定位算法計算

　　1 信標

　　本文采用RFID 標簽作為信標。根據(jù)RFID 讀寫器識讀標簽可穿透性，對標簽的布置可以放在地下，也可以放在室內(nèi)的天花板上。讀寫器識讀到多個標簽時，根據(jù)RSSI 得知的各個標簽的距離，機器人選4 個最近的距離來進行定位。
　　RFID 標簽信標的選擇原則：帶讀寫器的機器人在運動過程中，可能讀到遠處的多個標簽信號，應(yīng)當采用RSSI 值大的前幾個信標標簽進行定位計算。在保證參與定位計算的信標標簽數(shù)為4 個的情況下，將距離大于100cm(視應(yīng)用環(huán)境而定)的信標標簽去除，以免造成定位誤差擴大。后面進行的仿真計算也證明了這點。
　　在布置標簽的時候，兩個標簽之間的距離設(shè)為讀寫器的準確識讀距離，略小于其最大讀寫距離值，本文中標簽布置間隔為1 米。RFID 在讀取的范圍內(nèi)，由于各種原因(如反射、金屬阻擋、干擾等)對標簽的識別會有一點的偏差。本文中一般情況下能讀到4 個標簽。當可能只讀到3 個時，把該正方形區(qū)域內(nèi)的另外一個標簽到機器人的距離設(shè)為最大值，在本論文中為1;當有其他反射等原因?qū)е伦x取多于4 個時，則選4 個距離最近的標簽，來確定移動機器人的位置。本文中用到的RFID 設(shè)備是工作在2.45GHz 下，讀寫器長寬尺寸為23.6cm×12cm，對其發(fā)射功率設(shè)定，可以設(shè)成4 個等級的讀寫距離，本文設(shè)置為可讀最大距離1.4 米左右。
　　2 機器人定位
　　標簽布置好以后，可以將它的位置(坐標)信息寫入標簽內(nèi)，移動機器人通過讀寫器讀到4 個標簽后，就知道自己到達了哪個區(qū)域，再根據(jù)讀到的標簽的坐標信息以及標簽到機器人的距離，采用極大似然估計法求取機器人的準確坐標位置。
　　

　　圖3 為室內(nèi)標簽布置簡圖，把他們用坐標軸劃分成格子形式，他們之間的間隔距離為1米，如圖每個標簽的坐標都已知，當裝有讀寫器的移動機器人在該區(qū)域內(nèi)運動，就可以讀取到格子內(nèi)鄰近的4 個標簽，通過標簽的信息進而得知鄰近4 個坐標值，根據(jù)RSSI 得到與標簽的相對距離就可以計算出機器人的坐標位置，如圖2。
　　已知4 個標簽的坐標分別為(x1,y1), (x2,y2), (x3,y3),(x4,y4),它們到移動機器人R 的距離分別為d1，d2，d3， d4，假設(shè)裝有讀寫器移動機器人R的坐標為(x，y)。
　　那么，存在下列公式：
　　

　　

