CN111487585B - 一种移动机器人rfid定位系统的天线位置标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线定位相关技术领域，其公开了一种移动机器人RFID定位系统的天线位置标定方法，其包括以下步骤：(1)获取参考标签的位置坐标；同时，在移动机器人运动相应距离的过程中，利用RFID读写器读取相应的周期模糊相位信息，并采集移动机器人的里程计坐标信息，将得到的周期模糊相位通过相位展开方程转化为连续相位，且通过旋转平移方程将里程计坐标信息转化得到带有待定标定参数的RFID天线的位置坐标；(2)将连续相位、参考标签的位置坐标及带有待定标定参数的RFID天线的位置坐标代入天线位置标定数学模型，继而计算得到RFID天线在移动机器人坐标系下的位置标定参数。本发明提高了精度，降低了成本，适用性较强。

Description

一种移动机器人RFID定位系统的天线位置标定方法

技术领域

本发明属于无线定位相关技术领域，更具体地，涉及一种移动机器人RFID定位系统的天线位置标定方法。

背景技术

RFID是一种无线射频识别技术，在无线通信领域，可无需与目标之间建立直接接触，仅通过无线电信号便能识别目标，并可以与目标之间进行数据交换。RFID技术凭借其唯一ID识别、非视距、成本低等突出优势，广泛应用于仓储物流、物品管理与追踪等领域。在移动机器人的室内定位领域，与RFID相关的定位方案与算法也逐渐受到研究人员的重视，具有较大的研究潜力和应用价值。

将RFID技术应用于移动机器人定位的方案中，由于相位信息对距离的敏感度较高，具有更高的准确度和更好的抗干扰能力，这使基于相位的定位方法成为RFID定位技术的研究热点。

在现有的基于RFID相位的移动机器人的定位方案中，当RFID天线安装在移动机器人上时，需要手动校准RFID天线相对于移动机器人的位置。大多数情况下，采用的是卷尺测量的方法，这样不仅麻烦，而且存在一定的测量误差。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种移动机器人RFID定位系统的天线位置标定方法，其利用RFID相位信息，在移动机器人坐标系下解算天线的位置，解决了基于RFID的移动机器人定位系统中需要手动校准RFID天线与移动机器人之间的相对位置参数问题，系统简单，提高了精度。

为实现上述目的，本发明提供了一种移动机器人RFID定位系统的天线位置标定方法，所述天线位置标定方法主要包括以下步骤：

(1)在移动机器人静止的状态下获取移动机器人环境中的参考标签的位置坐标；同时，在移动机器人运动相应距离的过程中，利用移动机器人携带的RFID读写器读取相应的周期模糊相位信息，并采集移动机器人的里程计坐标信息，将得到的周期模糊相位通过相位展开方程转化为连续相位，且通过旋转平移方程将里程计坐标信息转化得到带有待定标定参数的RFID天线的位置坐标；

(2)将所述连续相位、参考标签的位置坐标及带有待定标定参数的RFID天线的位置坐标代入天线位置标定数学模型，继而计算得到所述RFID天线在移动机器人坐标系下的位置标定参数。

进一步地，所述参考标签的数量为至少三个，且所述参考标签不共线。

进一步地，利用移动机器人内部惯性传感器来得到移动机器人的里程计坐标信息。

进一步地，所述相位展开方程为：

式中，θ_i表示第i个时刻实际测得的相位值；θ_i′表示第i时刻测得相位处理后的展开连续相位；n表示模糊周期数；i表示相位序列数。

进一步地，所述旋转平移方程为：

式中，(x_r，i,y_r,i)表示第i时刻移动机器人的里程计坐标信息；(x_t,i,y_t,i)表示第i时刻转化后的所述RFID天线的位置坐标；H和δ表示待求的所述RFID天线在移动机器人坐标系下的二维位置参数，即H为所述RFID天线与移动机器人之间的距离，δ为所述RFID天线与移动机器人之间连线与y轴的夹角。

