CN107300696A - 一种基于rfid的移动机器人位置校正方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于RFID的移动机器人位置校正方法、装置及移动机器人，其中方法包括以下步骤：通过安装在移动机器人底部的至少一个RFID读卡器读取安装在行进区域路面上的RFID标签的信号；根据读取的RFID标签信号的电子编码从预先存储的表格中查找对应的RFID标签所在位置，并根据RFID标签所在位置确定移动机器人的当前位置；根据所述移动机器人的当前位置对移动机器人航迹推算的误差进行补偿。本发明的移动机器人可以在行进过程中读取安装在行进区域路面上的RFID标签，从而对自身位置进行校正，提高移动机器人的定位精度，并且不会对地面造成明显的外观影响，同时降低了移动机器人的传感器成本。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种基于RFID的移动机器人位置校正方法、装置和移动机器人。
背景技术
目前，机器人技术正在渗透到社会的每一个角落，机器人的市场潜力巨大。我国机器人研究起步于上个世纪70年代初期，总体上与发达国家相比还存在很大的差距。此外，我国的机器人市场也有很大潜力。机器人技术已经渗入到了各行各业。
移动机器人是一种在复杂环境下工作的具有自规划、自组织、自适应能力的机器人。在移动机器人相关技术的研究中，导航定位技术是其研究核心也是实现真正智能化和完全自主移动的关键技术。导航研究的目标就是没有人的干预下使机器人有目的地移动并完成特定任务，进行特定操作。移动机器人放置在一个未知、复杂、动态的环境中。机器人对环境进行一段时间的探索后，在成本函数(例如时间、能源消耗等)最小的条件限制下，必须能够到达任意指定的位置。
移动机器人定位是确定机器人在导航环境中所处位置的过程。具体来说，是利用先验环境地图信息、机器人位置的当前估计以及传感器的观测值等输入信息，经过一定的处理和变换，产生更加准确的对机器人当前位置的估计。
在机器人的定位研究中，相对定位和绝对定位都不能很好地独自解决机器人的定位问题，因此目前主要是把这两种定位方法结合在一起使用。绝对定位包括UWB(脉冲无线电)、激光雷达、GPS(全球定位系统)、磁条和导轨等；相对定位包括里程计、惯导等。目前绝对定位UWB等存在价格过高的问题，而磁条等又对环境造成了明显的影响，相对定位累计误差随着机器人的运动会越来越大。例如，移动机器人在没有提供绝对位置的传感器辅助下的时候，单纯依靠里程计、IMU等只能提供相对参考的传感器会造成累计误差越来越大，从而造成定位误差过大。因此亟待提出一种消除相对定位累计误差的方法，既要成本经济，又要尽少的对环境造成影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对移动机器人的定位方法存在成本高或者误差大的缺陷，提供一种基于RFID的移动机器人位置校正方法、装置及移动机器人。
本发明第一方面，提供了一种基于RFID的移动机器人位置校正方法，包括以下步骤：
通过安装在移动机器人底部的至少一个RFID读卡器读取安装在行进区域路面上的RFID标签的信号；
根据读取的RFID标签信号的电子编码从预先存储的表格中查找对应的RFID标签所在位置，并根据RFID标签所在位置确定移动机器人的当前位置；
根据所述移动机器人的当前位置对移动机器人航迹推算的误差进行补偿。
在根据本发明所述的基于RFID的移动机器人位置校正方法中，所述至少一个RFID读卡器包括安装在移动机器人外壳底面交错排列的两排RFID读卡器，所述根据RFID标签所在位置确定移动机器人的当前位置为：根据读到RFID标签信号的读卡器的安装位置与移动机器人几何中心的偏移量，对RFID标签所在位置进行修正，得到移动机器人的当前位置。
在根据本发明所述的基于RFID的移动机器人位置校正方法中，所述根据RFID标签所在位置确定移动机器人的当前位置为：
(1)确定读取到RFID标签信号的RFID读卡器的序号i，根据该序号获取第i个RFID读卡器的安装位置与移动机器人几何中心的偏移量；
(2)通过以下公式计算移动机器人的当前位置(x,y)：
其中xr和yr分别为查找得到的RFID标签所在位置的横坐标和纵坐标，ai和bi分别为读到RFID标签信号的第i个RFID读卡器的安装位置与移动机器人几何中心在横轴的偏移量以及纵轴的偏移量。
