CN105865456B - 一种基于rfid和超声波的agv小车的定位导航系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于RFID和超声波的AGV小车的定位导航系统及方法，其特征包括：n个车载终端和一个监控服务中心；n个车载终端用于在室内作业环境中完成若干个配送任务；任意一个车载终端包含：车载Wi‑Fi通信模块、RFID与超声波定位模块、控制模块；监控服务中心包括：Wi‑Fi通信模块、路径管理模块、GIS搜索引擎和数据库；数据库中存储有室内作业环境的布局图。本发明能通过RFID与超声波相结合的定位技术，从系统层面上解决超声波的发射与接收不在同一侧而带来的同步难题。并采用最小二乘支持向量机定位算法提高对AGV小车的定位精度。

Description

一种基于RFID和超声波的AGV小车的定位导航系统及方法

技术领域

一种AGV小车的定位导航系统及方法，更具体地说是一种基于RFID和超声波的AGV小车的定位导航系统及方法。

背景技术

目前，对AGV小车的定位与导航方法的研究很多，主要包括：视觉导航定位、光反射导航定位、电磁导航定位以及声音导航定位等。

视觉导航定位：其图像处理计算量大，计算机实时处理的速度要达到，这样的运算速度在一般计算机上难以实现；

光反射导航技术：其定位主要利用激光或红外传感器来测距，激光测距受环境因素干扰比较大，因此采用激光测距时怎样对采集的信号进行去噪等也是一个比较大的难题，另外激光测距也存在盲区，所以光靠激光进行导航实现起来比较困难；

电磁导航定位技术：其一般是在地面下沿预先设定的行驶路径埋电线，当高频电流流经导线时，导线周围产生电磁场，从而实现定位导航，由于其路径是事先规划好的，所以很难对其已有固定的轨道路线作出临时调整；

超声波导航定位技术：其工作原理与激光和红外线类似，通常是由超声波传感器的发射探头发射出超声波，超声波在介质中遇到障碍物而返回到接收装置。由于超声波传感器具有成本低廉、采集信息速率快、距离分辨率高等优点，长期以来被广泛地应用到移动机器人的导航定位中。而且它采集环境信息时不需要复杂的图像配备技术，因此测距速度快、实时性好。同时，超声波传感器也不易受到如天气条件、环境光照及障碍物阴影、表面粗糙度等外界环境条件的影响。超声波进行导航定位已经被广泛应用到各种移动机器人的感知系统中；

RFID定位技术：目前将RFID技术与各类定位技术结合应用正在日益发展，由于RFID技术具有非接触和非视距、以及可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息、传输范围很大，成本较低等优点，因此备受关注。RFID用于机器人的定位系统中，有不少学者在研究，主要用在室内环境下的机器人的定位系统，结合其它定位技术来帮助机器人更好的定位。

发明内容

本发明为了克服现有技术存在的不足之处，提出一种基于RFID和超声波的AGV小车的定位导航系统及方法，以期能从系统层面上解决了超声波的发射与接收不在同一侧而带来的同步难题，确保超声波发射与接收信号同步的可靠性与准确性，从而提高对AGV小车的定位精度。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种基于RFID和超声波的AGV小车的定位导航系统的特点包括：n个车载终端和一个监控服务中心；所述n个车载终端用于在室内作业环境中完成若干个配送任务；任意一个车载终端包含：车载Wi-Fi通信模块、RFID与超声波定位模块、控制模块；所述监控服务中心包括：Wi-Fi通信模块、路径管理模块、GIS搜索引擎和数据库；所述数据库中存储有所述室内作业环境的布局图；

任意一个车载终端的RFID与超声波定位模块实时获取自身车载终端的空间距离向量信息并利用自身车载Wi-Fi通信模块发送给所述监控服务中心；

所述监控服务中心利用所述Wi-Fi通信模块接收任意一个车载终端发送的空间距离向量信息，并利用所述GIS搜索引擎在所述数据库中搜索所述空间距离向量信息，获得相应车载终端的空间位置定位，从而获得n个车载终端的空间位置定位信息，并实时地将n个车载终端的空间位置定位信息存储于数据库中；

