趙予瑋

摘 要：為解決現(xiàn)有技術(shù)使用RFID或超聲波進(jìn)行室內(nèi)定位時，因傳統(tǒng)航位推算法中累計誤差較大且靈活性不高的問題，提出了一種基于RFID和超聲波結(jié)合的室內(nèi)定位算法。利用測得的信號強(qiáng)度值與賦權(quán)值比例算法加權(quán)求和得到待定位置的橫向坐標(biāo)，再結(jié)合超聲波測量與其平行的室內(nèi)墻面之間的距離，得到室內(nèi)待定位置的縱向坐標(biāo)，從而在全局地圖的某些固定位置上對室內(nèi)待定位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位。

關(guān)鍵詞：RFID;超聲波;定位算法;賦權(quán)值比例算法;信號強(qiáng)度;移動機(jī)器人

中圖分類號：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2019）06-00-02

0 引 言

移動機(jī)器人在室內(nèi)定位的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，其研究的發(fā)展趨勢日益迅猛[1-2]。2017年CES展會上維弦科技（Ewaybot）推出的MoRo家居助理機(jī)器人可以通過實(shí)時語音控制與用戶進(jìn)行自然語言交互，在室內(nèi)和室外環(huán)境中進(jìn)行導(dǎo)航。2018年9月12日，安博會在連云港工業(yè)展覽中心展館開幕。智能安防巡檢機(jī)器人將巡邏地區(qū)的地圖輸入車輛芯片，然后設(shè)置巡防路線，該機(jī)器人就能進(jìn)行自主無人巡防，如果途中遇到障礙物，會自動辨識并避讓。沃爾瑪采用Bossa Nova制造的機(jī)器人在貨架之間智能穿梭，將捕捉的商店貨架上的數(shù)碼圖像反饋給工作人員。

室內(nèi)移動機(jī)器人的自主移動研究逐漸成為一個熱點(diǎn)問題[3]。機(jī)器人在室內(nèi)移動過程中，需要解決三個主要問題，分別為“在哪里”“去哪里”“怎么去”，而這些問題的核心就是室內(nèi)定位技術(shù)[4]。

在傳統(tǒng)RFID傳感器定位中，往往采用三點(diǎn)定位方式[5]。具體方法是已知三個RFID傳感器的位置坐標(biāo)，通過信號強(qiáng)度測量得到三個RFID傳感器分別與目標(biāo)標(biāo)簽的距離，通過已知點(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[6]。但由于誤差因素的影響，通常得到的三個圓是相交成某一區(qū)域而非特別精確的一點(diǎn)[7]。通常的解決方法為計算相交區(qū)域的質(zhì)心[8]，但RFID單獨(dú)進(jìn)行室內(nèi)定位的缺點(diǎn)是受環(huán)境影響較大，誤差較大，計算過程復(fù)雜[9-10]。

本文提出了一種基于RFID和超聲波結(jié)合的室內(nèi)定位算法，用于解決現(xiàn)有RFID室內(nèi)定位方法中存在的針對不同實(shí)際需求靈活性較差、數(shù)據(jù)處理過程復(fù)雜的問題。

1 信號強(qiáng)度定位算法本算法利用室內(nèi)移動機(jī)器人上的RFID傳感器測量其與RFID標(biāo)簽之間的距離，首先利用RFID傳感器對室內(nèi)墻壁上水平、均勻地設(shè)置的N個RFID標(biāo)簽進(jìn)行信號強(qiáng)度值測量，得到N個信號強(qiáng)度值p（dn）。從得到的N個信號強(qiáng)度值p（dn）中，任意選取兩個RFID標(biāo)簽對應(yīng)的信號強(qiáng)度值p（d0）和p（dn），并將其代入對數(shù)-常態(tài)分布傳播損耗模型，得到當(dāng)前室內(nèi)環(huán)境的信號傳播常量n：

式中：p（dn）為RFID閱讀器接收到距離為dn的標(biāo)簽發(fā)送回來的信號強(qiáng)度;p（d0）為RFID閱讀器接收到距離為d0的標(biāo)簽發(fā)送回來的信號強(qiáng)度。將信號傳播常量n代入對數(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RFID傳感器與RFID標(biāo)簽之間的距離：

