基于超宽带技术的车辆智能装载导引系统

胡淦 马玉坤 马欣然 孙艳鹏 刘宁

摘 要：为满足重型车辆铁路运输日益增长的需求，解决现有装运方式存在的问题，本文基于超宽带定位技术设计了一种低成本、高效率的装载引导系统。系统能够有效弥补原有人工引导装载方式的局限性和作业效率低下的不足，通过布置基站和标签掌握待装车辆与铁路平车相对位置信息，为待装车辆驾驶员提供车辆偏差信息，实现车辆安全、快速、精确装车，从而提高铁路装卸效率，降低装卸现场安全隐患，提升铁路运输服务质量。本文还对系统定位算法和UWB测距算法进行了优化，降低了整体成本提高了定位测量精确性。

关键词：超宽带;重型汽车;定位;测距

中图分类号：TN925 文献标识码：A

我国铁路运输因其相对较低的运输成本、巨大的运输能力、准确的到发时间、高可靠性、高安全性等优点，成为内陆货物运输的重要手段。国内各商用车主机厂生产完成的成品重型汽车也经常会采用铁路平车运输的方式进行批量运输，重型汽车装载加固要求高，装载难度大，受限于车辆高度和宽度，部分车辆尺寸会接近限界，某些车型宽度接近铁路平车宽度，装载过程中很容易对位不准，有时甚至会出现车辆掉落的情况。

目前重型汽车主要通过人工提示导引的方式进行装载。每辆待装车均通过高站台与尾端平车相连的渡板驶上平车，并从列尾端向前行驶，直至到列达指定的平车既定位置停止。为保证车辆装载过程中不偏离中线，需要数名辅助导引员同时指引驾驶员驾驶，效率低下且耗费人力，遇到夜间装车情况，待装车辆还需关闭大灯，由引导员用手电筒照亮指引，装载效率和可靠性大大降低。

针对重型车辆装载存在的问题，本文提出了一种基于超宽带技术的重型汽车铁路运输装载定位系统，用以代替人工引导，为待装车驾驶员提供车辆位置及偏离信息，实现车辆安全、快速、精确装车，从而提高铁路装卸效率，降低装卸现场安全隐患，提升铁路运输服务质量。

1 超宽带（UWB）测距原理

超宽带无线技术（Ultra Wideband，UWB）电磁波的一种，真空下传播速度与光速相同，最早应用于军用雷达技术领域，于2002年被FFC（美国联邦通信委员会）批准民用，此后获得了快速发展。由于UWB具备信息容量大、测距精度高、抗干扰性能强以及发送功率小等优点被人们广泛关注，成为一种新兴的测距定位技术，其电磁波辐射对人体的影响也很小。

UWB的测距方法是通过测量移动节点与固定节点传播的时间信息以求出距离，主要采用飞行时间（Time Of Flight，TOF）、到达时间差（Time difference of Arrival，TDOA）两种测距方式。TDOA定位需要精确的时钟同步，分为有线时钟同步和无线时钟同步两种方式，有线时钟同步需要设计同步信号装置，无线时钟同步需要设计时钟同步算法，设计实现较为复杂。而TOF定位采用双向双边测距测量标签到多个基站距离，基站无需时钟同步。

2 装载定位系统构成

2.1 系统整体方案

本方案中，每列车的头车前端需固定两个基站，两基站均位于平车中心面上，每个运输车辆车头固定两个标签，两标签沿运输车辆中心面对称。若要保持运输车辆沿中线行驶不偏移，则需保持各基站与每个标签的实时距离分别相等，即保持基站和两标签三点相连的三角形始终为等腰三角形。当车辆发生偏移时，由基站间距、标签间距以及标签与俩基站的距离值可得到运输车辆与板车中心线的偏移量。