所述路径管理模块根据所述n个车载终端的空间位置定位信息、所述布局图以及配送任务建立路径规划模型并进行求解，获得配送任务的最短路径；并根据所述最短路径选择最优的车载终端后，利用所述Wi-Fi通信模块向所述最优的车载终端发送所述最短路径和配送任务；

所述最优的车载终端利用车载Wi-Fi通信模块将所接收到的最短路径和配送任务发送给控制模块；所述控制模块根据最短路径驱动最优的车载终端行进至指定位置，并完成所述配送任务。

本发明所述的AGV小车的定位导航系统的特点也在于：

在所述室内作业环境中布置有若干个锚节点，每个锚节点包含RFID读写器和超声波发射器；

所述RFID与超声波定位模块包括：温度传感器、两个压电式超声波接收器、单片机、RFID发射器、计算单元；

所述单片机控制RFID发射器向四周分时发射不同频率的RFID信号，并启动单片机自身的定时器作为计时初始值，并进行计时；

任一锚节点的FRID读写器接收到所述RFID信号后启动相应的超声波发射器发送超声波信号；

相应的RFID与超声波定位模块的两个压电式超声波接收器接收到所述超声波信号后，利用单片机关闭自身的定时器，并获得计时终值；

所述计算单元根据所述计时初始值和计时终值获得所述RFID与超声波定位模块与相应锚节点之间的距离信息，并利用所述两个压电式超声波接收器间声波信号的相位差获得所述RFID与超声波定位模块与相应锚节点之间的方向角信息；

所述计算单元通过所述距离信息和方向角信息获得所述RFID与超声波定位模块与相应锚节点之间的空间距离向量信息。

本发明一种基于RFID和超声波的AGV小车的定位导航方法的特点是应用于由n个车载终端和一个监控服务中心构成的室内作业环境中，n个车载终端用于在室内作业环境中完成若干个配送任务；所述监控服务中心中存储有所述室内作业环境的布局图；

所述定位导航方法是按如下步骤进行：

步骤1、任意一个车载终端实时获取自身车载终端的空间距离向量信息并发送给所述监控服务中心；

步骤2、所述监控服务中心接收任意一个车载终端发送的空间距离向量信息并进行定位处理，获得相应车载终端的空间位置定位，从而获得n个车载终端的空间位置定位；

步骤3、所述监控服务中心根据所述n个车载终端的空间位置定位、所述布局图以及配送任务建立路径规划模型并进行求解，获得配送任务的最短路径；

步骤4、所述监控服务中心根据所述最短路径选择最优的车载终端，并向所述最优的车载终端发送所述最短路径和配送任务；

步骤5、所述最优的车载终端根据接收到的配送任务按照最短路径完成配送任务。

本发明所述的AGV小车的定位导航方法的特点也在于，在所述室内作业环境中布置有若干个锚节点；每个锚节点包含RFID读写器和超声波发射器；

在n个车载终端分别设置有温度传感器、两个压电式超声波接收器、单片机、RFID发射器；所述步骤1是按如下过程进行：

步骤1.1、所述单片机控制RFID发射器向四周分时发射不同频率的RFID信号，并启动单片机自身的定时器作为计时初始值，并进行计时；

步骤1.2、任一锚节点的FRID读写器接收到所述RFID信号后启动相应的超声波发射器发送超声波信号；

步骤1.3、相应RFID与超声波定位模块的两个压电式超声波接收器接收到所述超声波后，利用单片机关闭自身的定时器，并获得计时终值；

步骤1.4、利用式(1)获得所述RFID与超声波定位模块与相应锚节点之间的距离信息d：

d＝(331.4+0.607T)×t (1)

