CN105865437A - 基于射频识别的移动机器人的自主精确定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于射频识别的移动机器人的自主精确定位系统，包括安装在移动机器人的定位控制器、移动机器人底部的射频卡读卡器及铺设于移动机器人预设活动区域地面下的射频卡，其中，定位控制器由微处理器和通信接口连接构成，微处理器连接射频卡读卡器，微处理器通过通信接口控制射频卡读卡器进行射频卡数据读取；微处理器与数据库连接，所述数据库存储有数字地图，所述数字地图包含与射频卡编号对应的铺设坐标信息，用于对读卡器读取的射频卡数据进行位置匹配；还包括定位显示模块，所述定位显示模块与微处理器连接，用于在数字地图中实时显示机器人所处位置。本发明提供了一种基于射频识别技术的高速读取、全方位识读、且定位精确的定位系统。

Description

基于射频识别的移动机器人的自主精确定位系统及方法

技术领域

本发明属于移动机器人小车定位领域，尤其是一种基于射频识别的移动机器人的自主精确定位系统及方法。

背景技术

随着数据业务的快速增加，人们对定位与导航的需求日益增大，尤其在复杂的室内环境，如机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场、矿井等环境中，常常需要确定移动机器人在室内的位置信息。但是受定位时间、定位精度以及复杂室内环境等条件的限制，比较完善的定位技术目前还无法很好地利用。

例如，在自动化生产和仓储管理中应用移动机器人，如果室内移动机器人可以精确识别当前位置，就可以精确地组装产品、传输和搬运产品。目前，室内移动机器人定位方法一般有几种：超声波定位、红外线定位、超宽带定位、测距法、二维码/条形码定位方法。

超声波定位目前大多数采用反射式测距法。系统由一个主测距器和若干个射频卡组成，主测距器可放置于移动机器人本体上，各个射频卡放置于室内空间的固定位置。定位过程如下：先由上位机发送同频率的信号给各个射频卡，射频卡接收到后又反射传输给主测距器，从而可以确定各个射频卡到主测距器之间的距离，并得到定位坐标。目前，比较流行的基于超声波室内定位的技术为在移动机器人身上4个朝向安装4个超声波传感器，将待定位空间分区，由超声波传感器测距形成坐标，总体把握数据，抗干扰性强，精度高，而且可以解决机器人迷路问题。定位精度：超声波定位精度可达厘米级，精度比较高。缺陷：超声波在传输过程中衰减明显从而影响其定位有效范围。

红外线是一种波长间于无线电波和可见光波之间的电磁波。典型的红外线室内定位系统Activebadges使待测物体附上一个电子标识，该标识通过红外发射机向室内固定放置的红外接收机周期发送该待测物唯一ID，接收机再通过有线网络将数据传输给数据库。这个定位技术功耗较大且常常会受到室内墙体或物体的阻隔，实用性较低。如果将红外线与超声波技术相结合也可方便地实现定位功能。用红外线触发定位信号使参考点的超声波发射器向待测点射超声波，应用TOA基本算法，通过计时器测距定位。一方面降低了功耗，另一方面避免了超声波反射式定位技术传输距离短的缺陷。使得红外技术与超声波技术优势互补。定位精度：5至10m。缺陷：红外线在传输过程中易于受物体或墙体阻隔且传输距离较短，定位系统复杂度较高，有效性和实用性较其它技术仍有差距。

测距法也称推算法，其通过两个轮子加装的编码器测出微小距离，计算出移动机器人位置和姿态的变化量，通过累加，实现移动机器人的自动定位。但是，一旦车轮行进过程中出现打滑空转现象，由于编码器的输出不能修正这一误差，所以，随着时间的推移，将会加大误差累计，导致定位精度的降低，因此，测距法只适应于一段相当短的距离。

