CN111367279A - 一种用于港口运输车的自动导引系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于港口运输车的自动导引系统，它包括：人机接口模块，用于自动导引系统与操作人员之间的交互；远程控制模块，用于实时将自动导引系统的各种状态参数传输至后台数据中心；电子标签坐标定位模块，用于获取设置于自动导引运输车预规划行驶路径上的电子标签坐标信息；信息处理中心，用于实时读取电子标签坐标信息，根据所述电子标签坐标信息计算自动导引运输车的航行参数，并对航行参数进行实时修正，从而达到自动导航路线控制。本发明具有能够提供一种定位稳定性和准确性较高的自动导引系统的有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及射频识别领域，具体地说，特别涉及到一种用于港口运输车的自动导引系统。
背景技术
港口物流也正朝着大规模、大流量、高速度的方向发展，超大型集装箱船、大吨位集装箱、相应配套的大型岸桥等装卸运输设备也应运而生，物流运营子系统对港口物流发展差异的贡献率正在不断增大。
在物流运营子系统中集装箱码头水平搬运设备的调度是一个随机、复杂的系统，水平运输设备在集装箱码头装卸作业过程中的主要作用是将集装箱从岸边运输到堆场或将集装箱从堆场运输到岸边，因此它一直贯穿于整个码头前沿和堆场之间，承担着集装箱运载的作用。
目前得到广泛采用的水平运输设备之一AGV自动导引运输车(Automated GuidedVehicle，简称AGV)具有自动导航、准确定位、无人操作、路径优化以及安全避碰等智能化特征，在自动化集装箱码头中逐渐代替集装箱卡车成为码头集装箱水平运输的主要工具。
AGV之所以能够实现无人驾驶，导航和导引对其起到了至关重要的作用，随着技术的发展，目前能够用于AGV的导航/导引技术主要分为直接坐标、电磁导引、磁带导引、光学导引、激光导航及惯性导航等方法。
每种方法都有一定局限性，尤其对于较为复杂的工业现场。直接坐标地面测量安装复杂，工作量大，导引精度和定位精度较低，且无法满足复杂路径的要求。电磁导引路径难以更改扩展，对复杂路径的局限性大。磁带导引易受环路周围金属物质的干扰，磁带易受机械损伤，因此导引的可靠性受外界影响较大。光学导引对色带的污染和机械磨损十分敏感，对环境要求过高，导引可靠性较差，精度较低。激光导引制造成本高，对环境要求较相对苛刻(外界光线，地面要求，能见度要求等)，不适合室外(尤其是易受雨、雪、雾的影响)。
使用RFID技术进行定位导引的AGV(Automated Guided Vehicle自动导引运输车)作为一种无人自动搬运设备，可为大型港口的集装箱的自动化搬运、作业效率的提高起到很好的促进作用，是未来港口物流发展的趋势。
目前使用RFID技术进行定位已经进入了商业化应用阶段，各种RFID技术都有自身优势和劣势。低频RFID技术具有较强的穿透力，辐射范围比较恒定，但是通信速率较低；高频RFID技术通信速率较高，辐射范围比较恒定，但是穿透力稍差，不太适合地埋式应用；超高频RFID技术通信距离较远，但是辐射范围比较难以控制，定位的稳定性和准确性较差，很难应用于近距离精确定位的场合。另外，目前市场上基于低频RFID方案的定位设备的精度无法做到厘米级。一些文献虽然公开了基于低频RFID技术采用矩阵式天线阵列，结合阵列天线切换技术、标签信号强度采集及电子标签位置信息融合算法，实现了厘米级的定位精度，但是也仅仅是一种可行性方案，在实测中往往受硬件器件性能等因素的影响，定位效果不理想。并且显而易见的是：通常低频和高频RFID系统读取距离近(一般小于10cm)、传输速率慢，因此必须在导引运输车工作现场密集置电子标签，正因为如此此类系统工作往往追求定位识别的精确度，而在自动导引运输车导引系统这一实际应用领域中运输车往往不又需要过高的精确度，例如申请号为201410321651.0的中国发明专利公开的一种高精度低频率定位装置及其方法的说明书有益效果部分记载了“本发明综合采用数字信号处理、射频信号功率放大、调制解调及天线设计等技术，实现了远距离条件下精确定位，定位精度可以达到±1cm。”
综上所述，现有技术中的自导引控制系统及其导引控制方法主要存在以下缺陷：(1)采用超高频RFID技术实现则工作稳定性和准确性差；(2)采用低频RFID技术实现则定位距离小，需要密集设置电子标签。(3)此外，无论采用何种技术均将涉及到较为复杂的定位、导引算法，例如申请号为201410321651.0的中国发明专利公开的一种高精度低频率定位装置，不但需要密集设置电子标签，而且利用一种4×4矩阵天线来进行定位导引，算法实现较复杂。
如前述的超高频RFID技术通信距离较远，但是辐射范围比较难以控制，定位的稳定性和准确性较差，很难应用于近距离精确定位的场合，但是如果能够在硬件系统结构方面进行改良提高稳定性和准确性将为自动导引运输车等应用领域提供更好的定位解决方案。
发明内容
本发明实际需要解决的技术问题是：针对现有技术中的不足，提供一种定位稳定性和准确性较高的用于港口运输车的自动导引系统。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种用于港口运输车的自动导引系统，其特征在于，它包括：
人机接口模块，用于自动导引系统与操作人员之间的交互；
远程控制模块，用于实时将自动导引系统的各种状态参数传输至后台数据中心；
电子标签坐标定位模块，用于获取设置于自动导引运输车预规划行驶路径上的电子标签坐标信息；
