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    基于RFID的物流自动化仓库定位方法的研究

      信息来源:   发布时间:2022-01-15  点击数:

    1 引言

    随着无线技术、计算机技术的不断深入发展,以及很多应用系统对于目标实时位置信息确定的需求加大,定位系统越来越受到关注。定位系统按照定位环境的不同可分为室外定位系统和室内定位系统。近年来,应用最广泛的定位系统是全球定位系统(Global Position System,GPS)。但是,由于室内环境的复杂布局和非视距噪声的干扰,使得传统的定位方法并不适合于室内定位[1]

    目前,常用的室内定位技术主要有蓝牙定位、红外线定位、超声波定位和RFID定位[2]。其中蓝牙定位技术是一种短距离低功耗的无线传输技术,是通过测量信号强度来进行定位,但对于复杂的空间环境,蓝牙定位系统受噪声信号干扰较大,使得其稳定性稍差;红外线定位技术是利用光学传感器接收光信号进行定位,识别精度较高,但容易被荧光灯或者其他光源干扰,在定位上有局限性[2,3];超声波定位技术是利用反射式的测距法,根据发射波和回波的时间差计算距离来实现定位,但会受到多径效应和非视距传播的影响,同时需要大量的底层硬件设施,使得定位的成本太高;射频识别(radiofrequencyidentification,RFID)技术利用射频方式进行非接触、非视距双向通信,以实现目标自动识别并获取相关数据,具有精度高、抗干扰强、识别速度快,且可同时识别多个目标等优点,因此备受关注[4]

    采用RFID技术的定位系统主要有Spot ON和LAND-MARC两种[5]。Spot ON系统通过聚合算法和信号传播模型来计算读写器和目标标签之间距离,然后利用三角定位算法对目标进行定位,但是,该系统定位距离短,区域较小,部分数据与RFID设备耦合度较高,不利于实际的部署和应用[6]。LAND-MARC系统利用多个读写器分别测量多个参考标签的RSSI以及目标标签的RSSI,通过计算二者之间的欧几里得距离,进而确定目标标签的坐标[7],但是现有的LANDMARC系统存在不必要的耗时、硬件浪费及定位精度受系统标签的密度分布影响较大等缺点[8]

    本文通过在已知坐标信息的位置布置参考标签,然后根据放置在AGV(自动搬运小车)上的读写器读取到的标签的不同,来确定读写器所在的区域,实现自身的定位。这种定位场景易于布置,且只使用被动式标签,定位成本极低,对于在路径相对简单,定位要求不是太高的场合比较适合。

    2 问题描述

    现代仓库的物资种类和数量繁多,货物的出入库频率也与日俱增,这就加大了物资管理和准确存取的难度,传统的条码技术已经不能满足仓储自动化的要求,最根本的问题就是对仓库内的位置没有有效的定位手段。

    图1 问题描述示意图

    图1 问题描述示意图  下载原图


    如图1所示,当AGV小车获得存取黑色货位点物资的指令,并计算出所要行走的路径时,由于没有辅助定位手段,使得AGV小车无法判断是否到达了黑色货物点,这就给物流自动化仓库的正常运作带来了困扰。

    本文提出一种RFID技术和AGV小车相结合的定位方法,即对于已规划好的路径上的关键点进行绝对位置的标识,如图1所示的A、B、C三个点,在AGV小车行进的过程中,当检测到A点时,对小车下达右转命令,依此类推,最后到达C点实现精确定位,从而实现了对指定物资的存取,这种方法的关键在于对路径中关键点的位置进行准确定位,来达到对AGV小车的导航以及确认到达目的地点的功能。

    3 基于无源标签定位方法的研究

    RFID定位可以分为无源标签定位和有源标签定位两种,其中无源标签定位主要是以标签是否被检测到为标准,而有源标签是以信号强度作为定位的主要依据。本文研究的对象是物流自动化仓库中AGV小车的定位,针对仓库的布局和定位精度要求不高的现状,选取无源标签是可以满足定位要求的。

    3.1 定位原理

    首先,将RFID电子标签布置成网格状,构成一个笛卡尔直角坐标系,并且在每个标签中记录该标签的标签信息(如标签ID)和所处位置的绝对坐标信息。

    其次,把读写器固定在AGV小车前方,在小车前进的过程中,读写器读取到不同的标签,并根据这些标签存储的位置信息的不同,通过分析、计算,得出读写器所处的区域位置,从而实现小车的定位,定位原理如图2所示。

    图2 定位原理图

    图2 定位原理图  下载原图


    3.2 定位方法

    3.2.1 假设和定义。

    定义1:读写器波瓣角α,本文特指水平波瓣角,即在水平面上,读写器天线所能辐射的扇形区域的角度。

    定义2:读写器最大识别距离r,读写器和其能识别到的最远距离标签之间的距离称为读写器的最大识别距离。

    定义3:标签间距d(本文假定为单位1),相邻两个标签之间的物理距离。

    定义4:读写器对标签的检测状态S,当读写器可以检测到标签时,读写器对该标签的检测状态记为S=True,否则记为S=False。

    3.2.2 定位方法研究。

    对于一个位置的确定,势必需要有参考点对其进行辅助判断,即可以根据定位规则对位置进行正确判断的参考点,由于RFID和室内定位的环境特性,以及小车行走路径的相对简单,可以让这种参考点的位置选取尽可能符合线性表示以简化计算。下面从波瓣角和识别半径两个方面来对定位方法进行讨论。

