專利名稱：Rfid室內(nèi)定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種電信技術(shù)領(lǐng)域的定位系統(tǒng)，特別是一種RFID (射頻識(shí) 另啦術(shù)，Radio Frequency Identification)室內(nèi)定位系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
RFID是20世紀(jì)90年代開(kāi)始興起的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，即通過(guò)無(wú)限射頻方 式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信對(duì)目標(biāo)加以識(shí)別。RFID技術(shù)無(wú)需直接接觸、無(wú)需光 學(xué)可視、無(wú)需人工干預(yù)即可完成信息輸入和處理，加之隨著技術(shù)的進(jìn)步，RFID 讀寫(xiě)器的讀寫(xiě)速度和處理信號(hào)能力的提高，把RFID射頻識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于移動(dòng)機(jī) 器人定位有著廣闊的前景。
除RFID技術(shù)外，也有許多種不同的技術(shù)可以被應(yīng)用于室內(nèi)無(wú)線定位，但他 們都存在著一定的不足。常用的室內(nèi)無(wú)線定位技術(shù)主要有紅外技術(shù)、基于無(wú)限局 域網(wǎng)的定位技術(shù)、超聲波技術(shù)、視覺(jué)定位技術(shù)。但以上定位技術(shù)均存在著成本高， 環(huán)境要求高等缺點(diǎn)。另外，常用的全球定位系統(tǒng)(GPS)又由于在室內(nèi)環(huán)境下難 以接收到衛(wèi)星信號(hào)而不能使用，因此從現(xiàn)有技術(shù)來(lái)看，用RFID技術(shù)解決室內(nèi)定 位問(wèn)題較為理想。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)發(fā)明專利(申請(qǐng)?zhí)?00710058162.0)公開(kāi) 了一種基于相位差測(cè)距的RFID無(wú)線定位方法，該方法將無(wú)源射頻標(biāo)簽縛在待測(cè) 目標(biāo)處，將至少兩個(gè)閱讀器通過(guò)各自的天線發(fā)射電磁波，各自發(fā)射的電磁波被所 述射頻標(biāo)簽反射后又分別被各自的閱讀器所接收，通過(guò)測(cè)量每個(gè)閱讀器所發(fā)射的 電磁波的發(fā)射相位和接收相位之間的相位差確定射頻變遷分別與每個(gè)閱讀器之 間的距離。但是由于通常的工作環(huán)境中存在很多干擾因素。例如，需要被讀寫(xiě)器 接受的電磁信號(hào)被環(huán)境中的墻壁多次反射或者標(biāo)簽被移動(dòng)的物體擋住，都會(huì)造成 相位的偏差或者讀寫(xiě)器讀不到信號(hào)，從而影響定位，所以該方法不適用與移動(dòng)機(jī) 器人的定位。
中國(guó)發(fā)明專利(申請(qǐng)?zhí)?00710303990.6)公開(kāi)了一種基于RFID技術(shù)的地下車(chē)庫(kù)定位系統(tǒng)，該定位系統(tǒng)通過(guò)RFID讀卡器讀取參考RFID標(biāo)簽、目標(biāo)RFID 標(biāo)簽的相關(guān)信息以及射頻信號(hào)的強(qiáng)弱，然后通過(guò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的聯(lián)絡(luò)。存 儲(chǔ)于PC機(jī)中的位置解析模塊對(duì)接受到的信息進(jìn)行分析，與相鄰四個(gè)位置射頻信 號(hào)強(qiáng)弱參量的差值對(duì)比后，確定出車(chē)庫(kù)的車(chē)位是否有停泊車(chē)輛。但是由于PC機(jī) 聯(lián)絡(luò)及處理信息的速度限制，這種定位方式不能解決自主移動(dòng)的機(jī)器人的定位問(wèn) 題。并且可讀取信號(hào)強(qiáng)度的讀寫(xiě)器的價(jià)格很貴，考慮到成本問(wèn)題也不宜選用。
