RFID技術在機器人室內定位中的應用

◆李辰迪 王艷新

作者：李辰迪，上海工程技術大學材料工程學院在讀本科生，擔任國家級大學生創新創業訓練計劃項目《智能安防機器人設計與制作》

項目負責人；王艷新，上海工程技術大學工程實訓中心副教授，擔任項目指導老師（201620）。

1 引言

現如今，越來越多的機器人被應用到人們的生活生產中去，諸如清潔機器人、安防機器人等。絕大多數機器人都工作在室內，在他們執行任務時，往往會由操作員給定一個路徑，機器人會按照該路徑來行駛到指定位置。但行駛過程中各種不可測的因素都會影響實際的路線。故如何保證機器人能夠按照給定路徑行駛的問題就被提出了。

由于工作在室內，常用的戶外GPS定位系統無法工作。繼而，需要設計一種能夠幫助機器人進行室內定位的系統。本文介紹的一種室內定位方案采用RFID（射頻識別）技術，通過組建物理坐標網絡為機器人提供可靠的地理位置信息。該方案成本低，實施容易，可靠性高，具有較大的實用價值。

2 方案構思

本方案的靈感源自于公共場所地面上鋪設的盲道——盲人能夠通過感觸盲道上的凸點來辨別路徑，與之類似，通過有規則地鋪設機器人的“盲道”——電子標簽坐標網絡，機器人便能夠辨別所處的方位。

方案示意如圖1所示，建立二維直角坐標系X0Y，藍色圓點為電子標簽。假設左下角為原點，則該標簽定義為（0，0）。設步長均為1，則可定義坐標系上任意標簽的坐標（x，y）。每當機器人運動到某個標簽的上方時，便可獲得一個坐標信息；收集到兩個坐標信息后，便可計算出運動大致方向；或者通過指南針傳感器辨別下一刻路徑方向。

3 方案實現

3.1 硬件方案

目前市面上與RFID相關的設備有很多，應用廣泛，技術成熟，成本較低的有MFRC522芯片的方案，和與之配套的ISO 14443A、MIFARE系列標簽。硬件實物如圖2所示。圓形標簽直徑約為25 mm，厚度約為0.8 mm，識別器尺寸為50 mm×30 mm。

圖1 電子標簽網絡示意圖

圖2 電子標簽和識別器

3.2 硬件安裝

由于使用的電子標簽背部有不干膠，故能夠方便地粘貼在平滑地面上（如大理石、瓷磚、實木等）。標簽正面有塑料保護層，可以隔絕水和油的污染，并保護內部芯片免受日常摩擦損耗。

識別器可以安裝在機器人的底盤上，如果識別距離允許或者底盤比較低，推薦安裝在機器人外殼內，以保護識別器。

3.3 軟件方案

為了適應不同工作環境下和不同性能的機器人，設計兩套軟件方案。

方案一，機器人內置一個數據庫，主要記錄不同電子標簽的序列號和與其對應的坐標信息。機器人通過讀取標簽序列號來獲取坐標信息，然后自動演算路徑并前往目的地。

圖3 方案一程序流程圖

方案一的程序流程圖如圖3所示。由流程圖可知，采用方案一的機器人在收到定位命令后開始監聽識別器，一旦有標簽被識別便進行檢索，得到坐標信息后機器人可以根據目的地坐標演算出最佳路徑。該方案定位方式靈活，可適應各種環境，但需要機器人有較強的路徑演算能力。

方案二是針對機器人的某些特殊功能而提出的，如“自動回基站充電”和“定點巡更”功能，此類功能所要求的定位信息相對固定，即都是為了同一個目的地而定位。這樣的話，只要在標簽中寫入當前點到達目的地的最佳路徑便可實現定位。其程序流程圖如圖4所示。

以“自動回基站充電”功能為例，由于標簽的位置在安裝的時候已經固定，充電基站的位置也是固定的，因此，從任意一個標簽點到達基站的路徑是可以預先確定的。于是可以將規劃好的路徑寫入每一個標簽內，機器人通過讀取標簽內的路徑數據便可直接前往目的地，省去了路徑演算。

圖4 方案二程序流程圖

該方案針對性強，定位直接明了，無需機器人進行路徑演算。但預先準備投入較大，需要對每個標簽進行路徑規劃和寫入，且標簽的鋪設范圍受其存儲容量和地形復雜程度的制約，故適用于小范圍內簡單路徑的定位。為了實現大范圍的定位，提供了方案二的改進版。通過給機器人增加一個外置存儲器用來存儲事先規劃好的路徑，并與之對應一個標簽的序列號。因為存儲器的容量可以隨意擴展，所以理論上路徑的信息也可以隨意擴充，而不受標簽存儲容量的限制。

4 總結

本設計方案的提出是依據筆者參與的機器人項目中所需“自動回基站充電”的功能而提出的。本文介紹的方案通過使用RFID技術，實現了機器人在室內的定位，在中小范圍，簡單地形環境下定位可靠方便。方案成本低，技術成熟，抗干擾能力強，易于實現，可用于家庭服務機器人、清潔打掃機器人、安防機器人等系統中，應用前景十分廣闊。

[1]程曦.RFID應用指南：面向用戶的應用模式、標準、編碼及軟硬件選擇[M].北京:電子工業出版社,2011.

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[3]楊學亮,項安,劉青松,張濤.基于RFID的軌道機器人定位系統研究[J].機電一體化,2012(9):18-21.