基于多点RFID结合超声波的室内机器人定位方法与流程

本发明属于通信
技术领域：
，主要涉及RFID识别和定位技术以及超声波测距技术，具体来说是一种多点融合RFID定位和超声波测距的定位方法，用于机器人在室内小范围内对自身进行定位的方法。
背景技术：
：机器人发展日新月异，这种自动执行工作的机器装置既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据人工智能技术指定的原则行动，从而协助或取代人类的一些工作。而我们日常生活经常接触到的，往往是室内机器人技术。它与我们生活息息相关，给我们的生活带来很大的帮助，已经成为未来生活不可分割的一部分。室内机器人移动过程中，有三个主要的问题：在哪里，去哪里，怎么去。而这些问题的核心，就是室内机器人定位技术。在GPS无法工作的室内环境里，Wi-Fi地理定位就成了一项替代技术，在存在Wi-Fi接入点的地方，其定位精度可达20米，但是却无法准确地显示用户的位置。蓝牙技术则是一种微观层次上的技术，许多建筑物内都在使用这项技术。“全球定位系统—Wi-Fi—蓝牙—射频识别技术”串起了定位技术发展的主线，设备中的传感器，如陀螺仪、罗盘、加速计等都可以为导航和追踪提供辅助数据，因此基于传感器定位成为了现阶段普遍室内的主要定位技术。而作为常用定位传感器的RFID，在传统的定位技术中起着至关重要的作用，在传统的RFID传感器定位中，往往采用的是RFID三点定位，其具体方法是已知三个RFID传感器的位置坐标，通过信号强度测量得到三个RFID传感器分别与目标标签的距离，通过已知点坐标与到目标点距离列方程求解，从而得到目标点位置。但是通常得到三个圆相交成一个区域而不是交于一点。针对这种情况，解决方案为计算三个圆相交的区域的质心。这种传统的RFID单独进行室内定位的缺点则是：受环境影响较大，误差较大，且计算过程复杂。为了克服利用RFID单独进行室内定位的种种缺陷，张璐阳等在信息通信2011(3)：99-100期刊上发表的名为《基于超声波测距的RFID监控方案》的文章中，他提出了一种将RFID和超声波传感器结合起来，共同进行室内定位的方法，主要内容是对于所需要定位的物品，都分配一个RFID标签。在室内四角装上RFID传感器，每个RFID传感器虽然只有有限的识别监控范围，但是可以通过部署RFID的配置方案，让房间内的每个RFID标签都能至少接收2个RFID传感器的识别信号，获得其位置信息，并通过显示器显示出来。当带有RFID标签的物品进入房间或者在房间内移动时，室内的RFID传感器会自动识别，获取其相关信息。同时，超声波定位模块会不断跟踪其位置，并不断反馈到中央处理单元，可实时地进行监控和跟踪保护。这种方法虽然解决了RFID传感器和超声波传感器单独定位方法的误差和精度问题，但是却需要多个RFID传感器进行目标识别，同时需要设置多个超声波发射点进行定位。其自身的缺点是：针对不同的实际需求灵活性较差，数据处理过程依然复杂。技术实现要素：本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于多点RFID结合超声波的室内机器人定位方法，用于解决现有RFID结合超声波的机器人室内定位方法中存在的针对不同的实际需求灵活性较差，数据处理过程复杂的问题。本发明方法的思路是：利用机器人上的RFID传感器测量其与RFID标签之间的距离；利用机器人上的RFID传感器到多点RFID标签之间距离，求取机器人当前位置多个待定坐标值；利用赋权值比例算法，对机器人当前位置的多个待定坐标值进行加权求和，得到机器人当前待定位置的横向坐标；利用机器人上的超声波传感器，测量与其平行的室内墙面之间的距离，得到机器人当前待定位置的纵向坐标；将得到机器人当前待定位置的横向坐标和得到的纵向坐标结合，得到机器人当前待定位置的最终坐标。