UWB（超寬帶）高精度定位、導(dǎo)航功能在自動環(huán)衛(wèi)設(shè)備上的應(yīng)用
城市環(huán)衛(wèi)工作者為了廣大市民為一潔凈亮麗的生活環(huán)境 ，良好的市容市貌，環(huán)衛(wèi)工人的付出有目共睹，不分晝夜，戰(zhàn)嚴(yán)寒頂酷暑，付了大量辛勤的勞動。
在具體實(shí)施過程也出現(xiàn)許多現(xiàn)實(shí)問題，智能化配套設(shè)備不高，環(huán)衛(wèi)工人老齡化，城市環(huán)衛(wèi)要求逐步提升，高速增長的需求量與環(huán)衛(wèi)用人缺口，機(jī)械化已經(jīng)很難滿足，急需將打打造出更智能化，數(shù)字化、具備高精度定位、導(dǎo)航功能多場景適用環(huán)衛(wèi)設(shè)備，將從機(jī)械化里程逐步過渡至智慧化時代，以環(huán)衛(wèi)機(jī)器人形態(tài)開啟智能環(huán)衛(wèi)模式，對環(huán)衛(wèi)管理所涉及到的人、車、物、事進(jìn)行全過程實(shí)時精準(zhǔn)位置服務(wù)，合理設(shè)計(jì)規(guī)劃環(huán)衛(wèi)管理模式，提升環(huán)衛(wèi)作業(yè)質(zhì)量，降低環(huán)衛(wèi)運(yùn)營成本。
一、自動環(huán)衛(wèi)車作業(yè)時對實(shí)時精確定位、導(dǎo)航應(yīng)用的重要性
從地面到地下，從陸地到水面，環(huán)衛(wèi)產(chǎn)業(yè)環(huán)境復(fù)雜且多樣性，環(huán)衛(wèi)工人一線作業(yè)者居多年齡偏大、作業(yè)風(fēng)險高、成本與清潔難度日益提高，全自動智能無人化運(yùn)作將成為至關(guān)重要點(diǎn)，推動智慧終端產(chǎn)業(yè)發(fā)展，達(dá)到“智慧+”環(huán)衛(wèi)創(chuàng)新模式，以UWB（超寬帶）高精度定位、導(dǎo)航功能在環(huán)衛(wèi)車上的應(yīng)用,集成各智能終端，實(shí)現(xiàn)環(huán)衛(wèi)設(shè)備更化智能化、無人化、數(shù)字化、系統(tǒng)化等創(chuàng)新模式打造環(huán)衛(wèi)全鏈條閉環(huán)管理，實(shí)現(xiàn)真正無人環(huán)衛(wèi)，為產(chǎn)業(yè)降本、增效、提質(zhì)。
無人化環(huán)衛(wèi)模式的打造并非為了取代環(huán)衛(wèi)工人，不管是環(huán)衛(wèi)機(jī)器人還是其他智能環(huán)衛(wèi)終端，其根本是為了紓解環(huán)衛(wèi)老齡化與填充用人缺口，將技術(shù)與產(chǎn)業(yè)緊密結(jié)合才是真正賦能產(chǎn)業(yè)，助力升級，是他們的辛勤勞動才保障了城市市容市貌，給大眾一個優(yōu)美環(huán)境。
二、UWB工作原理及系統(tǒng)功能
UWB是超寬帶(Ultra-wideband)的縮寫，主要專注于室內(nèi)定位，又稱為脈沖無線電（Impulse Radio）技術(shù)。早在上個世紀(jì)60年代，UWB技術(shù)就被應(yīng)用于軍用雷達(dá)、定位和低截獲率/低偵測率的通信系統(tǒng)中。UWB目前主要應(yīng)用在靜止或動態(tài)的人車物高精度定位領(lǐng)域的位置服務(wù)應(yīng)用。從頻域來看，超寬帶有別于傳統(tǒng)的窄帶和寬帶，它的頻帶更寬，窄帶是指相對帶寬(信號帶寬與中心頻率之比)小于1%，相對帶寬在1%-25%之間的被稱為寬帶，相對帶寬大于25%、或者中心頻率大于500MHz的被稱為超寬帶。與在當(dāng)今通信系統(tǒng)中廣泛采用的載波調(diào)制技術(shù)不同，這種技術(shù)用上升沿和下降沿都很陡的基帶脈沖直接通信，所以又稱為基帶傳輸或無載波技術(shù)。脈沖UWB技術(shù)的脈沖長度通常在亞納秒量級，信號帶寬經(jīng)常達(dá)數(shù)千兆赫茲，比任何現(xiàn)有的無線通信技術(shù)的帶寬都大得多， (超寬帶在軍事上的應(yīng)用最主要就是超寬帶雷達(dá)，雷達(dá)的主要功能就是定位和測距)近年來被應(yīng)用在無線定位和雷達(dá)測距應(yīng)用中，因此作為民用雷達(dá)和民用測距取得了較快的發(fā)展。