在根据本发明所述的基于RFID的移动机器人位置校正方法中，所述根据RFID标签所在位置确定移动机器人的当前位置为：将RFID标签所在位置作为移动机器人的当前位置。
在根据本发明所述的基于RFID的移动机器人位置校正方法中，所述安装在行进区域路面上的RFID标签为沿垂直于移动机器人行进方向布置的至少一排RFID钉子标签，且相邻的RFID钉子标签的间距小于所述移动机器人的宽度。
本发明第二方面，提供了一种基于RFID的移动机器人位置校正装置，包括：
安装在移动机器人底部的至少一个RFID读卡器，所述至少一个RFID读卡器用于读取安装在行进区域路面上的RFID标签的信号；
位置查找模块，用于根据读取的RFID标签信号的电子编码从预先存储的表格中查找对应的RFID标签所在位置，并根据RFID标签所在位置确定移动机器人的当前位置；
位置校正模块，用于根据所述移动机器人的当前位置对移动机器人航迹推算的误差进行补偿。
在根据本发明所述的基于RFID的移动机器人位置校正装置中，所述至少一个RFID读卡器包括安装在移动机器人外壳底面交错排列的两排RFID读卡器，且所述位置查找模块根据读到RFID标签信号的读卡器的安装位置与移动机器人几何中心的偏移量，对RFID标签所在位置进行修正，得到移动机器人的当前位置。
在根据本发明所述的基于RFID的移动机器人位置校正装置中，所述位置查找模块确定读取到RFID标签信号的RFID读卡器的序号i，根据该序号获取第i个RFID读卡器的安装位置与移动机器人几何中心的偏移量；再通过以下公式计算移动机器人的当前位置(x,y)：
其中xr和yr分别为查找得到的RFID标签所在位置的横坐标和纵坐标，ai和bi分别为读到RFID标签信号的第i个RFID读卡器的安装位置与移动机器人几何中心在横轴的偏移量以及纵轴的偏移量。
在根据本发明所述的基于RFID的移动机器人位置校正装置中，所述安装在行进区域路面上的RFID标签为沿垂直于移动机器人行进方向布置的至少一排RFID钉子标签，且相邻的RFID钉子标签的间距小于所述移动机器人的宽度。
本发明第三方面，提供了一种移动机器人，包括如前所述的基于RFID的移动机器人位置校正装置。
实施本发明的基于RFID的移动机器人位置校正方法、装置和移动机器人，具有以下有益效果：本发明的移动机器人可以通过安装在底部的至少一个RFID读卡器读取安装在行进区域路面上的RFID标签，从而对自身位置进行校正，使移动机器人达到一定的定位精度，并且不会对地面造成明显的外观影响，同时降低了移动机器人的传感器成本，相对于激光雷达等具有成本优势，相对于磁条等具有对外观影响较小的优势。
附图说明
图1为根据本发明优选实施例的基于RFID的移动机器人位置校正方法的流程图；
图2为根据本发明优选实施例的移动机器人的底部结构示意图。
图3为根据本发明优选实施例的RFID标签布置示意图；
图4为根据本发明优选实施例的基于RFID的移动机器人位置校正装置的模块框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，为根据本发明优选实施例的基于RFID的移动机器人位置校正方法的流程图。请结合参阅图2和图3，分别为根据本发明优选实施例的移动机器人的底部结构示意图以及RFID标签布置示意图。如图所示，该实施例提供的基于RFID的移动机器人位置校正方法包括以下步骤：
首先，在步骤S1中，执行标签信号获取步骤，通过安装在移动机器人1底部的至少一个RFID读卡器100读取安装在行进区域路面上的RFID标签4的信号。本发明预先在移动机器人1的底部安装至少一个RFID读卡器100，并且在移动机器人的行进区域的路面上布置多个RFID标签4。优选地，所述至少一个RFID读卡器100包括安装在移动机器人1的外壳底面交错排列的两排RFID读卡器，例如图2中第一RFID读卡器100-1至第五RFID读卡器100-5，以提高移动机器人读取到RFID标签的概率。RFID读卡器100的数量优选为3～10个。更优选地，安装在行进区域路面上的RFID标签4为沿垂直于移动机器人行进方向布置的至少一排RFID钉子标签，并且相邻的RFID钉子标签的间距d小于移动机器人的宽度。每两排RFID标签4的间距优选根据机器人航迹推算误差与移动机器人的期望误差来确定。移动机器人1的两边设置有两个主动轮2，后端设有一个万向轮3，RFID读卡器100优选分为两排交叉布置在移动机器人1的前端，保证在移动机器人1车宽范围内全覆盖，RFID读卡器100的线圈大小根据移动机器人要求的定位误差进行确定。优选地，RFID读卡器100的线圈大小小于移动机器人要求的定位精度，更优选为定位精度的2/3。当移动机器人1依靠航迹推算行走到RFID标签4布置之处，且不会偏离RFID标签4的布置范围，移动机器人1总会读到一到两个标签。