信息处理中心，用于实时读取电子标签坐标信息，根据所述电子标签坐标信息计算自动导引运输车的航行参数，并对航行参数进行实时修正，从而达到自动导航路线控制
调制解调单元，用于产生驱动天线激活电子标签的发射信号，并能放大电子标签返回信号；
数据采集单元的信息输入端与调制解调单元连接，数据采集单元的信息输出端与信息处理中心连接，用于接收放大后的编码信息并将其发送给信息处理中心。
进一步的，所述电子标签坐标定位模块包括电子标签，调制解调单元、RFID天线单元和天线控制单元；
所述电子标签设置于自动导引运输车预规划行驶路径上；
所述RFID天线单元包括发射天线和接收天线，所述发射天线和接收天线均为环状圆形天线；
所述的调制解调单元通过天线控制单元向发射天线发送射频信号；
所述接收天线与调制解调单元电连接，调制解调单元与信息处理中心相通信。
进一步的，所述天线控制单元包括射频信号放大器、第一信号分配器、第二信号分配器和信号幅度调整单元；所述射频信号放大器的输入口为天线控制单元的输入端，射频信号放大器的输出口与第一信号分配器的输入口相连接，第一信号分配器的第一输出口与信号幅度调整单元的第一输入口相连接，第一信号分配器的第二输出口与信号幅度调整单元的第二输入口相连接，所述信号幅度调整单元的输出口与第二信号分配器的输入端相连接，第二信号分配器的第一输出端为天线控制单元的信号输出端，第二信号分配器的第二输出端与反馈控制信号生成单元的第一输入端相连接，反馈控制信号生成单元的第二输入端与天线控制单元的输入端相连接；反馈控制信号生成单元的输出端与微控制器单元的输入口相连接；微控制器单元的输出口与信号幅度调整单元的第三输入口相连接；微控制器单元的输出口与信号幅度调整单元的第四输入口相连接。
更进一步的，所述信号幅度调整单元包括第一信号转换单元、第二信号转换单元、第三信号转换单元、第四信号转换单元、第一信号运算单元和第二信号运算单元；
所述信号转换单元主要由第一信号线和第二信号线组成，所述第一信号线和第二信号线分别并行的绕制在磁芯上，第一信号线的首端与第一电容C1的一端相连接，第一电容C1的另一端为信号转换单元的输入端；第一信号线的尾端与第二电容C2的一端相连接，第二电容C2的另一端与第一电阻R1的一端相连接；第二信号线的的首端与第三电容C3的一端相连接，第三电容C3的另一端接地；第二信号线的尾端与第四电容C4的一端相连接，第四电容C4的另一端与第一电阻R1的另一端相连接；第一电阻的R1的两端分别为信号转换单元的两个输出端；
所述信号运算单元主要由第一运放、第二运放、第三运放、模拟信号乘法单元、模拟信号加法单元构成；第一运放的两个输入端构成信号运算单元的第一输入口；第二运放的两个输入端构成信号运算单元的第二输入口；第一运放的输出端接入模拟信号乘法单元的第一输入端；第二运放的输出端接入模拟信号乘法单元的第二输入端，所述模拟信号乘法单元的输出端与模拟信号加法单元的第一输入端相连接；所述模拟信号加法单元的另一个输入端与第三运放的输出端相连，第三运放的两个输入端构成信号运算单元的第三输入口；所述模拟信号加法单元的输出端构成信号运算单元的输出口；
所述第一信号转换单元的输出端与第一信号运算单元的第一输入口相连接；所述第二信号在转换单元的输出端与第一信号运算单元的第二输入口相连接；
所述第三信号转换单元的输出端与第二信号运算单元的第一输入口相连接；所述第四信号在转换单元的输出端与第二信号运算单元的第二输入口相连接；
所述第一信号转换单元的输入口构成所述信号幅度调整单元的第一输入口，所述第二信号转换单元的输入口构成所述信号幅度调整单元的第三输入口；
所述第三信号转换单元的输入口构成所述信号幅度调整单元的第二输入口，所述第四信号转换单元的输入口构成所述信号幅度调整单元的第四输入口；
所述第二信号运算单元的输出口与所述第一信号运算单元的第三输入口相连接；
所述第一信号运算单元的输出口构成所述信号幅度调整单元的输出口。
进一步的，所述反馈控制信号生成单元包括第一对数放大器、第二对数放大器、功率检测子单元；所述第一对数放大器的输入端构成反馈控制信号生成单元的第一输入端，所述第二对数放大器的输入端构成反馈控制信号生成单元的第二输入端；所述第一对数放大器的输出端与所述功率检测子单元的第一输入端相连接，所述第二对数放大器的输出端与所述功率检测子单元相连接，所述功率检测子单元的输出端构成反馈控制信号生成单元的输出端。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
基于低频率RFID技术实现的运输车自动导引系统和方法比较常见，如背景技术部分所述现有技术中由于通常低频和高频RFID系统读取距离近(一般小于10cm)，因此必须在导引运输车工作现场密集置电子标签，这无疑增加了系统成本并且定位算法、AGC导引控制算法也势必较为复杂。本发明基于超高频RFID技术实现通信距离较远，能够减少导引运输车工作现场RFID标签的设置密度，但是众所周知的，超高频RFID辐射范围比较难以控制，定位的稳定性和准确性较差，很难应用于近距离精确定位的场合，本发明的天线控制单元以射频信号放大器、第一信号分配器、第二信号分配器和信号幅度调整单元以及反馈控制信号生成单元为硬件主体架构利用反馈控制机制实现天线控制单元对RFID读写距离的精确控制。本发明基于能够稳定而准确的实现读写距离调整，进而实现目标电子标签定位，提供一种定位稳定性和准确性较高的用于港口运输车的自动导引系统。