二维码/条形码移动机器人定位方法通常是在每个二维码/条形码标签上印制若干个二维码/条形码，每个条形码数据由两部分组成：绝对地址码和位置偏移码，绝对地址码用于定位该标签在室内环境中的实际地理位置，位置偏移码用于确定该标签上各个二维码/条形码之间的偏移量，每个标签上各个二维码/条形码上的绝对地址码是相同的，代表整个标签在室内的地理位置，各个二维码/条形码之间的相对位置用各自的偏移量表示。条码扫描枪每次扫描得到一个完整的条码，当扫描范围出现空白区时，通过对第1个空白区左右两侧的数据信息进行拼接而获得一个完整的条码数据。当用以上方法定位移动机器人位置时，是将标签的位置(绝对位置)、条码的位置(相对位置)、条码扫描枪位置(相对位置)这三个数据叠加，最终得到移动机器人在室内实际地理位置。但是，该方法仍然有以下不足：二维码/条形码识读速度低，不适合于高效率的移动机器人领域；二维码/条形码布局结构难以实现全方位识读；容错能力差，对环境要求高、成本高，不利于推广使用。由于一维码没有纠错码字并且添加在数据码字序列后，使得符号在遇到损坏时丢失数据，当二维码/条形码长期使用后出现磨损，或由于地面凹凸不平，二维码/条形码弯曲时，都不能正常识读数据。

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于射频识别技术的高速读取、全方位识读、且定位精确的定位系统及方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种定位准确、稳定性强且便于实施的基于射频识别的移动机器人的自主精确定位系统及方法。本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

基于射频识别的移动机器人的自主精确定位系统，包括安装在移动机器人的定位控制器、移动机器人底部的射频卡读卡器及铺设于移动机器人预设活动区域地面下的射频卡，其中，

定位控制器由微处理器和通信接口连接构成，微处理器连接射频卡读卡器，微处理器通过通信接口控制射频卡读卡器进行射频卡数据读取；

微处理器与数据库连接，所述数据库存储有数字地图，所述数字地图包含与射频卡编号对应的铺设坐标信息，用于对读卡器读取的射频卡数据进行位置匹配；

还包括定位显示模块，所述定位显示模块与微处理器连接，用于在数字地图中实时显示机器人所处位置。

作为优选方案，所述的通信接口为无线网络接口、有线网络接口或RS232/RS485总线接口。

基于射频识别的移动机器人的自主精确定位方法，包括如下步骤：

S1：在移动机器人预设活动区域地面下按步长L铺设射频卡，并建立包含射频卡以及对应铺设坐标信息的数字地图，存储于数据库中；

S2：射频卡读卡器，实时读取机器人所在位置地面下的射频卡数据；

S3：微处理器通过通信接口接收射频卡数据；

S4：在数字地图中搜索与射频卡数据匹配的物理坐标；

S5：图像显示模块实时显示机器人在数字地图中所处位置。

其中，步骤S1中，包含设定坐标原点，并标记所有射频卡对应的地面物理坐标，形成机器人预设活动区域的数字地图的格式化数据的步骤。

本发明的优点和积极效果是：

1、本定位系统在移动机器人预设活动区域铺设射频卡，并建立含有射频卡编号与位置坐标信息的数字地图，通过射频卡读卡器读取射频卡信息实现对移动机器人的精确定位；

2、本定位方法克服了二维码/条形码定位时依赖二维码/条形码的姿态和读码设备精度的问题，增强了射频卡定位的普及性、易用性和使用效果。

3、本发明设计合理，通过与运动控制系统配合使用，使机器人运行平稳，运行方向明确，取得了移动机器人定位的突出效果和显著进步。

附图说明

图1为本发明基于射频识别的移动机器人的自主精确定位系统的结构示意图；

图2为实施例1的结构示意图；

图3为实施例2的结构示意图；

其中：

1：射频卡；2：读卡器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。

本发明是基于射频技术(Radio Frequency Identification，RFID)实现的。RFID技术是一种利用射频技术实现的非接触式自动识别技术。RFID射频卡读写速度快、存储容量大、能穿透非导电性材料，同时无源RFID射频卡可以在非视距下进行远距离的精确读取，这样就成为解决室内定位问题的有效方案之一。

