CN101957447A - 基于有源rfid的室内移动机器人定位系统和方法 - Google Patents

基于有源rfid的室内移动机器人定位系统和方法 Download PDF

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姜永成
任福君
兰云峰
刘淑晶
王伟
何伟
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    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/14—Determining absolute distances from a plurality of spaced points of known location

Abstract

本发明涉及一种基于有源RFID的室内移动机器人定位系统和方法，主要由移动机器人(1)，有源RFID读写器(2)，RFID天线(3)和有源RFID标签(4)组成，其中：有源RFID读写器(2)安装在移动机器人(1)中部，RFID天线(3)安装在移动机器人的顶部，有源RFID标签(4)合理布置在移动机器人(1)行走路径(5)的两侧；移动机器人(1)进入定位区后，有源RFID读写器(2)扫描周围的有源RFID标签(4)，提取各自标签的电子编码以及信号强度值，根据每个标签代表的事先确定的位置坐标，以及通过算法确定的有源RFID读写器(2)距离各个有源RFID标签(4)的距离来确定移动机器人(1)的位置。本发明保证移动机器人定位速度快，定位精度高，标签布置简单，所用标签少，易于实施。

Description

基于有源RFID的室内移动机器人定位系统和方法
技术领域
本发明属于移动机器人导航定位领域，特别涉及一种基于有源RFID的室内移动机器人定位系统和方法，具体的说是通过RFID读写器读取RFID标签信息，并据此进行移动机器人定位的系统和方法。
背景技术
目前在室内移动机器人上应用较多的定位技术主要有超声、激光、红外测距等距离传感器定位、电磁传感定位、卫星定位(GPS)等。这些定位方法都会受到诸如环境、气候、光照等因素的影响，使用范围受到限制。超声、激光、红外测距等距离传感器的定位方法受传感器精度影响较大；电磁传感器定位需要在机器人需定位的道路上铺设磁条，工程量巨大，而且磁条在湿热天气下退磁较快，有些环境还不允许铺设磁条；GPS定位准确，但是不能出现遮挡情况，不适合室内环境中的定位。
室内环境中的移动机器人定位导航技术具有定位精度要求高、环境复杂的特点，以上这些方法都不适用。
RFID(Radio Frequency Identification)射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境，RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。如果结合此种技术对现有移动机器人定位导航方法进行改进是十分必要的。
发明内容
根据背景技术所述，本发明的目的在于避免上述不足，提供一种基于RFID自动识别技术，可保证移动机器人快速、精确定位，而且标签布置简单，易于实施的基于有源RFID的室内移动机器人定位系统和方法。
为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种基于有源RFID的室内移动机器人定位系统，主要由移动机器人(1)、有源RFID读写器(2)、RFID天线(3)、有源RFID标签(4)及移动机器人行走路径(5)组成，其中：所述RFID天线(3)安装在移动机器人(1)的顶部，有源RFID读写器(2)安装在移动机器人(1)中部，有源RFID读写器(2)通过串口与移动机器人(1)控制器连接，若干个有源RFID标签(4)布置在移动机器人(1)行走路径(5)两侧。
室内移动机器人定位方法如下：移动机器人(1)在进入定位区后，有源RFID读写器(2)扫描设置在机器人行走路径(5)两侧的有源RFID标签(4)，提取各自有源RFID标签(4)的电子编码ID以及信号强度值RSSI，根据每个有源RFID标签(4)代表的事先确定的位置坐标，以及通过算法确定的有源RFID读写器(2)相距各个有源RFID标签(4)的距离，根据获得的标签个数分别采用概率法、三边测量法及极大似然估计法确定移动机器人(1)的位置，从而实现移动机器人(1)的定位。
由于采用上述技术方案，本发明具有如下优点和效果：
1、本发明能使移动机器人定位速度快，定位精度高(＜0.5m)，标签布置简单，所用标签少，易于实施。
2、本发明造价低廉，使用维护与修理简易。
附图说明
图1为本发明定位系统的结构示意图
图2为本发明采用概率法定位示意图
图3为本发明采用三边测量法定位示意图
图4为本发明采用极大似然估计法示意图
图5为本发明移动机器人定位方法工作流程图
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
如图1所示，基于有源RFID的室内移动机器人定位系统，主要由移动机器人1、有源RFID读写器2、RFID天线3、有源RFID标签4及移动机器人行走路径5组成，其中：全向RFID天线3通过磁性底座安装在可自主移动的轮式移动机器人1的顶部，HR6020型有源RFID读写器2安装在移动机器人1中部并随着机器人移动，有源RFID读写器2通过串口与移动机器人1控制器连接，若干个WS-HT06有源RFID标签4在综合考虑概率法、三边测量法及极大似然估计法的标签分布规律后，合理布置在移动机器人1行走路径5两侧，布置的方法可以用双面胶或其他物体粘在墙上，并安装上纽扣电池。
另知，本发明采用的HR6020型有源RFID读写器可以通过修改指令设置来改写标签的ID号、上传时间间隔，并可通过RSSI值进行无线电定位，读写器与上位机通讯采用RS232接口，抗冲突能力强，在10秒钟内能读到不低于100张卡。
如图5所示，移动机器人1在进入定位区后，有源RFID读写器2扫描设置在识别范围内机器人行走路径5两侧的有源RFID标签(4)，提取各自有源RFID标签4的电子编码ID以及信号强度值RSSI，根据每个有源RFID标签4代表的事先确定的位置坐标，以及通过算法确定的有源RFID读写器2相距各个有源RFID标签4的距离，根据获得的标签个数分别采用概率法、三边测量法及极大似然估计法确定移动机器人1的位置，从而实现移动机器人1的定位。
本发明具体的定位过程是：
1、在移动机器人1行走路径5中布置有源RFID标签4，测量各个标签的坐标位置后，将坐标值存储在移动机器人控制系统的数据库中，在定位时根据读取的标签号获得相应的坐标。
2、在待定位的环境中，有源RFID读写器2先发出搜索标签信号，有源RFID标签4收到信号后，向读写器发出标签信息，其中包括标签的ID和信号强度RSSI信息，根据信号衰减的原理确定信号强度与距离的函数关系，然后根据读回的信号强度值RSSI得到RFID读写器2与各个标签的计算距离。
3、在已知各个有源RFID标签4的坐标以及相距读写器的距离后，根据采集到的标签个数采用不同的定位算法，获得的标签个数为1-2时，采用概率法定位，获得的标签个数为3时，采用三边测量法定位，获得的标签个数为≥4时，采用极大似然估计法定位，得到读写器的坐标值，由于有源RFID读写器2安装在移动机器人1上，因此读写器的坐标就代表了移动机器人的位置，实现了移动机器人的定位。
图2为本发明概率法定位示意图，其原理是：在离线训练状态，对每个节点进行信号强度的实测构建无线信号强度地图。在线定位时，采集各个AP的无线信号强度，与无线信号强度地图中的数据进行匹配，计算完采集到的信号强度在各参考点概率p(x，y)后，取值最大的p(x，y)，把它对应的坐标(x，y)作为估计位置，从而实现定位。
图3为本发明三边测量定位法示意图，其原理是：若已知三个节点A、B、C的坐标，以及他们到未知节点T的距离，根据两点间距离公式联立方程组，解方程组即可得到未知节点的坐标。
图4为本发明极大似然估计法示意图，其原理是：若已知四个节点A、B、C、D的坐标，以及他们到未知节点T的距离，根据两点间距离公式联立方程组，使用标准的最小方差估计法可以得到目标节点T的坐标。