式(1)中，T表示室内温度，并由所述车载终端的温度传感器检测获取，t为计时终止与计时初始值之差；

步骤1.5、利用式(2)获得所述RFID与超声波定位模块与相应锚节点之间的方向角信息θ：

式(2)中，λ为超声波在空气中的波长，l为两个压电式超声波接收器间的距离，为两个压电式超声波接收器间声波信号的相位差；

步骤1.6、由所述距离信息d和方向角信息θ获得所述RFID与超声波定位模块与相应锚节点之间的空间距离向量信息。

所述步骤2是按如下过程进行：

步骤2.1、所述监控服务中心获取车载终端的压电式超声波接收器的探测范围，且在所述探测范围内探测到N个锚节点，在所述探测范围内选取一个三维区域，记为学习区域Q，并确定网格划分宽度为t，以所述学习区域Q的中心点作为原点，以正南方向为X轴正方向，以正东方向为Y轴正方向，以垂直于水平面向上的方向为Z轴正方向；从而建立测距扫描坐标系O-XYZ；

步骤2.2、在学习区域Q上，以t为步进对区域Q进行网格划分，网格线的交点为样本节点；假设有m个样本点，任意第j个样本节点的空间坐标记为P_j(x_j,y_j,z_j)；j＝1,2,…,m，记任意第i个锚节点的空间坐标为S_i(x_i,y_i,z_i)；i＝1,2,…,N；将第j个样本节点到第i个锚节点的空间距离记为d′_ji；则第j个样本节点到N个锚节点的空间距离向量记为V′_j＝[d′_j1,d′_j2,…,d′_ji,…,d′_jN]；

步骤2.3、把第j个样本节点的空间距离向量V′_j与自身空间坐标P_j(x_j,y_j,z_j)构成训练样本集χ_x＝{(V′_j,x_j)|j＝1,2,…,m}、χ_y＝{(V′_j,y_j)|j＝1,2,…,m}和χ_z＝{(V′_j,z_j)|j＝1,2,…,m}；

步骤2.4、确定正则化参数γ和核参数σ²，并选用径向基核函数，利用最小二乘支持向量机算法分别对训练样本集χ_x、χ_y和χ_z进行训练，获得定位模型f′_x(V)、f′_y(V)和f′_z(V)；

步骤2.5、将任意第k个车载终端T_k(x_k,y_k,z_k)到第i个锚节点S_i(x_i,y_i,z_i)的距离记为d_ki，从而构成第k个车载终端的空间距离向量V_k＝[d_k1,d_k2,…,d_kN]，k＝1,2,…,n；将第k个车载终端的距离向量V_k输入所述定位模型f′_x(V)、f′_x(V)和f′_x(V)，从而得到第k个车载终端的空间位置定位{f_x(V),f_y(V),f_z(V)}。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明的定位导航系统，一方面，利用声波较慢的特性保证了测距精度；另一方面，利用RFID对特定频率射频信号的识别特性，解决了超声波的发射与接收不在同一侧而带来的同步难题，以实现对AGV小车的实时定位。并基于对AGV小车的实时定位，根据n个车载终端的空间位置定位、布局图以及配送任务，建立路径规划模型并进行求解，获得配送任务的最短路径，并选出最优车载终端完成此次的配送任务，从而实现了对AGV小车的合理利用，以及配送任务的准时化。

2、本发明采用RFID和超声波传感相结合的定位技术对AGV小车进行实时定位，该技术具有很高的定位精度和室内应用环境可靠性，且具有成本低廉、采集信息速率快、距离分辨率高等优点，可以准确的实现对AGV小车的实时定位。

3、本发明的定位导航方法：通过采用最小二乘支持向量回归机(LSSVR)定位算法，实现了对车载终端的空间位置定位，该定位算法可大大地提高车载终端的定位准确度，减少了车载终端的定位时间，且具有较好的车载终端定位实时性。

附图说明

图1是本发明AGV小车的定位导航系统结构图；

图2是本发明AGV小车定位模块的硬件结构图；

图3是本发明AGV小车定位测距流程图；

图4是本发明AGV小车定位算法流程图。

具体实施方式

本实施例中，一种基于RFID和超声波的AGV小车的定位导航系统，一方面，利用声波较慢的特性保证了测距精度；另一方面，利用RFID对特定频率射频信号的识别特性，解决了超声波的发射与接收不在同一侧而带来的同步难题，以实现对AGV小车的实时定位。如图1所示，其组成包括：n个车载终端和一个监控服务中心，其中，n个车载终端用于在室内作业环境中完成若干个配送任务，任意一个车载终端包含：车载Wi-Fi通信模块、RFID与超声波定位模块、控制模块；监控服务中心包含：Wi-Fi通信模块、路径管理模块、GIS搜索引擎和数据库；数据库中存储有室内作业环境的布局图；室内作业环境中布置有若干个锚节点，每个锚节点包含RFID读写器和超声波发射器。

