专利名称：Rfid室内定位系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种电信技术领域的定位系统，特别是一种RFID (射频识 另啦术，Radio Frequency Identification)室内定位系统。
背景技术：
RFID是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，即通过无限射频方 式进行非接触双向数据通信对目标加以识别。RFID技术无需直接接触、无需光 学可视、无需人工干预即可完成信息输入和处理，加之随着技术的进步，RFID 读写器的读写速度和处理信号能力的提高，把RFID射频识别技术应用于移动机 器人定位有着广阔的前景。
除RFID技术外，也有许多种不同的技术可以被应用于室内无线定位，但他 们都存在着一定的不足。常用的室内无线定位技术主要有红外技术、基于无限局 域网的定位技术、超声波技术、视觉定位技术。但以上定位技术均存在着成本高， 环境要求高等缺点。另外，常用的全球定位系统(GPS)又由于在室内环境下难 以接收到卫星信号而不能使用，因此从现有技术来看，用RFID技术解决室内定 位问题较为理想。
经对现有技术的检索发现，中国发明专利(申请号200710058162.0)公开 了一种基于相位差测距的RFID无线定位方法，该方法将无源射频标签缚在待测 目标处，将至少两个阅读器通过各自的天线发射电磁波，各自发射的电磁波被所 述射频标签反射后又分别被各自的阅读器所接收，通过测量每个阅读器所发射的 电磁波的发射相位和接收相位之间的相位差确定射频变迁分别与每个阅读器之 间的距离。但是由于通常的工作环境中存在很多干扰因素。例如，需要被读写器 接受的电磁信号被环境中的墙壁多次反射或者标签被移动的物体挡住，都会造成 相位的偏差或者读写器读不到信号，从而影响定位，所以该方法不适用与移动机 器人的定位。
中国发明专利(申请号200710303990.6)公开了一种基于RFID技术的地下车库定位系统，该定位系统通过RFID读卡器读取参考RFID标签、目标RFID 标签的相关信息以及射频信号的强弱，然后通过交换机实现与PC机的联络。存 储于PC机中的位置解析模块对接受到的信息进行分析，与相邻四个位置射频信 号强弱参量的差值对比后，确定出车库的车位是否有停泊车辆。但是由于PC机 联络及处理信息的速度限制，这种定位方式不能解决自主移动的机器人的定位问 题。并且可读取信号强度的读写器的价格很贵，考虑到成本问题也不宜选用。
中国发明专利(专利号ZL 200501224623.1)公开了一种RFID天线定位矩 阵，用以解决RFID天线面积小而所带RFID标签物体移动面积大而无法定位的矛 盾。将RFID天线排列成n杣的矩阵平面，当RFID标签靠近某个天线单元时，此 天线可以接收RFID的标签信息，结合读卡器，矩阵处理器和显示器实现对RFID 标签的定位。但是此种方法用大量的天线，大量天线在运行中保持通电，能耗很 大，而且每个读卡器所接天线个数有限，需要在一定程度上增加阅读器的个数， 从而实施成本过大。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提出一种RFID室内定位系统， 本发明采取将短距离RFID读写器及天线安置于机器人底盘，在机器人运动区域 的地面上布置无源RFID标签作为定位参考，通过RFID读写器读取RFID标签中的 信息来实现移动机器人的定位，能够实现自主移动机器人在室内环境中进行定位 且成本又相对较低。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括RFID读写器、RFID读写器 天线、RFID标签、数据信号处理模块和定位解析模块，其中
RFID读写器设置在机器人底盘，本发明采用四个RFID读写器，每个RFID 读写器天线的形状均为正方形，将四个RFID读写器天线拼成一个大正方形，使 大正方形的中心与底盘中心重合，调整并保持RFID阅读器天线与地面的垂直距 离刚好在RFID读写器的读写范围之内。RFID标签作为定位参考点，以一种正三 角形镶嵌的方式铺满整个机器人运动平面。正三角形的顶点为RFID标签，正三 角形的边长等于由四个RFID读写器天线拼成的大正方形的边长。这样的RFID 读写器、RFID读写器天线及RFID标签设置方式可以保证机器人在其运动区域的 任何位置都至少使一个，最多使三个RFID标签落在RFID读写器天线的读写范围内，且在同时读到多个RFID标签时，任意两个标签不会出现在同一个RFID读写 器读写器天线的读写范围内。
