本發(fā)明屬于通信
技術(shù)領(lǐng)域：
，主要涉及RFID識(shí)別和定位技術(shù)以及超聲波測(cè)距技術(shù)，具體來(lái)說(shuō)是一種多點(diǎn)融合RFID定位和超聲波測(cè)距的定位方法，用于機(jī)器人在室內(nèi)小范圍內(nèi)對(duì)自身進(jìn)行定位的方法。
背景技術(shù)：
：機(jī)器人發(fā)展日新月異，這種自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置既可以接受人類(lèi)指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)人工智能技術(shù)指定的原則行動(dòng)，從而協(xié)助或取代人類(lèi)的一些工作。而我們?nèi)粘Ｉ罱?jīng)常接觸到的，往往是室內(nèi)機(jī)器人技術(shù)。它與我們生活息息相關(guān)，給我們的生活帶來(lái)很大的幫助，已經(jīng)成為未來(lái)生活不可分割的一部分。室內(nèi)機(jī)器人移動(dòng)過(guò)程中，有三個(gè)主要的問(wèn)題：在哪里，去哪里，怎么去。而這些問(wèn)題的核心，就是室內(nèi)機(jī)器人定位技術(shù)。在GPS無(wú)法工作的室內(nèi)環(huán)境里，Wi-Fi地理定位就成了一項(xiàng)替代技術(shù)，在存在Wi-Fi接入點(diǎn)的地方，其定位精度可達(dá)20米，但是卻無(wú)法準(zhǔn)確地顯示用戶(hù)的位置。藍(lán)牙技術(shù)則是一種微觀層次上的技術(shù)，許多建筑物內(nèi)都在使用這項(xiàng)技術(shù)?！叭蚨ㄎ幌到y(tǒng)—Wi-Fi—藍(lán)牙—射頻識(shí)別技術(shù)”串起了定位技術(shù)發(fā)展的主線，設(shè)備中的傳感器，如陀螺儀、羅盤(pán)、加速計(jì)等都可以為導(dǎo)航和追蹤提供輔助數(shù)據(jù)，因此基于傳感器定位成為了現(xiàn)階段普遍室內(nèi)的主要定位技術(shù)。而作為常用定位傳感器的RFID，在傳統(tǒng)的定位技術(shù)中起著至關(guān)重要的作用，在傳統(tǒng)的RFID傳感器定位中，往往采用的是RFID三點(diǎn)定位，其具體方法是已知三個(gè)RFID傳感器的位置坐標(biāo)，通過(guò)信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量得到三個(gè)RFID傳感器分別與目標(biāo)標(biāo)簽的距離，通過(guò)已知點(diǎn)坐標(biāo)與到目標(biāo)點(diǎn)距離列方程求解，從而得到目標(biāo)點(diǎn)位置。但是通常得到三個(gè)圓相交成一個(gè)區(qū)域而不是交于一點(diǎn)。針對(duì)這種情況，解決方案為計(jì)算三個(gè)圓相交的區(qū)域的質(zhì)心。這種傳統(tǒng)的RFID單獨(dú)進(jìn)行室內(nèi)定位的缺點(diǎn)則是：受環(huán)境影響較大，誤差較大，且計(jì)算過(guò)程復(fù)雜。為了克服利用RFID單獨(dú)進(jìn)行室內(nèi)定位的種種缺陷，張璐陽(yáng)等在信息通信2011(3)：99-100期刊上發(fā)表的名為《基于超聲波測(cè)距的RFID監(jiān)控方案》的文章中，他提出了一種將RFID和超聲波傳感器結(jié)合起來(lái)，共同進(jìn)行室內(nèi)定位的方法，主要內(nèi)容是對(duì)于所需要定位的物品，都分配一個(gè)RFID標(biāo)簽。在室內(nèi)四角裝上RFID傳感器，每個(gè)RFID傳感器雖然只有有限的識(shí)別監(jiān)控范圍，但是可以通過(guò)部署RFID的配置方案，讓房間內(nèi)的每個(gè)RFID標(biāo)簽都能至少接收2個(gè)RFID傳感器的識(shí)別信號(hào)，獲得其位置信息，并通過(guò)顯示器顯示出來(lái)。當(dāng)帶有RFID標(biāo)簽的物品進(jìn)入房間或者在房間內(nèi)移動(dòng)時(shí)，室內(nèi)的RFID傳感器會(huì)自動(dòng)識(shí)別，獲取其相關(guān)信息。