图1为本发明基于射频识别的移动机器人的自主精确定位系统的结构示意图，从图1中可以看出，基于射频识别的移动机器人的自主精确定位系统，包括安装在移动机器人的定位控制器、移动机器人底部的射频卡读卡器及铺设于移动机器人预设活动区域地面下的射频卡，其中，定位控制器由微处理器和通信接口连接构成，微处理器连接射频卡读卡器，微处理器通过通信接口控制射频卡读卡器进行射频卡数据读取；所述的通信接口为无线网络接口、有线网络接口或RS232/RS485总线接口。微处理器与数据库连接，所述数据库存储有数字地图，所述数字地图包含与射频卡编号对应的铺设坐标信息，用于对读卡器读取的射频卡数据进行位置匹配；还包括定位显示模块，所述定位显示模块与微处理器连接，用于在数字地图中实时显示机器人所处位置。

微处理器与运动控制模块连接，运动控制模块根据定位信息控制机器人移动的方向与速度，实现导航。

实施例1：单个读卡器的定位方案：

如图2所示，移动机器人内部设置1个读卡器2，地面按步长2cm铺设射频卡1，对射频卡1的发射功率与读卡器的接收功率进行设置，使读卡器对射频卡的有效读取距离为2mm,在同一时间内最多只能接收1个射频卡的发射信号；定位时，按如下步骤进行：

在移动机器人预设活动区域地面下按步长L铺设射频卡，设定坐标原点，并标记所有射频卡对应的地面物理坐标，形成机器人预设活动区域的数字地图的格式化数据，存储于数据库中；

射频卡读卡器，实时读取机器人所在位置地面下的射频卡数据,当读卡器阅读到某一个射频卡时，微处理器通过通信接口接收射频卡数据,根据射频卡内部记录的物理坐标或根据卡片序列号检索到的此卡铺设的物理坐标为(Cx,Cy)，即可确定自身的物理坐标，图像显示模块实时显示机器人在数字地图中所处位置。

实施例2：多个读卡器的定位方案：

本实施例中，移动机器人内部设置4个读卡器，如图3所示。其定位过程与实施例中其本相同，区别之处在于：

以四读卡器中心点为其原点建立中心坐标系，读卡器的中心坐标为(Rnx,Rny),例如，读卡器1，读卡器2，读卡器3、读卡器4的中心坐标分别为：

(R1x,R1y),(R2x,R2y),(R3x,R3y),(R4x,R4y)。

当其中一个阅读器读到某一个射频卡时，根据射频卡内部记录的物理坐标或根据卡片序列号检索到的此卡铺设的物理坐标为(Cx,Cy)，计算自身物理坐标为(Cx-Rnx,Cy-Rny)。

以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明申请专利范围及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (4)

1.基于射频识别的移动机器人的自主精确定位系统，其特征在于：包括安装在移动机器人的定位控制器、移动机器人底部的射频卡读卡器及铺设于移动机器人预设活动区域地面下的射频卡，其中，

定位控制器由微处理器和通信接口连接构成，微处理器连接射频卡读卡器，微处理器通过通信接口控制射频卡读卡器进行射频卡数据读取；

微处理器与数据库连接，所述数据库存储有数字地图，所述数字地图包含与射频卡编号对应的铺设坐标信息，用于对读卡器读取的射频卡数据进行位置匹配；

还包括定位显示模块，所述定位显示模块与微处理器连接，用于在数字地图中实时显示机器人所处位置。

2.根据权利要求1所述的基于射频识别的移动机器人的自主精确定位系统，其特征在于：所述的通信接口为无线网络接口、有线网络接口或RS232/RS485总线接口。

3.基于射频识别的移动机器人的自主精确定位方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：在移动机器人预设活动区域地面下按步长L铺设射频卡，并建立包含射频卡序列号 以及对应铺设坐标信息的数字地图，存储于数据库中；

S2：射频卡读卡器，实时读取机器人所在位置地面下的射频卡数据；

S3：微处理器通过通信接口接收射频卡数据；

S4：在数字地图中搜索与射频卡数据匹配的物理坐标；

S5：图像显示模块实时显示机器人在数字地图中所处位置。

4.基于射频卡的移动机器人的自主精确定位方法，其特征在于：步骤S1中，包含设定坐标原点，并标记所有射频卡对应的地面物理坐标，形成机器人预设活动区域的数字地图的格式化数据的步骤。