適于密集倉儲場景的高精度三維定位系統

王昊天 杜金偉 鄭凱中

摘要：以提高倉儲管理效率、降低物流成本為目的，本文設計并實現了一種基于RFID的高精度三維定位系統。令閱讀器天線執行一維線性掃描建立相位角度輪廓模型，利用最小二乘回歸法和粒子群優化算法估計標簽位置，實現目標的位置信息估計，完成對倉儲包裹狀態的自動化實時監測。實測結果表明，本文系統具有較低的成本、較高的定位精度、良好的遠距離識別能力和抗干擾性能，對于提高現有倉儲系統的信息化、智能化水平具有重要意義。

關鍵詞：密集倉儲;三維定位;角度輪廓模型

1引言

近年來，電商平臺的崛起帶動了倉儲行業的高速發展，基于人工管理方式的倉儲系統經常出現貨物擺放混亂，清點效率低下等問題，基于智能化管理方式的密集倉儲系統已成為倉儲系統建設的主要趨勢[1]。如何精確快速定位到各個包裹，是影響密集倉儲系統的工作效率的最主要因素，設計適于密集倉儲場景的三維定位系統，實時準確貨品位置信息，既有助于提高倉儲效率，也是對智能倉儲系統未來發展的積極探索[2]。

現有的三維定位系統主要采用計算機視覺和傳感器等技術。基于計算機視覺的三維定位系統使用攝像頭在對實測場景拍攝時容易出現死角和失真的情況;基于傳感器技術的三維定位系統的部署成本較高并且定位性能會受電池壽命的影響。以上技術很難滿足密集倉儲系統的高精度、低成本等需求。以此為背景，本項目發揮超高頻射頻識別技術（Ultra High Frequency Radio Frequency Identification， UHF RFID）的非接觸、非視距、易部署等優勢，提出了一種基于UHF RFID技術的三維定位系統，以低成本的方式實現了對包裹的精準定位。

2系統框架

本文所設計的三維定位系統的硬件組成包括閱讀器、天線、無源電子標簽、后端服務器等，系統的工作原理可以簡述為閱讀器天線向空間中發射射頻信號，電子標簽接收到射頻信號激活自身電路，并將自身身份信息和載波相位反向散射出去，閱讀器天線收到反射散射信號后進行解調和解碼，依據標簽身份信息完成標簽的角色判定，采用定位算法處理并挖掘載波相位信息，進而完成標簽的三維位置估計，最后將身份信息及其對應的三維位置傳至后端服務器，后端服務器負責上述信息的存儲、轉發等管理操作。

3系統的設計與實現

3.1定位場景搭建和相位信息采集

倉儲貨物以陣列狀布置于監控環境中，選取長方體作為倉儲貨物建模對象，并在包裹的三個相鄰且相互垂直的平面上部署一對電子標簽。在水平方向和豎直方向上移動閱讀器天線對場景中的標簽進行掃描。

選取沿X軸方向做勻速直線運動為研究對象，定義閱讀器與標簽的空間距離為，為光速，為時間。由于射頻信號的傳播距離為往返路程，因此每次通信中信號的遍歷距離為，則由閱讀器解調出的相位值可表示為：

其中為載波波長，為工作頻率，為模取余運算，為由硬件引起的相位偏移。

3.2基于相位的到達角估計模型

本文利用相鄰時刻的相位差信息計算標簽與閱讀器之間的到達角度信息，以此推算標簽的位置坐標信息。如圖2所示，標簽位于T點，設閱讀器天線從點移動到點，M為的中點，設，點V是點T在天線移動方向上的垂直投影點，簡稱垂直點，稱為標簽到天線移動軌跡的垂直距離，簡稱垂直距離。稱為天線相對于標簽在T點的到達角。假設天線在點和點采集的相位值分別為和。當時，到達角的表達式可以表示為：

其中，為相位偏移，令以使得整數n取值為0。

3.3建立線性擬合模型

以天線移動掃描過程的起始位置作為坐標原點，以天線的移動方向為x軸建立二維直角坐標系，通過挖掘到達角曲線的輪廓特征來估計標簽的二維坐標，選取到達角余切值作為過渡變量，獲得到達角余切的表達式為：