随后，在步骤S2中，根据步骤S1读取的RFID标签信号的电子编码(ID)从预先存储的表格中查找该电子编码对应的RFID标签所在位置，并根据RFID标签所在位置确定移动机器人的当前位置。RFID标签信号中携带有电子编码(ID)的信息。本发明预先将各个RFID标签所在位置与RFID标签的电子编码(ID)录入移动机器人的系统中，形成用于查询的表格并存储。
最后，在步骤S3中，根据步骤S2确定的移动机器人的当前位置对移动机器人航迹推算的误差进行补偿，以消除部分累计误差。具体地，根据步骤S2确定的移动机器人的当前位置更新机器人所在位置，并且对航迹推算的值与实际确定的机器人所在位置相比较，根据比较值实时动态调整补偿系数。
本发明对RFID读卡器的数量和位置布置没有特别限定。在本发明的一些实施例中，当仅设置一个RFID读卡器100时，步骤S2中直接将RFID标签所在位置作为移动机器人的当前位置。在本发明的另一些优选实施例中，如图2所示，当至少一个RFID读卡器100包括安装在移动机器人外壳底面交错排列的两排RFID读卡器时，步骤S2中根据RFID标签所在位置确定移动机器人的当前位置为：根据读到RFID标签信号的读卡器的安装位置与移动机器人几何中心的偏移量，对RFID标签所在位置进行修正，得到移动机器人的当前位置。
具体地，步骤S2首先确定读到该RFID标签信号的RFID读卡器的序号，例如为第i个RFID读卡器，再获取第i个RFID读卡器的安装位置与移动机器人几何中心的偏移量，包括横轴的偏移量ai和纵轴的偏移量bi；再通过以下公式计算移动机器人的当前位置(x,y)：
其中xr和yr分别为查找得到的RFID标签所在位置的横坐标和纵坐标。例如，当移动机器人1的底部安装5个RFID读卡器100时，即第一RFID读卡器100-1、第二RFID读卡器100-2、第三RFID读卡器100-3、第四RFID读卡器100-4和第五RFID读卡器100-5，假设确定当前读到RFID标签信号的RFID读卡器的序号为第5个时，则根据该第5个RFID读卡器的安装位置与移动机器人几何中心的偏移量对RFID标签所在位置进行修正，即
其中，a5和b5分别为读到RFID标签信号的读卡器的安装位置与移动机器人几何中心在横轴的偏移量以及纵轴的偏移量。
请参阅图4，为根据本发明优选实施例的基于RFID的移动机器人位置校正装置的模块框图。如图4所示，该实施例提供的基于RFID的移动机器人位置校正装置10，包括：至少一个RFID读卡器100、位置查找模块200和位置校正模块300。
其中，至少一个RFID读卡器100安装在移动机器人1的底部，用于读取安装在行进区域路面上的RFID标签4的信号。本发明预先在移动机器人1的底部安装至少一个RFID读卡器100，并且在移动机器人的行进区域的路面上布置多个RFID标签4。优选地，所述至少一个RFID读卡器100包括安装在移动机器人1的外壳底面交错排列的两排RFID读卡器，例如图2中第一RFID读卡器100-1至第五RFID读卡器100-5，以提高移动机器人读取到RFID标签的概率。RFID读卡器100的数量优选为3～10个。更优选地，安装在行进区域路面上的RFID标签4为沿垂直于移动机器人行进方向布置的至少一排RFID钉子标签，并且相邻的RFID钉子标签的间距d小于移动机器人的宽度。每两排RFID标签4的间距优选根据机器人航迹推算误差与机器人的期望误差来确定。移动机器人1的两侧设置有两个主动轮2，后端设有一个万向轮3，RFID读卡器100优选分为两排交叉布置在移动机器人1的前端，保证在移动机器人1车宽范围内全覆盖，RFID读卡器100的线圈大小根据移动机器人要求的定位误差进行确定。优选地，RFID读卡器100的线圈大小小于移动机器人要求的定位精度，更优选为定位精度的2/3。当移动机器人1依靠航迹推算行走到RFID标签4布置之处，且不会偏离RFID标签4的布置范围，移动机器人1总会读到一到两个标签。