　　使用標準的最小均方差估計方法可以得到移動機器人R 的坐標為：

　　本文在UNIX 平臺上用C 語言編程仿真計算RSSI。式(1)中的損耗因子n 取3.2，高斯分布隨機變數(shù)Xσ 的標準差取為4，d0 取0.1m。下表1 為各個數(shù)據(jù)對照，其中實際坐標為隨機選擇機器人的分布坐標;通過RSSI 得到的讀寫器與4 個標簽的距離是通過仿真得到的距離值，表中從上到下的距離值依次和4 個標簽坐標對應(yīng);計算得到的坐標值是根據(jù)式(2)仿真計算得出。
　　圖4 為通過定位算法得出的坐標位置與實際坐標位置的比較圖，圖中的坐標單位為米。
　　圖4 中藍色點為機器人實際的位置坐標點，紅色點為用定位算法得出的機器人相應(yīng)坐標點，各坐標點相應(yīng)的偏差分別為：0.1416、0.0775、0.0124、0.0473、0.9536、0.0067、0.136、0.0619，單位為米，最大偏差不到15cm，最小偏差不到1cm，偏差值在讀寫器尺寸之內(nèi)，可以說該定位方法精確度還是比較高的，采用4 個點來用極大似然定位估計精確度大大提高。
　　從各個點的偏差值來看，通過把RSSI 仿真得到的讀寫器到各個標簽距離值與其實際距離值進行比較，發(fā)現(xiàn)機器人到各個標簽的距離值，對最后定位的精度直接有很大的影響。而極大似然估計是利用到各個標簽的距離值，來計算機器人的坐標位置，精確的坐標值依賴于機器人到各個標簽的距離值。通過多次仿真進行定位計算比較，到4 個標簽距離中若只有一個距離值偏差較大時，如第八個點，它的位置偏差為0.0619 不是很大;而第一和第七個點到3 個標簽距離值都有相對較大的偏差時，它的定位精度就很差，偏差有0.1416 和0.136;第三和第六個點到4 個標簽的距離值偏差都很小時，其定位精度就很高，偏差為0.0124 和0.0067。
　　RFID 定位其他方法
　　將RFID 技術(shù)引用到機器人的定位中，目前已有人在嘗試和研究，主要是結(jié)合視覺來配合RFID技術(shù)進行定位[1] [3]。韓國學者用RFID和視覺結(jié)合[1]讀取布置在室內(nèi)墻壁周圍的標簽，讓機器人在該環(huán)境中沿著標簽布置多次行走，提取特征值進行制圖，機器人獲取環(huán)境信息后，然后用RFID 來進行特征匹配作導航定位。日本學者在機器人做避障移動到定點目標位置時[3]，利用RFID 技術(shù)來識別動態(tài)障礙物進行避障，同時檢測到標簽時，就啟用視覺來判斷各個標的方位角度，然后結(jié)合標簽的相對距離來對移動機器人進行定位，這樣就可以省去大量的視覺圖形采樣分析計算。
　　另外，通過RFID 標簽導航機器人也可以采用如圖5 所示的方式：機器人A 沿著直線ADNM 向前行走，在運動過程中根據(jù)讀到的標簽來確定機器人到達的區(qū)域。區(qū)域范圍的確定：由于能讀到某個標簽都有個識讀半徑為d 的圓，裝備有RFID 讀寫器的機器人在運動中會讀到不同的標簽，再根據(jù)讀到的各個標簽的識讀圓區(qū)域的重疊范圍來確定機器人所到達的位置。如果機器人走偏了，沒有讀到某個該讀的標簽，則控制機器人進行相應(yīng)的位置調(diào)整。如圖5，若機器人走到B 的左上方，不在ABCD 范圍內(nèi)，沒有讀到P、F，則要往右調(diào)整。該方法為區(qū)域定位，精度不高，但是簡單實用?？梢栽跈C器人上加其他傳感器(如電子指南針)來進行改進，作更精確的定位。
　　結(jié)論
　　隨著RFID 技術(shù)的快速發(fā)展，與機器人的結(jié)合應(yīng)用也將會有很廣闊的前景。利用射頻識別的這種非接觸無線傳輸特點，機器人可以獲取包括定位在內(nèi)的更多的信息，本文提出的采用RFID 技術(shù)來給移動機器人定位，用到無線接收信號強度指示來進行距離的計算，在短距離內(nèi)其精度較高，對機器人的定位也較準確。在室內(nèi)環(huán)境下，用均勻分布RFID 的標簽對機器人的定位也提高了效率和精度。而標簽可以布置在地板下面或者天花板上，不占地方也方便應(yīng)用。值得一提的是，本文中基于RFID 的機器人定位算法，需要標簽讀寫器具備RF 信號強度檢測功能;另外，金屬障礙物的阻擋可能會影響到讀取識別的效果和精度，這也是射頻識別技術(shù)的關(guān)鍵需要解決的問題。