一种基于RFID伺服技术的移动机器人导航方法与流程

本发明属于室内移动机器人导航领域，更具体地，涉及一种基于rfid伺服技术的移动机器人导航方法。

背景技术：

移动机器人的导航定位技术的研究是移动机器人实现智能化的基础，rfid(radiofrequencyidentification)系统由于其具有唯一id识别，价格便宜，对计算机硬件设备要求较低等特有优势，在移动机器人的定位导航等功能应用中具有十分突出的优势。

目前基于rfid信息的导航方法绝大部分都是基于参考标签的导航，也就是首先通过位姿解算，不断定位机器人当前的位置和方向，然后根据机器人与目标物体的相对位置关系对机器人进行导航，很多学者对此进行了大量的研究。这种方法需要在笛卡尔网格上放置一组无源rfid参考标签，提前标定每个标签的绝对位置信息，用于位置识别。在导航期间，附着在移动机器人上的rfid读写器接收其附近的rfid标签的id以估计机器人的当前位置，并使用它来解算出当前位置到目标点的最小成本路径。除了在参考标签中存储位置信息之外，还有的方法是在参考标签中存储每个标签到目标标签的距离信息，这样便可以将机器人的“导航图”做成“距离图”，机器人可以计算到任何点的距离，从而根据a*算法解算出机器人到目标标签的最佳路径；还有的研究方法是在参考标签中存储相应的指令和动作，机器人每读到一个标签就会执行相关的控制指令，从而到达目标标签。虽然该方法导航效果较好，所行路径短，但是需要铺设大量的参考标签，标签布置工作十分繁琐，只能适用于特定的工作环境。

另外一种典型的利用rfid信息进行导航的方法是在天花板上铺设一系列rfid标签，使机器人沿着天花板上rfid标签的正交投影形成的路径进行运动。这种方法需要在机器人顶部360度范围装备8个天线围成一圈，根据获得rssi(信号强度)最大值的天线来估计机器人应该运动的方向，然后通过不断更新机器人的运动方向来控制机器人的运动。这种方法和大多数基于rfid的定位导航系统不同，可以不用通过解算位置信息进行导航，避免了随时间不断积累产生的距离和方向误差。这种方法可以按照定义的路径进行导航，但是需要布置8个rfid天线，成本较高。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于rfid伺服技术的移动机器人导航方法，其通过在移动机器人上设置rfid天线以及在目标物上设置rfid标签，通过rfid天线对rfid标签的通信，按照预设的方向目标函数和目标强度函数运动，保证移动机器人的移动方向实时判断是否到达目标物，实现在无需定位机器人与目标标签相对位置的情况下的导航，具有实时性好、计算量小、无需标定天线与机器人相对位置、系统简单等优点。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于rfid伺服技术的移动机器人导航方法，该方法包括下列步骤：

(a)在移动机器人上设置两个rfid天线，在目标物上设置rfid标签，建立方向目标函数和强度目标函数，其中，所述方向目标函数用于保证所述移动机器人前进方向朝向所述目标物，目标强度阈值用于判断所述移动机器人是否到达所述目标物；

(b)移动机器人移动，两个所述rfid天线分别与所述rfid标签进行通信，获得两个射频信号，对这两个射频信号进行解析分别获得两个射频信号的相位信息和信号强度；

(c)将所述两个通信信号强度与预设强度目标函数比较，当所述满足预设强度条件时，所述移动机器人停止运动，否则，利用所述两个通信信号的相位信息计算所述方向目标函数，当目标函数的值满足预设方向条件时，所述移动机器人保持当前运动方向继续移动，返回步骤(b)，否则调节所述移动机器人移动的方向继续移动，返回步骤(b)，直至满足预设强度条件，从而实现所述移动机器人向所述目标物的导航。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述方向目标函数优选按照下列表达式：

δg＝g1-g2

其中，g1和g2分别是两个通信信号的相位梯度，δg是相位梯度差值。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述相位梯度的计算时，首先对所述通信信号的相位信息进行解缠处理，然后按照下列表达式计算相位梯度：

其中，dφ1和dφ2分别是两个所述通信信号在采样时间内解缠后的相位变化量，s1和s2分别是获取所述通信信号的两个rfid天线在相应采样时间内对应的移动距离。

进一步优选地，在步骤(c)中，所述预设方向条件优选为：δg＝0。

进一步优选地，在步骤(c)中，所述调节所述移动机器人移动的方向继续移动优选采用pid控制算法调节所述移动机器人的移动速度。

进一步优选地，所述采用pid控制算法调节所述移动机器人的移动速度，优选按照下列表达式计算所述移动速度：

其中，kp，ki和kd分别是比例、积分和微分项系数，j是第j个采样时刻，k是第k个采样时刻，w是机器人的移动速度。

进一步优选地，所述预设强度条件优选为：

|rssileft-rssi0|＜thresholds1

|rssiright-rssi0|＜thresholds1

|rssileft-rssiright|≤thresholds2

其中，rssileft、rssiright分别是两个所述通信信号的信号强度值，rssi0是设定的到达距离对应的信号强度，thresholds1、thresholds2分别是设定的可接受信号强度阈值。

