山地果園蓄電池驅(qū)動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)的在軌位置感知系統(tǒng)

李 震， 劉 岳， 洪添勝， 賈 闖， 李加念， 呂石磊

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 電子工程學(xué)院，廣東 廣州 510642；2.國家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機(jī)械研究室，廣東 廣州510642；3.廣東省農(nóng)情信息監(jiān)測(cè)工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510642；4.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642；5.昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

山地果園蓄電池驅(qū)動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)的在軌位置感知系統(tǒng)

李 震1,2,3， 劉 岳1,2,3， 洪添勝2,4， 賈 闖2,5， 李加念2,5， 呂石磊1,3

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 電子工程學(xué)院，廣東 廣州 510642；2.國家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機(jī)械研究室，廣東 廣州510642；3.廣東省農(nóng)情信息監(jiān)測(cè)工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510642；4.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642；5.昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

為實(shí)現(xiàn)山地果園蓄電池驅(qū)動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)在運(yùn)行過程中自動(dòng)感知其在軌位置，本研究設(shè)計(jì)了基于RFID的單軌運(yùn)輸機(jī)在軌位置感知系統(tǒng)。硬件由讀寫器和RFID標(biāo)簽構(gòu)成，讀寫器主要包括非接觸式讀寫控制芯片、電源電路、功率放大電路、天線、微處理器、EEPROM等。系統(tǒng)軟件可實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、識(shí)別標(biāo)簽信息，并匹配在軌位置。研究中測(cè)試了運(yùn)輸機(jī)行進(jìn)速度對(duì)標(biāo)簽讀取結(jié)果的影響，還測(cè)試了系統(tǒng)匹配標(biāo)簽和容錯(cuò)的能力。結(jié)果表明：(1)運(yùn)輸機(jī)的行駛速度介于0.2～0.6 m·s-1時(shí)，正確讀取標(biāo)簽次數(shù)與理論值的吻合度介于97%～60%，速度越快，吻合度越低；在運(yùn)輸機(jī)的工作速度范圍內(nèi)，系統(tǒng)能夠保證駛過一個(gè)標(biāo)簽時(shí)成功讀取該標(biāo)簽信息1次以上；(2)系統(tǒng)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)匹配標(biāo)簽與位置信息、容錯(cuò)和糾錯(cuò)等功能。

山地果園；運(yùn)輸機(jī)械；位置感知；RFID

中國南方水果生產(chǎn)的立地條件多為山地和丘陵，農(nóng)資物料和果品運(yùn)輸以人力為主，生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大。山地水果生產(chǎn)過程中通過機(jī)械化運(yùn)輸提高生產(chǎn)效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度所帶來的經(jīng)濟(jì)效益日趨體現(xiàn)[1-4]，促進(jìn)了山地果園機(jī)械化運(yùn)輸技術(shù)的發(fā)展。山地果園單軌運(yùn)輸機(jī)因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)彎半徑小、軌道鋪設(shè)靈活、安裝及操作性能好等優(yōu)點(diǎn)，已在國內(nèi)多處山地果園推廣使用[5-8]。山地果園蓄電池驅(qū)動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)相對(duì)于以汽/柴油為動(dòng)力的單軌運(yùn)輸機(jī)具有更好的靈活性和安全性。該類運(yùn)輸機(jī)可沿山體鋪設(shè)循環(huán)軌道，具有多機(jī)同步運(yùn)行的能力。配合遙控技術(shù)，操作人員可與運(yùn)輸機(jī)分離。但是，山地果園坡度陡、山路曲折迂回、彎曲處密集，僅憑肉眼無法準(zhǔn)確判斷運(yùn)輸機(jī)當(dāng)前的在軌位置，因而不能夠做出準(zhǔn)確的控制。如果運(yùn)輸機(jī)在運(yùn)行時(shí)能夠自動(dòng)感知其在軌位置，就可以實(shí)現(xiàn)讓其按照預(yù)定的路線全自動(dòng)運(yùn)行，進(jìn)一步降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率[9]。交通運(yùn)輸裝備定位一般選用衛(wèi)星定位裝置[10-12]。在山地果園運(yùn)輸作業(yè)中，軌道鋪設(shè)在山間，普通的定位裝置受地形和植被影響，定位精度約為5～10 m，精度偏低；高分辨率的定位裝置受價(jià)格因素制約，不適用于山地果園運(yùn)輸機(jī)械[13]。因此，衛(wèi)星定位手段不適宜應(yīng)用于山地果園運(yùn)輸裝備上。射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)通過無線通信將信息從標(biāo)簽傳送到讀寫器，具有快速掃描、體積小型化、形狀多樣化、抗污染能力強(qiáng)特點(diǎn)，在射頻門禁、電子溯源、食品溯源等方面得到廣泛的應(yīng)用[14-16]。RFID定位技術(shù)不需要衛(wèi)星或者手機(jī)網(wǎng)絡(luò)的配合，是對(duì)衛(wèi)星定位系統(tǒng)很好的補(bǔ)充[17-18]。RFID定位精確度主要取決于讀寫器和標(biāo)簽的分布，可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行配置[19-21]。為實(shí)現(xiàn)山地果園蓄電池驅(qū)動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)在運(yùn)行過程中自動(dòng)感知其在軌位置，本研究設(shè)計(jì)了基于RFID的山地果園蓄電池驅(qū)動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)在軌位置感知系統(tǒng)，讀寫器安裝在運(yùn)輸機(jī)上，沿軌道放置RFID標(biāo)簽，運(yùn)輸機(jī)行進(jìn)過程中讀寫器無線讀取標(biāo)簽信息，感知其在軌位置。該系統(tǒng)滿足了山地果園蓄電池單軌運(yùn)輸機(jī)在運(yùn)行過程中自動(dòng)感知其在軌位置的要求，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)單軌運(yùn)輸機(jī)到達(dá)指定在軌位置的要求提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