此外，本发明基于天线控制单元对RFID读写距离的精确控制的硬件优势提出了一种基于超高频RFID技术的自动导引控制方法。在普通工作状态下将RFID读写器发射功率P调整到至PV，RFID读写器的发射功率为PV下的作用范围与相邻两个RFID电子标签之间的设置距离为d相对应；而当由于地形原因导致在发射功率为PV的情况下，RFID读写器的作用范围内将漏掉目标电子标签，导致导引失败时，则可以将RFID读写器功率调整到最大值Pmax从而避免漏检。，因此本发明提供的自动导引控制方法与低频RFID系统相比，显然读写距离更大(低频RFID系统读写距离通常10cm)使用更少的RFID标签；而且与常见的超高频RFID系统相比，由于通常情况下本发明可以直接搜索到唯一的目标标签，不用进行大量的比对筛选，也不至于因为严格限制现场标签设置距离来配合RFID发射功率而导致地形等原因的漏检。综上所述，本发明既能能够减少工作现场RFID电子标签设置密集度；且能够降低定位与导引算法难度；加之而且能够可靠的保证不漏检，具有较高的工作可靠性和稳定性。
附图说明
图1为本发明港口运输车自动导引系统的结构框图；
图2为本发明的天线控制单元电路结构示意图；
图3为本发明信号幅度调整单元电路结构示意图。
图4为本发明信号的信号运算单元电路结构示意图；
图5为本发明反馈控制信号生成单元电路结构示意图；
图6为本发明信号转换单元电路结构示意图；
图7为本发明对数放大器电路结构示意图；
图8为本发明自动导引系统整体工作原理示意图；
图9为本发明自动导引运行过程示意图；
图10为本发明自动导引方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明自动导引系统的软硬件模块包括显示、远程控制、统计报表分析、数据库、自动导航路线控制及信息中心等模块。自动导引系统把电子标签的数据作为输入量，对AGV进行行驶参数进行控制。
一、本发明系统主要架构
1、人机接口模块
人机接口模块作为整个系统与操作人员交互的部件，包括输入和输出两个部分，即触控输入和显示单元。触控输入可以实现各种参数设定和工业控制计算机数据更新等，显示单元用于展示AGV运行方向、速度、线路指示及计算控制信息等。
2、远程控制模块
远程控制采用移动通信网络进行与后台数据中心进行交互，实时将AGV的各种状态参数传输至后台数据中心，后台数据中心可以根据工业现场的需要进行及时调整AGV的运行状态，并可以更新AGV的预定运行路线。
3、电子标签坐标定位模块
电子标签坐标定位模块是本发明的主要创新点所在，用于获取设置于自动导引运输车预规划行驶路径上的电子标签坐标信息。
4、信息处理中心
信息处理中心实时读取电子标签坐标信息，根据关联式导航路线分析算法计算AGV的下一步操作，最终通过反馈式AGV控制算法对AGV航信参数进行实时修正，从而达到AGV自动导航路线控制。信息处理中心由工业控制计算机实现。
5、调制解调单元
调制解调单元用于产生驱动天线激活电子标签的发射信号，并能放大电子标签返回信号；
6、数据采集单元
数据采集单元的信息输入端与调制解调单元连接，数据采集单元的信息输出端与信息处理中心连接，用于接收放大后的编码信息并将其发送给信息处理中心。
此外，本系统还包括软件模块，例如：统计报表分析模块，统计报表分析模块主要进行AGV的日常线路统计、运行时间记录及工作负荷分析，为AGV日常维护和航线调整提供参考数据；数据库，数据库主要记录工业现场的地面电子标签的位置信息、AGV的航线信息及AGV控制系统参数等信息，数据库可以在本地进行更新，也可以通过远程控制子系统进行更新。
二、电子标签坐标定位模块的结构和工作原理
电子标签坐标定位模块是本发明的主要创新点所在，电子标签坐标定位模块包括电子标签，调制解调单元、RFID天线单元和天线控制单元。
电子标签和调制解调单元不属于本发明改进创新之处，采用行业内常规模块实现即可，这里不再赘述。
以下分别介绍各个组成部分的结构以及工作原理：
(一)RFID天线单元
天线单元包括第一环状圆形天线和第二环状圆形天线；所述第一环形天线的尺寸大于第一环形天线，第二环形天线设置于第一环形天线的中空内，所述第一环形天线和第二环形天线均制作在天线基板上，第一馈电线穿过所述天线基板与第一环形天线电连通；第二馈电线穿过所述天线基板与第二环形天线电连通；
(二)天线控制单元
(1)整体结构
如图2所示，天线控制单元也即是发射信号控制单元。调制解调单元在信息处理中心的控制下输出发射信号，发射信号对应接入发射信号控制单元的输入端，发射信号控制单元的信号输出端与天线单元的第一馈电线对应电连接。也即是调制解调单元输出的发射信号在发射信号控制单元的驱动下送往RFID天线中的发射天线(第一环形天线)。
信息处理中心、发射信号产生单元、发射信号控制单元以及RFID天线矩阵之间的信号驱动关系如上所述，下面具体阐述构成发射信号控制子单元的发射信号控制子单元的电路结构。
发射信号控制单元包括射频信号放大器、第一信号分配器、第二信号分配器和信号幅度调整单元；射频信号放大器的输入口为发射信号控制子单元的输入端，射频信号放大器的输出口与第一信号分配器的输入口相连接，第一信号分配器的第一输出口与信号幅度调整单元的第一输入口相连接，第一信号分配器的第二输出口与信号幅度调整单元的第二输入口相连接。第一信号分配器的第一输出口的输出信号
和第二输出口的输出信号
之间具有正交性，第一信号分配器可以采用常规的正交功率分配器实现。
