一种基于UWB技术的分布式仓储管理系统

闫泽昊 刘世纪 牛凯业 孙琛 黄丁一

摘 要：本文提出一种针对仓储物流管理方面的智能仓储定位系统。基于UWB技术在定位方面的精度优势，结合当前国内外仓储货物存储量大，出入库频率高，不易及时查找的现状，推出基于UWB的仓储定位管理系统。系统的基本工作流程为：在规定区域内安装定位基站→为需要定位的货物配置标签→定位标签将货物三维位置实时数据传送至基站→基站将数据传送至上位机实时显示。区别于传统智能化仓储管理的PDA扫码及RFID射频标签，采用电子定位标签，无需人为扫码，可节约大量人力，同时能够解决查找货物位置的难题，提高货物出库率，实现对仓库货物的智能化定位管理。

关键词：UWB技术;仓储管理系统;智能仓储;室内精确定位

1研究背景

目前我国的智能仓储系统已经进入了全面建设的时代，随着近些年科技的发展进步，在智能技术的发展上也慢慢跟上了国际的步伐。自动化立体库的普及速度越来越快，我国的大型物流公司已经逐渐开始应用智能仓储管理系统。截止到现在，智能仓储管理系统使用的领域主要包括了医药行业、零售行业和烟草行业这些产品数量大，种类多的仓库当中。随着国家对于智能化仓储战略方向的明确，许多其他类型的仓储货架也纷纷投入使用了自动化技术，从而提升整个仓库的运营以及管理，带领我国的物流行业正式进入自动化，智能化的时代。

而传统的仓储货架采用的都是人工操纵的工作方式，这样的工作方式记录信息是否繁琐，员工工作速度有效，效率低。而且人工操作容易因为工人的粗心大意而出现差错，如果出现问题没有及时的发现这样就很容易影响到仓库后期的工作。从而导致仓库延迟出货等等的问题，进一步的为企业带来了多余的损失，而使用了UWB智能定位仓储管理系统之后这些错误都可以有效的避免。

2国内外研究现状

在国外的UWB定位技术研究中，Z.Irahhauten等人[1]介绍了无线个人局域网的UWB信道测量，提出了无线个人局域网通讯技术应用程序的相关方案，并且在室内视距和非视距环境下进行测量。H.Luecken[2]为了克服UWB定位受到多径干扰的问题，提出了一种基于雷达成像的方法来预测信号在传播路径中的延迟，进而达到提高测量精度的目的。Tingcong Ye[3]等人提出了一种IEEE.802.15.4a的脉冲超宽带收发信机技术，结果表明UWB收发信机能够捕获两个无线电之间的精确传输时间，可用于实际距离的计算中。Kegen[4]等人利用UWB系统中的到达时间的测距方法来估计其性能，同时为了使测量值更接近真实值，在UWB定位技术中应用了卡尔曼滤波算法。

虽然我国在研究UWB定位技术方面起步较国外晚一些，但我们在UWB定位方面也取得了一定的进展。魏培[5]根据工业现场自动导引运输车定位灵活性差的现象，利用DW1000芯片，设计了UWB定位系统，同时为解决标签存在的冲突问题及组网问题，提出多基站测距和多标签调度机制。刘书伦等人[6]针对目前井下人员定位技术在定位精度、抗多径干扰以及传输距离方面存在的问题，提出改进的井下人员定位系统，避免井下人员的生命安全受到威胁。

3研究思路

系统根据仓库、车间或厂房的大小及结构，合理布置基站的位置，基于UWB定位技术，利用TDOA定位原理，与现有的WMS仓库管理体系结合。以分米级的精度准确定位到目标货物的空间位置，实现对仓库中的货物、人员和叉车实时精准定位，获取实时的空间位置信息。从而实现人员、设备的实时高精准智能化监管，以达到降低成本、节省人力和物力、便捷高效以及提高人身安全的目的。

本套仓储物流管理系统的工作流程是：在规定区域内架设基站，为需定位的推车、货物以及人员配置定位标签，定位标签通过定位基站将实时定位数据传回后台服务中心，后台服务中心通过TDOA定位算法，解算出设备和人员精确的实时位置信息及运动轨迹，并将位置信息示范区域地上显示，实现实时高精度定位，保证操作人员可以在系统界面中实现对物资的实时监控、配送、管理和智能化调度等任务。

4系统特点

4.1工作模式创新：利用UWB定位技术精度高、安全可靠、低功耗、抗干扰性强等特点，打破传统的仓库管理流程，实现对仓库管理人员、设备的实时高精准智能化监管。

通过UWB技术定位与现有的WMS仓库管理体系结合，可实现对仓库中的货物、人员和叉车实时精准定位，获取实时的空间位置信息。有效的对仓库流程和空间进行管理，实现批次管理、快速出入库和动态盘点。仓库管理人员通过观看仓库三维动态场景图，即可实现对库存物品的入库、出库、移动、盘点、找料等操作进行全面的控制和管理，提高仓库存储空间的利用率，降低库存成本，提升市场竞争力。

4.2应用技术创新：本产品采用分布式定位设计，在基站中植入定位算法，可以实现一台上位机同时对多个目标的定位追踪，减小开销。

我们在前期工作的基础上，分析仓储物流行业对定位点个数需求量大的特点，对基站传感器检测装置进行创新设计，优化设计方案。利用TDOA定位算法得到定位用的参数信息并将定位求解算法植入定位基站中，通过基站本身来完成定位方程的解算过程以得到目标节点的坐标值。这样在基站内部便完成整个定位过程，而不再需要上位机进行定位计算。这样既实现了准确高效定位，又减小了开销，符合目前仓储行业的需求。

5可行性论证

在空间为16m*18m的实验室中模擬仓库环境，在实验室的四个角落布置四个基站，高度各为2米，信号发生装置安装于测试者身上，由测试者模拟仓库中的储货，变换定位点的位置，我们从中选取10个测量的，每个测量点测量50个数，分别计算其坐标的标准偏差，下图展示了TDOA定位的算术平均值标准偏差。经数据验证得其误差在6cm左右，其精度要求可实现微小范围移动的判断。

由此可见，在大型仓储中的货物定位可实现精准定位，该系统的应用可满足目前仓储货物的精准定位要求。

参考文献

[1]Irahhauten，Z，et al.UWB Channel Measurements and Results for Wireless Personal Area Networks Applications [C].In Eur.Conf.Wirel.Technol，2005，209-212

[2]Luecken，H，A.Wittneben.UWB radar imaging based multipath delay prediction for NLOS Position estimation[C].IEEE International Conference on Ultra-Wideband 2011，101-105

[3]Ye，T，et al.Experimental Impulse Radio IEEE 802.15.4a UWB Based Wireless Sensor Localization Technology：Characterization，Reliability and Ranging[J].Trinity College Dublin，2011

[4]Yu，K，et al.UWB location and tracking for wireless embedded networks [J].Signal Processing，2006（09），2153-2171

[5]魏培，姜平，贺晶晶，张会猛.基于内三角形质心算法的UWB室内定位[].计算机的用，2017，37（01）：289-293+298.

[6]刘书伦，王树森.基于超宽带技术的井下人员定位系统[]工矿自动化，2014，40（10）：81-83.