同時(shí)，超聲波定位模塊會(huì)不斷跟蹤其位置，并不斷反饋到中央處理單元，可實(shí)時(shí)地進(jìn)行監(jiān)控和跟蹤保護(hù)。這種方法雖然解決了RFID傳感器和超聲波傳感器單獨(dú)定位方法的誤差和精度問(wèn)題，但是卻需要多個(gè)RFID傳感器進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，同時(shí)需要設(shè)置多個(gè)超聲波發(fā)射點(diǎn)進(jìn)行定位。其自身的缺點(diǎn)是：針對(duì)不同的實(shí)際需求靈活性較差，數(shù)據(jù)處理過(guò)程依然復(fù)雜。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提出了一種基于多點(diǎn)RFID結(jié)合超聲波的室內(nèi)機(jī)器人定位方法，用于解決現(xiàn)有RFID結(jié)合超聲波的機(jī)器人室內(nèi)定位方法中存在的針對(duì)不同的實(shí)際需求靈活性較差，數(shù)據(jù)處理過(guò)程復(fù)雜的問(wèn)題。本發(fā)明方法的思路是：利用機(jī)器人上的RFID傳感器測(cè)量其與RFID標(biāo)簽之間的距離；利用機(jī)器人上的RFID傳感器到多點(diǎn)RFID標(biāo)簽之間距離，求取機(jī)器人當(dāng)前位置多個(gè)待定坐標(biāo)值；利用賦權(quán)值比例算法，對(duì)機(jī)器人當(dāng)前位置的多個(gè)待定坐標(biāo)值進(jìn)行加權(quán)求和，得到機(jī)器人當(dāng)前待定位置的橫向坐標(biāo)；利用機(jī)器人上的超聲波傳感器，測(cè)量與其平行的室內(nèi)墻面之間的距離，得到機(jī)器人當(dāng)前待定位置的縱向坐標(biāo)；將得到機(jī)器人當(dāng)前待定位置的橫向坐標(biāo)和得到的縱向坐標(biāo)結(jié)合，得到機(jī)器人當(dāng)前待定位置的最終坐標(biāo)。根據(jù)上述技術(shù)思路，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的采取的技術(shù)方案為：一種基于多點(diǎn)RFID結(jié)合超聲波的室內(nèi)機(jī)器人定位方法，包括如下步驟：1)利用機(jī)器人上的RFID傳感器測(cè)量其與RFID標(biāo)簽之間的距離，實(shí)現(xiàn)步驟為：1a)機(jī)器人上的RFID傳感器對(duì)室內(nèi)墻壁上水平均勻設(shè)置的N個(gè)RFID標(biāo)簽進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度值測(cè)量，得到N個(gè)信號(hào)強(qiáng)度值p(dm)，其中m表示N個(gè)RFID標(biāo)簽中第m個(gè)RFID標(biāo)簽，d表示RFID標(biāo)簽和RFID傳感器之間的距離，p(d)表示RFID傳感器接收到的信號(hào)強(qiáng)度；1b)從得到的N個(gè)信號(hào)強(qiáng)度值p(dm)中，任意選取兩個(gè)RFID標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度值p(da)和p(db)，其中a表示N個(gè)RFID標(biāo)簽中第a個(gè)RFID標(biāo)簽；b表示N個(gè)RFID標(biāo)簽中第b個(gè)RFID標(biāo)簽；1c)將兩個(gè)信號(hào)強(qiáng)度值p(da)和p(db)，代入對(duì)數(shù)—常態(tài)分布傳播損耗模型，得到當(dāng)前室內(nèi)環(huán)境的信號(hào)傳播常量n：n＝(p(da)-p(db))/10lg(db/da)其中，p(da)為RFID傳感器接收到距離為da的標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度；p(db)為RFID傳感器接收到距離為db的標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