一種基于超高頻RFID 采集的金庫智能巡檢機器人

摘要：隨著金融行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，智能巡檢機器人成為現(xiàn)代金庫管理的需求。本研究設(shè)計了一種基于超高頻RFID采集的金庫智能巡檢機器人，系統(tǒng)由RFID采集單元、移動平臺和控制系統(tǒng)構(gòu)成。采用915MHz頻段RFID讀寫器和參考標(biāo)簽組建立定位網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了RFID信號傳播模型和多標(biāo)簽防沖突算法?；赗FID與里程計信息融合的定位方法實現(xiàn)了±3cm的定位精度。通過優(yōu)化路徑規(guī)劃策略，保證了巡檢任務(wù)的可靠執(zhí)行。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)在金庫實際環(huán)境中運行穩(wěn)定，異常識別準(zhǔn)確率達96.3%，為金庫智能化管理提供了新的技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞：超高頻RFID；金庫巡檢機器人；多標(biāo)簽防沖突；信息融合定位；智能導(dǎo)航

中圖分類號：TP3 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）02-0088-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識碼（OSID） ：

0 引言

金庫作為押運行業(yè)最重要的現(xiàn)金儲存場所，其安全管理的重要性不言而喻。目前金庫巡檢主要依賴人工執(zhí)行，存在效率低下、記錄不準(zhǔn)確、反應(yīng)滯后等問題。傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)雖能提供實時畫面，但難以實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的精確測量和全方位監(jiān)測。超高頻RFID 技術(shù)因其非接觸、多目標(biāo)識別、穿透性強等特點，為金庫智能巡檢提供了新的技術(shù)途徑。RFID標(biāo)簽可實現(xiàn)全域立體監(jiān)測，且具有無源設(shè)計壽命長、穿透能力強、支持多標(biāo)簽同時識別等優(yōu)勢。將RFID技術(shù)與移動機器人相結(jié)合，不僅能實現(xiàn)對金庫環(huán)境的全方位監(jiān)測，還可建立精確的室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)。本研究重點解決了RFID信號傳播建模、多標(biāo)簽防沖突和定位精度等關(guān)鍵問題，為金庫智能化、無人化運維提供了實用的技術(shù)方案。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 超高頻RFID 采集系統(tǒng)設(shè)計

超高頻RFID采集系統(tǒng)采用915MHz工作頻段，由讀寫器、天線陣列、參考標(biāo)簽組和多標(biāo)簽數(shù)據(jù)處理器組成。讀寫器選用Impinj R420型號，最大發(fā)射功率為30dBm，支持EPC Gen2協(xié)議。為提升采集范圍和準(zhǔn)確率，在機器人頂部安裝了4副圓極化天線，呈“十”字形分布，天線增益12dBi。參考標(biāo)簽組由20個無源RFID標(biāo)簽構(gòu)成，標(biāo)簽型號為Alien 9654，在金庫墻面距地面1.2m處每隔5m布設(shè)一個[1]。多標(biāo)簽數(shù)據(jù)處理器基于FPGA實現(xiàn)，采用改進型Q算法處理標(biāo)簽防沖突，并集成了卡爾曼濾波算法對RSSI信號進行預(yù)處理，實測在10個標(biāo)簽同時存在時的識別準(zhǔn)確率達到98.5%，平均識別時間小于100ms（如圖1所示） 。

1.2 機器人平臺設(shè)計

機器人采用四輪差速驅(qū)動結(jié)構(gòu)，底盤尺寸為600mm×450mm×350mm，采用鋁合金框架搭建，整機重量28kg。動力系統(tǒng)使用4個24V/150W直流伺服電機，最大行駛速度1.2m/s。為適應(yīng)金庫環(huán)境，輪胎采用聚氨酯材質(zhì)，具有良好的耐磨性和抓地力。機器人配備24V/40Ah鋰電池組，續(xù)航時間可達6小時[2]。機器人頂部設(shè)有升降云臺，用于安裝RFID天線陣列，升降范圍0-500mm，可根據(jù)不同場景調(diào)節(jié)天線高度。機體前部安裝Intel RealSense D435i深度相機，用于環(huán)境感知和避障。底盤集成了IMU模塊和編碼器，為導(dǎo)航定位提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持（如圖2所示） 。

1.3 控制系統(tǒng)架構(gòu)

