基于RFID的AGV定位與導引研究.pdf

1、AGV(Automated Guided Vehicle)是一種可廣泛運行于倉庫、碼頭、生產(chǎn)車間等場所的無人駕駛自動搬運車，是現(xiàn)代物流技術的代表性設備，其關鍵技術之一是實現(xiàn)自動定位與導引。目前，AGV多采用激光制導、慣性制導等技術，實現(xiàn)毫米級的定位成本昂貴。同時，由于光污染等現(xiàn)場因素，使得其廣泛應用受到局限。而RFID(Radio Frequency Identification)作為一種自動識別技術，除實現(xiàn)多目標、超視距識別外，利用其

2、電磁特性實現(xiàn)定位已受到廣泛關注。特別是隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的興起和其應用技術的深入發(fā)展，作為其關鍵技術的RFID將更加普及，相關技術與設備的應用成本將越來越低廉。研究基于RFID的AGV定位與導引技術和方法，具有理論和現(xiàn)實意義。
　　 本文研究了AGV現(xiàn)行定位與導引技術存在的不足以及不同場景下AGV的定位與導引要求；通過對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；分別針對遠場和近場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“基于磁場等場線的精確覆蓋定位法”，并對上述方法進行了分析與證明。同時，依據(jù)上述方法提出可實施的基于遠場有源、遠場無源和近場RFID的AGV定位與導引系統(tǒng)設計方案，并進行系統(tǒng)實現(xiàn)與仿真。
　　 (1)“基于方向函數(shù)求解的誤差抑制定位法”與應用研究
　　 針對現(xiàn)行遠場RFID系統(tǒng)定位中，采用接收信號強度(RSSI)及其路徑損耗模型定位精度嚴重偏低的問題，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)讀寫器天線測得的標簽信號強度值，可以確定一個對應于方向函數(shù)的等場線方程，求解三個以上的等場線方程確定待測目標的位置，實現(xiàn)定位；通過對影響接收信號強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。
　　 針對現(xiàn)行的路徑損耗模型只考慮RSSI與距離的關系而忽視天線方向性特性對RSSI影響的現(xiàn)象，首次提出了基于方向函數(shù)的遠場電場功率等場線求解方法，從理論上消除產(chǎn)生誤差的根源：環(huán)境反射產(chǎn)生的多徑效應是

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

6、列固定布置的AGV定位與導引系統(tǒng)設計方案。車載標簽采用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)送時間間隔長不能實時定位和電池輸入功率變化產(chǎn)生定位誤差的問題；讀寫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；按讀寫器讀得的同一標簽的四個最大天線信號強度有效值，確定等場線方程組，并兩兩求解，選擇6個有效值，取幾何中心為最后定位位置，以提高定位精度。該系統(tǒng)可用于自由路徑導引和固定路

7、徑導引，且適合于多車輛運行的環(huán)境，并有計算量少、成本低廉的特點。
　　 針對無源系統(tǒng)，分析了雷達反向散射方程及其影響因素，特別是標簽散射面積的影響，提出了讀寫器車載移動、標簽陣列固定布置的AGV定位與導引系統(tǒng)設計方案。標簽采用普通對稱振子無源標簽、豎直等間距布置在車輛行駛路徑的一側(cè)或兩側(cè)。車載讀寫器移動天線采用道爾夫-切比雪夫天線陣加夾角反射器得到線極化定向信號，并抑制垂直反射、水平反射和環(huán)境反射；讀寫器可以有效覆蓋到三個以上的

8、標簽，根據(jù)識讀標簽及其信號強度計算每個標簽相對讀寫器天線的等場線方程，聯(lián)立求解得到AGV的位置，實現(xiàn)定位與導引。該系統(tǒng)適合于環(huán)境比較復雜的場合，用于固定路徑導引。
　　 (2)“基于磁場等場線的精確覆蓋定位法”與應用研究
　　 針對近場耦合RFID系統(tǒng)的工作原理和基本特點，以及近場RFID系統(tǒng)一般只作識讀性定位的現(xiàn)狀，本文首次提出了“基于磁場等場線的精確覆蓋定位法”：根據(jù)AGV定位與導引的要求，按照一定的條件設計出近場天

9、線，水平安裝在AGV底部，使其覆蓋在地面的磁場等場線形成一個精確穩(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簽，使?jié)M足啟動標簽識讀的閱讀器天線磁場等場線圓恰好覆蓋標簽三角形，實現(xiàn)精確定位。
　　 首次提出并證明了圓環(huán)天線線圈產(chǎn)生的磁場沿其垂直方向的等場面平行截線是一個圓；通過對空間磁場等場線極值點與距離的關系進行分析，證明存在一個合適的區(qū)域，其等場線圓是一個穩(wěn)定的圓；通過分析垂直方向的磁場與線

10、圈直徑、距離的關系，證明該圓是一個精確的圓；研究了等場線圓的半徑以及標簽間距、標簽尺寸等對定位精度的影響。
　　 按照上述方法，根據(jù)AGV系統(tǒng)運行要求設計了基于近場RFID的AGV定位與導引系統(tǒng)：在車輛底部裝載不同直徑的RFID讀寫器天線，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，用于車輛行駛的定位與導引，以達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；與此對應，地面等間距布置相