度；1d)將得到的信號(hào)傳播常量n，再次代入對(duì)數(shù)—常態(tài)分布傳播損耗模型，得到當(dāng)前室內(nèi)環(huán)境下機(jī)器人上的RFID傳感器與RFID標(biāo)簽之間的距離：d=da10[P(da)-P(d)]/10n]]>2)利用機(jī)器人上的RFID傳感器到多點(diǎn)RFID標(biāo)簽之間距離最短的一個(gè)RFID標(biāo)簽坐標(biāo)(xmin,ymin)，和剩余的N-1個(gè)RFID標(biāo)簽坐標(biāo)(xi,yi)，求取機(jī)器人當(dāng)前位置的N-1個(gè)待定坐標(biāo)值，其中，i表示N-1個(gè)RFID標(biāo)簽坐標(biāo)中第i個(gè)的RFID標(biāo)簽坐標(biāo)；3)利用賦權(quán)值比例算法，對(duì)機(jī)器人當(dāng)前位置的N-1個(gè)待定坐標(biāo)值進(jìn)行加權(quán)求和，得到機(jī)器人當(dāng)前待定位置的橫向坐標(biāo)；4)利用機(jī)器人上的超聲波傳感器，測(cè)量與其平行的室內(nèi)墻面之間的距離，得到機(jī)器人當(dāng)前待定位置的縱向坐標(biāo)；5)將步驟3)得到機(jī)器人當(dāng)前待定位置的橫向坐標(biāo)和步驟4)得到機(jī)器人當(dāng)前待定位置的縱向坐標(biāo)結(jié)合，得到機(jī)器人當(dāng)前待定位置的最終坐標(biāo)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.本發(fā)明在獲取機(jī)器人當(dāng)前待定位置的最終坐標(biāo)的過(guò)程中，采用將RFID和超聲波傳感器放置在機(jī)器人上的方式，可根據(jù)不同的精度要求以及定位范圍實(shí)際情況，只對(duì)RFID標(biāo)簽進(jìn)行部署，RFID標(biāo)簽之間的間隔距離以及標(biāo)簽的數(shù)量都可以根據(jù)實(shí)際需要來(lái)規(guī)定和調(diào)整，與現(xiàn)有的將RFID傳感器和超聲波傳感器固定在室內(nèi)，不能隨時(shí)調(diào)節(jié)所要求的精度的RFID結(jié)合超聲波定位的方法相比，有較強(qiáng)的靈活性。2.本發(fā)明由于在獲取機(jī)器人當(dāng)前待定位置的最終坐標(biāo)的過(guò)程中，采用賦權(quán)值比例算法計(jì)算橫坐標(biāo)，采用超聲波測(cè)距的方法直接測(cè)出機(jī)器人距離墻壁的距離，即可以直接得出縱坐標(biāo)，將橫縱坐標(biāo)結(jié)合即可以得到最終的坐標(biāo)，而現(xiàn)有的RFID結(jié)合超聲波的機(jī)器人室內(nèi)定位方法中，其橫縱坐標(biāo)皆是通過(guò)分析多個(gè)RFID和多個(gè)超聲波傳感器的已知坐標(biāo)以及分別與待測(cè)目標(biāo)的距離，通過(guò)質(zhì)心法計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)，與現(xiàn)有的RFID結(jié)合超聲波的機(jī)器人室內(nèi)定位方法相比，有效的簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)處理的過(guò)程。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)流程框圖；圖2是本發(fā)明與機(jī)器人當(dāng)前位置的實(shí)際測(cè)量坐標(biāo)的仿真對(duì)比圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。參照?qǐng)D1，本發(fā)明包括如下步驟：步驟1，利用機(jī)器人上的RFID傳感器測(cè)量其與RFID標(biāo)簽之間的距離，實(shí)現(xiàn)步驟為：1a)根據(jù)不同環(huán)境或者精度需求，選取適當(dāng)?shù)腞FID標(biāo)簽之間的間隔距離以及數(shù)量。若想精度高，則選取的間隔距離短；若想測(cè)量的范圍廣，則選取的標(biāo)簽數(shù)量多。