一种基于RFID伺服技术的移动机器人导航方法技术

本发明专利技术属于室内移动机器人导航领域，并公开了一种基于RFID伺服技术的移动机器人导航方法。该方法包括下列步骤：(a)在移动机器人上设置两个RFID天线，在目标物上设置RFID标签，建立方向目标函数和目标强度函数；(b)移动机器人移动，两个RFID天线分别与RFID标签通信获得两个通信信号，分别对两个通信信号解析获得两个相位信息和信号强度；(c)将两个通信信号与预设强度目标函数和方向目标函数比较，以此调节移动机器人移动方向和判断其是否到达目标物。通过本发明专利技术，使得移动机器人导航具有无需参考标签，无需标定天线位置，具有实时性好、计算量小和成本低的优点。

A Mobile Robot Navigation Method Based on RFID Servo Technology

【技术实现步骤摘要】
一种基于RFID伺服技术的移动机器人导航方法
本专利技术属于室内移动机器人导航领域，更具体地，涉及一种基于RFID伺服技术的移动机器人导航方法。
技术介绍
移动机器人的导航定位技术的研究是移动机器人实现智能化的基础，RFID(RadioFrequencyIdentification)系统由于其具有唯一ID识别，价格便宜，对计算机硬件设备要求较低等特有优势，在移动机器人的定位导航等功能应用中具有十分突出的优势。目前基于RFID信息的导航方法绝大部分都是基于参考标签的导航，也就是首先通过位姿解算，不断定位机器人当前的位置和方向，然后根据机器人与目标物体的相对位置关系对机器人进行导航，很多学者对此进行了大量的研究。这种方法需要在笛卡尔网格上放置一组无源RFID参考标签，提前标定每个标签的绝对位置信息，用于位置识别。在导航期间，附着在移动机器人上的RFID读写器接收其附近的RFID标签的ID以估计机器人的当前位置，并使用它来解算出当前位置到目标点的最小成本路径。除了在参考标签中存储位置信息之外，还有的方法是在参考标签中存储每个标签到目标标签的距离信息，这样便可以将机器人的“导航图”做成“距离图”，机器人可以计算到任何点的距离，从而根据A*算法解算出机器人到目标标签的最佳路径；还有的研究方法是在参考标签中存储相应的指令和动作，机器人每读到一个标签就会执行相关的控制指令，从而到达目标标签。虽然该方法导航效果较好，所行路径短，但是需要铺设大量的参考标签，标签布置工作十分繁琐，只能适用于特定的工作环境。另外一种典型的利用RFID信息进行导航的方法是在天花板上铺设一系列RFID标签，使机器人沿着天花板上RFID标签的正交投影形成的路径进行运动。这种方法需要在机器人顶部360度范围装备8个天线围成一圈，根据获得RSSI(信号强度)最大值的天线来估计机器人应该运动的方向，然后通过不断更新机器人的运动方向来控制机器人的运动。这种方法和大多数基于RFID的定位导航系统不同，可以不用通过解算位置信息进行导航，避免了随时间不断积累产生的距离和方向误差。这种方法可以按照定义的路径进行导航，但是需要布置8个RFID天线，成本较高。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于RFID伺服技术的移动机器人导航方法，其通过在移动机器人上设置RFID天线以及在目标物上设置RFID标签，通过RFID天线对RFID标签的通信，按照预设的方向目标函数和目标强度函数运动，保证移动机器人的移动方向实时判断是否到达目标物，实现在无需定位机器人与目标标签相对位置的情况下的导航，具有实时性好、计算量小、无需标定天线与机器人相对位置、系统简单等优点。为实现上述目的，按照本专利技术，提供了一种基于RFID伺服技术的移动机器人导航方法，该方法包括下列步骤：(a)在移动机器人上设置两个RFID天线，在目标物上设置RFID标签，建立方向目标函数和强度目标函数，其中，所述方向目标函数用于保证所述移动机器人前进方向朝向所述目标物，目标强度阈值用于判断所述移动机器人是否到达所述目标物；(b)移动机器人移动，两个所述RFID天线分别与所述RFID标签进行通信，获得两个射频信号，对这两个射频信号进行解析分别获得两个射频信号的相位信息和信号强度；(c)将所述两个通信信号强度与预设强度目标函数比较，当所述满足预设强度条件时，所述移动机器人停止运动，否则，利用所述两个通信信号的相位信息计算所述方向目标函数，当目标函数的值满足预设方向条件时，所述移动机器人保持当前运动方向继续移动，返回步骤(b)，否则调节所述移动机器人移动的方向继续移动，返回步骤(b)，直至满足预设强度条件，从而实现所述移动机器人向所述目标物的导航。进一步优选地，在步骤(a)中，所述方向目标函数优选按照下列表达式：Δg＝g1-g2其中，g1和g2分别是两个通信信号的相位梯度，Δg是相位梯度差值。进一步优选地，在步骤(a)中，所述相位梯度的计算时，首先对所述通信信号的相位信息进行解缠处理，然后按照下列表达式计算相位梯度：其中，dφ1和dφ2分别是两个所述通信信号在采样时间内解缠后的相位变化量，s1和s2分别是获取所述通信信号的两个RFID天线在相应采样时间内对应的移动距离。进一步优选地，在步骤(c)中，所述预设方向条件优选为：Δg＝0。进一步优选地，在步骤(c)中，所述调节所述移动机器人移动的方向继续移动优选采用PID控制算法调节所述移动机器人的移动速度。进一步优选地，所述采用PID控制算法调节所述移动机器人的移动速度，优选按照下列表达式计算所述移动速度：其中，KP，KI和KD分别是比例、积分和微分项系数，j是第j个采样时刻，k是第k个采样时刻，w是机器人的移动速度。进一步优选地，所述预设强度条件优选为：|RSSIleft-RSSI0|＜thresholds1|RSSIright-RSSI0|＜thresholds1|RSSIleft-RSSIright|≤thresholds2其中，RSSIleft、RSSIright分别是两个所述通信信号的信号强度值，RSSI0是设定的到达距离对应的信号强度，thresholds1、thresholds2分别是设定的可接受信号强度阈值。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1、本专利技术的方法将移动机器人与RFID系统相结合，在不解算机器人与标签相对位姿关系的情况下直接对机器人进行导航控制，对系统要求比较低，无需标定机器人与天线之间的相对位姿关系；2、本专利技术通过所设计的RFID伺服控制算法，无需定位过程，可以避免定位过程中存在误差导致导航失败的情况，并且计算负荷小；3、本专利技术所提出的导航方法，无需参考标签，导航效果好，系统简单，所需天线数量少，成本低，具有抗干扰能力强、计算量小等优点。附图说明图1是按照本专利技术的优选实施例所构建的用于实现RFID导航方法的移动机器人导航系统示意图；图2是按照本专利技术的优选实施例所构建的基于RFID伺服技术的移动机器人导航方法的流程图；图3是按照本专利技术的优选实施例所构建的伺服控制系统示意图；图4是按照本专利技术的优选实施例所构建的伺服控制过程主要流程图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。图1是按照本专利技术的优选实施例所构建的用于实现RFID导航方法的移动机器人导航系统示意图，如图1所示，本专利技术将RFID系统与移动机器人相结合，利用携带RFID读写器的移动机器人通过安装在机器人上的左、右两个天线读取安装在目标物上的RFID标签，读写器通过RFID天线在与标签进行通信的过程中，可以实时获取RFID标签的ID信息、相位与信号强度等信息，并利用这些信息可以实现伺服控制，完成导航功能。图2是按照本专利技术的优选实施例所构建的基于RFID伺服技术的移动机器人导航方法的流程图，如图2所示，本专利技术实施例提供的一种基于RFID伺服技术的移动机器人导航方法，其利用携带RFID读写器和R本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于RFID伺服技术的移动机器人导航方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(a)在移动机器人上设置两个RFID天线，在目标物上设置RFID标签，建立方向目标函数和强度目标函数，其中，所述方向目标函数用于保证所述移动机器人前进方向朝向所述目标物，目标强度阈值用于判断所述移动机器人是否到达所述目标物；(b)移动机器人移动，两个所述RFID天线分别与所述RFID标签进行通信，获得两个射频信号，对这两个射频信号进行解析分别获得两个射频信号的相位信息和信号强度；(c)将所述两个通信信号强度与预设强度目标函数比较，当所述满足预设强度条件时，所述移动机器人停止运动，否则，利用所述两个通信信号的相位信息计算所述方向目标函数，当目标函数的值满足预设方向条件时，所述移动机器人保持当前运动方向继续移动，返回步骤(b)，否则调节所述移动机器人移动的方向继续移动，返回步骤(b)，直至满足预设强度条件，从而实现所述移动机器人向所述目标物的导航。