数据信号处理模块通过读取指令，控制RFID阅读器发出射频信号，并接收 RFID读写器天线返回的信号，确定机器人的位置。数据处理模块包括工控机、 USB转串口模块、单片机。其中，工控机以一定的周期发出读取指令，通过USB 转串口模块与单片机通讯，单片机执行命令，控制RFID阅读器发出射频信号。 如果在RFID读写器的阅读范围内有RFID标签，则受到激发的RFID标签发出携 带定位信息的返回信号。RFID读写器天线对返回信号进行接收，将信息返回给 单片机。单片机再通过USB转串口模块将信息传给工控机。工控机收到信息，执 行程序确定机器人位置。
定位解析模块接收射频信号接收模块发出的RFID读写器天线和RFID标 签的排布方式以及RFID定位精度的要求，进行分析，得出机器人的理论位置和 定位精度。本发明采用如下的定位解析进行数据处理首先，采用RFID读写器 天线所在平面作为运动参考平面，考虑RFID标签相对于RFID阅读器天线的运动， 通过讨论相邻的几个标签相对于RFID阅读器天线所呈现的几类不同位形得出定 为解析方法。根据落在RFID读写器内的标签的个数的不同，分以下四种情况1) 三个两两相邻的RFID标签分别落在三个不同的RFID读写器的读写范围内；2) 相邻的两个RFID标签落在相邻两个的RFID读写器范围内；3)相邻的两个RFID 标签落在对角的两个的RFID读写器范围内；4) 一个RFID标签落在某个RFID 读写器的读写范围内。然后，对于三个标签落在读写器读写范围内的情况，用其 所围成正三角形的重心作为等效定位点，对于两个标签落在读写器读写范围内的 情况用两个标签连线的中点作为等效定位点，对于一个标签落在读写器读写范围 内的情况就以标签自身作为等效定位点。最后，在上述四种不同定位情况的约束 下，用作图法或程序遍历得到等效定位点的所有可能到达的位置的集合，此集合 为一个平面区域，将此区域的重心作为机器人的理论定位位置，用重心到其平面 区域边界的最大距离表征定位精度。
与现有技术相比，本发明采用四个RFID读写器进行定位时，在给定的读写 器布置和标签的布置方式下，与一个读写器相比，某几个读写器同时读到一组标 签信息所要服从的约束条件更多了，就减少位置等价的可能性，可以提高定位精度，并且本发明可以完成对移动机器人的准确定位
图l为RFID阅读器设置图，其中I、 II、 III、 IV为4个阅读器； 图2为RFID标签排布图； 图3为数据处理流程图4为某3个RFID标签进入RFID读写器I1、 III、 IV的读写区域时的定 位结果图5为某2个RFID标签进入RFID读写器III、 IV的读写区域时的定位结 果图6为某2个RFID标签进入RFID读写器I、III的读写区域时的定位结果
图7为某1个RFID标签进入RFID读写器I的读写区域时的定位结果图。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案 为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于 下述的实施例。
本实施例包括本发明包括RFID读写器、RFID读写器天线、RFID标签、数据 信号处理模块和定位解析模块。
本实施例选用四个短距离RFID读写器，最大读写距离为5-7厘米。RFID读 写器天线边长为10cm，将RFID读写器天线拼成边长为20cm的大正方形。如图1 所示右上为RFID读写器I，左上为RFID读写器II，左下为RFID读写器III， 右下为RFID读写器IV，形成四个独立的读写区域。将RFID阅读器安置在机器 人底盘上，保持大正方形中心与机器人底盘中心重合、RFID阅读器天线距地面 距离刚好在RFID阅读器的读写范围内。如图2所示，在机器人运动空间的地面 上，以正三角形镶嵌的模式排列标签。正三角形顶点处放置标签，相邻标签间的 距离即正三角形的边长与RFID读写器的正方形区域的边长长度相等，为20cm。
数据处理模块包括工控机、USB转串口模块、单片机。如图3，工控机发出 读取指令，通过USB转串口模块与单片机通讯，单片机执行命令控制RFID阅读 器发出射频信号。如果在RFID读写器的阅读范围内有RFID标签，则受到激发的RFID标签发出携带定位信息的返回信号。RFID读写器对返回信息进行接收，将 信息返回给单片机。单片机再通过USB转串口模块将信息传给工控机。工控机收 到信息，执行程序确定机器人位置。
本实施例的定为解析模块，采用RFID读写器天线所在平面作为运动参考平 面，通过讨论相邻的几个标签相对于RFID阅读器天线所呈现的几类不同位形得 出定为解析方法。
