RFID技術在機器人定位系統中的應用研究

賈桂秋

（遼寧思凱科技股份有限公司，遼寧 丹東 118002）

傳統移動式機器人的定位系統多由編碼器與陀螺儀的所組成，在執行導航任務時必須知道起點與終點之間的距離，事先對工作地點進行檢測，將環境信息建構于數據庫中，才可由編碼器推算出目前位置，不過地圖的建置往往費時費力。此外，機器人在移動過程中，輪子與地面有時會發生打滑，使編碼器產生測量上誤差。室內機器人若以編碼器計算移動的距離，在長時間航行后會有累積誤差，且機器人移動時所需的地圖信息，在建構上往往費時費力。本研究以RFID系統作為無線通信接口，而定位算法則以接收信號強度定位法進行定位，由于信號強度在檢測時會受到室內環境的干擾而導致定位準確度不佳，因此加入灰色預測法降低干擾對控制器的影響。依托室內無線定位技術研制一套智能導航控制系統，使得機器人能迅速正確地航行至目的地。

1 理論基礎

1.1 接收信號強度測距法

接收信號強度是以信號功率傳播模型為基礎，來估測發射端與接收端的距離，無線電的電磁波在自由空間中傳播，其傳播距離越遠，能量密度越小。當接收器在不同位置，所檢測的信號強度也會不同。

1.2 灰色預測法

灰色系統理論的特點在于只需很少的歷史數據，即可對系統進行建模產生灰色模型，灰色預測是以灰色模型為基礎所進行的一種預測方法，以少量的歷史數據求得數據未來發展情形。

2 系統架構

2.1 移動式機器人

本研究輪式機器人硬件架構共分為控制、電力、檢測、定位四大系統，系統元件如表1所示。

表1 機器人系統分類表

輪式機器人在定位上最大的問題在于使用光電編碼器計算距離時會產生誤差，此誤差會不斷累積無法消除，因此本研究以RFID系統代替光電編碼器來解決累積誤差的問題。

2.2 RFID系統

RFID是一種非接觸式自動識別系統，主要由讀寫器、電子標簽、天線三個元件組成。本研究所采用讀寫器頻率為2.4GHz，電子標簽為主動式電子標簽，標簽是以電池作為電源。與讀寫器之間是通過反向散射耦合的方式傳輸，該傳輸方式傳輸距離較長，工作原理如圖1所示。

圖1 RFID傳輸原理示意圖

由讀寫器發出命令通過天線將信號發射出去，當電子標簽接收到信號后，則會驅動內部IC進行邏輯運算與數據處理后再將數據回傳給讀寫器。

圖2為RFID設備信號強度與距離關系曲線，水平軸為距離；垂直軸為信號強度，圖中圓點是在指定位置上所測得的信號強度，而實線則是將數據以二階曲線擬合的結果。

圖2 信號強度與距離關系曲線

2.3 灰色預測控制器

灰色預測控制器是以RFID系統為架構，包含RSS定位法以及灰色預測法的導航控制器。若信號強度為遞增時，則進入灰色預測模式；若信號強度非遞增時，按三角測距法估測信號發射點坐標，修正移動方向，直到到達目的地為止。機器人的移動示意圖如圖3所示。

圖3 機器人移動示意圖

3 實驗驗證

導航程序采用VB6.0語言編寫，實驗中機器人由原點位置出發，目標點設在與機器人相距4m，與x軸夾60°角處，相當于平面坐標(200,346.5)的位置。如圖4所示，機器人最終停止坐標為(232,300.5)，與目的坐標的距離誤差為56.03cm。

圖4 機器人移動距離誤差

由此看出，灰色導航定位系統可將機器人與目標點的距離誤差控制在半徑60厘米之內，能有效解決累積誤差的問題。

4 結語

本研究解決機器人因使用光電編碼器計算位置坐標時產生累積誤差的問題，以RFID技術代替傳統光電編碼器，使用RSS定位法計算目標點坐標，為避免機器人移動時不必要的旋轉，導入灰色預測法計算機器人的旋轉角度，提出以灰色預測法結合RSS定位法的灰色導航定位系統。由實驗可知，灰色導航定位系統可將機器人與目標點的距離誤差控制在半徑60cm之內，能夠有效地解決累積誤差的問題。本導航系統以RFID進行定位，只需將電子標簽設置于目標處，機器人即可自行追蹤進行導航，可應用于不同的工作地點，節省系統開發時間。