（一）UWB定位系統(tǒng)的組成
1、定位系統(tǒng)主要的硬件有定位微基站（或稱定位閱讀器），布設(shè)于被定位空間內(nèi)，相當(dāng)于GPS中的“定位衛(wèi)星”，是定位系統(tǒng)的重要組成，定位系統(tǒng)的微基站有多種品類，適合于室內(nèi)外多種環(huán)境。
2、定位標(biāo)簽，同為定位系統(tǒng)的重要組成部分，分為腕帶型、工牌型、資產(chǎn)型等多種類型，高度適配于人員、車輛、資產(chǎn)等的定位追蹤。
3、基礎(chǔ)定位系統(tǒng)，無線定位系統(tǒng)的標(biāo)配軟件，提供位置地圖服務(wù)、實(shí)時軌跡顯示、組織架構(gòu)管理、電子圍欄及告警管理、軟件權(quán)限管理等基礎(chǔ)定位應(yīng)用功能。
（二）UWB高精度定位系統(tǒng)的特點(diǎn)
首先是精準(zhǔn)度極高。UWB可以到厘米級精準(zhǔn)度，目前在眾多定位技術(shù)中沒有比這精度級別更高的，場地實(shí)測定位標(biāo)簽在靜止或動態(tài)時，定位精度可控制在20厘米內(nèi)。據(jù)了解，GPS是5到20米，WIFI是5到15米。
第二是可靠度高。對于不同的物體直接傳輸識別，抗多徑干擾，UWB 的能力是最強(qiáng)的。
第三是實(shí)時。延時特別短，毫秒級，比GPS的響應(yīng)時間快50倍，這個是一個非常好的性能，未來會有很好的應(yīng)用。
第四實(shí)現(xiàn)方式簡易，功耗比較低，各種手持產(chǎn)品都是可以非常方便應(yīng)用的。
第五高安全性,一般手機(jī)里是有安全單元，UWB本身符合IEEE 802.15.4a/z邊界協(xié)議，數(shù)據(jù)包里面含有加密的字段，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。還可以結(jié)合手機(jī)里的SE安全單元，做更高的安全級別。
第六運(yùn)營成本低，因標(biāo)簽與基站間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集傳輸，無需支付其他通信費(fèi)用。
（三）定位原理分析
UWB工作的方式比較直接，當(dāng)一個射頻信號源發(fā)出去以后，接收源會第一時間收到直線距離到達(dá)的信號。通過接收的時間戳，可以計(jì)算信號飛行距離。對于UWB來講，所有的反射對它來說都可以忽略不計(jì)，直接可以接收分辨出最先到達(dá)的信號。不止這些，還可以通過到達(dá)相位差、計(jì)算出角度差，最后通過距離和角度來定位出接收端的目標(biāo)在什么相對位置。
無線定位技術(shù)是指用來判定移動用戶位置的測量方法和計(jì)算方法，即定位算法。目前最常用的定位技術(shù)主要有：時差定位技術(shù)、信號到達(dá)角度測量(AOA)技術(shù)、到達(dá)時間定位(TOA)和到達(dá)時間差定位(TDOA)等。其中，TDOA技術(shù)是目前最為流行的一種方案，除了用于GSM系統(tǒng)，在其他諸如AMPS和CDMA系統(tǒng)中也廣泛應(yīng)用，UWB定位采用的也是這種技術(shù)。TDOA保證了UWB定位的高精度可以達(dá)到10cm左右。TDOA測距本質(zhì)上就是脈沖序列設(shè)備信號，采用非?？畹念l譜所以抗干擾能力比較強(qiáng)。