任意一个车载终端的RFID与超声波定位模块实时获取自身车载终端的空间距离向量信息并利用自身车载Wi-Fi通信模块发送给监控服务中心；其中，RFID与超声波定位模块的内部组成及其工作原理如图2所示，主要包括以下部分：温度传感器、两个压电式超声波接收器、单片机、RFID发射器、计算单元；RFID与超声波定位模块的定位测距过程如图3所示，

单片机控制RFID发射器向四周分时发射不同频率的RFID信号，并启动单片机自身的定时器作为计时初始值t₀，并进行计时；

任一锚节点的FRID读写器接收到RFID信号后启动相应的超声波发射器发送超声波信号；

相应的RFID与超声波定位模块的两个压电式超声波接收器接收到超声波信号后，利用单片机关闭自身的定时器，并获得计时终值t₁；

计算单元根据计时初始值t₀和计时终值t₁，计算出RFID与超声波定位模块与相应锚节点之间的距离信息d，并根据两个压电式超声波接收器间声波信号的相位差，计算出RFID与超声波定位模块与相应锚节点之间的方向角信息θ；最后，通过距离信息d和方向角信息θ获得RFID与超声波定位模块与相应锚节点之间的空间距离向量信息。

监控服务中心利用Wi-Fi通信模块接收任意一个车载终端发送的空间距离向量信息，并利用GIS搜索引擎在数据库中搜索空间距离向量信息，获得相应车载终端的空间位置定位，从而获得n个车载终端的空间位置定位信息，并实时地将n个车载终端的空间位置定位信息存储于数据库中；

路径管理模块根据n个车载终端的空间位置定位信息、布局图以及配送任务，以最短路径为优化目标建立路径规划模型，并采用分支定界算法进行最优路径求解，算出配送任务的最短路径；并根据最短路径选择最优的车载终端，最后利用Wi-Fi通信模块向最优的车载终端发送最短路径和配送任务；

最优的车载终端利用车载Wi-Fi通信模块将所接收到的最短路径和配送任务发送给控制模块；控制模块根据最短路径驱动最优的车载终端行进至指定位置，并完成配送任务。

本实施例中，一种基于RFID和超声波的AGV小车的定位导航方法，也是应用于由n个车载终端和一个监控服务中心构成的室内作业环境中，n个车载终端用于在室内作业环境中完成若干个配送任务；监控服务中心中存储有室内作业环境的布局图；室内作业环境中布置有若干个锚节点；每个锚节点包含RFID读写器和超声波发射器。具体的说，定位导航方法是按如下步骤进行：

步骤1、任意一个车载终端实时获取自身车载终端的空间距离向量信息并发送给监控服务中心；其中，车载终端包含：温度传感器、两个压电式超声波接收器、单片机、RFID发射器，并按照如下步骤获得自身的空间距离向量信息：

步骤1.1、单片机控制RFID发射器向四周分时发射不同频率的RFID信号，并启动单片机自身的定时器作为计时初始值t₀，并进行计时；

步骤1.2、任一锚节点的FRID读写器接收到RFID信号后启动相应的超声波发射器发送超声波信号；

步骤1.3、相应RFID与超声波定位模块的两个压电式超声波接收器接收到超声波信号后，利用单片机关闭自身的定时器，并获得计时终值t₁；

步骤1.4、利用式(1)获得RFID与超声波定位模块与相应锚节点之间的距离信息d：

d＝(331.4+0.607T)×t (1)

