王昊天 杜金偉 鄭凱中

摘要：以提高倉儲管理效率、降低物流成本為目的，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于RFID的高精度三維定位系統(tǒng)。令閱讀器天線執(zhí)行一維線性掃描建立相位角度輪廓模型，利用最小二乘回歸法和粒子群優(yōu)化算法估計標(biāo)簽位置，實現(xiàn)目標(biāo)的位置信息估計，完成對倉儲包裹狀態(tài)的自動化實時監(jiān)測。實測結(jié)果表明，本文系統(tǒng)具有較低的成本、較高的定位精度、良好的遠(yuǎn)距離識別能力和抗干擾性能，對于提高現(xiàn)有倉儲系統(tǒng)的信息化、智能化水平具有重要意義。

關(guān)鍵詞：密集倉儲;三維定位;角度輪廓模型

1引言

近年來，電商平臺的崛起帶動了倉儲行業(yè)的高速發(fā)展，基于人工管理方式的倉儲系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)貨物擺放混亂，清點效率低下等問題，基于智能化管理方式的密集倉儲系統(tǒng)已成為倉儲系統(tǒng)建設(shè)的主要趨勢[1]。如何精確快速定位到各個包裹，是影響密集倉儲系統(tǒng)的工作效率的最主要因素，設(shè)計適于密集倉儲場景的三維定位系統(tǒng)，實時準(zhǔn)確貨品位置信息，既有助于提高倉儲效率，也是對智能倉儲系統(tǒng)未來發(fā)展的積極探索[2]。

現(xiàn)有的三維定位系統(tǒng)主要采用計算機視覺和傳感器等技術(shù)。基于計算機視覺的三維定位系統(tǒng)使用攝像頭在對實測場景拍攝時容易出現(xiàn)死角和失真的情況;基于傳感器技術(shù)的三維定位系統(tǒng)的部署成本較高并且定位性能會受電池壽命的影響。以上技術(shù)很難滿足密集倉儲系統(tǒng)的高精度、低成本等需求。以此為背景，本項目發(fā)揮超高頻射頻識別技術(shù)（Ultra High Frequency Radio Frequency Identification， UHF RFID）的非接觸、非視距、易部署等優(yōu)勢，提出了一種基于UHF RFID技術(shù)的三維定位系統(tǒng)，以低成本的方式實現(xiàn)了對包裹的精準(zhǔn)定位。

2系統(tǒng)框架

本文所設(shè)計的三維定位系統(tǒng)的硬件組成包括閱讀器、天線、無源電子標(biāo)簽、后端服務(wù)器等，系統(tǒng)的工作原理可以簡述為閱讀器天線向空間中發(fā)射射頻信號，電子標(biāo)簽接收到射頻信號激活自身電路，并將自身身份信息和載波相位反向散射出去，閱讀器天線收到反射散射信號后進(jìn)行解調(diào)和解碼，依據(jù)標(biāo)簽身份信息完成標(biāo)簽的角色判定，采用定位算法處理并挖掘載波相位信息，進(jìn)而完成標(biāo)簽的三維位置估計，最后將身份信息及其對應(yīng)的三維位置傳至后端服務(wù)器，后端服務(wù)器負(fù)責(zé)上述信息的存儲、轉(zhuǎn)發(fā)等管理操作。

3系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1定位場景搭建和相位信息采集

倉儲貨物以陣列狀布置于監(jiān)控環(huán)境中，選取長方體作為倉儲貨物建模對象，并在包裹的三個相鄰且相互垂直的平面上部署一對電子標(biāo)簽。在水平方向和豎直方向上移動閱讀器天線對場景中的標(biāo)簽進(jìn)行掃描。

選取沿X軸方向做勻速直線運動為研究對象，定義閱讀器與標(biāo)簽的空間距離為，為光速，為時間。由于射頻信號的傳播距離為往返路程，因此每次通信中信號的遍歷距離為，則由閱讀器解調(diào)出的相位值可表示為：

其中為載波波長，為工作頻率，為模取余運算，為由硬件引起的相位偏移。

3.2基于相位的到達(dá)角估計模型

本文利用相鄰時刻的相位差信息計算標(biāo)簽與閱讀器之間的到達(dá)角度信息，以此推算標(biāo)簽的位置坐標(biāo)信息。如圖2所示，標(biāo)簽位于T點，設(shè)閱讀器天線從點移動到點，M為的中點，設(shè)，點V是點T在天線移動方向上的垂直投影點，簡稱垂直點，稱為標(biāo)簽到天線移動軌跡的垂直距離，簡稱垂直距離。稱為天線相對于標(biāo)簽在T點的到達(dá)角。假設(shè)天線在點和點采集的相位值分別為和。當(dāng)時，到達(dá)角的表達(dá)式可以表示為：

其中，為相位偏移，令以使得整數(shù)n取值為0。

3.3建立線性擬合模型

以天線移動掃描過程的起始位置作為坐標(biāo)原點，以天線的移動方向為x軸建立二維直角坐標(biāo)系，通過挖掘到達(dá)角曲線的輪廓特征來估計標(biāo)簽的二維坐標(biāo)，選取到達(dá)角余切值作為過渡變量，獲得到達(dá)角余切的表達(dá)式為：