控制系統(tǒng)依托ROS機器人操作系統(tǒng)搭建，基于分布式架構(gòu)設(shè)計理念，系統(tǒng)整體劃分為計算單元、通信單元和控制單元。計算單元采用搭載Intel i7-8700處理器的工控機作為主控，配備16GB 內(nèi)存，運行Ubuntu 18.04系統(tǒng)，確保復(fù)雜算法的實時計算需求。底層控制單元選用STM32F407單片機，通過CAN總線協(xié)議與電機驅(qū)動器建立通信鏈路，實施速度閉環(huán)控制策略[3]。系統(tǒng)采用層級化控制架構(gòu)，在任務(wù)層實現(xiàn)巡檢任務(wù)規(guī)劃與RFID數(shù)據(jù)管理，負(fù)責(zé)高層決策；決策層融合多源傳感數(shù)據(jù)完成路徑規(guī)劃和定位，形成行為決策；執(zhí)行層進行底層運動控制與設(shè)備管理。各功能模塊遵循ROS話題通信機制，以50ms為采樣周期進行數(shù)據(jù)交互，保證系統(tǒng)實時性。為提升系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控能力，開發(fā)了基于B/S架構(gòu)的監(jiān)控平臺，實現(xiàn)任務(wù)實時下發(fā)與狀態(tài)監(jiān)測功能，滿足金庫智能化巡檢需求。

2 超高頻RFID 采集方法

2.1 標(biāo)簽布置與讀寫器參數(shù)優(yōu)化

參考標(biāo)簽在金庫環(huán)境中的布置基于覆蓋效率最大化原則進行優(yōu)化，采用六邊形蜂窩狀布局方案，相鄰標(biāo)簽間距為5m。所有參考標(biāo)簽固定安裝在距地面1.2m處，標(biāo)簽天線朝向采用45°傾角安裝，減少多路徑效應(yīng)影響。讀寫器功率和靈敏度參數(shù)通過實驗確定最優(yōu)值：發(fā)射功率設(shè)為27dBm，接收靈敏度為-82dBm，詢查時間窗口設(shè)置為100ms。天線陣列采用VSWRlt;1.2的圓極化天線，通過測試發(fā)現(xiàn)，天線間距設(shè)置為0.6λ時，相互耦合最小。為提升位置估計精度，讀寫器采樣率設(shè)為20Hz。

2.2 RFID 信號傳播建模

金庫環(huán)境中RFID信號傳播特性通過對數(shù)距離路徑損耗模型進行描述和優(yōu)化。信號強度RSSI與距離d的關(guān)系可表示為：

RSSI （d） = RSSI （d0 ） - 10n ? log10（d d0 ） + Xσ （1）

式中：d0 為參考距離，取1m；n 為路徑損耗指數(shù)；Xσ 為服從均值為0、標(biāo)準(zhǔn)差為σ 的對數(shù)正態(tài)分布隨機變量。通過實地測量2000組數(shù)據(jù)，采用最小二乘法擬合得到金庫環(huán)境中n=2.8，σ=3.2。為補償金屬設(shè)施對信號的影響，引入環(huán)境因子α：

RSSI'（d） = α ? RSSI （d） （2）

其中，α 值根據(jù)標(biāo)簽位置動態(tài)計算，計算方法如下：

α = k1 ? M + k2 ? D + k3 ? H （3）

其中：k1、k2、k3 為權(quán)重系數(shù)，通過實驗優(yōu)化得到，分別取值0.5、0.3、0.2；M 為金屬障礙物密度因子，表示單位面積內(nèi)金屬設(shè)施的數(shù)量；D 為信號衰減因子，由障礙物的材料特性決定；H 為空間高度因子，考慮天線安裝高度的影響。經(jīng)驗證該模型預(yù)測誤差低于2dB。

2.3 多標(biāo)簽防沖突算法設(shè)計

針對多個RFID標(biāo)簽同時被讀取時的信號沖突問題，設(shè)計了基于時隙ALOHA的改進型防沖突算法。算法核心思想是對標(biāo)簽響應(yīng)時隙進行動態(tài)優(yōu)化分配，定義時隙利用率η：

η = Ns/N （4）

式中：Ns 為成功讀取的時隙數(shù)，N 為總時隙數(shù)。通過調(diào)整Q值動態(tài)控制時隙數(shù)：

Q（i + 1） = Q（i） + β （η0 - η） （5）

式中：η0 為目標(biāo)利用率，取0.368；β 為學(xué)習(xí)因子，取值0.3。算法還集成了標(biāo)簽優(yōu)先級管理機制，將參考標(biāo)簽設(shè)置為高優(yōu)先級，確保定位信息優(yōu)先獲取。實測表明，該算法在10個標(biāo)簽同時存在時的識別率達到99.2%，平均識別延時降至85ms。

3 基于RFID 的導(dǎo)航與定位

3.1 RFID 參考標(biāo)簽定位方法

基于RFID信號強度的定位方法采用改進型三邊測量算法。機器人在移動過程中接收到參考標(biāo)簽的RSSI值后，通過信號傳播模型將RSSI轉(zhuǎn)換為距離信息[4]。設(shè)機器人當(dāng)前位置為（x，y） ，參考標(biāo)簽i的位置為（xi，yi） ，則測量方程組為：