位置查找模块200与至少一个RFID读卡器100连接，用于根据读取的RFID标签信号的电子编码从预先存储的表格中查找对应的RFID标签所在位置，并根据RFID标签所在位置确定移动机器人的当前位置。RFID标签信号中携带有电子编码(ID)的信息。本发明预先将各个RFID标签所在位置与RFID标签的电子编码(ID)录入移动机器人的系统中，形成用于查询的表格并存储。
位置校正模块300与位置查找模块200连接，用于根据移动机器人的当前位置对移动机器人航迹推算的误差进行补偿，以消除部分累计误差。具体地，位置校正模块300根据位置查找模块200确定的移动机器人的当前位置更新机器人所在位置，并且对航迹推算的值与实际确定的机器人所在位置相比较，根据比较值实时动态调整补偿系数。
在本发明的一些实施例中，当仅设置一个RFID读卡器100时，位置查找模块200直接将RFID标签所在位置作为移动机器人的当前位置。在本发明的另一些优选实施例中，当至少一个RFID读卡器100包括安装在移动机器人外壳底面交错排列的两排RFID读卡器时，位置查找模块200根据读到RFID标签信号的读卡器的安装位置与移动机器人几何中心的偏移量，对RFID标签所在位置进行修正，得到移动机器人的当前位置。
具体地，位置查找模块200首先确定读到该RFID标签信号的RFID读卡器的序号，例如为第i个RFID读卡器，再获取第i个RFID读卡器的安装位置与移动机器人几何中心的偏移量，包括横轴的偏移量ai和纵轴的偏移量bi；再通过以下公式计算移动机器人的当前位置(x,y)：
其中xr和yr分别为查找得到的RFID标签所在位置的横坐标和纵坐标，ai和bi分别为读到RFID标签信号的读卡器的安装位置与移动机器人几何中心在横轴的偏移量以及纵轴的偏移量。
本发明还相应提供了一种移动机器人，包括如前所述的基于RFID的移动机器人位置校正装置。
综上所述，本发明提出了一种基于RFID标签的移动机器人位置校正方法和装置及移动机器人，该移动机器人在行进中没有超出要求定位精度前读到RFID标签，从而对自身位置进行校正。与现有技术相比，本发明的有益效果是：在没有激光雷达、GPS、UWB等绝对定位传感器，且不允许布置磁条、颜色带等明显影响环境外观的外信标等环境中，使用RFID钉子标签，钉入地面，不会对地面造成明显的外观影响，而且能使机器人达到一定的定位精度，同时降低了机器人的传感器成本，在机器人走固定路线的情况下相对于激光雷达等具有成本优势，相对于磁条等具有对外观影响较小的优势。本发明使移动机器人在没有激光雷达或GPS等提供绝对参考的传感器且地面不允许布置磁条等对地面有明显影响的外信标时定位误差可以控制在0.5米内。
应该理解地是，本发明的基于RFID的移动机器人位置校正方法和装置的实现原理与过程相同，因此对基于RFID的移动机器人位置校正方法实施例的具体描述也适用于基于RFID的移动机器人位置校正装置。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于RFID的移动机器人位置校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过安装在移动机器人底部的至少一个RFID读卡器读取安装在行进区域路面上的RFID标签的信号；
根据读取的RFID标签信号的电子编码从预先存储的表格中查找对应的RFID标签所在位置，并根据RFID标签所在位置确定移动机器人的当前位置；
根据所述移动机器人的当前位置对移动机器人航迹推算的误差进行补偿。
2.根据权利要求1所述的基于RFID的移动机器人位置校正方法，其特征在于，所述至少一个RFID读卡器包括安装在移动机器人外壳底面交错排列的两排RFID读卡器，所述根据RFID标签所在位置确定移动机器人的当前位置为：
根据读到RFID标签信号的读卡器的安装位置与移动机器人几何中心的偏移量，对RFID标签所在位置进行修正，得到移动机器人的当前位置。
3.根据权利要求2所述的基于RFID的移动机器人位置校正方法，其特征在于，所述根据RFID标签所在位置确定移动机器人的当前位置为：
(1)确定读取到RFID标签信号的RFID读卡器的序号i，根据该序号获取第i个RFID读卡器的安装位置与移动机器人几何中心的偏移量；
(2)通过以下公式计算移动机器人的当前位置(x,y)：
