基于RFID的AGV定位與導(dǎo)引研究.pdf

1、AGV(Automated Guided Vehicle)是一種可廣泛運(yùn)行于倉(cāng)庫(kù)、碼頭、生產(chǎn)車(chē)間等場(chǎng)所的無(wú)人駕駛自動(dòng)搬運(yùn)車(chē)，是現(xiàn)代物流技術(shù)的代表性設(shè)備，其關(guān)鍵技術(shù)之一是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位與導(dǎo)引。目前，AGV多采用激光制導(dǎo)、慣性制導(dǎo)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)的定位成本昂貴。同時(shí)，由于光污染等現(xiàn)場(chǎng)因素，使得其廣泛應(yīng)用受到局限。而RFID(Radio Frequency Identification)作為一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，除實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)、超視距識(shí)別外，利用其

2、電磁特性實(shí)現(xiàn)定位已受到廣泛關(guān)注。特別是隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的興起和其應(yīng)用技術(shù)的深入發(fā)展，作為其關(guān)鍵技術(shù)的RFID將更加普及，相關(guān)技術(shù)與設(shè)備的應(yīng)用成本將越來(lái)越低廉。研究基于RFID的AGV定位與導(dǎo)引技術(shù)和方法，具有理論和現(xiàn)實(shí)意義。
　　 本文研究了AGV現(xiàn)行定位與導(dǎo)引技術(shù)存在的不足以及不同場(chǎng)景下AGV的定位與導(dǎo)引要求；通過(guò)對(duì)RFID系統(tǒng)原理的深入研究，分析了現(xiàn)行RFID定位理論與方法存在的不足；分別針對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)RFID系統(tǒng)，首次提出了

3、“基于方向函數(shù)求解的誤差抑制定位法”和“基于磁場(chǎng)等場(chǎng)線的精確覆蓋定位法”，并對(duì)上述方法進(jìn)行了分析與證明。同時(shí)，依據(jù)上述方法提出可實(shí)施的基于遠(yuǎn)場(chǎng)有源、遠(yuǎn)場(chǎng)無(wú)源和近場(chǎng)RFID的AGV定位與導(dǎo)引系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與仿真。
　　 (1)“基于方向函數(shù)求解的誤差抑制定位法”與應(yīng)用研究
　　 針對(duì)現(xiàn)行遠(yuǎn)場(chǎng)RFID系統(tǒng)定位中，采用接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)及其路徑損耗模型定位精度嚴(yán)重偏低的問(wèn)題，本文首次提出了“基于方向函數(shù)求解

4、的誤差抑制定位法”：依據(jù)讀寫(xiě)器天線測(cè)得的標(biāo)簽信號(hào)強(qiáng)度值，可以確定一個(gè)對(duì)應(yīng)于方向函數(shù)的等場(chǎng)線方程，求解三個(gè)以上的等場(chǎng)線方程確定待測(cè)目標(biāo)的位置，實(shí)現(xiàn)定位；通過(guò)對(duì)影響接收信號(hào)強(qiáng)度的各種原因的分析，消除和抑制產(chǎn)生誤差的因素，提高定位精度。
　　 針對(duì)現(xiàn)行的路徑損耗模型只考慮RSSI與距離的關(guān)系而忽視天線方向性特性對(duì)RSSI影響的現(xiàn)象，首次提出了基于方向函數(shù)的遠(yuǎn)場(chǎng)電場(chǎng)功率等場(chǎng)線求解方法，從理論上消除產(chǎn)生誤差的根源：環(huán)境反射產(chǎn)生的多徑效應(yīng)是

5、室內(nèi)環(huán)境下影響接收信號(hào)強(qiáng)度的主要因素，本文首次提出利用第一零點(diǎn)功率波瓣角小于入射角余角的方法消除主反射信號(hào)進(jìn)而抑制多徑效應(yīng)產(chǎn)生的誤差；通過(guò)增加可控的反射器來(lái)抑制天線后側(cè)的反射影響及控制信號(hào)覆蓋范圍來(lái)抑制天線遠(yuǎn)端方向的反射影響；首次從微觀上考慮跳頻對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的影響并提出抑制辦法；分析了電磁環(huán)境對(duì)無(wú)源系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，并提出了抑制措施。
　　 針對(duì)有源RFID系統(tǒng)，分析了Friis傳輸方程及其影響因素，提出了標(biāo)簽車(chē)載移動(dòng)、讀寫(xiě)器天線陣