进一步地，所述天线位置标定数学模型的表达式为：

式中，λ为射频信号的波长；β为模糊相位因子；H和δ表示待求的所述RFID天线在移动机器人坐标系下的二维位置参数，即H为所述RFID天线与移动机器人之间的距离，δ为所述RFID天线与移动机器人之间连线与y轴的夹角，输入的数据是展开后的连续相位、对应的RFID天线位置坐标和参考标签的位置坐标(θ′,x_r,y_r,x_a,y_a)。

进一步地，采用以下方程组求解标定参数(H,δ)：

式中，θ_N′表示第N个参考标签的连续相位序列；(x_a,N,y_a,N)表示第N个参考标签的位置坐标；对于方程组中的不同方程，使用最优化方法求残差平方和，建立最小二乘准则，从而得到标定参数(H,δ)的求解；N为大于等于3的正整数。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的移动机器人RFID定位系统的天线位置标定方法主要具有以下有益效果：

1.所述方法利用RFID相位信息，在移动机器人坐标系下解算天线的位置，解决了在基于RFID的移动机器人定位系统中需要手动校准RFID天线与移动机器人之间相对位置参数问题，方法简单，精度高。

2.本发明利用RFID设备对RFID天线位置进行标定，不增加额外设备，成本较低，适用性较强。

3.本发明的方法比手动校准RFID天线在移动机器人坐标系下的位置更准确，且流程简单，易于实施。

附图说明

图1是本发明提供的移动机器人RFID定位系统的天线位置标定方法的流程示意图；

图2是图1中的移动机器人RFID定位系统的天线位置标定方法采用的RFID定位系统的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供的移动机器人RFID定位系统的天线位置标定方法的流程示意图，其利用移动机器人携带的RFID天线读取的参数标签相位信息对RFID天线自身在移动机器人坐标系下的位置标定。

如图2所示，本发明在RFID天线安装在移动机器人上时，以移动机器人静止时的初始位姿建立移动机器人坐标系，布置多个参考标签，在移动机器人移动时阅读器采集参考标签的相位信息，用于结算RFID天线在移动机器人坐标系下的位置。

所述的移动机器人RFID定位系统的天线位置标定方法主要包括以下步骤：

步骤S1，在移动机器人的环境中设置多个参考标签。

具体地，由于需要解决的天线位置标定数学模型中含有三个未知数，即至少需要在三个不同的位置采集相位信息，为保证一定的精度，对于RFID天线的位置标定需要至少3个参考标签；且参考标签的位置不共线。

步骤S2，获取参考标签在移动机器人初始位姿坐标系下的位置坐标。

步骤S3，在移动机器人运动相应距离的过程中，利用移动机器人携带的RFID读写器读取相应的相位信息以及采集移动机器人的里程计坐标信息。

具体地，对于移动机器人的里程计坐标信息，其是移动机器人利用内部惯性传感器(如里程计，加速度计等)，根据前一时刻的移动机器人的位置信息，通过递推得到的后一时刻的位置信息。该位置信息具有相对性，是相对于移动机器人初始位姿坐标系下的移动信息。本实施方式中，得到的相位信息为周期模糊相位。

步骤S4，将得到的相位通过相位展开方程转化为连续相位。

具体地，采用以下公式对周期模糊相位进行展开，以得到连续相位：

式中，θ_i表示第i个时刻实际测得的相位值；θ_i′表示第i时刻测得相位处理后的展开连续相位；n表示模糊周期数；i表示相位序列数。

步骤S5，基于得到的里程计坐标信息及旋转平移方程转化出带有待定标定参数的RFID天线的位置坐标。

具体地，采用以下公式将移动机器人的里程计信息转化为带有待定标定参数的所述RFID天线的位置坐标：

式中，(x_r，i,y_r,i)表示第i时刻移动机器人的里程计坐标信息；(x_t,i,y_t,i)表示第i时刻转化后的所述RFID天线的位置坐标；H和δ表示待求的所述RFID天线在移动机器人坐标系下的二维位置参数，即H为所述RFID天线与移动机器人之间的距离，δ为所述RFID天线与移动机器人之间连线与y轴的夹角。

