拖拉机智能装配车间定位系统设计

王益曼，王霜，何旭



拖拉机智能装配车间定位系统设计

王益曼，王霜*，何旭

（西华大学 机械工程学院，四川 成都 610039）

针对拖拉机制造车间资源管理信息滞后和准确性差的问题，结合车间环境和定位需求，设计了基于UWB定位技术的拖拉机智能装配车间定位系统。系统由定位标签、定位基站、定位软件、POE交换机等组成，通过定位软件建立整个智能装配车间实时地图，设置各装配单元的坐标位置，在各移动物资上安装定位标签，根据车间定位环境在适当位置处安装定位基站并选用AOA和TDOA两种算法进行组合作为智能装配车间的定位方法；根据车间定位精度高的需求和定位对象的不同，对定位系统硬件进行选型，并在拖拉机智能装配车间的基础上对定位基站进行布局，满足了长81 m、宽72 m的拖拉机智能装配车间用13个定位基站实现0.1 m的定位精度要求，为拖拉机智能装备车间提供实时准确的资源位置信息，方便智能管理系统对装配物资的及时调度，实现对拖拉机离散制造车间资源实效、准确的管理。

拖拉机；智能装配车间；UWB定位技术

拖拉机作为农业生产中的动力设备，市场需求呈现多品种、小批量的特点，对拖拉机装配车间生产要求也越来越高。智能制造已成为当前制造企业追求的新生产方式[1]，在拖拉机智能装配车间中，车间管理、生产信息跟踪、物料输送、生产调度等多方面均需要使用实时定位技术，以提高车间信息管理水平。实时定位技术是利用无线信号实时获取定位对象位置信息的应用技术[2]。通过准确获取车间资源的位置和状态信息，管理人员能够对生产过程精确把握，并对生产计划进行优化调度。协调各资源配合装配作业，保证车间作业的协调性，提高装配线的作业效率。

本文以A农业装备有限公司拖拉机装配车间为研究对象，以提高装配线柔性和效率为目标设计了一套适合智能装配车间的定位系统。

1 拖拉机智能装配车间定位需求分析

1.1 传统离散制造车间存在的问题

A公司拖拉机装配车间属于传统离散制造车间，车间内产品的装配工艺流程固定，装配过程被分解成多个工序来完成，而工序之间的物料转移是通过管理人员现场调度完成，对工人依赖性强。研究发现存在以下问题[3]：

（1）物料输送效率低下：人工叉车输送和有轨带传动输送方式是目前离散制造企业主要的物料输送形式。其中，人工叉车输送灵活度高，但需要工人进行一对一控制，增加了人工成本，并且目前车间管理人员缺乏对人工叉车有效的监控和管理，存在效率低、准确性差、有效性差等问题。带传动路径固定，灵活性低，并不适合离散制造车间多品种、小批量的特点，加之企业没有合理使用输送工具及合理规划输送路径，导致物料输送缺乏准确性和及时性，进而不能满足智能制造车间兼具灵活性和自动化的物料输送需求。

（2）在制品管理复杂：产品具有特定制造流程，每种产品都会在车间工位之间流动，因此在制造过程中会出现在制品寻找困难、甚至丢失的现象。

（3）车间资源信息获取困难：传统车间的资源信息都是通过人工观察和记录的方式来获取，缺乏实效性和准确性，导致现场调度繁琐、资源利用不充分、车间状态监测不及时等问题。

1.2 拖拉机智能装配车间定位环境分析

拖拉机智能装配过程中，生产资源需要在车间智能管理系统的协调下紧密配合，共同完成装配作业。拖拉机装配车间中，柔性装配线的生产方式灵活多变、车间调度智能灵活。

拖拉机装配车间环境可概括为：

（1）装配车间物料种类多，库存总量大。拖拉机仓储系统采用自动化立体仓库对物料进行管理，为减少仓储占地面积，货架较高，且为金属材质，定位环境较为复杂[4]。

（2）AGV（Automated Guided Vehicle，自动导引小车）小车数量多、运动灵活。AGV式装配夹具装载着拖拉机机体在装配工作站间移动，物料输送AGV则需为工作站输送物料，整个车间的AGV数量多，且运动路线灵活多变，在车间中会出现AGV并行、等待、避让等情况。

