能；在核心控制层主要存放了工具车的核心控制器、定位模块和RFID模块等，是工具车总体控制的核心；在工具车顶部设置了操作台，满足日常装配操作使用，HMI交互系统采用了液晶触摸屏设计，满足人机交互的要求。

如图3所示智能工具车硬件系统分为：运动控制系统、RFID检测系统、UWB定位与通信系统、人机交互和工具车主控五个部分，此外，为满足工具车室内定位需求，每个定位区域还需至少设置四个定位基站，其中一个定位基站设定为主基站，并连接到工厂服务器系统。各系统之间的逻辑关系如图3所示。在控制柜核心控制系统的设计中，其主控MCU采用了32位Cortex-M3内核ARM，型号为STMF103ZET6，最高频率可达72MHz，拥有多达7个定时器，2路I2C和SPI接口以及丰富的串行通信接口，满足控制系统设计的要求。

为满足多任务实时控制需求，主控制器软件采用了UcosII操作系统，UCOSII具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点，最高可支持255个任务线程。在本系统中，可以按照功能进行划分任务线程，并按照状态标志位执行相应的流程的逻辑进行程序设计。

控制柜交互系统采用液晶触摸屏，通过操作主界面可以实现三种功能的操作。在“目标跟随”模式下，工具车系统自动定位系统目标，并实现自主跟随，且工具车保持在目标30cm范围内，当操作员需要调整控制柜姿态时，可以通过姿态设置界面进行控制移动。在“工具统计”功能模式下，工具车系统通过RFID自动重复扫描电子标签，达到工具识别统计的目的，然后在工具统计界面显示工具名称和数量信息等。在“自主返回”功能模式下，设置了两个虚拟按钮，“设置原点”按钮主要用于设置目标停放点坐标，而“返回原点”则控制工具车自主返回到停放点。人机交互功能界面如图4所示。

基于UWB无线定位技术是利用采集目标位置的测量数据，进行模型建立分析的定位算法来实现定位，常用测距技术有信号到达角度测量(Angle of Arrival，AOA)、到达时间定位(Time of Arrival，TOA)和到达时间差定位(Time Difference of Arrival，TDOA)等。在本系统中，采用的是到达时间定位法设计。

在本实施中，采用的是到达时间定位法设计，其原理是通过计算信号在空气中传播的时间，得出待测标签和基站之间的距离。如图5所示，当控制系统测量得出待测标签与基站之间的距离，以各基站为圆心，以待测标签到各基站的距离为半径画圆，就可以定位出标签的位置就是三个圆相交的交点位置坐标。

UWB定位系统选用DWM1000芯片，DWM1000是DecaWave公司推出的一款用于UWB信号定位的芯片，这款芯片兼容IEEE802.15.4-2011协议，其理论传输数据一般在6.8Mb/s左右，有效通信距离可达300m左右，该模块功耗较低，在电池供电的情况下，可以长时间使用。

根据UWB定位原理可以得到，为实现工具车在二维空间坐标的定位，至少需要3个定位基站才能满足设计要求，本系统中为提高定位精度，采用了四路冗余基站设计，从而提高定位的精度。如图6所示基站定位布局图，定位系统以主动扫描标签的方式构建，所有定位行为在主机站的协调下完成，依次完成各基站对待测标签的距离测量，并由主机站计算出标签位置坐标信息。

UWB信号采用纳秒级别的非正弦窄带宽脉冲进行信息传递，所以具有持续时间短，带宽极大的特点，通常采用TOA测距法实现对目标标签距离的测量。TOA测距法是通过测量信号飞行时间，然后乘以电磁波的飞行速度，从而计算出距离的，通常TOA测距有单程测距、双程测距和双程双向测距三种方法。

在TOA测距的三种方法中，由于不同模块的时钟同步难以实现，所以无法保证时间的准确性，因此，难以得到准确的飞行时间，造成实际测量效果较差，通常不宜使用，而非对称双向双程测距则弥补了这一缺陷，有效提高了测量精度。

如图7所示双边双向测距原理示意图，设备A与设备B之间通过多次通讯，两次通讯的时间可以相互弥补因为时钟偏移引入的误差，通过简单的数学推算，可以到达飞行时间计算公式如下：