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mi>x</mi>
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<mi>x</mi>
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</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
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<mo>=</mo>
<msub>
<mi>y</mi>
<mi>r</mi>
</msub>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>b</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中xr和yr分别为查找得到的RFID标签所在位置的横坐标和纵坐标，ai和bi分别为读到RFID标签信号的第i个RFID读卡器的安装位置与移动机器人几何中心在横轴的偏移量以及纵轴的偏移量。
4.根据权利要求1所述的基于RFID的移动机器人位置校正方法，其特征在于，所述根据RFID标签所在位置确定移动机器人的当前位置为：将RFID标签所在位置作为移动机器人的当前位置。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的基于RFID的移动机器人位置校正方法，其特征在于，所述安装在行进区域路面上的RFID标签为沿垂直于移动机器人行进方向布置的至少一排RFID钉子标签，且相邻的RFID钉子标签的间距小于所述移动机器人的宽度。
6.一种基于RFID的移动机器人位置校正装置，其特征在于，包括：
安装在移动机器人底部的至少一个RFID读卡器，所述至少一个RFID读卡器用于读取安装在行进区域路面上的RFID标签的信号；
位置查找模块，用于根据读取的RFID标签信号的电子编码从预先存储的表格中查找对应的RFID标签所在位置，并根据RFID标签所在位置确定移动机器人的当前位置；
位置校正模块，用于根据所述移动机器人的当前位置对移动机器人航迹推算的误差进行补偿。
7.根据权利要求6所述的基于RFID的移动机器人位置校正装置，其特征在于，所述至少一个RFID读卡器包括安装在移动机器人外壳底面交错排列的两排RFID读卡器，且所述位置查找模块根据读到RFID标签信号的读卡器的安装位置与移动机器人几何中心的偏移量，对RFID标签所在位置进行修正，得到移动机器人的当前位置。
8.根据权利要求7所述的基于RFID的移动机器人位置校正装置，其特征在于，所述位置查找模块确定读取到RFID标签信号的RFID读卡器的序号i，根据该序号获取第i个RFID读卡器的安装位置与移动机器人几何中心的偏移量；再通过以下公式计算移动机器人的当前位置(x,y)：
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mi>x</mi>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>x</mi>
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<mi>b</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中xr和yr分别为查找得到的RFID标签所在位置的横坐标和纵坐标，ai和bi分别为读到RFID标签信号的第i个RFID读卡器的安装位置与移动机器人几何中心在横轴的偏移量以及纵轴的偏移量。
9.根据权利要求7或8所述的基于RFID的移动机器人位置校正装置，其特征在于，所述安装在行进区域路面上的RFID标签为沿垂直于移动机器人行进方向布置的至少一排RFID钉子标签，且相邻的RFID钉子标签的间距小于所述移动机器人的宽度。
10.一种移动机器人，其特征在于，包括根据权利要求7～9中任一项所述的基于RFID的移动机器人位置校正装置。
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