信号幅度调整单元的输出口与第二信号分配器的输入端相连接，第二信号分配器的第一输出端为发射信号控制子单元的信号输出端，如前文所述，发射信号控制单元的信号输出端的输出信号送往发射天线。
第二信号分配器的第二输出端与反馈控制信号生成单元的第一输入端相连接，反馈控制信号生成单元的第二输入端与发射信号控制单元的输入端相连接；也即是发射信号产生单元输出的信号直接进入反馈控制信号生成单元的第二输入端；也即是调制解调单元输出的信号经过发射信号控制单元驱动控制后的信号进入发射天线的同时也进入反馈控制信号生成单元的第二输入端。
反馈控制信号生成单元输出端与微控制器单元的输入口相连接；微控制器单元的输出口与信号幅度调整单元的第三输入口相连接；微控制器单元的输出口与信号幅度调整单元的第四输入口相连接。也即是反馈控制信号生成单元的输出(含有功率调整信息)进入微控制器后，微控制器依据反馈控制信号生成单元输出的数据得出用于参与信号幅度调整单元运算的数据从而实现对发射信号的调整，调整后的信号最终送入发射天线。
下面进一步介绍信号幅度调整单元的结构。
(3)信号幅度调整单元结构
如图3所示，信号幅度调整单元包括第一信号转换单元、第二信号转换单元、第三信号转换单元、第四信号转换单元、第一信号运算单元和第二信号运算单元。
下面首先介绍构成信号幅度调整单元的信号转换单元和信号运算单元的电路结构
信号幅度调整单元具有4个结构完全相同的信号转换单元，这4个信号转换单元分别称为第一信号转换单元、第二信号转换单元、第三信号转换单元和第四信号转换单元。每个信号转换单元具有如下电路结构：
如图6所示，信号转换单元主要由第一信号线和第二信号线组成，第一信号线和第二信号线均为金属导线，第一信号线和第二信号线分别并行的绕制在磁芯上，第一信号线的首端与第一电容C1的一端相连接，第一电容C1的另一端为信号转换单元的输入端；第一信号线的尾端与第二电容C2的一端相连接，第二电容C2的另一端与第一电阻R1的一端相连接；第二信号线的的首端与第三电容C3的一端相连接，第三电容C3的另一端接地；第二信号线的尾端与第四电容C4的一端相连接，第四电容C4的另一端与第一电阻R1的另一端相连接；第一电阻的R1的两端分别为信号转换单元的两个输出端。信号转换单元的功能在于将单端信号转换为抗干扰能力强的差分信号，将抗干扰能力强的差分信号送入信号运算单元。
此外，信号幅度调整单元还具有2个结构完全相同的信号运算单元。
每个信号运算单元的电路结构如下：
如图4所示，信号运算单元主要由第一运放、第二运放、第三运放、模拟信号乘法单元、模拟信号加法单元构成；第一运放的两个输入端构成信号运算单元的第一输入口；第二运放的两个输入端构成信号运算单元的第二输入口；第一运放的输出接入模拟信号乘法单元的第一输入端；第二运放的输出接入模拟信号乘法单元的第二输入端，模拟信号乘法单元的输出端与模拟信号加法单元的第一输入端相连接；模拟信号加法单元的另一个输入端与第三运放的输出端相连，第三运放的两个输入端构成信号运算单元的第三输入口；模拟信号加法单元的输出端构成信号运算单元的输出口。模拟信号乘法单元和模拟信号加法单元采用常规设计方法实现即可。
4个信号转换单元和2个信号运算单元之间的电路连接关系如下：
如图3所示，第一信号转换单元的两个输出端与第一信号运算单元的第一输入口相连接；第二信号转换单元的两个输出端与信第一信号运算单元的第二输入口相连接；第三信号转换单元的两个输出端与第二信号运算单元的第一输入口相连接；第四信号在转换单元的两个输出端与第二信号运算单元的第二输入口相连接；
第一信号转换单元的输入口构成所述信号幅度调整单元的第一输入口，第二信号运算单元的输入口构成信号幅度调整单元的第三输入口；第三信号转换单元的输入口构成所述信号幅度调整单元的第二输入口，第四信号转换单元的输入口构成所述信号幅度调整单元的第四输入口；
第二信号运算单元的输出口与第一信号运算单元的第三输入口相连接；当然它们之间需要增设一个信号转换单元(第五信号转换单元)。
第一信号运算单元的输出口构成所述信号幅度调整单元的输出口。
(4)反馈控制信号生成单元结构
如图5所示，反馈控制信号生成单元包括第一对数放大器、第二对数放大器、功率检测子单元；第一对数放大器的输入端构成反馈控制信号生成单元的第一输入端，第二对数放大器的输入端构成反馈控制信号生成单元的第二输入端；第一对数放大器的输出端与功率检测子单元的第一输入端相连接，第二对数放大器的输出端与功率检测子单元相连接，功率检测子单元的输出端构成反馈控制信号生成单元的输出端。功率检测子单元采用模拟信号减法器实现，对数放大器电路图如图7所示。
(三)电子标签坐标定位模块的工作原理
其基本工作原理与常见的RFID定位系统相似，信息处理中心通过天线控制单元驱动RFID天线，RFID天线通过发射射频功率将被动式的RFID电子标签激活，电子标签的返回信号被调制解调单元解调并放大，数据采集单元对被放大的信号进行采样，信息处理中心获取电子标签的返回信号中携带的标签坐标信息，并利用特定算法规划运输车行驶参数。
RFID系统基本都是由读写器(相当于本发明的电子标签坐标定位模块)、标签和系统高层(相当于本发明的信息处理中心)组成。将标签放置在物体表面，电子标签接通过接收读写器发射的电磁波获得能量激活芯片工作，通过电磁波与读写器进行信息传递，完成对被标识物体数据信息的管理。当空间中的标签接收到读写器天线发射的电磁波，同时接收到的能量可以激活标签芯片工作，标签就会反向散射相应的信号，信号中含有标签所标识物体或者位置的数据信息。标签存储着被标识物体的信息，通过电磁波与读写器进行数据传递。系统高层通常由计算机网络构成，对读写器系统和标签数据进行处理。