中國(guó)發(fā)明專利(專利號(hào)ZL 200501224623.1)公開(kāi)了一種RFID天線定位矩 陣，用以解決RFID天線面積小而所帶RFID標(biāo)簽物體移動(dòng)面積大而無(wú)法定位的矛 盾。將RFID天線排列成n杣的矩陣平面，當(dāng)RFID標(biāo)簽靠近某個(gè)天線單元時(shí)，此 天線可以接收RFID的標(biāo)簽信息，結(jié)合讀卡器，矩陣處理器和顯示器實(shí)現(xiàn)對(duì)RFID 標(biāo)簽的定位。但是此種方法用大量的天線，大量天線在運(yùn)行中保持通電，能耗很 大，而且每個(gè)讀卡器所接天線個(gè)數(shù)有限，需要在一定程度上增加閱讀器的個(gè)數(shù)， 從而實(shí)施成本過(guò)大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出一種RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)， 本發(fā)明采取將短距離RFID讀寫(xiě)器及天線安置于機(jī)器人底盤(pán)，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)區(qū)域 的地面上布置無(wú)源RFID標(biāo)簽作為定位參考，通過(guò)RFID讀寫(xiě)器讀取RFID標(biāo)簽中的 信息來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的定位，能夠?qū)崿F(xiàn)自主移動(dòng)機(jī)器人在室內(nèi)環(huán)境中進(jìn)行定位 且成本又相對(duì)較低。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括RFID讀寫(xiě)器、RFID讀寫(xiě)器 天線、RFID標(biāo)簽、數(shù)據(jù)信號(hào)處理模塊和定位解析模塊，其中
RFID讀寫(xiě)器設(shè)置在機(jī)器人底盤(pán)，本發(fā)明采用四個(gè)RFID讀寫(xiě)器，每個(gè)RFID 讀寫(xiě)器天線的形狀均為正方形，將四個(gè)RFID讀寫(xiě)器天線拼成一個(gè)大正方形，使 大正方形的中心與底盤(pán)中心重合，調(diào)整并保持RFID閱讀器天線與地面的垂直距 離剛好在RFID讀寫(xiě)器的讀寫(xiě)范圍之內(nèi)。RFID標(biāo)簽作為定位參考點(diǎn)，以一種正三 角形鑲嵌的方式鋪滿整個(gè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平面。正三角形的頂點(diǎn)為RFID標(biāo)簽，正三 角形的邊長(zhǎng)等于由四個(gè)RFID讀寫(xiě)器天線拼成的大正方形的邊長(zhǎng)。這樣的RFID 讀寫(xiě)器、RFID讀寫(xiě)器天線及RFID標(biāo)簽設(shè)置方式可以保證機(jī)器人在其運(yùn)動(dòng)區(qū)域的 任何位置都至少使一個(gè)，最多使三個(gè)RFID標(biāo)簽落在RFID讀寫(xiě)器天線的讀寫(xiě)范圍內(nèi)，且在同時(shí)讀到多個(gè)RFID標(biāo)簽時(shí)，任意兩個(gè)標(biāo)簽不會(huì)出現(xiàn)在同一個(gè)RFID讀寫(xiě) 器讀寫(xiě)器天線的讀寫(xiě)范圍內(nèi)。
數(shù)據(jù)信號(hào)處理模塊通過(guò)讀取指令，控制RFID閱讀器發(fā)出射頻信號(hào)，并接收 RFID讀寫(xiě)器天線返回的信號(hào)，確定機(jī)器人的位置。數(shù)據(jù)處理模塊包括工控機(jī)、 USB轉(zhuǎn)串口模塊、單片機(jī)。其中，工控機(jī)以一定的周期發(fā)出讀取指令，通過(guò)USB 轉(zhuǎn)串口模塊與單片機(jī)通訊，單片機(jī)執(zhí)行命令，控制RFID閱讀器發(fā)出射頻信號(hào)。 如果在RFID讀寫(xiě)器的閱讀范圍內(nèi)有RFID標(biāo)簽，則受到激發(fā)的RFID標(biāo)簽發(fā)出攜 帶定位信息的返回信號(hào)。RFID讀寫(xiě)器天線對(duì)返回信號(hào)進(jìn)行接收，將信息返回給 單片機(jī)。單片機(jī)再通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口模塊將信息傳給工控機(jī)。工控機(jī)收到信息，執(zhí) 行程序確定機(jī)器人位置。