在此次實(shí)施例中，在墻壁上均勻間隔10cm貼上10個(gè)RFID標(biāo)簽，因?yàn)镽FID傳感器測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度是與傳感器與RFID標(biāo)簽之間的角度是有關(guān)系的，所以調(diào)整機(jī)器人上的RFID傳感器，使其與室內(nèi)墻壁上水平均勻設(shè)置的10個(gè)RFID標(biāo)簽的高度相等，RFID傳感器對(duì)室內(nèi)墻壁上水平均勻設(shè)置的10個(gè)RFID標(biāo)簽進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度值測(cè)量，得到10個(gè)信號(hào)強(qiáng)度值p(di)；1b)從得到的10個(gè)信號(hào)強(qiáng)度值p(di)中，任意選取兩個(gè)RFID標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度值p(d1)和p(d2)；1c)將兩個(gè)信號(hào)強(qiáng)度值p(d1)和p(d2)，代入對(duì)數(shù)—常態(tài)分布傳播損耗模型，其表達(dá)式為：P(d2)＝P(d1)-10nlg(d2/d1)-Xσ，其中，Xσ是平均值為0的高斯分布隨即變量，即為信號(hào)穿過(guò)障礙物的衰減。進(jìn)行代數(shù)變換得到當(dāng)前室內(nèi)環(huán)境的信號(hào)傳播常量n：n＝(P(d1)-P(d2))/10lg(d2/d1)利用已經(jīng)測(cè)得的數(shù)據(jù)求出n并求n的平均值，得到n＝1.9914；其中，p(d1)為RFID閱讀器接收到距離為d1的標(biāo)簽發(fā)送回來(lái)的信號(hào)強(qiáng)度；p(d2)為RFID閱讀器接收到距離為d2的標(biāo)簽發(fā)送回來(lái)的信號(hào)強(qiáng)度；1d)將得到的信號(hào)傳播常量n，再次代入對(duì)數(shù)—常態(tài)分布傳播損耗模型，得到當(dāng)前室內(nèi)環(huán)境下機(jī)器人上的RFID傳感器與RFID標(biāo)簽之間的距離：d=d110[P(d1)-P(d)]/10n=d110[P(d1)-P(d)]/19.914]]>步驟2，建立平面直角坐標(biāo)系，在墻壁上選取適當(dāng)?shù)奈恢米鳛樵c(diǎn)，機(jī)器人垂直于墻壁的垂足距原點(diǎn)的距離即橫坐標(biāo)，機(jī)器人到墻壁的距離即縱坐標(biāo)，利用機(jī)器人上的RFID傳感器到多點(diǎn)RFID標(biāo)簽之間距離最短的一個(gè)RFID標(biāo)簽坐標(biāo)(xmin,ymin)，和剩余的9個(gè)RFID標(biāo)簽坐標(biāo)(xi,yi)，求取機(jī)器人當(dāng)前位置的9個(gè)待定坐標(biāo)值，i表示9個(gè)RFID標(biāo)簽坐標(biāo)中第i個(gè)的RFID標(biāo)簽坐標(biāo)；利用機(jī)器人上的RFID傳感器到多點(diǎn)RFID標(biāo)簽之間距離最短的一個(gè)RFID標(biāo)簽坐標(biāo)(xmin,ymin)，和剩余的9個(gè)RFID標(biāo)簽坐標(biāo)(xi,yi)，列9個(gè)方程組并求解，求取機(jī)器人當(dāng)前位置的9個(gè)待定坐標(biāo)值，方程組表達(dá)式為：(x-xmin)2+(y-ymin)2=dmin2(x-xi)2+(y-yi)2=di2]]>其中，dmin表示10個(gè)標(biāo)簽與RFID傳感器之間的最小距離，di表示其余9個(gè)標(biāo)簽中第i個(gè)標(biāo)簽與RFID傳感器之間的距離。步驟3，利用賦權(quán)值比例算法，對(duì)機(jī)器人當(dāng)前位置的9個(gè)待定坐標(biāo)值進(jìn)行加權(quán)求和，得到機(jī)器人當(dāng)前待定位置的橫向坐標(biāo)；3a)由于利用RFID測(cè)較遠(yuǎn)的距離時(shí)，誤差很大，相反測(cè)量短距離的方法比較精確，本實(shí)驗(yàn)所用RFID傳感器可識(shí)別距離小于3米，且在1米內(nèi)測(cè)量精度較高。