【技术特征摘要】
1.一种基于RFID伺服技术的移动机器人导航方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(a)在移动机器人上设置两个RFID天线，在目标物上设置RFID标签，建立方向目标函数和强度目标函数，其中，所述方向目标函数用于保证所述移动机器人前进方向朝向所述目标物，目标强度阈值用于判断所述移动机器人是否到达所述目标物；(b)移动机器人移动，两个所述RFID天线分别与所述RFID标签进行通信，获得两个射频信号，对这两个射频信号进行解析分别获得两个射频信号的相位信息和信号强度；(c)将所述两个通信信号强度与预设强度目标函数比较，当所述满足预设强度条件时，所述移动机器人停止运动，否则，利用所述两个通信信号的相位信息计算所述方向目标函数，当目标函数的值满足预设方向条件时，所述移动机器人保持当前运动方向继续移动，返回步骤(b)，否则调节所述移动机器人移动的方向继续移动，返回步骤(b)，直至满足预设强度条件，从而实现所述移动机器人向所述目标物的导航。2.如权利要求1所述的一种基于RFID伺服技术的移动机器人导航方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述方向目标函数优选按照下列表达式：Δg＝g1-g2其中，g1和g2分别是两个通信信号的相位梯度，Δg是相位梯度差值。3.如权利要求2所述的一种基于RFID伺服技术的移动机器人导航方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述相位梯度的计算时，首先对所述通信信号的相位信息进行解缠处理，然后按照下列表达式计算相位梯度：其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶波，张博文，吴海兵，尹周平，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42