步骤S6，将连续相位信息、参考标签的位置坐标及带有待定标定参数的RFID天线的位置坐标代入天线位置标定数学模型，继而计算得到所述RFID天线在移动机器人坐标系下的位置标定参数。

具体地，将步骤S2获得的参考标签的位置信息、步骤S4中得到的连续相位信息以及步骤S5中转化得到的带有待定参数的RFID天线位置坐标信息代入如下的天线位置标定数学模型，采用非线性回归的方法进行参数求解。

所述天线位置标定数学模型的表达式为：

式中，λ为射频信号的波长；β为模糊相位因子；输入的数据是展开后的连续相位、对应的RFID天线位置坐标和参考标签的位置坐标(θ′,x_r,y_r,x_a,y_a)。对于每个参考标签获取的相位序列，构成以下方程组进行解算：

其中，θ_N′表示第N个参考标签的连续相位序列；(x_a,N,y_a,N)表示第N个参考标签的位置坐标。对于方程组中的不同方程，使用最优化方法求残差平方和，建立最小二乘准则，从而得到标定参数(H,δ)的求解。另外，N为大于等于3的正整数。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种移动机器人RFID定位系统的天线位置标定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)在移动机器人静止的状态下获取移动机器人环境中的参考标签的位置坐标；同时，在移动机器人运动相应距离的过程中，利用移动机器人携带的RFID读写器读取相应的周期模糊相位信息，并采集移动机器人的里程计坐标信息，将得到的周期模糊相位通过相位展开方程转化为连续相位，且通过旋转平移方程将里程计坐标信息转化得到带有待定标定参数的RFID天线的位置坐标；

(2)将所述连续相位、参考标签的位置坐标及带有待定标定参数的RFID天线的位置坐标代入天线位置标定数学模型，继而计算得到所述RFID天线在移动机器人坐标系下的位置标定参数；

所述天线位置标定数学模型的表达式为：

式中，λ为射频信号的波长；β为模糊相位因子；H和δ表示待求的所述RFID天线在移动机器人坐标系下的二维位置参数，即H为所述RFID天线与移动机器人之间的距离，δ为所述RFID天线与移动机器人之间连线与y轴的夹角，输入的数据是展开后的连续相位、对应的RFID天线位置坐标和参考标签的位置坐标(θ′,x_r,y_r,x_a,y_a)；

采用以下方程组求解标定参数(H,δ)：

式中，θ_N′表示第N个参考标签的连续相位序列；(x_a,N,y_a,N)表示第N个参考标签的位置坐标；对于方程组中的不同方程，使用最优化方法求残差平方和，建立最小二乘准则，从而得到标定参数(H,δ)的求解；N为大于等于3的正整数。

2.如权利要求1所述的移动机器人RFID定位系统的天线位置标定方法，其特征在于：所述参考标签的数量为至少三个，且所述参考标签不共线。

3.如权利要求1所述的移动机器人RFID定位系统的天线位置标定方法，其特征在于：利用移动机器人内部惯性传感器来得到移动机器人的里程计坐标信息。

4.如权利要求1所述的移动机器人RFID定位系统的天线位置标定方法，其特征在于：所述相位展开方程为：

式中，θ_i表示第i个时刻实际测得的相位值；θ_i′表示第i时刻测得相位处理后的展开连续相位；n表示模糊周期数。

5.如权利要求1所述的移动机器人RFID定位系统的天线位置标定方法，其特征在于：所述旋转平移方程为：

式中，(x_r，i,y_r,i)表示第i时刻移动机器人的里程计坐标信息；(x_t,i,y_t,i)表示第i时刻转化后的所述RFID天线的位置坐标；H和δ表示待求的所述RFID天线在移动机器人坐标系下的二维位置参数，即H为所述RFID天线与移动机器人之间的距离，δ为所述RFID天线与移动机器人之间连线与y轴的夹角。

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