其中，為標簽到天線移動掃描軌跡的垂直距離，為天線掃描的水平移動距離，為天線初始位置到達垂直點的水平距離。利用公式（2）處理閱讀器采集的相位數據獲得到達角，通過最小二乘回歸法建立一個關于和線性擬合模型，求解角度輪廓模型中的參數和，因此可獲得標簽在二維平面定位場景的坐標為。

3.4估計標簽三維坐標

通過挖掘到達角曲線的輪廓特征來估計標簽的三維坐標，選取作為過渡量，以天線的起始位置為坐標原點，建立三維直角坐標系。如圖2所示，天線沿著軸移動掃描，標簽在軸方向上的偏離距離為，標簽在軸方向上的偏離距離為，和由標簽的空間布局確定。標簽與與天線移動軌跡的空間垂直距離分別為和，對標簽和線性擬合，可求得、、和。設標簽到天線移動軌跡平面在沿軸方向上的空間距離為，在沿軸方向上的空間距離為，得到關于和方程組表達式為：

由粒子群算法方程式進行最小值的尋優求解，即可求得確定。因此標簽的坐標為，標簽的坐標為。

4實驗驗證與性能分析

4.1實驗設置

為了驗證所提系統的可行性，搭建了如圖3所示的實驗場景。貨物包裹箱子的大小為40cm*30cm*30cm，其墊高離地面的高度為17cm。RFID電子標簽的長度為10cm。閱讀器攜帶天線的移動速度為10cm/s、運動時間為24s、運動距離為240cm。天線離地面的高度為25cm。閱讀器的天線采集標簽反射回來的射頻信號，路由器通過局域網將閱讀器的數據傳送至電腦。

4.2性能分析

為了評估定位精度，我們搭建了如圖4所示的實測場景：使用兩個貨物箱，分別命名為一號箱子和二號箱子，對這兩個箱子貼上十二個RFID電子標簽。根據前一小節所述建立相對三維直角坐標系的過程，可確定出各個標簽在此三維直角坐標系下中的位置坐標。為展開實地探測并驗證理論框架，將以二號箱上探測的T10，T20，T30三個標簽為例進行說明。

通過粒子群算法方程式進行最小值的尋優求解，確定多組標簽三維坐標后取均值，并最終輸出標簽在相對三維直角坐標系中的三維坐標：T10標簽的相對坐標（151.39，41.16，57.57）cm;T20標簽的相對坐標（121.39，55.21，17.57）cm，T30標簽的相對坐標（126.39，82.19，57.57）cm，三組坐標在X軸、Y軸、Z軸方向上的平均相對誤差分別為2.35cm，21.18cm，2.21cm。其中，在X軸方向上和在Z軸方向上與真實值偏差程度較小，均小于2%，模型輸出的結果準確度較高。而在Y軸方向上存在較大的波動偏差，說明模型在抗噪聲干擾的能力方面有待提升。但是這樣的誤差并不會影響到對貨物包裹的三維重建，因為相對三維直角坐標系中坐標原點的取定也是相對的，并不會對貨物包裹之間的相對位置判斷產生決定性的影響。

5結語

本文研究了一種適于密集倉儲場景的高精度三維重建感知系統，該系統解決了室內三維重建的難于部署、高成本、低精度等問題。通過仿真測試和實地測試可知，該系統工作穩定性良好，精度較高，部署成本較低，具有較好的推廣和使用前景。在后續研究中，將進一步優化抗干擾能力，并使該三維重建系統模塊封裝化。

參考文獻：

[1]A. Sharma， S. Chaudhary， S. D. Roy and P. Chand，"Three dimensional reconstruction of cylindrical pellet using stereo vision，"2015 Fifth National Conference on Computer Vision， Pattern Recognition， Image Processing and Graphics （NCVPRIPG）， Patna， India，2015， pp.1-4.

[2]M. Karami， R. Afrouzian， S. Kasaei and H. Seyedarabi，"Multiview 3D reconstruction based on vanishing points and homography，"7'th International Symposium on Telecommunications （IST'2014）， Tehran， Iran，2014， pp.367-370.

國家級大學生創新創業訓練項目，適于密集倉儲場景的高精度三維重建感知系統，項目編號：202110058018。