基于RFID技術(shù)的機(jī)器人定位算法

定位算法計(jì)算

　　1 信標(biāo)

　　本文采用RFID 標(biāo)簽作為信標(biāo)。根據(jù)RFID 讀寫器識讀標(biāo)簽可穿透性，對標(biāo)簽的布置可以放在地下，也可以放在室內(nèi)的天花板上。讀寫器識讀到多個(gè)標(biāo)簽時(shí)，根據(jù)RSSI 得知的各個(gè)標(biāo)簽的距離，機(jī)器人選4 個(gè)最近的距離來進(jìn)行定位。
　　RFID 標(biāo)簽信標(biāo)的選擇原則：帶讀寫器的機(jī)器人在運(yùn)動過程中，可能讀到遠(yuǎn)處的多個(gè)標(biāo)簽信號，應(yīng)當(dāng)采用RSSI 值大的前幾個(gè)信標(biāo)標(biāo)簽進(jìn)行定位計(jì)算。在保證參與定位計(jì)算的信標(biāo)標(biāo)簽數(shù)為4 個(gè)的情況下，將距離大于100cm(視應(yīng)用環(huán)境而定)的信標(biāo)標(biāo)簽去除，以免造成定位誤差擴(kuò)大。后面進(jìn)行的仿真計(jì)算也證明了這點(diǎn)。
　　在布置標(biāo)簽的時(shí)候，兩個(gè)標(biāo)簽之間的距離設(shè)為讀寫器的準(zhǔn)確識讀距離，略小于其最大讀寫距離值，本文中標(biāo)簽布置間隔為1 米。RFID 在讀取的范圍內(nèi)，由于各種原因(如反射、金屬阻擋、干擾等)對標(biāo)簽的識別會有一點(diǎn)的偏差。本文中一般情況下能讀到4 個(gè)標(biāo)簽。當(dāng)可能只讀到3 個(gè)時(shí)，把該正方形區(qū)域內(nèi)的另外一個(gè)標(biāo)簽到機(jī)器人的距離設(shè)為最大值，在本論文中為1;當(dāng)有其他反射等原因?qū)е伦x取多于4 個(gè)時(shí)，則選4 個(gè)距離最近的標(biāo)簽，來確定移動機(jī)器人的位置。本文中用到的RFID 設(shè)備是工作在2.45GHz 下，讀寫器長寬尺寸為23.6cm×12cm，對其發(fā)射功率設(shè)定，可以設(shè)成4 個(gè)等級的讀寫距離，本文設(shè)置為可讀最大距離1.4 米左右。
　　2 機(jī)器人定位
　　標(biāo)簽布置好以后，可以將它的位置(坐標(biāo))信息寫入標(biāo)簽內(nèi)，移動機(jī)器人通過讀寫器讀到4 個(gè)標(biāo)簽后，就知道自己到達(dá)了哪個(gè)區(qū)域，再根據(jù)讀到的標(biāo)簽的坐標(biāo)信息以及標(biāo)簽到機(jī)器人的距離，采用極大似然估計(jì)法求取機(jī)器人的準(zhǔn)確坐標(biāo)位置。
　　

　　圖3 為室內(nèi)標(biāo)簽布置簡圖，把他們用坐標(biāo)軸劃分成格子形式，他們之間的間隔距離為1米，如圖每個(gè)標(biāo)簽的坐標(biāo)都已知，當(dāng)裝有讀寫器的移動機(jī)器人在該區(qū)域內(nèi)運(yùn)動，就可以讀取到格子內(nèi)鄰近的4 個(gè)標(biāo)簽，通過標(biāo)簽的信息進(jìn)而得知鄰近4 個(gè)坐標(biāo)值，根據(jù)RSSI 得到與標(biāo)簽的相對距離就可以計(jì)算出機(jī)器人的坐標(biāo)位置，如圖2。
　　已知4 個(gè)標(biāo)簽的坐標(biāo)分別為(x1,y1), (x2,y2), (x3,y3),(x4,y4),它們到移動機(jī)器人R 的距離分別為d1，d2，d3， d4，假設(shè)裝有讀寫器移動機(jī)器人R的坐標(biāo)為(x，y)。
　　那么，存在下列公式：
　　

　　