参见图7，T_round1、T_round2分别为设备A、设备B发送一帧信号的时间间隔，T_reply1、T_reply2分别为设备B、设备A接收到对方发送的信号后，答复的时间间隔；

而双边双向测距方式时钟引入的误差为：

若设备A和设备B的时钟精度是20ppm，那么K_a和K_b分别是0.99998或者1.00002(K_a和K_b分别是设备A、B时钟的实际频率和预期频率的比值)。设备A、B相距100m，电磁波的飞行时间是333ns。则因为时钟引入的误差为20*333*10^-9秒，导致测距误差为2.2mm，可忽略不计。因此在本系统中，为了提高测量精度，系统采用了双边双向的测距方法。

本定位系统设计中，硬件上采用了4个基站冗余设计的方案，并采用了卡尔曼滤波算法实现位置定位精度的提高。通过实际定位精度的验证，及定位精度能够达到20cm，满足系统设计的要求。

工具车在电机驱动下要求可以在二维平面里自由移动和旋转，为了实现良好的跟踪运动效果，同时避免复杂机械结构占用太多柜体空间，因此，在本系统中采用了三轮全向移动机构。所采用的3个直流金属减速电机可以有效提高电机输出扭矩，在电机的尾端集成了霍尔编码器进行速度检测。通过联轴器和电机连接，通过合理控制策略可以使小车任意方向运动，其运动关系和电机控制可进行算法推导。

如图8左所示，假设控制柜置于二维空间内，建立工具车运动坐标系和空间坐标系，两个坐标系之间存在平移和旋转的关系，可以得到场地坐标系速度V_x，V_y，旋转角速度W转化为小车坐标系速度v_x，v_y，w公式：

其中角θ是机器人坐标系的X轴正方向和场地坐标X轴正方向的夹角，在实际系统中，角θ可以通过姿态传感器进行检测。

实际运行过程中，只需要实现小车运动控制，而不需要考虑控制柜的坐标与地面坐标的关系，因此可以设定两坐标系之间的夹角θ为0，通过公式解算并转换为代码，对三个全向轮实现精确的速度控制即可以实现在空间坐标系中任意方向移动和自旋控制。

为实现工具车能够自主跟随目标运动，仅仅依靠全向轮的精确控制是不够的，还需要实时检测工具车的角度信息，才能进行准确的方向控制。在本控制系统中采用了一款九轴传感器，型号为MPU9250，其内部集成有3轴陀螺仪、3轴加速度计和3轴磁力计，输出都是16位的数字量；可以通过集成电路总线(IIC)接口和单片机进行数据交互，具有良好的动态响应特性，且静态测量精度高。磁力计采用高灵度霍尔型传感器进行数据采集，磁感应强度测量范围为±4800μT，可用于对偏航角的辅助测量。

姿态解算采用了MPU9250自带的数字运动处理器硬件加速引擎，可以整合九轴传感器数据，向应用端输出完整的9轴融合演算数据。利用运动处理库可以非常方便的实现姿态解算，降低了运动处理运算对操作系统的负荷，同时大大降低了开发难度。通过实际测试和验证，MPU9250可以快速检测工具车姿态。

工具车角度旋转控制是基于姿态传感器旋转角度闭环控制实现的，而移动位置则采用实时采集坐标位置，并比对当前位置和目标位置距离实现的。跟随模式下当与目标值距离小于指定值(定位为30cm)时，工具车停止在目标附近。

RFID系统采用超高频(840～960MHz)工作频段进行识别，标签在天线的磁场范围内接收到读卡器发出的射频信号，标签的线圈产生的感应电流驱动芯片发送出存储在标签内的信息，读卡器接收信息并解码后，然后通过串口发送给STM32进行相关数据处理，从而获得柜内设备工具信息。

工具车将系统在状态信息发生改变时，通过UWB模块将系统信息发送给UWB基站，进一步传送到工厂服务器系统中。

工具本发明实施的技术方案，对于基于UWB智能工具车系统基于UWB技术实现室内定位，并配合自身姿态传感器和三轮全向移动机构实现自主导航和目标跟随运动，工具车的RFID系统可实现工具车内的工具和设备的快速扫描与统计，并上传工厂服务器实现系统管理。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所做的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于超带宽无线通信的智能工具车系统，其特征在于，包括：