    (1)给定波瓣角下,识别半径的选取。现给定一波瓣角α,如图3-(a)所示,待定位区域为PMNQ,为了能让AGV准确定位于PMNQ区域,就有必要对识别半径和定位的参考点进行合理的选择。从几何学上来讲,在角度一定的情况下,半径越大,其对应的弧线越平,则产生的误差也越小,即识别半径越大越好。但是,从现实情况考虑,半径过大时,当读写器处于某个位置时,其可识别范围太大,对于定位参考点的选取,可能会超出了网格区域,此时参考点则会无从选择,所以应该取识别半径适当大。

    图3 半径渐变图

    图3 半径渐变图  下载原图


    如图3-(a)中,现选取3种三个不同大小的半径,经过分析推导可以得出以下判定规则:

    (1)当读写器检测到B点,再检测到C点,但未检测到D、E两点时,即(Sb,Sc,Sd,Se)的变化过程为(false,false,false,false)→(true,false,false,false)→(true,true,false,false),则可判定读写器位于区域PMNQ,并且即使在这个过程中,读写器又读取到与B、C两点位于同一水平位置的点,也判定读写器位于区域PMNQ。

    (2)当读写器检测到C点,再检测到B点,但未检测到D、E两点时,即(Sb,Sc,Sd,Se)的变化过程为(false,false,false,false)→(false,true,false,false)→(true,true,false,false),则可判定读写器位于区域PMNQ,并且即使在这个过程中,读写器又读取到与B、C两点位于同一水平位置的点,也判定读写器位于区域PMNQ。

    由上述推导可以看出当选取合适的识别半径时,对AGV位置的判定可以转换为对B、C、D、E四个参考点的检测状态的判定。

    当读写器位于P点时,为了使其可以读到点C,则识别半径最小为rmin=2;逐渐增大识别半径的过程中,当半径r>姨5后,读写器虽恰好能同时识别到B、C两参考点时,但离判定区域比较远,使得误差偏大,故此情况下取r∈[2,姨5]比较理想,又因为半径的选取以偏大为原则,故可选取r=姨5。

    同理对于图3-(b)和图3-(c),判定规则相同,识别半径分别选取r=姨10和r=姨2。

    (2)给定识别半径,波瓣角范围的选取。

    图4 角度渐变图

    图4 角度渐变图  下载原图


    如图4-(a)所示,取识别半径r=姨5,选取三个不同的波瓣角,如果用上述定位规则可以进行AGV的正确定位,则该波瓣角的最佳识别半径也可取r=姨5,由此来确定识别半径r=姨5时,满足定位规则的波瓣角的范围区间。

    根据上节中的规则(1),对于临界点P点而言,要使读写器读取到B、C两参考点,此时的波瓣角最小为;αmax则取图4-(c)中的最小值即可,也就是。由上述分析可得,此时的波瓣角。

    同理对于图4-(b)和图4-(c),波瓣角分别取,经过分析可以得出波瓣角的取值范围如下:

    把区间[0,π]分成n个部分,对于任意的波瓣角一定有,其中n∈N。

    3.2.3 定位方法总结及验证。通过上述的分析,可以得出如下的定位方法。

    通过上述的分析,可以得出如下的定位方法。

    图5 定位方法示意图

    图5 定位方法示意图  下载原图


    如图5所示,对于AGV小车在区域PMNQ的定位问题,设定位区域四个端点的坐标为P(x,y),M(x+1,y),N(x+1,y+1),Q(x,y+1),α为读写器波瓣角,r为读写器最大识别半径,d为坐标系的单位长度,则有:

    (1)当时,可取识别半径为r=姨n2+1 d,其中n∈N,几何意义是把区间[0,π]分为n个部分。

    (2)当读写器检测到点B(x+1,y+n),再检测到点C(x,y+n),但未检测到点D(x+1,y+n+1)和点E(x,y+n+1)时,即读写器对B、C、D、E四点的检测状态(Sb,Sc,Sd,Se)的变化过程为(false,false,false,false)→(true,false,false,false)→(true,true,false,false),则可判定读写器位于区域PMNQ,并且即使在这个过程中,读写器又读取到与B、C两点位于同一水平位置的其它点,也判定读写器位于区域PMNQ,其误差范围为,其中在M点时,误差为0,即实现精确定位。

    (3)当读写器检测到点C(x,y+n),再检测到点B(x+1,y+n),但未检测到点D(x+1,y+n+1)和点E(x,y+n+1)时,即读写器对B、C、D、E四点的检测状态((Sb,Sc,Sd,Se)的变化过程为(false,false,false,false)→(false,true,false,false)→(true,true,false,false),则可判定读写器位于区域PMNQ,并且即使在这个过程中,读写器又读取到与B、C两点位于同一水平位置的其它点,也判定读写器位于区域PMNQ,其误差范围为其中在P时,误差为0,即实现精确定位。

    下面通过取任意一个,来验证定位方法的可行性。

    (1)经过分析,为图3-(a)所示的情况,此时根据判定规则,要使读写器在临界点P处可以读到点C,则最小识别半径为rmin=2;当半径后,读写器虽恰好能同时识别到B、C两参考点,但离判定区域比较远,使得误差偏大,故此情况下取比较理想,又因为半径的选取以偏大为原则,故可选取

     


     


    (3)在方法验证中所给出的在区间中,所以本文给出的定位方法是可行的。(

    4 结束语

    本文提出了一个有效且简单的方法-利用被动式RFID进行AGV的定位,是利用RFID读写器对读取到的无源标签的位置进行分析,从而得到AGV的位置,该定位方法是在理想状态下通过计算分析推导出的,是对RFID无源标签定位的一种探索,但是在实际情况中,室内环境的相对复杂和行走路径上的避障问题都是需要考虑的,这也是将来工作中研究的主要问题。

    标签: 仓库 仓库管理



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