摘 要

随着企业对低成本和高效率的追求，自动导向小车取代人类完成特定任务已经越来越受到重视。AGV是现代物流技术的代表性设备，在室内移动机器人领域，定位技术是移动机器人最关键的技术之一，精确的定位能力往往是机器人智能化运作的基础功能。目前基于移动机器人的绝对定位比较成熟的技术有GPS、路标定位和地图匹配定位，研究机器人在全局坐标系下的位姿，一般要使用到外部传感器如相机、红外线发射接收器、WIFI、RFID等。超高频无源RFID由于其成本低、ID可识别、非视距等特性成为研究的一个热门，特别是随着物联网概念的兴起和其应用技术的深入发展，作为其关键技术的将更加普及，相关技术与设备的应用成本将越来越低廉。研究基于RFID的自动导向小车定位技术和方法，具有理论和现实意义。本文利用RFID的相位信息结合移动机器人提出了一种全局定位模型——基于双曲线优化的自动导向小车定位方法，主要研究内容如下：

分析RFID技术定位过程中相位测量存在π相位跳动问题、周期模糊问题以及相位缺失三大问题，分别采用相位预处理以及一维相位解缠的路径积分法，使周期非连续相位转变为连续非周期相位，让相位信息与距离一一对应，从而得到平滑的真实相位信息。

针对天线与机器人的坐标位置进行转换时，天线在移动机器人坐标系下的位置测量误差问题，提出一种基于相位测量的天线位置的标定方法，解算出天线在机器人坐标系下的位置，并通过仿真和实验验证了该方法的有效性。

鉴于移动机器人在仓储物流下的定位场景，利用RFID的相位-距离模型结合自动导向小车位姿在全局坐标下的参数化表达提出了一种新的基于双曲线优化的自动导向小车定位方法，融合了航迹推测法和RFID相位信息，并结合双曲线方程的定义，通过最优化方法直接解算出自动导向小车全局坐标。

最后针对上述提出的定位模型进行了实物实验验证，基于先锋机器人平台和基于Impinj R420读写器的RFID系统，通过实验验证了本文提出的基于双曲线优化的自动导向小车定位方法，对机器人进行位置解算，完成定位。

关键词：自动导向小车；RFID；相位；定位系统

Abstract

For the pursuit of low cost and high efficiency in company, there is increasing emphasis on automated guided vehicle that can take place of people to finish a specific task. AGV is a representative equipment for modern logistics technology, in terms of indoor mobile robot field, positioning technology is one of key technologies because the precise positioning ability tends to be a basic function of intelligence robots. Nowadays, as far as the absolute location of mobile robots is concerned, well-developed technologies include GPS, landmark positioning and map matching positioning. In order to study the pose of the robot in the global coordinate system, it is generally necessary to use external sensors such as cameras, infrared emission receiver, WIFI, RFID and so on. UFH RFID has become a heated research because of its characteristics of non-line sight, discernible ID, low cost, etc. In particular, with the rise of the Internet of Things concept and the in-depth development of its application technology, as its key technologies will become more popular, and the application costs of related technologies and equipment will become increasingly cheaper. It is of theoretical and practical significance to study RFID-based automatic guided car positioning technologies and methods. This paper will combine the phase information of RFID and mobile robots to put forward a global location model, a method of automated guided vehicle positioning on the basis of hyperbole optimization. The research contents are as follows:

Firstly, it will analyze three main problems, including π-phase jitter, periodic ambiguity, and phase loss in the process of RFID positioning, and give corresponding solutions to them, changing the periodic discontinuous phase to continuous non-period phase.

Secondly, based on antenna position in phase measurement, it will give a calibration method to calculate the antenna location in robots’ coordinate system and verify the effectiveness of this method through simulation and experiments.

Thirdly, it will put forward a new a method of automated guided vehicle positioning based on hyperbole optimization by means of the connection of RFID’s phase- distance model and the para- metric expression of the pose of automated guided vehicle. And then, by way of optimal method can it calculate the global coordinate of automated guided vehicle.

Finally, on the basis of Pioneer-3 DX and the RFID system of Impinj R420 reader, it will verify the method of automated guided vehicle positioning on the basis of hyperbole optimization.