UWB定位技術(shù)只是屬于無線定位技術(shù)的一種，流行的無線定位技術(shù)包括GPS定位、北斗定位、藍(lán)牙定位、WIFI定位、RFID定位等，其中GPS、北斗主要用在室外定位，藍(lán)牙定位、WIFI定位、RFID定位、UWB定位、運(yùn)營商基站定位主要用于室內(nèi)定位。UWB定位和藍(lán)牙定位、WIFI定位、RFID定位比較起來有精度上的優(yōu)勢。
（四）系統(tǒng)功能
其具體實(shí)現(xiàn)路徑為：通過在室內(nèi)空間布設(shè)合理數(shù)量的微基站，精確定位人員、車輛、資產(chǎn)上的定位微標(biāo)簽，并借助基于GIS的標(biāo)準(zhǔn)型定位應(yīng)用軟件（基礎(chǔ)定位系統(tǒng)、增值應(yīng)用系統(tǒng)），開放的定位引擎API接口、位置大數(shù)據(jù)平臺，在精確定位基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)軌跡追蹤、區(qū)域報(bào)警、攝像聯(lián)動、大數(shù)據(jù)分析等多種應(yīng)用功能。
具體的應(yīng)用功能有：
1.實(shí)時高精度賦予環(huán)衛(wèi)設(shè)備管理功能，提供實(shí)時厘米級位置服務(wù)。
2.快速查找：各種查詢功能，包括設(shè)備的查詢、地點(diǎn)的查詢、時段的查詢、位置的查詢。
3.軌跡回放：歷史軌跡根據(jù)時空定義進(jìn)行回放。
4.危險報(bào)警：設(shè)備相互間防碰撞等。
5.視頻聯(lián)動：支持?？怠⒋笕A等廠商對接。
6.圖像處理：視頻拼接、打包下載。
7.設(shè)備異常：設(shè)備斷電、斷網(wǎng)等異常報(bào)警。
8.低電壓報(bào)警：終端低電壓提供報(bào)警。
9.電子圍欄：人員行為有效管控，減少違章，增強(qiáng)安全。
10.重要物資監(jiān)管：重要物質(zhì)監(jiān)管，保證按照操作規(guī)程/程序執(zhí)行
三、UWB高精度定位系統(tǒng)在環(huán)衛(wèi)設(shè)備上的應(yīng)用
賦能現(xiàn)有環(huán)衛(wèi)設(shè)備，在現(xiàn)有環(huán)衛(wèi)設(shè)備上配置相應(yīng)的UWB高精度定位設(shè)備，實(shí)現(xiàn)環(huán)衛(wèi)設(shè)備高精度定位、導(dǎo)航，推動智慧終端產(chǎn)業(yè)發(fā)展，達(dá)到“智慧+”環(huán)衛(wèi)創(chuàng)新模式，以UWB（超寬帶）高精度定位、導(dǎo)航功能在環(huán)衛(wèi)車上的應(yīng)用,集成各智能終端，實(shí)現(xiàn)環(huán)衛(wèi)設(shè)備更化智能化、無人化、數(shù)字化、系統(tǒng)化等創(chuàng)新模式打造環(huán)衛(wèi)全鏈條閉環(huán)管理，實(shí)現(xiàn)真正無人環(huán)衛(wèi)，為產(chǎn)業(yè)降本、增效、提質(zhì)。
（一）UWB高精度定位系統(tǒng)在環(huán)衛(wèi)設(shè)備功能實(shí)現(xiàn)
環(huán)衛(wèi)設(shè)備位置數(shù)據(jù)的采集及傳輸，作為系統(tǒng)的基本功能，根據(jù)用戶的不同需求，既可實(shí)現(xiàn)設(shè)備位置的區(qū)域定位，也可實(shí)現(xiàn)精確定位。系統(tǒng)采集的設(shè)備信息數(shù)據(jù)均存儲在數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)需要時可隨時調(diào)用，為日后的事件追溯和分析提供依據(jù)。
2、數(shù)量統(tǒng)計(jì)
實(shí)現(xiàn)各環(huán)衛(wèi)設(shè)備數(shù)量統(tǒng)計(jì)匯總，并且能夠根據(jù)工種，班組等進(jìn)行分類歸納統(tǒng)計(jì)，為管理帶來極大的方便。
3、軌跡回放
