一種新型電網(wǎng)倉庫物品管理算法

紀(jì)世雨

(解放軍總醫(yī)院第五醫(yī)學(xué)中心，北京 100039)

0 引言

隨著城市化的發(fā)展，電力系統(tǒng)的負(fù)荷也越來越大，因此需要擴大電力生產(chǎn)規(guī)模，并及時替換損壞零件。為了提高維護生產(chǎn)工作的效率，需要在庫房以及生產(chǎn)廠房及時尋找和定位設(shè)備位置[1]。但由于場地面積過大，人工尋找效率過低，因此需要采用一種智能方式，對設(shè)備進行管理；確定設(shè)備的位置。RFID作為一種低功耗，易部署的無線通訊手段，非常適合對電力設(shè)備進行定位和管理[2-8]。本研究通過將RFID設(shè)備與自動機器人相結(jié)合，設(shè)計了一個3D空間多標(biāo)簽自動定位算法(Multiple Tags by Robot and RFID，M2R)。利用該算法實現(xiàn)了對廠房中的設(shè)備自動定位和管理。

1 系統(tǒng)概述與背景知識

圖1描述了一個典型的倉庫場景，一個機器人配備了一個RFID閱讀器和幾個部署的物品，這些物品都被貼上無源標(biāo)簽。

圖1 系統(tǒng)場景描述

1.1 RFID相位獲取

假設(shè)RFID閱讀器接收到n個來自目標(biāo)標(biāo)簽的標(biāo)簽號id，因此，在原始相位剖面中有n個相位點：P(id,t1),P(id,t2),…,P(id,tn)，此時，時間戳t1,t2,…,tn是按升序排列的，即對于任何1≤i

(1)

這里，λ是RFID信號的波長，常數(shù)θ與硬件有關(guān)，等于ΘT+θTAG+θR。

1.2 消除周期性跳躍

原始標(biāo)簽相位分布包括由于公式(1)中的mod操作而產(chǎn)生的周期性相位跳躍。這些相位跳變要么是從0左右的相位值到2π左右的后續(xù)相位值，要么是從2π左右的相位值到0左右的后續(xù)相位值。當(dāng)連續(xù)相位值之間的絕對相位跳變大于或等于默認(rèn)跳變公差時，可以使用類似于Matlab中的unwrap命令的方法[12-14]，通過增加或減去2π的倍數(shù)來消除相位P(id,t1),P(id,t2),…,P(id,tn)中的相位跳變。利用這種方法，可以消除mod運算的影響，得到一個新的展開相位值序列：P′(id,t1),P′(id,t2),…,P′(id,tn)。具體地說，在展開的相位中，任意一個相點P′(id,ti)可以通過公式(2)表示：

(2)

其中:k是{0,±1,±2,…}范圍內(nèi)的常數(shù)整數(shù)。

2 M2R系統(tǒng)原理

在這一部分，將首先描述M2R的簡單情況，在二維空間中的定位。之后將解釋如何擴展M2R，使之能夠在一般應(yīng)用場景下實現(xiàn)3D定位。

2.1 二維平面定位方法

如圖2所示，假設(shè)閱讀器天線分別在ti,t(w+1),t(2w+i)的時間點到達位置I，J，K。由公式(2)可計算相鄰相點P′(id,ti)與P′(id,t(w+i))之間的差，以及相鄰相點P′(id,t(w+i))與P′(id,t(2w+i))之間的差，計算如公式(3)所示：

圖2 M2R在二維空間中定位原理

(3)

根據(jù)圖2所示的幾何關(guān)系，可得到公式(4)。

(4)

通過將公式(4)代入公式(3)，得到了包含兩個未知變量x和y的方程組，然后求解方程組得到候選標(biāo)記位置(xi,yi)，如公式(5)所示。

(5)

在這里，Δθ2，ΔT2以及S的值可以通過公式(6)計算得到：

由于隨機誤差的噪聲，展開的相位值具有方差Var[P′(id,ti)] = 0.01。然后，Δθ1和Δθ2的方差可以通過公式(7)和(8)計算得到：

(6)

Var(Δθ1)=Var[P′(id,ti) ]+

Var[P′(id,t(w+i) ) ]=0.02

(7)

Var(Δθ2)=Var[P′(id,tw+i) ]+

Var[P′(id,t(2w+i) )]=0.02

(8)

在Δθ1和Δθ2中固有的概率偏差也導(dǎo)致從公式(5)導(dǎo)出的候選標(biāo)記位置(xi,yi)也不準(zhǔn)確。為了量化定位偏差，在此計算了xi和yi的方差。可以從公式(5)觀察到，xi和yi都是Δθ1和Δθ2的函數(shù)。因此，把xi分別作為φx(Δθ1,Δθ2)和yi作為φy(Δθ1,Δθ2)。分別給出了xi和yi的泰勒的級數(shù)展開式(h1,h2)。這里，h1=E(Δθ1)和h2=E(Δθ2)。具體如公式(9)和(10):

(9)

(10)

分別取上述兩個方程兩邊的期望值，如公式(11)和(12)所示。

E(xi)=φx(h1,h2)

(11)

E(yi)=φy(h1,h2)

(12)

結(jié)合公式(11)和(12)，在這里可以計算xi和yi的方差。具體如公式(12)和(13)所示：

(13)

(14)

(15)

其中:G和H的表達式如公式(16)所示。

(16)

(17)

(18)