式(1)中，T表示室内温度，并由车载终端的温度传感器检测获取，t为计时终止t₁与计时初始值t₀之差；

步骤1.5、利用式(2)获得RFID与超声波定位模块与相应锚节点之间的方向角信息θ：

式(2)中，λ为超声波在空气中的波长，l为两个压电式超声波接收器间的距离，为两个压电式超声波接收器间声波信号的相位差；

步骤1.6、由距离信息d和方向角信息θ获得RFID与超声波定位模块与相应锚节点之间的空间距离向量信息。

步骤2、监控服务中心接收任意一个车载终端发送的空间距离向量信息并进行定位处理，获得相应车载终端的空间位置定位，从而获得n个车载终端的空间位置定位，其中，定位处理方法采用最小二乘支持向量机算法，如图4所示，具体步骤如下：

步骤2.1、监控服务中心获取车载终端的压电式超声波接收器的探测范围，且在探测范围内探测到N个锚节点，在探测范围内选取一个三维区域，记为学习区域Q，并确定网格划分宽度为t，以学习区域Q的中心点作为原点，以正南方向为X轴正方向，以正东方向为Y轴正方向，以垂直于水平面向上的方向为Z轴正方向；从而建立测距扫描坐标系O-XYZ；

步骤2.2、在学习区域Q上，以t为步进对区域Q进行网格划分，网格线的交点为样本节点；假设有m个样本点，任意第j个样本节点的空间坐标记为P_j(x_j,y_j,z_j)；j＝1,2,…,m，记任意第i个锚节点的空间坐标为S_i(x_i,y_i,z_i)；i＝1,2,…,N；将第j个样本节点到第i个锚节点的空间距离记为d′_ji；则第j个样本节点到N个锚节点的空间距离向量记为V′_j＝[d′_j1,d′_j2,…,d′_ji,…,d′_jN]；

步骤2.3、把第j个样本节点的空间距离向量V′_j与自身空间坐标P_j(x_j,y_j,z_j)构成训练样本集χ_x＝{(V′_j,x_j)|j＝1,2,…,m}、χ_y＝{(V′_j,y_j)|j＝1,2,…,m}和χ_z＝{(V′_j,z_j)|j＝1,2,…,m}；

步骤2.4、确定正则化参数γ和核参数σ²，以及核函数，本文选取目前应用最为广泛的径向基(Radial Basisi Function，RBF)核函数：利用最小二乘向量机算法分别对训练样本集χ_x、χ_y和χ_z进行训练，获得定位模型f′_x(V)、f′_y(V)和f′_z(V)；

步骤2.5、将任意第k个车载终端T_k(x_k,y_k,z_k)到第i个锚节点S_i(x_i,y_i,z_i)的距离记为d_ki，从而构成第k个车载终端的空间距离向量V_k＝[d_k1,d_k2,…,d_kN]，k＝1,2,…,n；将第k个车载终端的空间距离向量V_k输入定位模型f′_x(V)、f′_x(V)和f′_x(V)，从而得到第k个车载终端的空间位置定位{f_x(V),f_y(V),f_z(V)}。

步骤3、监控服务中心根据n个车载终端的空间位置定位信息、布局图以及配送任务，以最短路径为目标建立路径规划模型，并采用分支定界算法并进行求解，获得配送任务的最短路径；

步骤4、监控服务中心根据最短路径选择最优的车载终端，并向最优的车载终端发送最短路径和配送任务；

步骤5、最优的车载终端根据接收到的配送任务按照最短路径完成配送任务。

Claims (2)

1.一种基于RFID和超声波的AGV小车的定位导航方法，其特征是应用于由n个车载终端和一个监控服务中心构成的室内作业环境中，n个车载终端用于在室内作业环境中完成若干个配送任务；所述监控服务中心中存储有所述室内作业环境的布局图；