定位解析模塊接收射頻信號(hào)接收模塊發(fā)出的RFID讀寫(xiě)器天線和RFID標(biāo) 簽的排布方式以及RFID定位精度的要求，進(jìn)行分析，得出機(jī)器人的理論位置和 定位精度。本發(fā)明采用如下的定位解析進(jìn)行數(shù)據(jù)處理首先，采用RFID讀寫(xiě)器 天線所在平面作為運(yùn)動(dòng)參考平面，考慮RFID標(biāo)簽相對(duì)于RFID閱讀器天線的運(yùn)動(dòng)， 通過(guò)討論相鄰的幾個(gè)標(biāo)簽相對(duì)于RFID閱讀器天線所呈現(xiàn)的幾類不同位形得出定 為解析方法。根據(jù)落在RFID讀寫(xiě)器內(nèi)的標(biāo)簽的個(gè)數(shù)的不同，分以下四種情況1) 三個(gè)兩兩相鄰的RFID標(biāo)簽分別落在三個(gè)不同的RFID讀寫(xiě)器的讀寫(xiě)范圍內(nèi)；2) 相鄰的兩個(gè)RFID標(biāo)簽落在相鄰兩個(gè)的RFID讀寫(xiě)器范圍內(nèi)；3)相鄰的兩個(gè)RFID 標(biāo)簽落在對(duì)角的兩個(gè)的RFID讀寫(xiě)器范圍內(nèi)；4) 一個(gè)RFID標(biāo)簽落在某個(gè)RFID 讀寫(xiě)器的讀寫(xiě)范圍內(nèi)。然后，對(duì)于三個(gè)標(biāo)簽落在讀寫(xiě)器讀寫(xiě)范圍內(nèi)的情況，用其 所圍成正三角形的重心作為等效定位點(diǎn)，對(duì)于兩個(gè)標(biāo)簽落在讀寫(xiě)器讀寫(xiě)范圍內(nèi)的 情況用兩個(gè)標(biāo)簽連線的中點(diǎn)作為等效定位點(diǎn)，對(duì)于一個(gè)標(biāo)簽落在讀寫(xiě)器讀寫(xiě)范圍 內(nèi)的情況就以標(biāo)簽自身作為等效定位點(diǎn)。最后，在上述四種不同定位情況的約束 下，用作圖法或程序遍歷得到等效定位點(diǎn)的所有可能到達(dá)的位置的集合，此集合 為一個(gè)平面區(qū)域，將此區(qū)域的重心作為機(jī)器人的理論定位位置，用重心到其平面 區(qū)域邊界的最大距離表征定位精度。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用四個(gè)RFID讀寫(xiě)器進(jìn)行定位時(shí)，在給定的讀寫(xiě) 器布置和標(biāo)簽的布置方式下，與一個(gè)讀寫(xiě)器相比，某幾個(gè)讀寫(xiě)器同時(shí)讀到一組標(biāo) 簽信息所要服從的約束條件更多了，就減少位置等價(jià)的可能性，可以提高定位精度，并且本發(fā)明可以完成對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的準(zhǔn)確定位


圖l為RFID閱讀器設(shè)置圖，其中I、 II、 III、 IV為4個(gè)閱讀器； 圖2為RFID標(biāo)簽排布圖； 圖3為數(shù)據(jù)處理流程圖4為某3個(gè)RFID標(biāo)簽進(jìn)入RFID讀寫(xiě)器I1、 III、 IV的讀寫(xiě)區(qū)域時(shí)的定 位結(jié)果圖5為某2個(gè)RFID標(biāo)簽進(jìn)入RFID讀寫(xiě)器III、 IV的讀寫(xiě)區(qū)域時(shí)的定位結(jié) 果圖6為某2個(gè)RFID標(biāo)簽進(jìn)入RFID讀寫(xiě)器I、III的讀寫(xiě)區(qū)域時(shí)的定位結(jié)果
圖7為某1個(gè)RFID標(biāo)簽進(jìn)入RFID讀寫(xiě)器I的讀寫(xiě)區(qū)域時(shí)的定位結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于 下述的實(shí)施例。
本實(shí)施例包括本發(fā)明包括RFID讀寫(xiě)器、RFID讀寫(xiě)器天線、RFID標(biāo)簽、數(shù)據(jù) 信號(hào)處理模塊和定位解析模塊。
本實(shí)施例選用四個(gè)短距離RFID讀寫(xiě)器，最大讀寫(xiě)距離為5-7厘米。RFID讀 寫(xiě)器天線邊長(zhǎng)為10cm，將RFID讀寫(xiě)器天線拼成邊長(zhǎng)為20cm的大正方形。如圖1 所示右上為RFID讀寫(xiě)器I，左上為RFID讀寫(xiě)器II，左下為RFID讀寫(xiě)器III， 右下為RFID讀寫(xiě)器IV，形成四個(gè)獨(dú)立的讀寫(xiě)區(qū)域。將RFID閱讀器安置在機(jī)器 人底盤(pán)上，保持大正方形中心與機(jī)器人底盤(pán)中心重合、RFID閱讀器天線距地面 距離剛好在RFID閱讀器的讀寫(xiě)范圍內(nèi)。如圖2所示，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間的地面 上，以正三角形鑲嵌的模式排列標(biāo)簽。正三角形頂點(diǎn)處放置標(biāo)簽，相鄰標(biāo)簽間的 距離即正三角形的邊長(zhǎng)與RFID讀寫(xiě)器的正方形區(qū)域的邊長(zhǎng)長(zhǎng)度相等，為20cm。