（3）车间人员调度灵活高效。智能装配车间会根据生产计划的变化对车间人员进行及时高效的安排，但在人员流动过程中也会存在人车并行的情况。

（4）在制品装配路径灵活多变。装配线生产方式灵活，在制品在工作站之间的运动路径根据装配现场情况和生产计划的变化而改变。

1.3 拖拉机智能装配车间定位需求

拖拉机智能装配车间生产资源类型多，物资输送位置与状态灵活多变。以高效完成装配作业和提高车间信息管理水平为目标，智能装配车间需要在长81 m、宽72 m的范围内实时定位实现以下目标：

（1）车间资源位置与状态信息获取。拖拉机智能装配车间中，定位系统需要实时准确获取车间资源的位置与状态，为资源管理和调度提供基础数据，故要求车间定位精度满足0.1～0.5 m。在装配过程中，智能管理系统需要掌握车间资源状态，以便更好地进行生产调度；AGV导航系统需要通过定位系统了解自身的位置信息来规划运动路径；管理人员实时监控车间工人的位置与工作状态，保证人员与设备的安全。

（2）车间可视化管理。通过实时定位技术可获取车间资源信息，但获取的数据无法直观表现车间资源的相对位置信息和具体状态，管理人员难以准确了解制造过程。因此构建可视化定位环境直观展示车间定位对象的状态，管理人员可进行可视化管理，提高管理效率[5]。

2 拖拉机智能装配车间定位技术选型

2.1 车间定位技术对比分析

实时定位技术是通过无线信号在短时间内获取定位对象位置信息的应用技术。根据无线信号的不同，实时定位技术可分为：红外线定位技术、超声波定位技术、ZigBee定位技术、WiFi定位技术、UWB定位技术、蓝牙定位技术、RFID定位技术、地磁定位技术，各定位技术特点对比如表1所示。

表1 实时定位技术对比

序号定位技术定位精度/m安全性穿透性抗干扰功耗辐射传输距离/m 1红外线5～10高无弱高低5 2超声波0.03～0.3高无强高低5 3ZigBee3～5较低弱弱低较高70 4WiFi2～10较高强较强高较高30～50 5UWB0.1～0.5非常高强强低低＞100 6蓝牙3～15较高弱弱较低较低10 7RFID0.15～5低弱弱低或无低5 8地磁0.1～2较高无极弱低无－

拖拉机智能装配车间的定位范围大，对定位精度要求为亚米级，蓝牙、WiFi、ZigBee定位技术定位精度较差，难以实现精确定位，在工厂车间中尚未被大量使用；拖拉机智能装配车间金属物质多、干扰性强，而红外线定位技术无穿透力、定位精度低、抗干扰能力弱、需要可视化定位环境的系统成本高，不适用于该装配车间；超声波定位技术不具备穿透能力，在传输距离上难以达到智能装配车间需求，存在定位环境要求高、系统成本高的局限性，常被用于工业和医疗领域；RFID定位技术具有简单通信功能，在获取定位对象位置信息时还能获取其ID信息，在人员定位、资产管理和生产制造等方面被广泛应用，但定位范围小、通信能力较差，不便于整合到其他系统之中，智能装配车间有自身的一个智能管理系统，定位范围不低于5600 m2，定位精度要求范围为0.1～0.5 m，故RFID定位技术不能满足要求；地磁定位技术的定位精度虽满足车间定位要求，但磁信号容易受到环境中不断变化的电、磁信号源干扰，定位结果不稳定，精度会受影响。