所述定位导航方法是按如下步骤进行：

步骤1、任意一个车载终端实时获取自身车载终端的空间距离向量信息并发送给所述监控服务中心；

步骤2、所述监控服务中心接收任意一个车载终端发送的空间距离向量信息并进行定位处理，获得相应车载终端的空间位置定位，从而获得n个车载终端的空间位置定位；

步骤2.1、所述监控服务中心获取车载终端的压电式超声波接收器的探测范围，且在所述探测范围内探测到N个锚节点，在所述探测范围内选取一个三维区域，记为学习区域Q，并确定网格划分宽度为t，以所述学习区域Q的中心点作为原点，以正南方向为X轴正方向，以正东方向为Y轴正方向，以垂直于水平面向上的方向为Z轴正方向；从而建立测距扫描坐标系O-XYZ；

步骤2.2、在学习区域Q上，以t为步进对区域Q进行网格划分，网格线的交点为样本节点；假设有m个样本点，任意第j个样本节点的空间坐标记为P_j(x_j,y_j,z_j)；j＝1,2,…,m，记任意第i个锚节点的空间坐标为S_i(x_i,y_i,z_i)；i＝1,2,…,N；将第j个样本节点到第i个锚节点的空间距离记为d′_ji；则第j个样本节点到N个锚节点的空间距离向量记为V′_j＝[d′_j1,d′_j2,…,d′_ji,…,d′_jN]；

步骤2.3、把第j个样本节点的空间距离向量V′_j与自身空间坐标P_j(x_j,y_j,z_j)构成训练样本集χ_x＝{(V′_j,x_j)|j＝1,2,…,m}、χ_y＝{(V′_j,y_j)|j＝1,2,…,m}和χ_z＝{(V′_j,z_j)|j＝1,2,…,m}；

步骤2.4、确定正则化参数γ和核参数σ²，并选用径向基核函数，利用最小二乘支持向量机算法分别对训练样本集χ_x、χ_y和χ_z进行训练，获得定位模型f′_x(V)、f′_y(V)和f′_z(V)；

步骤2.5、将任意第k个车载终端T_k(x_k,y_k,z_k)到第i个锚节点S_i(x_i,y_i,z_i)的距离记为d_ki，从而构成第k个车载终端的空间距离向量V_k＝[d_k1,d_k2,…,d_kN]，k＝1,2,…,n；将第k个车载终端的距离向量V_k输入所述定位模型f′_x(V)、f′_x(V)和f′_x(V)，从而得到第k个车载终端的空间位置定位{f_x(V),f_y(V),f_z(V)}；

步骤3、所述监控服务中心根据所述n个车载终端的空间位置定位、所述布局图以及配送任务建立路径规划模型并进行求解，获得配送任务的最短路径；

步骤4、所述监控服务中心根据所述最短路径选择最优的车载终端，并向所述最优的车载终端发送所述最短路径和配送任务；

步骤5、所述最优的车载终端根据接收到的配送任务按照最短路径完成配送任务。

2.根据权利要求1所述的AGV小车的定位导航方法，其特征是：在所述室内作业环境中布置有若干个锚节点；每个锚节点包含RFID读写器和超声波发射器；

在n个车载终端分别设置有温度传感器、两个压电式超声波接收器、单片机、RFID发射器；所述步骤1是按如下过程进行：

步骤1.1、所述单片机控制RFID发射器向四周分时发射不同频率的RFID信号，并启动单片机自身的定时器作为计时初始值，并进行计时；

步骤1.2、任一锚节点的FRID读写器接收到所述RFID信号后启动相应的超声波发射器发送超声波信号；

步骤1.3、相应RFID与超声波定位模块的两个压电式超声波接收器接收到所述超声波后，利用单片机关闭自身的定时器，并获得计时终值；

步骤1.4、利用式(1)获得所述RFID与超声波定位模块与相应锚节点之间的距离信息d：

d＝(331.4+0.607T)×t (1)

式(1)中，T表示室内温度，并由所述车载终端的温度传感器检测获取，t为计时终止与计时初始值之差；

步骤1.5、利用式(2)获得所述RFID与超声波定位模块与相应锚节点之间的方向角信息θ：

式(2)中，λ为超声波在空气中的波长，l为两个压电式超声波接收器间的距离，为两个压电式超声波接收器间声波信号的相位差；

步骤1.6、由所述距离信息d和方向角信息θ获得所述RFID与超声波定位模块与相应锚节点之间的空间距离向量信息。