因此設(shè)定閾值l＝80cm，分別比較閾值l是否大于已測(cè)得的9個(gè)距離值，若是RFID傳感器與RFID標(biāo)簽的距離大于閾值時(shí)認(rèn)為數(shù)據(jù)無(wú)效，對(duì)得到的RFID標(biāo)簽坐標(biāo)(xi,yi)的坐標(biāo)值其賦予權(quán)值為0，否則，對(duì)其賦予不同的權(quán)值，相應(yīng)的權(quán)值函數(shù)為：wi=1di-dminΣi,i≠min,di≤80cm1di-dmindi≤80cm0di>80cm]]>3b)利用步驟3a)得到的機(jī)器人當(dāng)前位置的9個(gè)待定坐標(biāo)值，對(duì)其進(jìn)行加權(quán)求和，其表達(dá)式為：(x,y)=(Σi,i≠minwixi,Σi=i≠minwiyi)]]>對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。機(jī)器人當(dāng)前位置的實(shí)際測(cè)量坐標(biāo)，各個(gè)位置的多點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度值，以及得到的初步計(jì)算坐標(biāo)如下表1所示：表1實(shí)際坐標(biāo)RSSI(信號(hào)強(qiáng)度值)(dBm)計(jì)算坐標(biāo)(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)由上表的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，該方案的計(jì)算出來(lái)的橫坐標(biāo)與實(shí)際橫坐標(biāo)的誤差可以控制在5cm范圍內(nèi)，然而縱坐標(biāo)誤差較大。且縱坐標(biāo)的誤差大小與所處的環(huán)境相關(guān)。因此，采用超聲波傳感器來(lái)確定與其平行的室內(nèi)墻面之間的距離，即機(jī)器人待定位置的縱坐標(biāo)值。步驟4，利用機(jī)器人上的超聲波傳感器，測(cè)量與其平行的室內(nèi)墻面之間的距離，得到機(jī)器人當(dāng)前待定位置的縱向坐標(biāo)，超聲波內(nèi)部模塊將發(fā)出周期電平并檢測(cè)回波，一旦檢測(cè)到回波信號(hào)將輸出回響信號(hào)?；仨懶盘?hào)的脈沖寬度與所測(cè)距離成正比。其測(cè)量原理為：測(cè)量距離＝(回響信號(hào)高電平時(shí)間×聲速)/2。我們可以測(cè)得機(jī)器人到墻壁的距離，誤差范圍可以控制在2cm范圍內(nèi)，滿足精度要求。步驟5，將步驟3得到機(jī)器人當(dāng)前待定位置的橫向坐標(biāo)和步驟4得到機(jī)器人當(dāng)前待定位置的縱向坐標(biāo)結(jié)合，得到機(jī)器人當(dāng)前待定位置的最終坐標(biāo)，其與機(jī)器人當(dāng)前位置的實(shí)際測(cè)量坐標(biāo)的對(duì)比如圖2所示，即本方法計(jì)算的機(jī)器人當(dāng)前位置的坐標(biāo)與其實(shí)際測(cè)量坐標(biāo)的仿真對(duì)比圖。機(jī)器人當(dāng)前位置的實(shí)際測(cè)量坐標(biāo)，各個(gè)位置的多點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度值及超聲波測(cè)量距離值，以及本發(fā)明的計(jì)算坐標(biāo)如表2所示：表2通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于待定點(diǎn)的定位橫坐標(biāo)估算誤差基本可以控制在5cm范圍內(nèi)，而利用超聲波傳感器測(cè)縱坐標(biāo)的誤差范圍可以控制在2cm范圍內(nèi)，因此將超聲波測(cè)距和RFID定位結(jié)合起來(lái)，能方便精準(zhǔn)地確定待定點(diǎn)的最終坐標(biāo)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3