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基于TOA的布料车定位系统 　　摘 要：布料车是工业现场一种常见的轨道车，传统人工控制效率较低。文中设计了一种基于信号传播时间技术的布料车定位系统，并将定位结果转化为4～20 mA的PLC控制信号后接入布料车控制系统中，实现了基于精确定位的布料车自动控制。文中开发了布料车定位系统的实际硬件，利用均值滤波、卡尔曼滤波等算法实现了布料车的精确定位。将该系统部署到鞍山钢铁集团公司的实际工业现场，现场测试结果显示该系统具有很好的定位精度，能够满足工业现场布料车控制的需求。 　　关键词：超宽带；无线定位；时间到达；工业物联网；布料车；室内定位 　　中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）03-00-04 　　0 引 言 　　目前，传统工业正在向智能制造的方向快速发展。中国、美国、德国、日本等主要工业大国都提出了各自的智能工业发展计划。在智能制造中，基于工业物联网的状态监测和控制将成为一种重要的基础设施。积极开展工业物联网的实际应用尝试能够加快工业物联网的产业化进程并加速我国传统制造业的智能化改造。在工业环境中，移动目标的控制是一项重要工作。对移动目标进行精确定位是移动目标自动控制的基础。布料车是一种将物料投放到不同料仓的轨道布料车，是一种典型工业环境中的移动目标。传统的操作方式是操作员控制布料车运行到所需投放的料仓位置，然后再进行物料投放。这种方式需要通过观察布料车的当前位置来实现控制，效率低、人力成本高。利用室内定位技术对布料车的位置进行实时精确定位，实现布料车的自动控制。布料车定位是室内定位技术在工业现场的典型应用。 　　室内定位技术是多移动物体轨迹相关性分析、室内目标跟踪、基于位置的服务、移动机器人等应用系统研发的核心，已得到广泛重视与研究。尤其伴随着射频信号处理技术的发展，基于射频信号测距的室内定位技术被创新地应用到诸多领域[1]。如全球定位系统GPS无法覆盖的室内、隧道、矿井，通过基于射频信号测距进行目标定位，实现基于位置的服务。应用室内定位技术进行多目标跟踪，通过分析多移动目标轨迹的相关性，实现智能物资人力管理、智能医疗、公共场所安全防务、高危行业的安全级别提升等。通过距离或位置监测控制机器人的运动，以及在无线传感器网络中应用位置信息进行路由通路选择等。射频信号测距方法有很多[2-5]，包括基于接收信号强度（Received Signal Strength Indicator，RSSI）的测距、基于信号传播时间（Time of Arrival，TOA）的测距、基于信号传播时间差（Time Difference of Arrival，TDOA）的测距、基于接收信号角度（Angle of Arrival，AOA）的测距[6]、基于接收信号相位差（Phase Difference of Arrival，PDOA）的测距等。基于RSSI测距是在已知发射功率的前提下，通过测量接收方的信号强度RSSI来计算两点之间的距离。这种方法虽然符合低功率、低成本的要求，但可能产生±50%的测距误差，被认为是一种不可靠的定位方法[5]。基于TOA测距[7]通过测量一个往返过程中信号（RF、超声波等）传输时间来计算发送方到接收方的距离。基于TDOA测距首先需要进行节点间时钟同步，然后通过测量信号发出时间和信号接收时间来计算两节点间的距离。基于TOA测距和基于TDOA测距都能达到较高精度，但基于TDOA测距对硬件配置要求高，因此成本较高[3]。与基于RSSI测距及基于TOA/TDOA测距不同，基于AOA的测距利用邻居节点提供的方位或角度信息来确定节点间的距离，需要专用硬件支持。因此，基于TOA测距被公认为一种性价比较高的方法。 　　本文设计了一种基于TOA的布料车定位系统，开发了布料车定位系统的硬件和定位算法，并将该系统部署到了鞍山钢铁集团公司的实际工业现场中。现场测试实验结果显示该系统具有良好的定位精度，能满足工业现场布料车控制的需求。 　　1 系统结构与硬件设计 　　1.1 系统结构 　　本系统利用TOA定位技术对布料车进行实时定位，系统结构如图1所示，包括锚节点（Anchor）、标签（Tag）和汇聚 （Sink）。由于布料车运行在一维轨道上，本系统在轨道两端正上方各安装了1个锚节点。标签节点安装在布料车上，实现与锚节点测距和自身位置坐标的计算，并将计算结果发送给汇聚节点。汇聚节点连接到布料车的控制系统中，将从标签接收到的数据转发给布料车控制系统，实现布料车的自动控制。 　　1.2 硬件设计 　　布料车定位系统的主要功能为定位和数据通信。在多金属的工业现场室内环境中，大量金属设备造成严重的多径传输现象，并影响测距/定位精度和数据传输可靠性。为降低多径传输对系统的影响，本文在?y距/定位