智能工厂服务器系统、UWB工厂基站网络，工具车以及电子工作证；

所述工厂服务器系统作为智能计算中心，用于完成工厂资源配置、设备调度、工程管理，并对工厂数据进行存储；

UWB工厂基站网络根据工厂大小分片布局，包括多个UWB设备，UWB工厂基站在工厂中的坐标存储在服务器系统中，用于实现位置定位；

工具车和电子工作证均带有UWB射频标签，在工厂服务器系统中注册，并分配唯一设备ID号进行管理。

2.根据权利要求1所述的一种基于超带宽无线通信的智能工具车系统，其特征在于，智能工厂服务器系统，根据工程任务要求和人员需求，自动实现工具车分配，并与相关工作人员关联，向工具车发送控制指令；在系统运行时，实时检测工具车状态信息和使用情况，进行存储并建立数据分析平台。

3.根据权利要求1所述的一种基于超带宽无线通信的智能工具车系统，其特征在于，所述工具车搭载独立运动控制器，采用三轮全向移动机构，实时读取各电机编码器信息进行闭环控制，驱动工具车整机在工厂内空间按照规划的轨迹移动。

4.根据权利要求1所述的一种基于超带宽无线通信的智能工具车系统，其特征在于，所述工具车搭载RFID射频系统，在存储柜的隔层中布置RFID陶瓷天线，通过识别工具或者仪器上的电子标签，自动完成对工具扫描识别和统计。

5.根据权利要求1所述的一种基于超带宽无线通信的智能工具车系统，其特征在于，所述工具车根据服务器指令要求，支持轨迹规划与自主导航，工作状态时，获取关联工程人员坐标，并驱动底部运动单元，实现目标跟随；工作完成时，按照规划路线自主返回到停放区域。

6.根据权利要求1所述的一种基于超带宽无线通信的智能工具车系统，其特征在于，所述工具车包括运动控制系统、RFID检测系统、UWB定位与通信系统、人机交互系统和工具车主控系统五个部分；工具车状态信息，包括工具车位置、运行状态、工具信息，均通过UWB定位与通信系统实现无线数据上传到工厂服务器系统。

7.根据权利要求1所述的一种基于超带宽无线通信的智能工具车系统，其特征在于，所述智能工厂服务器系统UWB室内定位基于TOA、AOA或者TDOA算法得到工具车坐标信息和电子工作证位置，然后工具车基于搭载九轴姿态传感器解算工具车当前姿态，进而控制工具车运动方向实现自主导航和目标跟随。

8.根据权利要求1所述的一种基于超带宽无线通信的智能工具车系统，其特征在于，假设工具车控制柜置于二维空间内，建立工具车运动坐标系和空间坐标系，两个坐标系之间存在平移和旋转的关系，得到场地坐标系速度V_x，V_y，旋转角速度W转化为小车坐标系速度v_x，v_y，w公式：

其中角θ是机器人坐标系的X轴正方向和场地坐标X轴正方向的夹角，角θ通过姿态传感器进行检测，对三个全向轮实现精确的速度控制即实现在空间坐标系中任意方向移动和自旋控制。

9.根据权利要求1所述的一种基于超带宽无线通信的智能工具车系统，其特征在于，

在室内每个定位区域至少设置四个定位基站，其中一个定位基站设定为主基站，并连接到工厂服务器系统。

10.根据权利要求1所述的一种基于超带宽无线通信的智能工具车系统，其特征在于，

工具车的人机交互系统采用液晶触摸屏，通过操作主界面能够实现三种基本功能的操作：

在“目标跟随”模式下，工具车系统自动定位系统目标，并实现自主跟随，且工具车保持在目标30cm范围内，当操作员需要调整控制柜姿态时，能够通过触摸屏交互界面进行控制；

在“工具统计”功能模式下，工具车系统通过RFID自动扫描电子标签，达到工具识别统计的目的，然后在工具统计界面显示工具名称和数量信息，并提示缺失工具信息；

在“自主返回”功能模式下，设置了两个虚拟按钮，“设置原点”按钮主要用于设置工具车停放点坐标，而“返回原点”则控制工具车自主返回到停放点。

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