到目前為止，已經(jīng)計算了目標(biāo)標(biāo)簽的候選位置，即公式(5)中的(xi,yi)，以及它們在等式(13)和(14)中的方差。提出的M2R系統(tǒng)可以計算w個候選標(biāo)簽位置：(x1,y1),(x2,y2),…,(xw,yw)。一種簡單的方法是直接使用它們的平均值作為最終的定位結(jié)果。它很簡單，但遠(yuǎn)不是最佳的，因為候選標(biāo)記位置有不同的方差。直觀地說，如果所有3個的相位點都位于展開相位剖面的最左側(cè)部分(幾乎在一條直線上)，則計算出的候選標(biāo)記位置可能不是非常精確。因此，沒有直接使用候選標(biāo)記位置的平均值，而是使用它們的加權(quán)平均值作為最終的定位結(jié)果[16]。方差較小的候選標(biāo)記位置應(yīng)分配較大的權(quán)重，反之亦然。

圖3 加權(quán)平均結(jié)果與直接平均結(jié)果的比較

2.2 擴展到3D空間定位

通過同時使用兩個天線R1和R2，所提出的M2R系統(tǒng)可以很容易地擴展到實現(xiàn)3D定位。如圖4所示，假設(shè)兩個天線之間的距離為h米。由于下面的天線從原點開始，所以上面的天線將從點開始。R1和R2的軌跡彼此平行，并且距離為h。如上所述，我們可以利用每個標(biāo)簽讀取中的天線端口信息來區(qū)分當(dāng)前標(biāo)簽讀取來自哪個天線。因此，可以得到分別對應(yīng)于這兩個天線的目標(biāo)標(biāo)簽的兩個相位剖面。

圖4 M2R的三維空間定位原理

三角形ΔTM1M2中的3種幾何關(guān)系如圖5所示，分別對應(yīng)于z∈(0,h),z≤0,z>h。不管實際應(yīng)用的是哪種幾何關(guān)系，總是有公式(19)。

圖5 變量之間的幾何關(guān)系

(19)

通過求解上述方程組，可以計算目標(biāo)標(biāo)簽在三維空間中的坐標(biāo)，如公式(20)所示：

(20)

到目前為止，M2R系統(tǒng)已經(jīng)被擴展，成功地啟用了3D定位功能

3 實驗與評估

3.1 實驗環(huán)境設(shè)置

該系統(tǒng)基于一個使用Impinj R420實現(xiàn)的移動機器人原型,如圖6所示，帶有兩個圓極化天線，發(fā)射載波頻率固定在920.625 MHz。將讀寫器的發(fā)射功率調(diào)整為30 dBm的有效各向同性輻射功率。機器人運行速度為30 cm/s，該程序運行在一臺聯(lián)想筆記本電腦上，搭載英特爾I5 2.6 GHz處理器，16 GB內(nèi)存。利用Python開發(fā)了控制閱讀器和移動機器人平臺軌跡的程序。整個實驗環(huán)境是在一個100平方米的空曠室內(nèi)進行，標(biāo)簽貼附于設(shè)備的外包裝紙箱上。

3.2 2D空間定位評估

在這組實驗中，研究了M2R系統(tǒng)在二維平面上的定位精度。如圖6(b)所示，在6個紙箱上貼上6個標(biāo)簽。貼有標(biāo)簽的紙箱放置在距離移動機器人軌跡0.8米以上的地方。

圖6 M2R系統(tǒng)示意圖

圖7 二維平面上多個RFID標(biāo)簽的定位結(jié)果

(a)標(biāo)簽1 (b)標(biāo)簽2

從圖8可以看出，沿X軸的定位誤差通常小于Y軸的定位誤差。圖8(a)～(d)的結(jié)果表明，M2R系統(tǒng)的定位誤差小于5 cm，概率大于90%。然而，標(biāo)簽5和標(biāo)簽6的定位誤差比其他標(biāo)簽的定位誤差要大一些，因為這兩個標(biāo)簽的信號受到到閱讀器天線的視線路徑中的紙箱的影響。

3.3 3D空間定位評估

M2R在三維空間中的實驗部如圖6(c)所示。天線R1的運動軌跡被視為X軸的正方向。在這樣的坐標(biāo)系中，將目標(biāo)標(biāo)記放置在不同的位置。x的地面真實度在1 m到1.5 m之間變化；y的地面真實度在0.6 m到0.8 m和1 m之間；z的地面真實度在0.35 m到0.7 m之間。圖9所示的實驗結(jié)果顯示了所提出的M2R系統(tǒng)的三維定位精度：沿X軸和Y軸的大多數(shù)定位誤差小于7 cm，沿Z軸的大多數(shù)定位誤差小于12 cm。這樣的定位精度可以滿足大多數(shù)應(yīng)用場景的要求。

(a)標(biāo)簽在(1 m,y,0.35 m)位置 (b)標(biāo)簽在(1.5 m,y,0.35 m)位置

4 結(jié)束語

為了更好地實現(xiàn)智能電網(wǎng)中的無人化廠房管理，本文利用商用機器人和RFID設(shè)備提出了移動RF機器人定位(M2R)系統(tǒng)，利用RFID相位剖面中的時空信息對標(biāo)簽進行精確定位。與現(xiàn)有的RFID定位系統(tǒng)相比，M2R有四大優(yōu)勢。首先，M2R系統(tǒng)只采用了商用設(shè)備，而不是任何專用定制設(shè)備。因此，它很容易被重新實現(xiàn)以得到廣泛的應(yīng)用。第二，M2R能夠解決三維定位問題，適合于更多的應(yīng)用場景。第三，M2R可以在經(jīng)過標(biāo)記物之前對其進行定位，從而不受盲區(qū)的限制。第四，單套M2R系統(tǒng)可以為大范圍的監(jiān)控區(qū)域提供移動定位服務(wù)。因此，該方法可以實現(xiàn)大面積倉儲管理。