如图4中所示，假定某3个RFID标签进入RFID读写器II、RFID读写器III、 RFID读写器IV的读写区域。图中方形点B为RFID标签，圆形点參为三个标签 围成的正三角形的重心，即等效定位点。三个标签围成的正三角形相对于RFID 读写器天线所在平面在定位情况的约束下运动，将圆形点參即正三角形重心的所 有可能位置集合，形成图中阴影区域。此阴影区域重心即为机器人定位位置，重 心到边界的最大距离可用来表征机器人的定位精度。
如图5中所示，假定某2个RFID标签进入RFID读写器III、IV的读写区域。 图中方形点固为RFID标签，圆形点參为两个标签连线中点，即等效定位点。两 个标签组成的线段相对于读写器线圈所在平面在定位情况的约束下运动，将圆形 点參即两标签连线中点的所有可能位置叠加形成图中阴影区域。此阴影区域重心 即为机器人定位位置，重心到边界的最大距离可用来表征机器人的定位精度。
如图6中所示，假定某2个RFID标签分别进入RFID读写器I、 III的读写 区域。图中方形点B为RFID标签，圆形点參为两个标签连线中点，即等效定位 点。两个标签组成的线段相对于读写器线圈所在平面在定位情况的约束下运动， 将圆形点參即两标签连线中点的所有可能位置叠加形成图中阴影区域。此阴影区 域重心即为机器人定位位置，重心到边界的最大距离可用来表征机器人的定位精 度。
如图7中所示，假定有某1个RFID标签进入RFID读写器I的读写区域。 图中方形点睡为RFID标签，在这种定位情况下，这个标签即是等效定位点。此 标签相对于读写器线圈所在平面在定位情况的约束下运动，将其所有可能位置叠 加形成图中阴影区域。此阴影区域重心即为机器人定位位置，重心到边界的最大 距离可用来表征机器人的定位精度。
由对称性可以推导得出同一类别内其他的定位结果。本实施例将四个RFID读写器及其天线安置于机器人底盘，将RFID阅读器安 置在机器人底盘上，保持大正方形中心与机器人底盘中心重合、RFID阅读器天 线距地面距离刚好在RFID阅读器的读写范围内，通过RFID读写器读取RFID标 签中的信息来实现移动机器人的定位，能够实现自主移动机器人在室内环境中进 行定位且成本又相对较低。
权利要求
1、一种RFID室内定位系统，其特征在于包括RFID读写器、RFID读写器天线、RFID标签、数据信号处理模块和定位解析模块，其中RFID读写器设置在机器人底盘，RFID读写器天线的形状为正方形，RFID标签作为定位参考点，以正三角形镶嵌的方式铺满整个机器人运动平面，RFID读写器读取RFID标签中的信息，并将信息传给数据信号处理模块；数据信号处理模块通过读取指令，控制RFID阅读器发出射频信号，并接收RFID读写器天线返回的信号，确定机器人的位置；定位解析模块接收射频信号接收模块发出的RFID读写器天线和RFID标签的排布方式以及RFID定位精度的要求，进行分析，得出机器人的理论位置和定位精度；所述的RFID读写器数目为四个。
2、 根据权利要求1所述的RFID室内定位系统。其特征是，所述的RFID读 写器天线数目为四个，拼成一个大正方形，大正方形的中心与底盘中心重合，调 整并保持RFID阅读器天线与地面的垂直距离在RFID读写器的读写范围之内。
3、 根据权利要求1所述的RFID室内定位系统，其特征是，所述数据信号处 理模块包括工控机、USB转串口模块、单片机，其中工控机发出读取指令，通 过USB转串口模块与单片机通讯，单片机执行命令控制RFID阅读器发出射频信 号；如果在RFID读写器的阅读范围内有RFID标签，则受到激发的RFID标签发 出携带定位信息的返回信号；RFID读写器将定位信息返回给单片机，单片机再 通过USB转串口模块传给工控机，工控机收到数据执行程序确定机器人位置。
4、 根据权利要求1所述的RFID室内定位系统，其特征在于，所述RFID标 签之间的距离即正三角形的边长，与四个RFID读写器天线围成的大正方形读写 区域的边长长度一致。
全文摘要
本发明涉及一种电信技术领域的RFID室内定位系统。本发明用RFID标签作为定位参考点，按正三角形镶嵌的方式将RFID标签布置于机器人运动平面。通过单片机控制四个RFID读写器读取RFID标签中的信息，经过数据处理后根据本发明提出的定位解析得到机器人的定位信息及定位精度。在不同的定位信息约束条件下对机器人理论位置及定位精度的进行求解、分析，并求出不同情况下等效定位点的所有可能位置形成的区域，根据此区域得出机器人理论位置及定位精度。本方案特点是成本低，设备普遍，易于购置，定位原理简单，易于实现，受环境影响程度低，特别适用于室内环境或光线条件不佳的工作环境，具有广阔的应用前景。
文档编号G01S13/74GK101551454SQ200910051180
公开日2009年10月7日 申请日期2009年5月14日 优先权日2009年5月14日
发明者冷春涛, 夏若冰, 曹其新, 王泷皓, 陈其洲 申请人:上海交通大学