根据上述技术思路，实现本发明目的采取的技术方案为：一种基于多点RFID结合超声波的室内机器人定位方法，包括如下步骤：1)利用机器人上的RFID传感器测量其与RFID标签之间的距离，实现步骤为：1a)机器人上的RFID传感器对室内墙壁上水平均匀设置的N个RFID标签进行信号强度值测量，得到N个信号强度值p(dm)，其中m表示N个RFID标签中第m个RFID标签，d表示RFID标签和RFID传感器之间的距离，p(d)表示RFID传感器接收到的信号强度；1b)从得到的N个信号强度值p(dm)中，任意选取两个RFID标签对应的信号强度值p(da)和p(db)，其中a表示N个RFID标签中第a个RFID标签；b表示N个RFID标签中第b个RFID标签；1c)将两个信号强度值p(da)和p(db)，代入对数—常态分布传播损耗模型，得到当前室内环境的信号传播常量n：n＝(p(da)-p(db))/10lg(db/da)其中，p(da)为RFID传感器接收到距离为da的标签对应的信号强度；p(db)为RFID传感器接收到距离为db的标签对应的信号强度；1d)将得到的信号传播常量n，再次代入对数—常态分布传播损耗模型，得到当前室内环境下机器人上的RFID传感器与RFID标签之间的距离：d=da10[P(da)-P(d)]/10n]]>2)利用机器人上的RFID传感器到多点RFID标签之间距离最短的一个RFID标签坐标(xmin,ymin)，和剩余的N-1个RFID标签坐标(xi,yi)，求取机器人当前位置的N-1个待定坐标值，其中，i表示N-1个RFID标签坐标中第i个的RFID标签坐标；3)利用赋权值比例算法，对机器人当前位置的N-1个待定坐标值进行加权求和，得到机器人当前待定位置的横向坐标；4)利用机器人上的超声波传感器，测量与其平行的室内墙面之间的距离，得到机器人当前待定位置的纵向坐标；5)将步骤3)得到机器人当前待定位置的横向坐标和步骤4)得到机器人当前待定位置的纵向坐标结合，得到机器人当前待定位置的最终坐标。本发明与现有技术相比，具有以下优点：1.本发明在获取机器人当前待定位置的最终坐标的过程中，采用将RFID和超声波传感器放置在机器人上的方式，可根据不同的精度要求以及定位范围实际情况，只对RFID标签进行部署，RFID标签之间的间隔距离以及标签的数量都可以根据实际需要来规定和调整，与现有的将RFID传感器和超声波传感器固定在室内，不能随时调节所要求的精度的RFID结合超声波定位的方法相比，有较强的灵活性。2.本发明由于在获取机器人当前待定位置的最终坐标的过程中，采用赋权值比例算法计算横坐标，采用超声波测距的方法直接测出机器人距离墙壁的距离，即可以直接得出纵坐标，将横纵坐标结合即可以得到最终的坐标，而现有的RFID结合超声波的机器人室内定位方法中，其横纵坐标皆是通过分析多个RFID和多个超声波传感器的已知坐标以及分别与待测目标的距离，通过质心法计算目标点的坐标，与现有的RFID结合超声波的机器人室内定位方法相比，有效的简化了数据处理的过程。附图说明图1是本发明的实现流程框图；图2是本发明与机器人当前位置的实际测量坐标的仿真对比图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。参照图1，本发明包括如下步骤：步骤1，利用机器人上的RFID传感器测量其与RFID标签之间的距离，实现步骤为：1a)根据不同环境或者精度需求，选取适当的RFID标签之间的间隔距离以及数量。若想精度高，则选取的间隔距离短；若想测量的范围广，则选取的标签数量多。在此次实施例中，在墙壁上均匀间隔10cm贴上10个RFID标签，因为RFID传感器测量信号强度是与传感器与RFID标签之间的角度是有关系的，所以调整机器人上的RFID传感器，使其与室内墙壁上水平均匀设置的10个RFID标签的高度相等，RFID传感器对室内墙壁上水平均匀设置的10个RFID标签进行信号强度值测量，得到10个信号强度值p(di)；1b)从得到的10个信号强度值p(di)中，任意选取两个RFID标签对应的信号强度值p(d1)和p(d2)；1c)将两个信号强度值p(d1)和p(d2)，代入对数—常态分布传播损耗模型，其表达式为：P(d2)＝P(d1)-10nlg(d2/d1)-Xσ，其中，Xσ是平均值为0的高斯分布随即变量，即为信号穿过障碍物的衰减。