简言之，本发明中，当RFID标签处于读写器特定的读取区域内，标签收到读写器发送过来的指令并被激活，将内部存储的数据信息反馈给读写器，读写器收到信息后将其调制解调，并传送给上位机进行更加具体全面的分析。
RFID系统根据频率分类可以分为低频、高频和超高频三类。通常低频和高频RFID系统读取距离近(一般小于10cm)、传输速率慢，而超高频RFID具有读取距离远、传输效率高等优点。
工作在在低频和高频时，标签位于读写器天线的近场区，标签芯片工作需要的激活能量通过电感耦合从近场天线中获得；超高频RFID系统中，读写器天线发射到空间中的电磁波为标签提供芯片工作需要的激活能量。
例如,高频RFID系统主要应用在社区门禁系统管理和电子刷卡付费等读取距离较短的场合，而超高频RFID系统工作频率为860MHz—960MHz，它具有读取距离远、读取范围大的优点。
无论是低频、高频还是超高频RFID系统，标签接收到的能量可以激活标签芯片工作，标签就会反向散射相应的信号，信号中含有被识别标签的坐标信息从而实现标签的位置定位。如背景技术中所讨论的，超高频RFID技术通信距离较远，但是辐射范围比较难以控制，定位的稳定性和准确性较差，很难应用于近距离精确定位的场合，标签能够稳定被读取的最大读写距离是需要重点解决的技术问题。
综上可见，有必要分析本发明用于港口运输车的自动导引系统中的电子标签坐标定位模块主体与电子标签进行数据交换的最大距离(读写器特定的读取区域)，也即是标签能够被稳定读写的最大读写距离是需要重点解决的技术问题。
标签刚好能够通过接收读写器传输能量从而激活标签芯片进行工作的最大距离我们把它称为R1；标签工作后反向散射信号能够被读写器天线接收到的最大距离R2。那么标签最大读取距离就是R1和R2中的最小值。但是由于读写器芯片接收信号的灵敏度往往远远小于标签芯片灵敏度，因此在设计标签天线最大读取距离时，一般只需要考虑标签刚好能够通过接收读写器传输能量从而激活标签芯片进行工作的最大距离R1。
因此本发明中我们也只关注标签刚好能够通过接收本发明自动导引系统传输能量从而激活标签芯片进行工作的最大距离。
根据佛里斯天线传输理论，RFID标签天线接收到的信号功率可以表示为
其中PT为本发明中的发射天线的发射功率；
GT本发明中的发射天线的天线增益；
Gtag为RFID标签天线的的天线增益；
R为传输距离；
λ是自由空间波长。
因此我们可以得出
传输距离R:
由此可见：传输距离既取决于本发明发射天线的发射功率PT(发射功率取决于天线控制单元)和发射天线的天线增益GT；同时还取决于RFID标签的天线增益Gtag以及标签天线的接收功率Ptag，标签天线的接收功率Ptag还与标签芯片的读取灵敏度有关。
这里把标签刚好能够通过接收读写器传输能量从而激活标签芯片进行工作的最大距离我们把它称为Rt：
其中，Pth＝Ptag·τ表示标签芯片的读取灵敏度(τ为功率传输系数)，也即是标签芯片在保证能够被激活所接受的最小接受功率也称能量阈值。
如前文所述，由于通常读写器芯片接收信号的灵敏度往往远远小于标签芯片灵敏度，因此在设计标签最大读取距离时，一般只需要考虑标签刚好能够通过接收读写器传输能量从而激活标签芯片进行工作的最大距离Rt。
本发明不涉及标签芯片及标签天线的设计改进，标签芯片及标签天线采用常规超高频RFID标签实现即可。因此，本发明可以通过电路手段对Rt实现控制的途径包括本发明发射天线的发射功率PT(发射功率取决于天线控制单元)和发射天线的天线增益GT；本发明中主要是通过天线控制单元的电路结构来实现的Rt的调整的。显然本发明天线控制单元所控制的发射功率越大，作用距离越大，能够激活距离越大的标签。
取决于具体调整机理如下：
以上所详细阐述的电路结构下各端口信号之间具有确定的关系，具体的：
第一信号分配器的的输入口信号标记为
那么经过第一信号分配器处理后，第一信号分配器的第一输出口的输出信号
和第二输出口的输出信号
之间具有正交性，上述两个信号均送入信号幅度调整单元中，由于第一信号分配器的第一输出口与信号幅度调整单元的第一输入口相连接，因此
送入第一信号转换单元被转换为差分信号，因此具有比较好的抗共模干扰能力,实现信号运算单元较好的运算性能,第一信号运算单元中的第一运放、第二运放和第三运放实现对信号的调理，实质上也是将信号幅度调整单元的第一输入口信号
送入第一信号运算单元中的模拟信号乘法单元的一个输入口，这里将信号幅度调整单元的第三输入口信号记为S3，该信号是微控制器输出的模拟信号，该信号被送入第一信号运算单元中的模拟信号乘法单元的另一个输入口，因此信号S1和S3被信号相乘，乘积记为
类似的，实质上也是将信号幅度调整单元的第二输入口信号
送入第一信号运算单元中的模拟信号乘法单元的一个输入口，这里将信号幅度调整单元的第四输入口信号记为S4，该信号是微控制器输出的模拟信号，该信号被送入第一信号运算单元中的模拟信号乘法单元的另一个输入口，因此信号S2和S4被信号相乘，乘积记为
而如前所述，信号S3和信号S4是微控制输出的模拟信号，信号S3可以表示为
信号S4可以表示为
因此信号幅度调整单元的输出口信号(记为信号S5),则显然有：
从上述表达式中我们可以发现信号S5与信号S0相比，信号S5的信号幅度可以在信号S0的基础上被调整，调整的系数取决于信号
和信号
的数字值，当A2和
