工业无线测距、防碰撞及定位

测距是很多工业现场自动化控制基础，碰撞则是工业现场安全问题，两者采用技术类似。测距需要高精度、高稳定性，多是没有遮挡，点到点一维场景。碰撞/定位涉及一维、二维甚至三维场景，允许有遮挡，需多点定位算法，精度没有测距要求高，定位算法基础是测距。

有很多测距/定位技术，比如激光测距、超声波测距定位、可见光测距、毫米波雷达测距、北斗/RTK差分定位、UWB超宽带定位。

一维无遮挡的测距和防碰撞，可以选择激光、毫米波雷达、UWB超宽带、北斗/RTK差分技术。有遮挡或两维测距和防碰撞，需要选择UWB超宽带定位或北斗/RTK差分定位。

本文重点阐述在工业现场测距及防碰撞场景中，基于UWB超宽带定位、北斗/RTK差分定位以及毫米波雷达测距产品应用。

• 天车测距及防碰撞

• 叉车防碰撞

• 群塔防碰撞

• 斗轮堆取料机测距及防碰撞

  天车防碰撞

  
  

天车测距/防碰撞涉及大车、小车和吊钩的测距/防碰撞监测及控制。大车是X轴运动，涉及距离超过300米；小车是Y轴运动，涉及距离一般在50米以内；吊钩为Z轴运动，涉及距离20米以内。小车定位测距多采用激光。通过编程器计算步进电机计算出吊钩的高度，适用短距离吊钩高度的定位。

大车的定位由于距离的问题，激光和编码计算方式都不合适，目前采用格雷母线方式，精度高，但是实施、维护以及成本都高，并且需要直线环境限制。

雷达微波的测距定位将成为解决大车测距和防碰撞的趋势。

   雷达微波优势：

• 非接触测距，施工简单，无需停工

• 不受污染，潮湿和震动影响，全天候工作，可以用于室内/室外

•  无须精准直线排列

• 无须额外操作和维修支出

雷达微波除了测距以外，还可以实现定位功能，在一些复杂的环境，比如遮挡等情况，采用多点测距定位方式可以有效修正和补偿环境对于信号的干扰。

雷达测距包括基于UWB超宽带（3.1G~10G）测距和毫米波雷达（57G~64G）测距方案。

UWB超宽带测距方案

目前多数厂家的UWB测距的精度在10-30厘米，更高的精度应用要求，需要在射频设计以及算法优化等实现。

测距基站采用的是双向测距技术（TOF），它利用信号在两个测距基站之间往返的飞行时间来测基站之间的距离。TOF测距技术是飞行时差测距,我们采用反向测量方法，即远端基站发送数据包，本地基站接收数据包，并自动响应，通过平均在正向和反向所得的平均值，减少对任何时钟偏移量的影响,从而得到精准的两个基站之间的距离。

毫米波雷达测距方案

      采用57G-64G毫米波雷达，内置定向天线，天线角度± 2.5°，可以单个、成对使用，测距精度达到5毫米，距离达到500米。

技术优势：

• 适用于室内、室外 
  

• 无接触式的检测 

• 无移动部件– 没有损耗

• 无光学部件– 无需对镜头进行清洁 

• 不受 温度、粉尘、污染物、天气和振 动的影响

• 无需精密校准，设定简易 

     包括Primary, secondary, diversity三种测量模式：

叉车防碰撞

       工地有很多大型的车辆，不可能也不具备类似城市交通的车辆人员的管理，车辆之间、车辆和人员以及在转角等场景的防碰撞的安全管理十分重要。

      通过车辆和人员部署及佩戴UWB通讯标签，可以很方便的基于UWB测距技术实现车与车、车与人之间的安全距离的声光警示。

      该应用作为独立设备使用，不依赖系统和后台，简单实用。

■应用场景一：人车防撞

车辆安装测距基站及其声光报警设备，人员佩戴测距标签，人员与叉车低于报警距离时报警器和标签同时报警

■应用场景二：车辆间防撞

所有叉车都安装测距基站和声光报警器车辆间的距离小于报警距离后，车辆间相互报警

■应用场景三：转角防撞

转角处安装防撞测距基站及报警器,人员佩戴测距标签,叉车安装测距基站，当叉车或者人员靠近转角时开始声光报警

    叉车防碰撞系统由于及安装简单，已经在国外被沃尔玛超市等仓储物流行业采用。

群塔防碰撞

  塔吊和多为室外工作环境，建议采用基于北斗/RTK差分的定位技术，可以达到塔吊和斗轮堆取料机厘米机的定位，实现安全管理目的。

• 采用北斗RTK差分技术定位精度厘米级

• 采用Bursa-Wolf模型将测量结果转化到施工现场的坐标系

• 实时测量的塔机的位置信息,速度和加速度信息,实时动态确定警示距离

• 参考层次包围体算法对防碰撞算法，设计基于求异面线段距离的防碰撞检测算法

北斗RTK差分定位依赖北斗的定位技术，通过地面部署的基准基站的差分算法，可以实现厘米级的高精度位置服务。

北斗RTK差分定位高精度定位终端

斗轮堆取料机防碰撞防碰撞

堆取料机，是散货堆场作业的核心设备。它是堆取料合一的机械，即是一种挖取和堆存煤炭、矿石、砂石等松散物料的高效率机械。它不仅适用于电厂，而且在码头、港口也很适用，大多数的转运煤及松散物料的码头、港口都采用斗轮堆取料机。

室外采用北斗RTK差分定位技术，可以实现厘米级的定位。室内可以采用UWB超宽带定位技术。

 基于北斗RTK差分定位产品已经应用到堆取料机精准定位和防碰撞。

• 支持北斗单系统独立定位测向和多系统联合定位测向；

• 提供厘米级RTK定位精度和毫米级载波相位观测值；

• 支持4G网络/LAN网口进行差分数据的实时传输以及定位测向数据的实时回传；

• 预留惯性IMU导航设备融合接口

测距方案对比

UWB超宽带（10-30厘米）：分米级定位精度、距离300米到500米，支持测距和两/三维定位，室内/室外都适用；目前室内定位精度高的方案。

北斗RTK差分（1/2厘米）：厘米级定位精度，部署差分基站可以覆盖20公里，只支持室外环境，天线架高无遮挡（需同时接收4颗卫星信号），支持测距和两维定位。

毫米波雷达（3-5毫米）：毫米级定位，距离500米，适用室内和室外，只支持测距不支持定位。采用定向± 2.5°天线，不能被遮挡。