（x - x ） i2 + （y - y ） i2 = di 2（i = 1，2，3） （6）

其中：di 為由RSSI計算得到的距離值?？紤]到RSSI測量誤差，采用加權(quán)最小二乘法求解方程組：

minJ = Σwié?ù?（x - x ） i2 + （y - y ） i2 - di 2 2 （7）

權(quán)重wi與RSSI 強度成正比，反映測量可靠性。通過梯度下降法迭代求解，獲得機器人位置估計值。算法在FPGA上實現(xiàn)，定位周期20ms，靜態(tài)定位精度優(yōu)于±5cm。

3.2 RFID 與里程計信息融合

為提高定位精度和可靠性，設(shè)計了基于擴展卡爾曼濾波（EKF） 的多傳感器信息融合算法。狀態(tài)向量X = [ x，y，θ ]包含機器人位置和航向角，運動模型基于里程計數(shù)據(jù)建立：

X （k + 1） = f [ X （k），u （k）] + w（k） （8）

觀測方程包含RFID定位結(jié)果和IMU測量值：

Z （k） = h[ X （k）] + v （k） （9）

其中：w（k）、v （k）分別為過程噪聲和觀測噪聲，系統(tǒng)噪聲協(xié)方差矩陣通過Allan方差法標(biāo)定。濾波器預(yù)測步采用速度—航向角模型，更新步結(jié)合RFID定位結(jié)果進行狀態(tài)修正。實測表明，融合算法使定位精度提升40%，達到±3cm。

3.3 基于RFID 的路徑規(guī)劃策略

路徑規(guī)劃算法基于RFID 標(biāo)簽網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建柵格地圖，每個柵格包含通行代價值[5]。代價函數(shù)設(shè)計考慮3 個因素：

C = α1d + α2σRSSI + α3n （10）

式中：d 為距離代價；σRSSI 為RSSI 穩(wěn)定性指標(biāo)；n為可見參考標(biāo)簽數(shù)量；a 為權(quán)重系數(shù)。采用改進A*算法進行全局路徑規(guī)劃，啟發(fā)函數(shù)為：

h （n） = w1Euclidean （n，goal） + w2 ? RFIDcost （n） （11）

局部路徑優(yōu)化采用動態(tài)窗口法，將RFID信號質(zhì)量作為約束條件，實時調(diào)整速度和航向。經(jīng)過多次實驗優(yōu)化，確定最優(yōu)權(quán)重參數(shù)：a1 = 0.5，a2 = 0.3，a3 =0.2，w1 = 0.6，w2 = 0.4。該策略保證了導(dǎo)航過程中RFID信號的連續(xù)可靠接收。

4 實驗驗證與應(yīng)用分析

4.1 RFID 定位精度測試

在實際金庫環(huán)境中設(shè)置10個測試點進行定位精度測試，測試環(huán)境溫度22±2℃，相對濕度45%±5%。RFID參考標(biāo)簽按照優(yōu)化布局方案進行安裝，機器人以0.5m/s勻速運動采集數(shù)據(jù)。通過激光跟蹤儀獲取機器人實際位置作為基準(zhǔn)值，連續(xù)測試100次后統(tǒng)計定位誤差。測試結(jié)果表明，動態(tài)環(huán)境下X方向和Y方向的定位誤差均值分別為2.8cm和3.1cm，最大誤差不超過5cm，定位穩(wěn)定性和可重復(fù)性良好。在金屬設(shè)施密集區(qū)域，定位精度略有下降但仍滿足巡檢需求（見表1） 。

4.2 巡檢路徑規(guī)劃評估

針對金庫典型巡檢場景設(shè)計了多組測試路徑，評估規(guī)劃算法的性能和效率。測試場景包括常規(guī)巡檢、避障巡檢和應(yīng)急巡檢3種類型。路徑規(guī)劃評估指標(biāo)包括路徑長度、平滑度、執(zhí)行時間和避障成功率。實驗數(shù)據(jù)顯示，改進的路徑規(guī)劃算法在保證覆蓋率的同時，顯著減短了路徑長度和執(zhí)行時間，且路徑平滑度提高30%以上（見表2） 。

5 結(jié)束語

基于超高頻RFID技術(shù)的金庫智能巡檢機器人系統(tǒng)通過RFID采集單元、運動平臺和控制系統(tǒng)的有機結(jié)合，實現(xiàn)了金庫環(huán)境的自主巡檢。系統(tǒng)解決了多標(biāo)簽防沖突、信號傳播建模和精確定位等關(guān)鍵技術(shù)問題，在實際應(yīng)用中展現(xiàn)出良好的性能。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有定位精度高、巡檢效率高、異常識別準(zhǔn)確等特點，提高了金庫管理水平。隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進一步發(fā)展，智能巡檢機器人將在金庫安全管理領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。

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