數(shù)據(jù)處理模塊包括工控機(jī)、USB轉(zhuǎn)串口模塊、單片機(jī)。如圖3，工控機(jī)發(fā)出 讀取指令，通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口模塊與單片機(jī)通訊，單片機(jī)執(zhí)行命令控制RFID閱讀 器發(fā)出射頻信號(hào)。如果在RFID讀寫(xiě)器的閱讀范圍內(nèi)有RFID標(biāo)簽，則受到激發(fā)的RFID標(biāo)簽發(fā)出攜帶定位信息的返回信號(hào)。RFID讀寫(xiě)器對(duì)返回信息進(jìn)行接收，將 信息返回給單片機(jī)。單片機(jī)再通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口模塊將信息傳給工控機(jī)。工控機(jī)收 到信息，執(zhí)行程序確定機(jī)器人位置。
本實(shí)施例的定為解析模塊，采用RFID讀寫(xiě)器天線所在平面作為運(yùn)動(dòng)參考平 面，通過(guò)討論相鄰的幾個(gè)標(biāo)簽相對(duì)于RFID閱讀器天線所呈現(xiàn)的幾類不同位形得 出定為解析方法。
如圖4中所示，假定某3個(gè)RFID標(biāo)簽進(jìn)入RFID讀寫(xiě)器II、RFID讀寫(xiě)器III、 RFID讀寫(xiě)器IV的讀寫(xiě)區(qū)域。圖中方形點(diǎn)B為RFID標(biāo)簽，圓形點(diǎn)參為三個(gè)標(biāo)簽 圍成的正三角形的重心，即等效定位點(diǎn)。三個(gè)標(biāo)簽圍成的正三角形相對(duì)于RFID 讀寫(xiě)器天線所在平面在定位情況的約束下運(yùn)動(dòng)，將圓形點(diǎn)參即正三角形重心的所 有可能位置集合，形成圖中陰影區(qū)域。此陰影區(qū)域重心即為機(jī)器人定位位置，重 心到邊界的最大距離可用來(lái)表征機(jī)器人的定位精度。
如圖5中所示，假定某2個(gè)RFID標(biāo)簽進(jìn)入RFID讀寫(xiě)器III、IV的讀寫(xiě)區(qū)域。 圖中方形點(diǎn)固為RFID標(biāo)簽，圓形點(diǎn)參為兩個(gè)標(biāo)簽連線中點(diǎn)，即等效定位點(diǎn)。兩 個(gè)標(biāo)簽組成的線段相對(duì)于讀寫(xiě)器線圈所在平面在定位情況的約束下運(yùn)動(dòng)，將圓形 點(diǎn)參即兩標(biāo)簽連線中點(diǎn)的所有可能位置疊加形成圖中陰影區(qū)域。此陰影區(qū)域重心 即為機(jī)器人定位位置，重心到邊界的最大距離可用來(lái)表征機(jī)器人的定位精度。
如圖6中所示，假定某2個(gè)RFID標(biāo)簽分別進(jìn)入RFID讀寫(xiě)器I、 III的讀寫(xiě) 區(qū)域。圖中方形點(diǎn)B為RFID標(biāo)簽，圓形點(diǎn)參為兩個(gè)標(biāo)簽連線中點(diǎn)，即等效定位 點(diǎn)。兩個(gè)標(biāo)簽組成的線段相對(duì)于讀寫(xiě)器線圈所在平面在定位情況的約束下運(yùn)動(dòng)， 將圓形點(diǎn)參即兩標(biāo)簽連線中點(diǎn)的所有可能位置疊加形成圖中陰影區(qū)域。此陰影區(qū) 域重心即為機(jī)器人定位位置，重心到邊界的最大距離可用來(lái)表征機(jī)器人的定位精 度。
如圖7中所示，假定有某1個(gè)RFID標(biāo)簽進(jìn)入RFID讀寫(xiě)器I的讀寫(xiě)區(qū)域。 圖中方形點(diǎn)睡為RFID標(biāo)簽，在這種定位情況下，這個(gè)標(biāo)簽即是等效定位點(diǎn)。此 標(biāo)簽相對(duì)于讀寫(xiě)器線圈所在平面在定位情況的約束下運(yùn)動(dòng)，將其所有可能位置疊 加形成圖中陰影區(qū)域。此陰影區(qū)域重心即為機(jī)器人定位位置，重心到邊界的最大 距離可用來(lái)表征機(jī)器人的定位精度。
由對(duì)稱性可以推導(dǎo)得出同一類別內(nèi)其他的定位結(jié)果。本實(shí)施例將四個(gè)RFID讀寫(xiě)器及其天線安置于機(jī)器人底盤(pán)，將RFID閱讀器安 置在機(jī)器人底盤(pán)上，保持大正方形中心與機(jī)器人底盤(pán)中心重合、RFID閱讀器天 線距地面距離剛好在RFID閱讀器的讀寫(xiě)范圍內(nèi)，通過(guò)RFID讀寫(xiě)器讀取RFID標(biāo) 簽中的信息來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的定位，能夠?qū)崿F(xiàn)自主移動(dòng)機(jī)器人在室內(nèi)環(huán)境中進(jìn) 行定位且成本又相對(duì)較低。
權(quán)利要求