的值确定后，S3和S4的数字值也相应确定，通过内置于微控制的DA转换单元转换为模拟电压信号后送入信号幅度调整单元对发射天线信号进行幅度控制。
本质上也是将
与信号
进行相乘得到
该式的实部即是信号S5的表达式。
根据连续信号的功率定义：
其中，x(t)表示连续信号；
T为连续信号x(t)的周期；
并考虑天线的效率(天线将导形电磁波转换为辐射电磁波的有效程度)
其中,η为天线效率,pT为辐射功率,pa为输入功率,Rr为辐射电阻,RS为损耗电阻；
天线的辐射功率主要受信号S5的幅度控制，但是其他影响因素也存在。
如前文所述，把标签刚好能够通过接收读写器传输能量从而激活标签芯片进行工作的最大距离我们把它称为Rt：
其中，PT为本发明中的发射天线的发射功率；Pth＝Ptag·τ表示标签芯片的读取灵敏度(τ为功率传输系数)，也即是标签芯片在保证能够被激活所接受的最小接受功率也称能量阈值。
综上所所述，可以通过对本发明中信号S5信号幅度的调整来实现RFID标签读取距离。为了对读取距离进行精确稳定控制，以实现可以读取不同距离的RFID标签的目的。本发明的反馈控制信号生成单元中设置有第一对数放大器和第二对数放大器，反馈控制信号生成单元的第二输入端(即是第二对数放大器的输入端)接入信号S5,反馈控制信号生成单元的第一输入端(即是第一对数放大器的输入端)接入信号S0。对数放大器可以采用如图7所示的电路结构实现，第一对数放大器输出端信号为
第二对数放大器输出端信号为
将上述两个对数放大器的输出信号送入模拟信号加减运算电路单元即可得到
(其中UT为二极管D温度的电压当量，IS为二极管D反向饱和电流，因此运算关系与UT有关，因而运算精度将受到温度的影响)，该信号VO3送入置于微控制器内部的AD转换器，AD转换器输出结果中编包含有经过本发明信号幅度调整单元处理后的信号S5的幅度信息，利用该幅度信息作为进一步调整发射信号控制子单元输出信号功率的依据，调整过程可归纳为根据信号VO3经过AD转换得到的数字值选取适当的A2和
数值，从而得出
和
的数字值，将
和
的数字值送入DA转换单元，DA转换单元输出的模拟电压信号
送入前述的模拟信号乘法器实现对信号幅度调整单元输出信号的幅度调节，进而实现RFID标签读写距离的调整。
超高频段RFID系统一般能读到几米甚至十米开外。但本发明中由于导航车工作环境地形、以及标签成本等原因，RFID标签的设置间距并不相等，有些设置的较远，有的设置的较为近；另外，运输车运输任务后要达到新的运输路线的起点，新的运输路线起点通常也会离当前位置较远，这就既需要RFID系统能够实现较大的读取距离，也需要较精细的读取范围。
在上述读取距离要求不同的情况下，工程应用上需要通过调节天线辐射功率来达到读取距离较近或者较远的目的，读取较近距离的标签目标时调低天线辐射功率，反之，需要读取距离较远的标签目标时调高天线辐射功率。
值得注意的是，由于工作环境中可能存在装载于多台运输车上的自动导引系统，并且大量标签设置于工作环境中，因此很容易造成标签的漏读和误读，使得系统获得的数据不准确，运输车导航出现偏差。加之读写器天线本身通常存在辐射场场强不均匀，进一步影响了系统的精度和准确度。
此外，超高频RFID标签，金属物体会改变标签天线本身的界条件，导致标签天线的输入阻抗、增益、方向图等均发生改变，这些都会影响标签的读取距离，使标签的读取距离减小，导致标签性能变差甚至不工作，显然这也会影响系统工作的精度和准确度。
综上，能够稳定而准确的实现读写距离调整显得尤为重要。
三、本发明自动导引系统整体工作原理
本发明基本工作原理比较简单：电子标签坐标定位模块获取设置于自动导引运输车预规划行驶路径上的电子标签坐标信息；信息处理中心实时读取电子标签坐标信息，根据电子标签坐标信息计算自动导引运输车的航行参数，并对航行参数进行实时修正，从而达到自动导航路线控制。
AGV自动导引运输车运行过程中，工业控制计算机(信息处理中心)中会保存具体一次导航任务的航线(即先后需要经过电子标签线路)。AGV自动导引运输车经过某一电子标签,工业控制计算机会根据该电子标签在矩阵天线中的坐标信息计算出AGV自动导引运输车的航向，根据导航线路指示需要进行下一步操作，并根据需要控制AGV的转向系统和航速(当然，如图8所示，工业控制计算机需要通过AGV控制器实现对车辆的控制)，从而正取引导AGV按照预定的航线行驶。
如图10所示，具体引导控制方法如下：
(一)本发明导航车的信息处理中心可以预设车辆单次任务行径路线，设置自动导引运输车行驶路线节点P1、P2…PN，在自动导航车工作现场设置有与行驶路线节点相对应的RFID电子标签T1、T2…TN。也即是说各条路线是由各个RFID标签所标记的(驶路线节点P1与RFID电子标签T1相对应；驶路线节点P2与RFID电子标签T2相对应；直至驶路线节点PN与RFID电子标签TN相对应)。显然本发明还可以通过远程控制模块实现将单次任务行径路线下发给信息处理中心，实现远程控制和现场无人操作。
N为大于1的自然数；RFID电子标签的返回信号中含有标签的标签号ID数据、标签的位置数据；相邻两个RFID电子标签之间的设置距离为d。
(二)根据自动导引运输车运输任务设置运输车当前行驶路线L，运输车当前行驶路线所包含的路线由自动导引运输车行驶路线节点P1、P2…PN中选取；将当前行驶路线L所包含的节点记作D1、D2…DM；N为大于1的自然数，M<N；D1节点为运输车当前行驶路线起点，DM为运输车当前行驶路线终点。也即是本发明可以灵活的实现运输路径选择