　　使用標(biāo)準(zhǔn)的最小均方差估計(jì)方法可以得到移動機(jī)器人R 的坐標(biāo)為：

　　本文在UNIX 平臺上用C 語言編程仿真計(jì)算RSSI。式(1)中的損耗因子n 取3.2，高斯分布隨機(jī)變數(shù)Xσ 的標(biāo)準(zhǔn)差取為4，d0 取0.1m。下表1 為各個(gè)數(shù)據(jù)對照，其中實(shí)際坐標(biāo)為隨機(jī)選擇機(jī)器人的分布坐標(biāo);通過RSSI 得到的讀寫器與4 個(gè)標(biāo)簽的距離是通過仿真得到的距離值，表中從上到下的距離值依次和4 個(gè)標(biāo)簽坐標(biāo)對應(yīng);計(jì)算得到的坐標(biāo)值是根據(jù)式(2)仿真計(jì)算得出。
　　圖4 為通過定位算法得出的坐標(biāo)位置與實(shí)際坐標(biāo)位置的比較圖，圖中的坐標(biāo)單位為米。
　　圖4 中藍(lán)色點(diǎn)為機(jī)器人實(shí)際的位置坐標(biāo)點(diǎn)，紅色點(diǎn)為用定位算法得出的機(jī)器人相應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)，各坐標(biāo)點(diǎn)相應(yīng)的偏差分別為：0.1416、0.0775、0.0124、0.0473、0.9536、0.0067、0.136、0.0619，單位為米，最大偏差不到15cm，最小偏差不到1cm，偏差值在讀寫器尺寸之內(nèi)，可以說該定位方法精確度還是比較高的，采用4 個(gè)點(diǎn)來用極大似然定位估計(jì)精確度大大提高。
　　從各個(gè)點(diǎn)的偏差值來看，通過把RSSI 仿真得到的讀寫器到各個(gè)標(biāo)簽距離值與其實(shí)際距離值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人到各個(gè)標(biāo)簽的距離值，對最后定位的精度直接有很大的影響。而極大似然估計(jì)是利用到各個(gè)標(biāo)簽的距離值，來計(jì)算機(jī)器人的坐標(biāo)位置，精確的坐標(biāo)值依賴于機(jī)器人到各個(gè)標(biāo)簽的距離值。通過多次仿真進(jìn)行定位計(jì)算比較，到4 個(gè)標(biāo)簽距離中若只有一個(gè)距離值偏差較大時(shí)，如第八個(gè)點(diǎn)，它的位置偏差為0.0619 不是很大;而第一和第七個(gè)點(diǎn)到3 個(gè)標(biāo)簽距離值都有相對較大的偏差時(shí)，它的定位精度就很差，偏差有0.1416 和0.136;第三和第六個(gè)點(diǎn)到4 個(gè)標(biāo)簽的距離值偏差都很小時(shí)，其定位精度就很高，偏差為0.0124 和0.0067。
　　RFID 定位其他方法
　　將RFID 技術(shù)引用到機(jī)器人的定位中，目前已有人在嘗試和研究，主要是結(jié)合視覺來配合RFID技術(shù)進(jìn)行定位[1] [3]。韓國學(xué)者用RFID和視覺結(jié)合[1]讀取布置在室內(nèi)墻壁周圍的標(biāo)簽，讓機(jī)器人在該環(huán)境中沿著標(biāo)簽布置多次行走，提取特征值進(jìn)行制圖，機(jī)器人獲取環(huán)境信息后，然后用RFID 來進(jìn)行特征匹配作導(dǎo)航定位。日本學(xué)者在機(jī)器人做避障移動到定點(diǎn)目標(biāo)位置時(shí)[3]，利用RFID 技術(shù)來識別動態(tài)障礙物進(jìn)行避障，同時(shí)檢測到標(biāo)簽時(shí)，就啟用視覺來判斷各個(gè)標(biāo)的方位角度，然后結(jié)合標(biāo)簽的相對距離來對移動機(jī)器人進(jìn)行定位，這樣就可以省去大量的視覺圖形采樣分析計(jì)算。
　　另外，通過RFID 標(biāo)簽導(dǎo)航機(jī)器人也可以采用如圖5 所示的方式：機(jī)器人A 沿著直線ADNM 向前行走，在運(yùn)動過程中根據(jù)讀到的標(biāo)簽來確定機(jī)器人到達(dá)的區(qū)域。區(qū)域范圍的確定：由于能讀到某個(gè)標(biāo)簽都有個(gè)識讀半徑為d 的圓，裝備有RFID 讀寫器的機(jī)器人在運(yùn)動中會讀到不同的標(biāo)簽，再根據(jù)讀到的各個(gè)標(biāo)簽的識讀圓區(qū)域的重疊范圍來確定機(jī)器人所到達(dá)的位置。如果機(jī)器人走偏了，沒有讀到某個(gè)該讀的標(biāo)簽，則控制機(jī)器人進(jìn)行相應(yīng)的位置調(diào)整。如圖5，若機(jī)器人走到B 的左上方，不在ABCD 范圍內(nèi)，沒有讀到P、F，則要往右調(diào)整。該方法為區(qū)域定位，精度不高，但是簡單實(shí)用。可以在機(jī)器人上加其他傳感器(如電子指南針)來進(jìn)行改進(jìn)，作更精確的定位。
　　結(jié)論
　　隨著RFID 技術(shù)的快速發(fā)展，與機(jī)器人的結(jié)合應(yīng)用也將會有很廣闊的前景。利用射頻識別的這種非接觸無線傳輸特點(diǎn)，機(jī)器人可以獲取包括定位在內(nèi)的更多的信息，本文提出的采用RFID 技術(shù)來給移動機(jī)器人定位，用到無線接收信號強(qiáng)度指示來進(jìn)行距離的計(jì)算，在短距離內(nèi)其精度較高，對機(jī)器人的定位也較準(zhǔn)確。在室內(nèi)環(huán)境下，用均勻分布RFID 的標(biāo)簽對機(jī)器人的定位也提高了效率和精度。而標(biāo)簽可以布置在地板下面或者天花板上，不占地方也方便應(yīng)用。值得一提的是，本文中基于RFID 的機(jī)器人定位算法，需要標(biāo)簽讀寫器具備RF 信號強(qiáng)度檢測功能;另外，金屬障礙物的阻擋可能會影響到讀取識別的效果和精度，這也是射頻識別技術(shù)的關(guān)鍵需要解決的問題。