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，能够取得下列有益效果：

1、本发明的方法将移动机器人与rfid系统相结合，在不解算机器人与标签相对位姿关系的情况下直接对机器人进行导航控制，对系统要求比较低，无需标定机器人与天线之间的相对位姿关系；

2、本发明通过所设计的rfid伺服控制算法，无需定位过程，可以避免定位过程中存在误差导致导航失败的情况，并且计算负荷小；

3、本发明所提出的导航方法，无需参考标签，导航效果好，系统简单，所需天线数量少，成本低，具有抗干扰能力强、计算量小等优点。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的用于实现rfid导航方法的移动机器人导航系统示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的基于rfid伺服技术的移动机器人导航方法的流程图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的伺服控制系统示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的伺服控制过程主要流程图。

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。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的用于实现rfid导航方法的移动机器人导航系统示意图，如图1所示，本发明将rfid系统与移动机器人相结合，利用携带rfid读写器的移动机器人通过安装在机器人上的左、右两个天线读取安装在目标物上的rfid标签，读写器通过rfid天线在与标签进行通信的过程中，可以实时获取rfid标签的id信息、相位与信号强度等信息，并利用这些信息可以实现伺服控制，完成导航功能。

图2是按照本发明的优选实施例所构建的基于rfid伺服技术的移动机器人导航方法的流程图，如图2所示，本发明实施

例提供的一种基于rfid伺服技术的移动机器人导航方法，其利用携带rfid读写器和rfid天线的移动机器人感知到安装rfid标签的目标物，根据两个天线的相位梯度信息设计相应伺服控制算法，使得机器人可以在无需参考标签和定位标签位置的条件下，直接导航到安装有rfid标签的目标位置，该方法具体包括如下步骤：

s1安装在移动机器人上的rfid读写器在随着移动机器人运动时，可通过安装在移动机器人上的两个独立的rfid天线与目标物上安装的rfid标签进行通信，rfid读写器通过两个rfid天线持续获取两组rfid标签的相位和信号强度等信息；

s2将获取到的两组相位信息经过相位解缠处理，然后分别计算一定时间内左、右两个天线接收到相位信息的相位梯度；

具体来说，根据rfid读写器与标签通信过程中左、右两个天线获得的相位信息，分别计算左、右两个天线的相位梯度；令为左天线在一段采样时间内的相位变化量，为右天线在同一段采样时间内的相位变化量，s1为左天线在相应采样时间内对应的移动距离，s2为右天线在相应采样时间内对应的移动距离，则可计算得到两个天线的相位梯度g1，g2分别为：

s3根据左、右两个天线的相位梯度，构建一个以左、右两个天线接收到的相位梯度相等为目标的目标函数，保证机器人运动方向为朝向目标标签的方向；

根据所计算的左、右两个天线的相位梯度的差值，δg＝g1-g2，构建系统的目标函数。具体地，控制系统的目标函数为δg＝0，即在机器人运动过程中左、右两个天线的相位梯度相等，机器人的运动方向为朝向目标标签的方向。

s4利用pid控制方法控制机器人，实时调整机器人的运动方向，保持机器人在运动过程中左、右两个天线接收到的相位梯度相等，从而保证机器人朝向目标标签的方向运动；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的伺服控制系统示意图，如图3所示，在本系统中使用pid控制算法来控制机器人的运动方向，具体为：对于pid控制系统的给定值为＝0r(t)：g1-g2＝0，系统的输出为移动机器人的旋转速度y(t)：w，系统的观测值为

误差值为。error＝g1-g1。

图4是按照本发明的优选实施例所构建的伺服控制过程主要流程图，如图4所示，根据伺服控制系统的控制流程，结合pid算法的控制规律，

根据系统的输入输出结合pid控制系统得控制规律，可以得到机器人的旋转速度(移动速度)

然后机器人实时更新其旋转速度，继续保持朝向目标标签方向运动。

s5根据不同应用场景相应要求，当机器人上左、右两个天线接收到的信号强度满足相应的要求时，则认为机器人到达了贴有目标标签的目标位置，完成伺服过程。

具体来说，可以根据导航要求与目标物的距离，提前测定相对应位置的信号强度值rssi0，如果机器人上rfid天线测得的信号强度值满足以下条件，则认为是已经到达目标：

|rssileft-rssi0|＜thresholds1

|rssiright-rssi0|＜thresholds1

|rssileft-rssiright|≤thresholds2

其中rssileft、rssiright分别代表左、右天线测得的信号强度值，rssi0是设定的到达距离对应的信号强度，thresholds1、thresholds2分别是相对应的信号强度阈值。

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。