1、一種RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)，其特征在于包括RFID讀寫(xiě)器、RFID讀寫(xiě)器天線、RFID標(biāo)簽、數(shù)據(jù)信號(hào)處理模塊和定位解析模塊，其中RFID讀寫(xiě)器設(shè)置在機(jī)器人底盤(pán)，RFID讀寫(xiě)器天線的形狀為正方形，RFID標(biāo)簽作為定位參考點(diǎn)，以正三角形鑲嵌的方式鋪滿整個(gè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平面，RFID讀寫(xiě)器讀取RFID標(biāo)簽中的信息，并將信息傳給數(shù)據(jù)信號(hào)處理模塊；數(shù)據(jù)信號(hào)處理模塊通過(guò)讀取指令，控制RFID閱讀器發(fā)出射頻信號(hào)，并接收RFID讀寫(xiě)器天線返回的信號(hào)，確定機(jī)器人的位置；定位解析模塊接收射頻信號(hào)接收模塊發(fā)出的RFID讀寫(xiě)器天線和RFID標(biāo)簽的排布方式以及RFID定位精度的要求，進(jìn)行分析，得出機(jī)器人的理論位置和定位精度；所述的RFID讀寫(xiě)器數(shù)目為四個(gè)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)。其特征是，所述的RFID讀 寫(xiě)器天線數(shù)目為四個(gè)，拼成一個(gè)大正方形，大正方形的中心與底盤(pán)中心重合，調(diào) 整并保持RFID閱讀器天線與地面的垂直距離在RFID讀寫(xiě)器的讀寫(xiě)范圍之內(nèi)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)，其特征是，所述數(shù)據(jù)信號(hào)處 理模塊包括工控機(jī)、USB轉(zhuǎn)串口模塊、單片機(jī)，其中工控機(jī)發(fā)出讀取指令，通 過(guò)USB轉(zhuǎn)串口模塊與單片機(jī)通訊，單片機(jī)執(zhí)行命令控制RFID閱讀器發(fā)出射頻信 號(hào)；如果在RFID讀寫(xiě)器的閱讀范圍內(nèi)有RFID標(biāo)簽，則受到激發(fā)的RFID標(biāo)簽發(fā) 出攜帶定位信息的返回信號(hào)；RFID讀寫(xiě)器將定位信息返回給單片機(jī)，單片機(jī)再 通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口模塊傳給工控機(jī)，工控機(jī)收到數(shù)據(jù)執(zhí)行程序確定機(jī)器人位置。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)，其特征在于，所述RFID標(biāo) 簽之間的距離即正三角形的邊長(zhǎng)，與四個(gè)RFID讀寫(xiě)器天線圍成的大正方形讀寫(xiě) 區(qū)域的邊長(zhǎng)長(zhǎng)度一致。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電信技術(shù)領(lǐng)域的RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)。本發(fā)明用RFID標(biāo)簽作為定位參考點(diǎn)，按正三角形鑲嵌的方式將RFID標(biāo)簽布置于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平面。通過(guò)單片機(jī)控制四個(gè)RFID讀寫(xiě)器讀取RFID標(biāo)簽中的信息，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后根據(jù)本發(fā)明提出的定位解析得到機(jī)器人的定位信息及定位精度。在不同的定位信息約束條件下對(duì)機(jī)器人理論位置及定位精度的進(jìn)行求解、分析，并求出不同情況下等效定位點(diǎn)的所有可能位置形成的區(qū)域，根據(jù)此區(qū)域得出機(jī)器人理論位置及定位精度。本方案特點(diǎn)是成本低，設(shè)備普遍，易于購(gòu)置，定位原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，受環(huán)境影響程度低，特別適用于室內(nèi)環(huán)境或光線條件不佳的工作環(huán)境，具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01S13/74GK101551454SQ200910051180
公開(kāi)日2009年10月7日 申請(qǐng)日期2009年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月14日
發(fā)明者冷春濤, 夏若冰, 曹其新, 王瀧皓, 陳其洲 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)