Claims (9)

1.一种基于有源RFID的室内移动机器人定位系统，主要由移动机器人(1)、有源RFID读写器(2)、RFID天线(3)、有源RFID标签(4)及移动机器人行走路径(5)组成，其特征在于：所述RFID天线(3)安装在移动机器人(1)的顶部，有源RFID读写器(2)安装在移动机器人(1)中部，有源RFID读写器(2)通过串口与移动机器人(1)控制器连接，若干个有源RFID标签(4)布置在移动机器人(1)行走路径(5)两侧。
2.根据权利要求1所述的基于有源RFID的室内移动机器人定位系统，其特征在于：所述的移动机器人(1)为可自主移动的轮式移动机器人。
3.根据权利要求1所述的基于有源RFID的室内移动机器人定位系统，其特征在于：所述的有源RFID读写器(2)为HR6020型有源RFID读写器。
4.根据权利要求1所述的基于有源RFID的室内移动机器人定位系统，其特征在于：所述的RFID天线(3)为全向天线。
5.根据权利要求1所述的基于有源RFID的室内移动机器人定位系统，其特征在于：所述的有源RFID标签(4)为有源RFID标签，型号为WS-HT06。
6.一种基于有源RFID的室内移动机器人定位方法，其步骤如下：移动机器人(1)在进入定位区后，有源RFID读写器(2)扫描设置在机器人行走路径(5)两侧的有源RFID标签(4)，提取各自有源RFID标签(4)的电子编码ID以及信号强度值RSSI，根据每个有源RFID标签(4)代表的事先确定的位置坐标，以及通过算法确定的有源RFID读写器(2)相距各个有源RFID标签(4)的距离，根据获得的标签个数分别采用概率法、三边测量法及极大似然估计法确定移动机器人(1)的位置，从而实现移动机器人(1)的定位。
7.根据权利要求6所述的基于有源RFID的室内移动机器人定位方法，其特征在于：所述的获得的标签个数为1-2时，采用概率法定位。
8.根据权利要求6所述的基于有源RFID的室内移动机器人定位方法，其特征在于：所述的获得的标签个数为3时，采用三边测量法定位。
9.根据权利要求6所述的基于有源RFID的室内移动机器人定位方法，其特征在于：所述的获得的标签个数为≥4时，采用极大似然估计法定位。
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