进行代数变换得到当前室内环境的信号传播常量n：n＝(P(d1)-P(d2))/10lg(d2/d1)利用已经测得的数据求出n并求n的平均值，得到n＝1.9914；其中，p(d1)为RFID阅读器接收到距离为d1的标签发送回来的信号强度；p(d2)为RFID阅读器接收到距离为d2的标签发送回来的信号强度；1d)将得到的信号传播常量n，再次代入对数—常态分布传播损耗模型，得到当前室内环境下机器人上的RFID传感器与RFID标签之间的距离：d=d110[P(d1)-P(d)]/10n=d110[P(d1)-P(d)]/19.914]]>步骤2，建立平面直角坐标系，在墙壁上选取适当的位置作为原点，机器人垂直于墙壁的垂足距原点的距离即横坐标，机器人到墙壁的距离即纵坐标，利用机器人上的RFID传感器到多点RFID标签之间距离最短的一个RFID标签坐标(xmin,ymin)，和剩余的9个RFID标签坐标(xi,yi)，求取机器人当前位置的9个待定坐标值，i表示9个RFID标签坐标中第i个的RFID标签坐标；利用机器人上的RFID传感器到多点RFID标签之间距离最短的一个RFID标签坐标(xmin,ymin)，和剩余的9个RFID标签坐标(xi,yi)，列9个方程组并求解，求取机器人当前位置的9个待定坐标值，方程组表达式为：(x-xmin)2+(y-ymin)2=dmin2(x-xi)2+(y-yi)2=di2]]>其中，dmin表示10个标签与RFID传感器之间的最小距离，di表示其余9个标签中第i个标签与RFID传感器之间的距离。步骤3，利用赋权值比例算法，对机器人当前位置的9个待定坐标值进行加权求和，得到机器人当前待定位置的横向坐标；3a)由于利用RFID测较远的距离时，误差很大，相反测量短距离的方法比较精确，本实验所用RFID传感器可识别距离小于3米，且在1米内测量精度较高。因此设定阈值l＝80cm，分别比较阈值l是否大于已测得的9个距离值，若是RFID传感器与RFID标签的距离大于阈值时认为数据无效，对得到的RFID标签坐标(xi,yi)的坐标值其赋予权值为0，否则，对其赋予不同的权值，相应的权值函数为：wi=1di-dminΣi,i≠min,di≤80cm1di-dmindi≤80cm0di>80cm]]>3b)利用步骤3a)得到的机器人当前位置的9个待定坐标值，对其进行加权求和，其表达式为：(x,y)=(Σi,i≠minwixi,Σi=i≠minwiyi)]]>对实验数据进行分析整理，进行数据处理。机器人当前位置的实际测量坐标，各个位置的多点信号强度值，以及得到的初步计算坐标如下表1所示：表1实际坐标RSSI(信号强度值)(dBm)计算坐标(0,30)-52-53-55-59-66-710000(-4,22)(10,30)-52-50-54-56-62-69-72-74-710(2,18)(20,30)-69-51-49-50-53-61-67000(20,18)(30,30)-61-53-50-49-51-56-64-7200(28,17)(40,30)-65-57-52-49-48-50-56-6400(38,15)(50,30)0-64-59-53-50-49-52-55-61-72(47,17)(60,30)-73-71-62-57-53-50-50-51-560(61,18)(70,30)0-71-68-65-59-54-52-50-51-58(71,19)(80,30)0000-67-60-54-51-49-53(81,14)(90,30)000-68-63-61-61-57-51-51(87,64)由上表的实验结果可以看出，该方案的计算出来的横坐标与实际横坐标的误差可以控制在5cm范围内，然而纵坐标误差较大。且纵坐标的误差大小与所处的环境相关。因此，采用超声波传感器来确定与其平行的室内墙面之间的距离，即机器人待定位置的纵坐标值。步骤4，利用机器人上的超声波传感器，测量与其平行的室内墙面之间的距离，得到机器人当前待定位置的纵向坐标，超声波内部模块将发出周期电平并检测回波，一旦检测到回波信号将输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测距离成正比。其测量原理为：测量距离＝(回响信号高电平时间×声速)/2。我们可以测得机器人到墙壁的距离，误差范围可以控制在2cm范围内，满足精度要求。步骤5，将步骤3得到机器人当前待定位置的横向坐标和步骤4得到机器人当前待定位置的纵向坐标结合，得到机器人当前待定位置的最终坐标，其与机器人当前位置的实际测量坐标的对比如图2所示，即本方法计算的机器人当前位置的坐标与其实际测量坐标的仿真对比图。机器人当前位置的实际测量坐标，各个位置的多点信号强度值及超声波测量距离值，以及本发明的计算坐标如表2所示：表2通过分析实验数据可以看出，对于待定点的定位横坐标估算误差基本可以控制在5cm范围内，而利用超声波传感器测纵坐标的误差范围可以控制在2cm范围内，因此将超声波测距和RFID定位结合起来，能方便精准地确定待定点的最终坐标。当前第1页1 2 3