UWB定位技术定位精度高、穿透力强、抗干扰能力强、辐射低、抗多径效果好、安全性好、传输距离远、系统复杂度低，能很好地满足智能装配车间的定位环境需求，目前该定位技术已比较成熟，被广泛用于车间AGV定位、车间工具管理、人员定位等方面。如欧莱雅苏州工厂使用UWB定位技术实现叉车的安全管理；宝洁仓库分拣中心利用UWB技术完成叉车、人员的精确定位，并对货物实时位置进行记录；唐恩科技某工厂实现基于UWB技术的无轨式AGV小车精确定位、行驶控制等[6]。综合多方面考虑，拖拉机智能装配车间确定选用UWB定位技术对拖拉机智能装配车间资源进行实时准确定位。

2.2 UWB定位技术

UWB（Ultra-Wideband，超宽带）技术是一种无载波使用窄脉冲进行数据传输的无线通信技术。美国联邦通信委员会对超宽带定义为：绝对带宽大于500 MHz或者相对带宽B大于20%的信号带宽[7]。

UWB定位系统主要组成包括UWB定位软件、UWB定位标签、UWB定位基站、POE交换机、服务器等，典型UWB定位系统硬件组成如图1所示。

图1 UWB定位系统硬件组成

使用UWB系统定位时，定位基站将接收到的由定位标签发射的脉冲信号上传至定位软件，定位软件根据脉冲信号的相关数据（角度、时间、信号强度等）计算定位标签的精确位置信息。

UWB定位系统的定位实现是在已知定位基站位置信息的前提下，通过测量无线定位信号的相关数据，结合定位算法获取定位标签位置信息。根据计算参量的不同，UWB定位算法可分为：基于信号接收强度（Received Signal Strength Indication，RSSI）法；基于信号到达角度（Angle of Arrival，AOA）法、基于信号到达时间（Time of Arrival，TOA）法、基于信号到达时间差（Time Difference of Arrival，TDOA）法[8]。各种定位算法的特征如表2所示，都有各自的优缺点，在实际应用时需要根据定位环境选择使用。

表2 UWB四种定位算法的特征

拖拉机装配车间环境复杂，对定位精度要求高，部分区域定位环境复杂，因此选用AOA和TDOA两种算法相结合，例如：库存区环境较差，主要采用AOA法、以TDOA法为辅进行定位；而库存区外定位环境良好，则主要使用TDOA法、AOA法辅助定位而实现精确定位，既能实现复杂环境的定位需求，又能保证定位精度。

（1）基于信号到达角度（AOA）法

AOA定位方法利用角度信息计算目标点的位置，如图2所示，假定参考点1（1,1）、2（2,2）与目标点夹角分别为1、2，通过式（1）可计算目标点坐标（,）。

AOA法易于实现，且只需要两个参考点就能实现定位，但易受环境干扰，需要额外设备来提高定位精度。当参考点与目标点距离较大时定位精度差，在实际应用中需要与其他方法相结合，有一定的局限性。

（2）基于信号到达时间差（TDOA）法

TDOA方法用目标点到各参考点的距离差来实现目标定位[5]。只需要参考点之间保持时钟同步，实际应用中基站（参考点）与主机相连，时钟同步容易实现。

假定参考点1(1,1)、2(2,2)、3(3,3)到目标点距离分别为1、2、3。则目标点到参考点1、2的距离差为21＝2－1，则目标点必在以1、2为焦点，21为焦距的双曲线上。同理，目标点也在以2、3为焦点，32为焦距的双曲线上。两组双曲线的交点即为目标点位置，如图3所示。

图3 TDOA定位原理

TDOA方法目标点位置求解方程组为：

TDOA方法只需要保持参考点之间的时钟同步，利用了UWB时间分辨率高的特点，定位精度高，但算法较为复杂。

3 拖拉机智能装配车间UWB定位方案设计

3.1 拖拉机智能装配车间UWB定位方案

在A公司目前拖拉机装配车间布局的基础上，为实现柔性装配和合理的AGV小车路径规划，现设计如图4所示的拖拉机智能装配车间布局图，物料输送AGV负责输送物料到装配线上，其运动区域主要是在仓储区和装配线之间，而装配AGV配合装配作业，其运动区域主要在充电区和总装区。