6、列固定布置的AGV定位與導(dǎo)引系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。車(chē)載標(biāo)簽采用8單元道爾夫.切比雪夫天線陣，并由AGV直接供電，解決有源系統(tǒng)信息發(fā)送時(shí)間間隔長(zhǎng)不能實(shí)時(shí)定位和電池輸入功率變化產(chǎn)生定位誤差的問(wèn)題；讀寫(xiě)器天線采用道爾夫一切比雪夫天線陣加平板反射器，抑制垂直反射和水平反射引起的誤差；按讀寫(xiě)器讀得的同一標(biāo)簽的四個(gè)最大天線信號(hào)強(qiáng)度有效值，確定等場(chǎng)線方程組，并兩兩求解，選擇6個(gè)有效值，取幾何中心為最后定位位置，以提高定位精度。該系統(tǒng)可用于自由路徑導(dǎo)引和固定路

7、徑導(dǎo)引，且適合于多車(chē)輛運(yùn)行的環(huán)境，并有計(jì)算量少、成本低廉的特點(diǎn)。
　　 針對(duì)無(wú)源系統(tǒng)，分析了雷達(dá)反向散射方程及其影響因素，特別是標(biāo)簽散射面積的影響，提出了讀寫(xiě)器車(chē)載移動(dòng)、標(biāo)簽陣列固定布置的AGV定位與導(dǎo)引系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。標(biāo)簽采用普通對(duì)稱(chēng)振子無(wú)源標(biāo)簽、豎直等間距布置在車(chē)輛行駛路徑的一側(cè)或兩側(cè)。車(chē)載讀寫(xiě)器移動(dòng)天線采用道爾夫-切比雪夫天線陣加夾角反射器得到線極化定向信號(hào)，并抑制垂直反射、水平反射和環(huán)境反射；讀寫(xiě)器可以有效覆蓋到三個(gè)以上的

8、標(biāo)簽，根據(jù)識(shí)讀標(biāo)簽及其信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算每個(gè)標(biāo)簽相對(duì)讀寫(xiě)器天線的等場(chǎng)線方程，聯(lián)立求解得到AGV的位置，實(shí)現(xiàn)定位與導(dǎo)引。該系統(tǒng)適合于環(huán)境比較復(fù)雜的場(chǎng)合，用于固定路徑導(dǎo)引。
　　 (2)“基于磁場(chǎng)等場(chǎng)線的精確覆蓋定位法”與應(yīng)用研究
　　 針對(duì)近場(chǎng)耦合RFID系統(tǒng)的工作原理和基本特點(diǎn)，以及近場(chǎng)RFID系統(tǒng)一般只作識(shí)讀性定位的現(xiàn)狀，本文首次提出了“基于磁場(chǎng)等場(chǎng)線的精確覆蓋定位法”：根據(jù)AGV定位與導(dǎo)引的要求，按照一定的條件設(shè)計(jì)出近場(chǎng)天

9、線，水平安裝在AGV底部，使其覆蓋在地面的磁場(chǎng)等場(chǎng)線形成一個(gè)精確穩(wěn)定的圓。利用正多邊形的外接圓與其幾何中心重合的幾何特性，以正三角形等間距布置標(biāo)簽，使?jié)M足啟動(dòng)標(biāo)簽識(shí)讀的閱讀器天線磁場(chǎng)等場(chǎng)線圓恰好覆蓋標(biāo)簽三角形，實(shí)現(xiàn)精確定位。
　　 首次提出并證明了圓環(huán)天線線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)沿其垂直方向的等場(chǎng)面平行截線是一個(gè)圓；通過(guò)對(duì)空間磁場(chǎng)等場(chǎng)線極值點(diǎn)與距離的關(guān)系進(jìn)行分析，證明存在一個(gè)合適的區(qū)域，其等場(chǎng)線圓是一個(gè)穩(wěn)定的圓；通過(guò)分析垂直方向的磁場(chǎng)與線

10、圈直徑、距離的關(guān)系，證明該圓是一個(gè)精確的圓；研究了等場(chǎng)線圓的半徑以及標(biāo)簽間距、標(biāo)簽尺寸等對(duì)定位精度的影響。
　　 按照上述方法，根據(jù)AGV系統(tǒng)運(yùn)行要求設(shè)計(jì)了基于近場(chǎng)RFID的AGV定位與導(dǎo)引系統(tǒng)：在車(chē)輛底部裝載不同直徑的RFID讀寫(xiě)器天線，其中行駛天線選擇大直徑圓環(huán)線圈，使其有較大的覆蓋范圍，用于車(chē)輛行駛的定位與導(dǎo)引，以達(dá)到高效低成本的目的；停位天線由小直徑圓環(huán)線圈組成，用于AGV的精確定位和姿態(tài)校正；與此對(duì)應(yīng)，地面等間距布置相