(三)自动导引车到达D1节点所对应的RFID电子标签位置后，将装载在自动导引车上的RFID读写器(也即是电子标签坐标定位模块，为了表述更通俗以下称为RFID读写器)的发射功率P调整到至PV激活RFID读写器作用范围内的所有RFID电子标签；
其中，当RFID读写器的发射功率为PV时，RFID读写器的作用范围为d；
(四)从各个被激活的RFID电子标签的返回信号中解析出各个被激活的RFID电子标签的标签号ID数据和位置数据；
(五)根据步骤(四)得到的各个被激活的RFID电子标签的标签号ID查找D2节点所对应的RFID电子标签，并保存其位置数据：
如果在各个被激活的RFID电子标签的标签号ID数据中查找到D2节点所对应的RFID电子标签的标签号ID，则保存D2节点所对应的RFID电子标签的位置数据；
如果在各个被激活的RFID电子标签的标签号ID数据中没有D2节点所对应的RFID电子标签的标签号ID，则将RFID读写器功率调整到最大值Pmax，激活RFID读写器作用范围内的所有RFID电子标签，跳转到步骤(四)直至找到D2节点所对应的RFID电子标签的标签号ID，并保存D2节点所对应的RFID电子标签的位置数据；
(六)根据步骤(五)得到的D2节点所对应的RFID电子标签的位置数据得出自动导引运输车的航向参数DIR，并根据航向参数DIR控制自动导引运输车行驶至D2节点所对应的电子标签处；
(七)重复步骤(三)至步骤(六)直至自动导引运输处到达节点DM所对应的RFID电子标签处，自动导引任务结束。
进一步的举例阐释如下：
如图9所示，信息处理中心设置自动导引运输车行驶路线节点P1、P2…P8，在自动导航车工作现场设置有与行驶路线节点相对应的RFID电子标签T1、T2…T8。根据自动导引运输车运输任务设置运输车当前行驶路线L，自动导引运输车行驶路线节点P1、P2…P8中选取，L：P1(起点)—P2—P3—P7(终点)；那么现场的RFID标签所确定的行驶路线为：T1(起点)—T2—T3—T7(终点)。
自动导引车到达D1节点所对应的RFID电子标签T1位置后，将装载在自动导引车上的RFID读写器在信息处理中心的控制下将发射功率P调整到最大值PV(调整方法见前文)，RFID读写器作用范围内的所有RFID电子标签；
其中，当RFID读写器的发射功率为PV时，RFID读写器的作用范围为d，也即是场地内两个标签的设置距离要基本一致，与RFID读写器的发射功率为PV下的读写距离基本相当，这样可以简化算法，避免读写器不断调整发射功率。
但这也会带来缺陷：根据场地具体地形，标签设置距离往往会出现不等的情况，如图9所示，例如当自动导引运输车到达T3位置时，按照预设路线需要沿T7方向行驶,那么由于T3至T7之间的距离相对于相邻两个RFID电子标签之间的设置距离d大(T3至T7之间的距离为三角形的斜边),因此在发射功率为PV的情况下，RFID读写器的作用范围内将漏掉T7，从而导致无法向T7方向转向，导引失败。
本发明的具体解决办法是：
如果在各个被激活的RFID电子标签的标签号ID数据中查找到RFID电子标签T7的标签号ID，则保存RFID电子标签T7的位置数据(显然在上述情况中是查找不到的)
如果在各个被激活的RFID电子标签的标签号ID数据中没有RFID电子标签T7的标签号ID，则将RFID读写器功率调整到最大值Pmax，激活RFID读写器作用范围内的所有RFID电子标签，从各个被激活的RFID电子标签的返回信号中解析出各个被激活的RFID电子标签的标签号ID数据和位置数据；直至找到RFID电子标签T7的标签号ID，并保存RFID电子标签T7的位置数据；
接下来便可以根据RFID电子标签T7的位置数据得出自动导引运输车的航向参数DIR，并根据航向参数DIR控制自动导引运输车行驶至电子标签T7处；
当然，在经过电子标签T3时，根据导航线路指示需要进行转弯操作，根据T7位置数据与AGV航向之间的夹角计算出转向幅度，并根据需要控制AGV自动导引运输车的转向系统和航速，从而正取引导AGV自动导引运输车按照预定的航线行驶。
按照以上的方法便可以实现自动导引运输车到达规划路线的任意节点。此外，当任务结束后，自动导引系统采用与相同的方法便可以到达新的任务起点。
并且需要指出的是本发明不必密集的设置RFID标签，但是需要根据读写器的两个工作功率Pmax和PV设置电子标签之间的距离，系统需要经过调试确保能够激活工作路径上的下一个可能的电子标签(例如到达T3后下一个可能的电子标签包括T4、T6和T7)，以免出现遗漏路径节点导致导引失败。
由于当RFID读写器的发射功率为PV时，RFID读写器的作用范围与相邻两个RFID电子标签之间的设置距离d相等，也即是场地内两个标签的设置距离要基本一致，与RFID读写器的发射功率为PV下的读写距离基本相当，因此在多数情况下并不需要RFID读写器将功率调整到Pmax。
此外，需要提出的是当同一时间段多个标签被同时激活后，所有被激活标签均会工作产生返回信号，这会导致信号之间存在干扰使得读写器工作出现故障，但是现有技术中已经有很多成熟的算法可以解决这一问题，此不属于本发明所解决的技术问题，此处不赘述。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种用于港口运输车的自动导引系统，其特征在于，它包括：
人机接口模块(1)，用于自动导引系统与操作人员之间的交互；
远程控制模块(2)，用于实时将自动导引系统的各种状态参数传输至后台数据中心；
电子标签坐标定位模块(3)，用于获取设置于自动导引运输车预规划行驶路径上的电子标签坐标信息；