拖拉机装配车间中需要定位的车间资源为装配工人、AGV式柔性装配夹具、物料输送AGV。零部件库存区内使用自动化立体仓库和有轨堆垛机对零部件进行进出库管理，物料输送AGV在货架通道内运动，不会进入仓库内部，但因货架较高且为金属材质，因此定位环境较差；而车间其他区域环境相对开阔、遮挡物少，定位环境良好。

图4 车间布局及定位基站布局图

UWB技术现已成功应用在工业领域，在车间定位上能取得良好的效果，其软硬件均已成熟，能直接进行选型使用，在实际定位中需要考虑具体定位环境，从而构建定位方案。结合UWB定位原理，拖拉机装配车间UWB定位方案可表述为：在车间资源上搭载定位标签，车间特定位置布置定位基站，定位基站与POE交换机连接，交换机与服务器（定位软件）相连；定位基站实时接收定位标签发射的脉冲信号，并将信号经交换机传输到服务器上，服务器根据不同的定位环境，选用不同的定位方法对定位标签的位置信息进行解算，从而实现物资的准确定位。

拖拉机装配车间中搭建定位系统时需要考虑硬件选型、数据传输、软件应用和基站布局等问题。硬件选型和定位基站的布局尤为重要。定位基站与交换机之间的数据传输考虑装配车间金属物多的特点，选用有线传输形式，保证数据传输的可靠性。软件应用上，现有定位软件已成熟，用户可以利用软件对车间进行地图编辑，实时查看资源位置信息及运动轨迹，实现可视化管理；同时能够输出实时位置信息，为智能车间其他系统提供资源信息数据，从而进行生产调度。定位系统工作流程如图5所示。

图5 定位系统工作流程图

3.2 UWB定位系统硬件选型

UWB定位技术应用于拖拉机智能装配车间不仅需要构建完整的定位系统方案，还需要根据车间情况对UWB定位系统的硬件进行选型，确保定位硬件能满足系统性能需求。UWB定位系统硬件主要有定位基站、定位标签。

（1）定位基站选型

考虑装配车间对定位基站的性能需求，从信号传输形式、有效距离、定位精度、工作温度、安装方式等方面对现有产品进行选型，最终选择某室内有线定位基站HXZK-SN[9]，其产品参数如表3所示。

表3 定位基站参数表

该定位基站通过吸顶方式安装在装配车间钢结构顶部，使用定位天线接收脉冲信号，并通过网线将脉冲信号传输至交换机。具有定位范围大、定位精度高、信号传输安全可靠的优点，能满足拖拉机装配车间的定位需求。

（2）定位标签选型

定位标签选型考虑定位对象不同，对AGV和装配工人选用不同定位标签，主要考虑定位标签的有效距离、尺寸、工作温度、时间同步方式等因素。定位标签其性能参数如表4所示。

表4 定位标签参数表

根据市场现有产品，结合定位对象的特点，装配工人使用工牌式定位标签HXZK-AQM[9]，可挂在工人身上，具有便携可靠的特点，同时UWB本身辐射低，对工人基本没有辐射伤害；AGV使用粘附式定位标签HXZK-CZ，粘附在AGV小车特定位置，体积小，不会影响AGV小车的正常工作[9]。

3.3 拖拉机智能装配车间定位基站布局设计

拖拉机智能装配车间定位系统中，定位基站接收脉冲信号，其位置的布置关乎定位系统的性能好坏，不合理的定位基站布局中定位系统会出现接收不到脉冲信号或接收到的脉冲信号弱而导致定位不准确。因此需要对定位基站进行合理的布局设计，实现车间定位信号全覆盖，从而提高定位的可靠性，保证定位系统的定位精度。定位基站的布局设计需要考虑多方面因素的影响，主要包括定位区域大小、定位硬件的性能、定位环境和定位方法的类型。在拖拉机智能装配车间整体布局图的基础上，考虑各部分的面积大小和工业厂房标准数据，结合装配车间设计数据，最终设计厂房长81 m、宽72 m，面积5832 m2。选用的定位基站和定位标签在无遮挡环境中，均能达到有效定位距离大于100 m、定位精度10 cm的性能。定位方法上，零部件库存区主要使用AOA算法进行定位，在库存区外则主要使用TDOA算法进行定位。结合AGV车道布局图、定位硬件的性能、定位方案的要求，对定位基站的布局进行设计，如图4所示。