利用機(jī)器人上RFID傳感器到多點(diǎn)RFID標(biāo)簽之間距離最短的一個RFID標(biāo)簽坐標(biāo)（xmin，ymin）和剩余N-1個RFID標(biāo)簽坐標(biāo)（xi，yi），求取機(jī)器人當(dāng)前位置的N-1個待定坐標(biāo)值，i表示N-1個RFID標(biāo)簽坐標(biāo)中第i個RFID標(biāo)簽的坐標(biāo)。

由于采用距離閱讀器越近的電子標(biāo)簽估算的位置就越準(zhǔn)確，因此引入賦權(quán)值比例算法給距離閱讀器越近的標(biāo)簽坐標(biāo)賦予更多的權(quán)重，并根據(jù)權(quán)值函數(shù)將不同的權(quán)值賦予方程中不同的位置標(biāo)簽，對應(yīng)計算出坐標(biāo)值。距閱讀器越遠(yuǎn)權(quán)值越小，越近權(quán)值越大。本實(shí)驗(yàn)所使用的權(quán)值函數(shù)見式（3）：

式中：wi代表第i個電子標(biāo)簽坐標(biāo)所對應(yīng)的權(quán)重，距閱讀器di;dmin為距閱讀器最近的標(biāo)簽距離。在該賦權(quán)值比例算法下的閱讀器坐標(biāo)如下：

由于較遠(yuǎn)距離的估算不準(zhǔn)確，因此將距離閱讀器較遠(yuǎn)的標(biāo)簽賦予權(quán)值為0，使其不對最終的坐標(biāo)結(jié)果產(chǎn)生任何干擾。舍棄估算的距離大于80 cm的閱讀器標(biāo)簽坐標(biāo)，將這些標(biāo)簽的權(quán)值賦為0，即不參與最終的坐標(biāo)加權(quán)求和。各標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的權(quán)重函數(shù)表達(dá)式見式（5）：

最后利用機(jī)器人上的超聲波傳感器測量與其平行的室內(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)。將得到的橫向坐標(biāo)和縱向坐標(biāo)結(jié)合，得到機(jī)器人當(dāng)前待定位置的最終坐標(biāo)。

2 定位算法測試結(jié)果在本實(shí)驗(yàn)中，我們在室內(nèi)墻壁的同一條線上每相隔

3 結(jié) 語

由實(shí)驗(yàn)表中的數(shù)據(jù)可知，結(jié)合定位算法估算出的橫坐標(biāo)誤差可以控制在5 cm范圍內(nèi)，估算出的縱坐標(biāo)誤差可以控制在2 cm范圍內(nèi)，超聲波結(jié)合RFID共同定位的算法大大提高了單一傳感器定位的精度，減小了定位誤差。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]陳毛倩.基于多移動智能機(jī)器人編隊(duì)控制任務(wù)的研究[D].鄭州：中原工學(xué)院，2015.

[2]胡風(fēng)珍.汽車GPS衛(wèi)星導(dǎo)航全球定位系統(tǒng)技術(shù)研究與應(yīng)用[J].石油儀器，2007，21（4）：46-48.

[3] ELLIOTT D KAPLAN.GPS原理與應(yīng)用[M].邱致和，王萬義，譯.北京：電子工業(yè)出版社， 2002.

[4]甘仲民，張更新.衛(wèi)星通信技術(shù)的新發(fā)展[J].通信學(xué)報，2006， 27（8）：2-9.

[5]張璐陽.基于超聲波測距的RFID監(jiān)控方案[J].信息通信，2011（3）：99-100.

[6]張暉，王東輝.RFID技術(shù)及其應(yīng)用的研究[J].微計算機(jī)信息，2007， 23（4Z）：252-254.

[7]張明華，張申生，曹健.無線局域網(wǎng)中基于信號強(qiáng)度的室內(nèi)定位[J].計算機(jī)科學(xué)， 2007，34（6）：68-71.

[8] MUHAMMAD J H，LI L，GAO S.An RFID based smart phone proximity absence alert system[J].IEEE transactions on mobile computing，2017，16（5）：1246-1257.

[9] ZHU F，XIAO B，LIU J，et al.Exploring tag distribution in multi-reader RFID systems[J].IEEE transactions on mobile computing，2017，16（5）：1300-1314.

[10] WU J Q，LU T. Localization algorithm for wireless sensor network based on RSSI[J].Microelectronics & computer，2014，31（5）： 49-52.