系統(tǒng)自動記錄標(biāo)簽的位置信息，可查詢不同時間段定位人員、定位車輛的運(yùn)動軌跡。
4、電子圍欄
通過規(guī)劃重點(diǎn)區(qū)域、危險區(qū)域范圍及設(shè)置準(zhǔn)入權(quán)限，減少更多安全隱患，避免造成不必要的危險發(fā)生。
5、防碰撞報(bào)警
系統(tǒng)自動記錄各設(shè)備的，一旦超過設(shè)置閾值，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，避免作業(yè)事故。
6、離線監(jiān)控
系統(tǒng)自動統(tǒng)計(jì)的離線人數(shù)，并保存工人離線前最后位置，全方位保障工人的安全。
7、視頻聯(lián)動
系統(tǒng)自動判定定位對象的位置信息，智能調(diào)用附近攝像頭，實(shí)現(xiàn)人員設(shè)備的全方位監(jiān)管。
8、自檢功能
系統(tǒng)采用設(shè)備具有自檢功能，可定時進(jìn)行自檢，隨時掌握設(shè)備運(yùn)行情況，及時發(fā)現(xiàn)故障情況，防止影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。
9、大數(shù)據(jù)分析
統(tǒng)計(jì)分析施工人員的工作情況，尋找可能潛在的隱患點(diǎn)，對工作流程進(jìn)行改進(jìn)。
（二）高精度定位的實(shí)現(xiàn)
自研的高精度矢量地圖，支持二維、三維可視化呈現(xiàn);輕量化渲染引擎，標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)接口，支持本地部署，可加載各物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。
基礎(chǔ)定位系統(tǒng)（提供位置地圖服務(wù)、實(shí)時軌跡顯示、組織架構(gòu)管理、電子圍欄及告警管理、軟件權(quán)限管理）等各應(yīng)用功能組成。
1、基站的設(shè)置
UWB定位基站可依據(jù)隧道、礦井室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，可預(yù)裝好位置地圖服務(wù)，確定基站安裝點(diǎn)位，一旦需精準(zhǔn)位置服務(wù)時，即布置相應(yīng)的基站，實(shí)現(xiàn)位置服務(wù)功能。
2、定位系統(tǒng)的可開發(fā)、可集成
高精度定位服務(wù)不僅需要提供后臺SDK接口，如定位數(shù)據(jù)、區(qū)域關(guān)系，還需要提供前端接口，如地圖的編輯和操作、標(biāo)簽在地圖上的顯示、區(qū)域的設(shè)置，以及視頻的編解碼、熱力圖等接口，滿足客戶應(yīng)用的定位系統(tǒng)，可以節(jié)約80%以上的工作量。
四、乾位智通技術(shù)公司簡介
乾位智通（深圳）技術(shù)有限公司應(yīng)用自主掌握的UWB精準(zhǔn)定位算法，致力于二維、三維高精度定位，專注于嵌入式軟硬件開發(fā)、UWB厘米級定位算法研發(fā)、應(yīng)用層軟件開發(fā)，已實(shí)現(xiàn)不同場景復(fù)雜環(huán)境下的多基站快速組網(wǎng)的商用。
UWB具有超寬帶寬、定位精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特性。目前，UWB技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于消費(fèi)電子和工業(yè)領(lǐng)域。在消費(fèi)電子領(lǐng)域，UWB可用于尋物定位以及數(shù)字車鑰匙、無感門禁、無感支付、智能家居等。工業(yè)應(yīng)用包括智能制造、電力能源、煤礦、隧道等場景實(shí)現(xiàn)人、車、物動態(tài)靜態(tài)下的精精準(zhǔn)位置服務(wù)。