基于定位硬件在无遮挡的环境下能达到不小于100 m的定位距离，因此，零部件库存区任意位置的定位标签信号均能保证被至少两个定位基站接收，库存区外每个定位标签的信号至少能被三个定位基站所接收，从而能实现对整个车间的资源定位。在拖拉机智能装配车间中，按图4所示方式对车间定位基站进行布局，只需要13个定位基站即可实现对整个智能装配车间的定位区域全覆盖。

4 小结

（1）设计了拖拉机智能装配车间的UWB定位系统，解决了拖拉机离散制造车间的资源管理问题。通过对车间内人员及AGV安装定位标签，在车间内适当位置安装定位基站，借助UWB定位软件建立了整个车间的定位坐标，实现了整个拖拉机智能制造车间的精确定位。

（2）确定选用以AOA和TDOA两种算法相结合的方法作为UWB定位系统的定位算法。根据拖拉机智能装配车间的库存区和装配区定位环境的不同，库存区金属物资多、货架高，定位环境较差，故主要采用AOA定位算法、以TDOA算法为辅进行定位；而库存区外空间大、金属遮挡物资少，定位环境良好，则主要使用TDOA定位算法、AOA法辅助定位而实现精确定位。根据智能车间高定位精度的需求和定位对象的不同，完成了对定位硬件的选型，并在拖拉机智能装配车间布局图的基础上对定位基站进行布局，满足了为长81 m、宽72 m的拖拉机智能装配车间用13个定位基站实现0.1 m的定位精度要求，为拖拉机智能装备车间提供实时准确的资源位置信息，方便智能管理系统对装配物资的及时调度，实现了对拖拉机离散制造车间资源有效、准确的管理。

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Design of Positioning Scheme for Tractor Intelligent Assembly Workshop

WANG Yiman，WANG Shuang，HE Xu

(College of Mechanical Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, China )

In view of the problems of resource management information lag and poor accuracy in tractor manufacturing workshop at present, combined with the environment and positioning requirements, designed a positioning system of tractor intelligent assembly workshop based on UWB positioning technology. The orientation of the system by tags, base station, positioning software, POE switches etc, through the establishment of the positioning software of intelligent assembly shop real-time map, set the coordinates of each assembly unit in all the materials are installed on the mobile positioning labels, according to the workshop environment, positioning base station at appropriate location and select two TDOA and AOA algorithms are combined as the intelligent positioning method of assembly shop; According to the requirements of workshop high positioning accuracy and positioning the different object, the positioning system hardware selection, and on the basis of the tractor intelligent assembly shop to layout, positioning base station can meet the in width of 81 meters, 72 meters respectively tractor intelligent assembly shop with 13 base stations for 0.1 meters of positioning accuracy, for the intelligent equipment of tractor workshop provides real-time accurate location information resources, and convenient intelligent management system for timely dispatch of materials for the assembly, implements the effective and accurate for tractor discrete manufacturing plant resources management.

tractor assembly；intelligent assembly shop；UWB positioning technology

S219.08

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.09.011

1006－0316 (2018) 09－0063－07

2018－07－02

国家重点研发项目“丘陵山地拖拉机关键技术研究与整机开发”（2016YFD0700400）

王益曼（1993－），女，四川达州人，在读硕士研究生，主要研究方向为农业机械研究设计；何旭（1993－），男，四川南充人，硕士研究生，主要研究方向为农业机械研究设计。

通讯作者：王霜（1974－），男，四川成都人，博士，教授、硕士研究生导师，主要研究方向为农业机械、CAD、创新设计理论。