2.2 定位系统构成

定位系统主要由2个固定基站（Mbs）、2个可移动标签（Tag）、一个解算计算机以及一个平板电脑构成。

（1）基站（Mbs）。定位系统的两个基站固定放置在车列的车头位置，基站集成了UWB定位模块、电源模块以及无线传输模块。基站的UWB信号收发模块在接收到标签发送的UWB信号后将信号转换位数据通过无线模块传送给解算计算机进行处理。

（2）标签模块（Tag）。标签像基站一样集成了定位、电源以及无线模块，标签与基站实时通讯，将距离数据发送给基站，从而实现位置解算。

（3）解算计算机。接收基站发送的原始数据，并将经过解算得到车辆位置和中心偏离值发送给平板电脑端显示。

（4）平板电脑。是定位系统与驾驶员的交互端，与解算计算机通过局域网实时通信，用于显示汽车偏离数据，辅助驾驶员驾驶。

3 系统定位算法

超宽带定位系统一般至少需要四个基站才能三维空间内标签的定位，本论文提出的定位策略对定位算法进行了简化，用两个基站即可实现测偏差功能，减小了计算量降低了成本。

图2中，、为两基站位置，、为车头俩标签位置两基站、间距与两标签与间距为已知固定值，与间距、与间距、与间距、与间距为实时测量值，两基站、均位于平车中心线上，标签与放置于车头两端，延车辆纵向中心面对称，为与连线中点。、分别为两标签与基站连线与平车中心线夹角。

4 基于对称双边双向测距算法减小误差

UWB测距精度决定了整个系统定位精度，而时钟漂移引起的误差是主要误差，因此需要通过算法来减小误差。

UWB定位系统最简单的测距方式是单程测距，但是这对节点之间的时钟同步要求极其严格，而基站和标签间有各自本地时钟，无法保证时间同步。双程测距虽能消除节点之间未能完全同步的影响，但无法消除晶振时钟漂移的影响。对称双边双向测距，可以消除晶振时钟漂移的影响，这样大大降低了定位的实时性。在此采用对称双边双向测距算法来减小时钟漂移误差。

对称双边双向测距示意图如图所示，图中，A和B是一对基站和标签，A收到响应后，经过时间TA向B发送信息，B收到信息后经过TB向A发送信息，A、B设备发送和收到信息时间差分别为Troud1、Troud2。

由此可得，通過对称双边双向测距算法使得时钟漂移引起的误差减半了。

5 结束语

本文基于超宽带测距技术设计了一套适用于重型汽车铁路运输的装载定位系统，基于应用条件简化了传统超宽带定位的基站配置，通过对称双边双向测距算法减小误差提升系统精确度，为重型车辆铁路运输装载提供了新思路。

参考文献：

[1]黄永刚.重型汽车铁路运输装载加固方案设计[J].重型汽车，2019，31（04）：34-36.

[2]安迪，李可佳，胡淦，等.大型车辆铁路装载智能化引导系统研究[J].铁道运输与经济，2018，40（07）：122-126.[3]胡淦，李可佳，安迪，等.铁路汽车装载激光雷达技术应用[J].铁道货运，2018，36（08）：54-58.

[4]李小亭，郎月新，韦子辉，等.基于改进双向双边测距的超宽带定位技术及应用研究[J].中国测试，2019，45（10）：21-27.

[5]朱文刚，常海涛，薄云览，等.基于超宽带技术的轨道交通定位算法研究[J].计算机测量与控制，2019，27（07）：218-222.

[6]赵红梅，赵杰磊.超宽带室内定位算法综述[J].电信科学，2018，34（09）：130-142.

[7]徐会彬，孙树芳.基于超宽带测距的定位精度及时延的研究[J].传感技术学报，2019，32（05）：735-738.

[8]林相泽，王祥，林彩鑫，等.基于超宽带的温室农用车辆定位信息采集与优化[J].农业机械学报，2018，49（10）：23-29+45.

[9]王全辉，黄建军，胡坚耀.超宽带定位的AGV定位跟踪算法研究[J].信号处理，2017，33（04）：516-522.