Key Words：Automated Guided Vehicle; RFID; Phase; Location system

目 录

第1章 绪论 1

1.1 背景及意义 1

1.2 国内外现状研究 3

1.2.1 移动机器人定位技术 3

1.2.2 RFID定位技术 6

1.3 本文的研究内容和主要工作 10

第2章 相位缠绕问题及其解缠算法 12

2.1 电磁波传播理论 12

2.2 相位解缠问题简介 13

2.2.1 一维相位解缠 13

2.2.2 二维相位解缠 15

2.3 RFID相位解缠问题 16

2.3.1 π相位跳动问题 16

2.3.2 周期模糊问题 17

2.3.3 相位缺失问题 19

2.4 本章小结 20

第3章 基于相位的天线位置标定算法 21

3.1 天线在移动机器人坐标系下的位置标定方法 21

3.2 天线位置标定仿真分析 22

3.2.1 仿真方案设计 22

3.2.2 仿真结果分析 23

3.3 天线在移动机器人坐标系下的位置标定实验 24

3.3.1 实验平台搭建 24

3.3.2 天线位置标定实验 26

3.4 本章小结 28

第4章 基于双曲线优化的自动导向小车RFID定位算法 29

4.1 基于双曲线优化的自动导向小车RFID定位模型的建立 29

4.1.1 定位场景介绍 29

4.1.2 相位-距离模型 29

4.2 基于双曲线优化的自动导向小车RFID定位模型求解 32

4.3 仿真结果与分析 34

4.3.1 仿真环境 34

4.3.2 仿真结果与分析 35

4.4 本章小结 38

第5章 自动导向小车定位系统实验设计与验证 40

5.1 引言 40

5.2 自动导向小车定位系统简介 40

5.2.1 定位系统硬件平台 40

5.2.2 定位系统软件平台 43

5.3 实验结果与分析 44

5.4 本章小结 48

第6章 总结与展望 49

6.1 全文总结 49

6.2 未来展望 49

参考文献 51

致谢 53

附录 54

第1章 绪论

1.1 背景及意义

AGV^[1]，全称为Automated Guided Vehicle，即自动导向小车，是移动机器人的一种。它将电子信息、计算机控制技术、机械自动化、智能感知等众多的学科融于一身，在现代化的制造产业中得到越来越普遍的应用。

随着“智能制造”和“工业4.0”理念的出现，现代产业的发展正向生产效率发展。更高的要求，更高的生产力和更高的自动化水平是改善未来工业水平的关键因素。由于缺乏灵活性，传统的生产线不能做大的生产变更，导致生产竞争力不足，最终被淘汰。生产过程中物流的合理布局和组织能使生产时间保持在最佳状态，大大降低生产成本，大大提高企业运作效率。自动导向小车由于其应用灵活，集中管理和组织方便的优点以及自动化程度高，智能化等特点，现已成为理想运输载体中的生产自动化。因此，它将得到更快速的增长和更为普遍的应用。

自动导向小车^[2]出现于20世纪50年代，它可以安装有光学、磁电等自动导向设备，按照中央控制系统给出的命令，沿着预定线路自主运动和停靠在需要停止的地方。目前国内来看自动导向小车的实际运用刚刚起步，相当于国外上个世纪末的水准。但从应用的行业分析，分布范围十分广阔，有汽车产业，飞行器制造业，日用电器等等，AGV最初用于仓储和物流行业。该系统可承载大量大件货物，并可通过智能导航实现自动送货和定位，节省人力和物力。目前看来，自动导向小车已经应用于机器加工、家电制造、微电子生产等多个行业^[3]，生产加工范围已成为应用最为普及的领域。在制造生产线，如物料配送，装配和加工制造等方面，多个形成灵活的物流运输系统，随着生产工艺的调整和及时调整运输路线，高效，准确，灵活的物料处理任务。在处理操作中，对电影和电影等黑暗工作环境中的保存存储位置有清洁，安全，没有特殊要求，如烟草、医药、食品、化学工业的废气排放和核电厂辐射的使用，仓库起到了重要的作用。另外，在军工等特殊行业，自动驾驶基于其他检测与拆卸设备的整合，可用于战场扫雷和侦察。无人操作自动处理的优点也适用于处理核材料，危险品、农药、有毒物质、腐蚀性物品、生化物质、易燃易爆物品等特殊环境。这表明自动导向小车存在一个很有潜力的广大市场。AGV系统作为柔性运输设备物流系统的一个重要组成部分，凭借轮式移动机器人及其活动区域没有铺设轨道，承重框架，固定装置的特点，可以在平地面的开放条件下使用。 通过对其应用领域和环境的分析，可以了解到无固定的占地面积，自动化程度高，噪音低，维修方便等特征，是打造无人化车间，实现智能化仓储物流管理的最好选择。未来，AGV 系统的性能将在智能化、信息化、柔性化、敏捷化、节能化和绿色化等功能要求方面进一步改进完善，在工业现代化建设上扮演更加重要的角色。

随着技术的发展以及人力成本逐渐变高，自动导向小车取代人类完成不同类别的特定任务越来越受到重视。2012年亚马逊公司收购了移动机器人制造商Kiva Systems，并在2014年在其生产车间中引入了自动导向小车用于货物分拣，使得亚马逊的物流系统效率相比传统的人工分拣成倍提高。同时亚马逊也在仓储物流配送环节、无人机送货环节投入了大量的移动机器人协同作业。移动机器人的运用对效率的提升可见一斑。