信息处理中心(4)，用于实时读取电子标签坐标信息，根据所述电子标签坐标信息计算自动导引运输车的航行参数，并对航行参数进行实时修正，从而达到自动导航路线控制
调制解调单元(5)，用于产生驱动天线激活电子标签的发射信号，并能放大电子标签返回信号；
数据采集单元(6)的信息输入端与调制解调单元连接，数据采集单元的信息输出端与信息处理中心连接，用于接收放大后的编码信息并将其发送给信息处理中心。
2.根据权利要求1所述的一种用于港口运输车的自动导引系统，其特征在于，所述电子标签坐标定位模块(3)包括电子标签、RFID天线单元和天线控制单元；
所述电子标签设置于自动导引运输车预规划行驶路径上；
所述RFID天线单元包括发射天线和接收天线，所述发射天线和接收天线均为环状圆形天线；
所述的调制解调单元通过天线控制单元向发射天线发送射频信号；
所述接收天线与调制解调单元电连接，调制解调单元与信息处理中心(4)相通信。
3.根据权利要求2所述的一种用于港口运输车的自动导引系统，其特征在于，所述天线控制单元包括射频信号放大器、第一信号分配器、第二信号分配器和信号幅度调整单元；所述射频信号放大器的输入口为天线控制单元的输入端，射频信号放大器的输出口与第一信号分配器的输入口相连接，第一信号分配器的第一输出口与信号幅度调整单元的第一输入口相连接，第一信号分配器的第二输出口与信号幅度调整单元的第二输入口相连接，所述信号幅度调整单元的输出口与第二信号分配器的输入端相连接，第二信号分配器的第一输出端为天线控制单元的信号输出端，第二信号分配器的第二输出端与反馈控制信号生成单元的第一输入端相连接，反馈控制信号生成单元的第二输入端与天线控制单元的输入端相连接；反馈控制信号生成单元的输出端与微控制器单元的输入口相连接；微控制器单元的输出口与信号幅度调整单元的第三输入口相连接；微控制器单元的输出口与信号幅度调整单元的第四输入口相连接。
4.根据权利要求3所述的一种用于港口运输车的自动导引系统，其特征在于，所述信号幅度调整单元包括第一信号转换单元、第二信号转换单元、第三信号转换单元、第四信号转换单元、第一信号运算单元和第二信号运算单元；
所述信号转换单元主要由第一信号线和第二信号线组成，所述第一信号线和第二信号线分别并行的绕制在磁芯上，第一信号线的首端与第一电容C1的一端相连接，第一电容C1的另一端为信号转换单元的输入端；第一信号线的尾端与第二电容C2的一端相连接，第二电容C2的另一端与第一电阻R1的一端相连接；第二信号线的的首端与第三电容C3的一端相连接，第三电容C3的另一端接地；第二信号线的尾端与第四电容C4的一端相连接，第四电容C4的另一端与第一电阻R1的另一端相连接；第一电阻的R1的两端分别为信号转换单元的两个输出端；
所述信号运算单元主要由第一运放、第二运放、第三运放、模拟信号乘法单元、模拟信号加法单元构成；第一运放的两个输入端构成信号运算单元的第一输入口；第二运放的两个输入端构成信号运算单元的第二输入口；第一运放的输出端接入模拟信号乘法单元的第一输入端；第二运放的输出端接入模拟信号乘法单元的第二输入端，所述模拟信号乘法单元的输出端与模拟信号加法单元的第一输入端相连接；所述模拟信号加法单元的另一个输入端与第三运放的输出端相连，第三运放的两个输入端构成信号运算单元的第三输入口；所述模拟信号加法单元的输出端构成信号运算单元的输出口；
所述第一信号转换单元的输出端与第一信号运算单元的第一输入口相连接；所述第二信号在转换单元的输出端与第一信号运算单元的第二输入口相连接；
所述第三信号转换单元的输出端与第二信号运算单元的第一输入口相连接；所述第四信号在转换单元的输出端与第二信号运算单元的第二输入口相连接；
所述第一信号转换单元的输入口构成所述信号幅度调整单元的第一输入口，所述第二信号转换单元的输入口构成所述信号幅度调整单元的第三输入口；
所述第三信号转换单元的输入口构成所述信号幅度调整单元的第二输入口，所述第四信号转换单元的输入口构成所述信号幅度调整单元的第四输入口；
所述第二信号运算单元的输出口与所述第一信号运算单元的第三输入口相连接；
所述第一信号运算单元的输出口构成所述信号幅度调整单元的输出口。
5.根据权利要求3所述的一种用于港口运输车的自动导引系统，其特征在于，所述反馈控制信号生成单元包括第一对数放大器、第二对数放大器、功率检测子单元；所述第一对数放大器的输入端构成反馈控制信号生成单元的第一输入端，所述第二对数放大器的输入端构成反馈控制信号生成单元的第二输入端；所述第一对数放大器的输出端与所述功率检测子单元的第一输入端相连接，所述第二对数放大器的输出端与所述功率检测子单元相连接，所述功率检测子单元的输出端构成反馈控制信号生成单元的输出端。
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- 2020-03-08 CN CN202010154672.3A patent/CN111367279A/zh not_active Withdrawn
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113917894A (zh) * | 2020-07-09 | 2022-01-11 | 讯芯电子科技（中山）有限公司 | 智能搬运车以及智能物料储存管理系统 |
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