其中，為標(biāo)簽到天線移動掃描軌跡的垂直距離，為天線掃描的水平移動距離，為天線初始位置到達(dá)垂直點的水平距離。利用公式（2）處理閱讀器采集的相位數(shù)據(jù)獲得到達(dá)角，通過最小二乘回歸法建立一個關(guān)于和線性擬合模型，求解角度輪廓模型中的參數(shù)和，因此可獲得標(biāo)簽在二維平面定位場景的坐標(biāo)為。

3.4估計標(biāo)簽三維坐標(biāo)

通過挖掘到達(dá)角曲線的輪廓特征來估計標(biāo)簽的三維坐標(biāo)，選取作為過渡量，以天線的起始位置為坐標(biāo)原點，建立三維直角坐標(biāo)系。如圖2所示，天線沿著軸移動掃描，標(biāo)簽在軸方向上的偏離距離為，標(biāo)簽在軸方向上的偏離距離為，和由標(biāo)簽的空間布局確定。標(biāo)簽與與天線移動軌跡的空間垂直距離分別為和，對標(biāo)簽和線性擬合，可求得、、和。設(shè)標(biāo)簽到天線移動軌跡平面在沿軸方向上的空間距離為，在沿軸方向上的空間距離為，得到關(guān)于和方程組表達(dá)式為：

由粒子群算法方程式進(jìn)行最小值的尋優(yōu)求解，即可求得確定。因此標(biāo)簽的坐標(biāo)為，標(biāo)簽的坐標(biāo)為。

4實驗驗證與性能分析

4.1實驗設(shè)置

為了驗證所提系統(tǒng)的可行性，搭建了如圖3所示的實驗場景。貨物包裹箱子的大小為40cm*30cm*30cm，其墊高離地面的高度為17cm。RFID電子標(biāo)簽的長度為10cm。閱讀器攜帶天線的移動速度為10cm/s、運動時間為24s、運動距離為240cm。天線離地面的高度為25cm。閱讀器的天線采集標(biāo)簽反射回來的射頻信號，路由器通過局域網(wǎng)將閱讀器的數(shù)據(jù)傳送至電腦。

4.2性能分析

為了評估定位精度，我們搭建了如圖4所示的實測場景：使用兩個貨物箱，分別命名為一號箱子和二號箱子，對這兩個箱子貼上十二個RFID電子標(biāo)簽。根據(jù)前一小節(jié)所述建立相對三維直角坐標(biāo)系的過程，可確定出各個標(biāo)簽在此三維直角坐標(biāo)系下中的位置坐標(biāo)。為展開實地探測并驗證理論框架，將以二號箱上探測的T10，T20，T30三個標(biāo)簽為例進(jìn)行說明。

通過粒子群算法方程式進(jìn)行最小值的尋優(yōu)求解，確定多組標(biāo)簽三維坐標(biāo)后取均值，并最終輸出標(biāo)簽在相對三維直角坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)：T10標(biāo)簽的相對坐標(biāo)（151.39，41.16，57.57）cm;T20標(biāo)簽的相對坐標(biāo)（121.39，55.21，17.57）cm，T30標(biāo)簽的相對坐標(biāo)（126.39，82.19，57.57）cm，三組坐標(biāo)在X軸、Y軸、Z軸方向上的平均相對誤差分別為2.35cm，21.18cm，2.21cm。其中，在X軸方向上和在Z軸方向上與真實值偏差程度較小，均小于2%，模型輸出的結(jié)果準(zhǔn)確度較高。而在Y軸方向上存在較大的波動偏差，說明模型在抗噪聲干擾的能力方面有待提升。但是這樣的誤差并不會影響到對貨物包裹的三維重建，因為相對三維直角坐標(biāo)系中坐標(biāo)原點的取定也是相對的，并不會對貨物包裹之間的相對位置判斷產(chǎn)生決定性的影響。

5結(jié)語

本文研究了一種適于密集倉儲場景的高精度三維重建感知系統(tǒng)，該系統(tǒng)解決了室內(nèi)三維重建的難于部署、高成本、低精度等問題。通過仿真測試和實地測試可知，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定性良好，精度較高，部署成本較低，具有較好的推廣和使用前景。在后續(xù)研究中，將進(jìn)一步優(yōu)化抗干擾能力，并使該三維重建系統(tǒng)模塊封裝化。

參考文獻(xiàn)：

[1]A. Sharma， S. Chaudhary， S. D. Roy and P. Chand，"Three dimensional reconstruction of cylindrical pellet using stereo vision，"2015 Fifth National Conference on Computer Vision， Pattern Recognition， Image Processing and Graphics （NCVPRIPG）， Patna， India，2015， pp.1-4.

[2]M. Karami， R. Afrouzian， S. Kasaei and H. Seyedarabi，"Multiview 3D reconstruction based on vanishing points and homography，"7'th International Symposium on Telecommunications （IST'2014）， Tehran， Iran，2014， pp.367-370.

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目，適于密集倉儲場景的高精度三維重建感知系統(tǒng)，項目編號：202110058018。