1.1 讀寫器硬件的設(shè)計(jì)

讀寫器主要由射頻模塊和控制處理模塊組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。射頻模塊工作于13.56 MHz頻段，主要包括非接觸式讀寫控制芯片(MFRC522，NXP Semiconductors，荷蘭)、電源電路、功率放大電路、天線等；控制處理模塊由微處理器(MSP430F149，Texas Instruments，美國)、電源、EEPROM(AT24C08，STMicroelectronic，美國)、按鍵等元件組成。

圖1 讀寫器的硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware structure of the reader

讀寫器與運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)間通過通用串行接口(UART)進(jìn)行通信以傳遞位置信息；EEPROM用于存儲(chǔ)RFID標(biāo)簽信息與在軌位置間的映射關(guān)系；按鍵作為更新EEPROM中映射關(guān)系的硬件觸發(fā)條件。

1.2 RFID標(biāo)簽選型與安裝

由于山地果園單軌運(yùn)輸系統(tǒng)的軌道為金屬材質(zhì)，本研究選用高頻抗金屬RFID標(biāo)簽(C113020，常州高特電子技術(shù)有限公司，常州)，該型標(biāo)簽貼于金屬時(shí)的讀取范圍可達(dá)5 cm。標(biāo)簽用螺絲釘固定在與讀寫器同側(cè)的軌道側(cè)邊(圖2)。運(yùn)輸機(jī)行駛的軌道單節(jié)長(zhǎng)度為6 m，通常情況下每節(jié)軌道貼1個(gè)RFID標(biāo)簽。

1.3 讀寫器安裝

單軌運(yùn)輸機(jī)的驅(qū)動(dòng)輪與軌道間采用齒式嚙合，在驅(qū)動(dòng)輪的一側(cè)，裝配有剎車盤、鏈輪等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，工作時(shí)會(huì)對(duì)射頻信號(hào)產(chǎn)生較大干擾。驅(qū)動(dòng)輪的對(duì)側(cè)沒有裝配執(zhí)行機(jī)構(gòu)，既可保證較好的通信質(zhì)量，同時(shí)也為安裝讀寫器預(yù)留了較大空間。因此，讀寫器固定于運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭的支架上，位于機(jī)頭罩內(nèi)，面向驅(qū)動(dòng)輪沒有執(zhí)行機(jī)構(gòu)的一側(cè)，如圖2所示。通過調(diào)節(jié)固定螺釘，保證讀寫器天線到RFID標(biāo)簽的距離d<5 cm，本研究中實(shí)測(cè)d=2.8 cm；當(dāng)運(yùn)輸機(jī)位于平地時(shí)，標(biāo)簽的水平中位線與讀寫器天線的水平中位線處于相同的高度。

1.運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭罩；2.軌道；3.標(biāo)簽；4.讀寫器；5.貨運(yùn)拖車。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 標(biāo)簽信息與在軌位置間映射關(guān)系及其存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

2.1.1 標(biāo)簽信息與在軌位置間的映射關(guān)系 山地果園蓄電池驅(qū)動(dòng)單軌運(yùn)輸系統(tǒng)的軌道沿山勢(shì)鋪設(shè)，從山腳一直延伸到山頂。標(biāo)簽按照一定的間隔布置在軌道上，將山腳處的第一個(gè)標(biāo)簽記為第“0”號(hào)標(biāo)簽，其所對(duì)應(yīng)的軌道位置記為“0”號(hào)位置；將山頂端的最后一個(gè)標(biāo)簽記為第“N”號(hào)標(biāo)簽，其所對(duì)應(yīng)的位置記為“N”號(hào)位置。

標(biāo)簽信息與其所代表的位置信息是“1—1”對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系，每一個(gè)標(biāo)簽信息代表唯一的位置信息。首次運(yùn)行前，需對(duì)EEPROM中的映射關(guān)系進(jìn)行初始化，方法為通過計(jì)算機(jī)將映射關(guān)系發(fā)送給讀寫器的微控制器，再由微控制器將其寫入EEPROM中存儲(chǔ)。完成初始化的系統(tǒng)在復(fù)位后會(huì)先將映射關(guān)系從EEPROM讀入到微控制器的內(nèi)存，以便于在系統(tǒng)工作過程中快速查找標(biāo)簽信息和感知運(yùn)輸機(jī)的在軌位置。

2.1.2 映射關(guān)系存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) 在AT24C08中，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)被分為4個(gè)扇區(qū)(Blocks)，每個(gè)扇區(qū)有16個(gè)頁(Pages)，每個(gè)頁包含16個(gè)字節(jié)(Bytes)，既每個(gè)扇區(qū)可以存儲(chǔ)256個(gè)字節(jié)，4個(gè)扇區(qū)合計(jì)可存儲(chǔ)1 024個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。

山地果園中跨越2層果樹種植層的軌道長(zhǎng)度約為5 m，在每層果樹對(duì)應(yīng)的軌道位置放置RFID標(biāo)簽，使運(yùn)輸機(jī)自動(dòng)識(shí)別其當(dāng)前所在的層。已有的山地果園軌道運(yùn)送系統(tǒng)軌道長(zhǎng)度約為300 m，每隔5 m貼一個(gè)標(biāo)簽時(shí)，連同起始位置的標(biāo)簽，共需存儲(chǔ)61對(duì)標(biāo)簽信息及其所代表的位置信息的映射關(guān)系。本研究所選用的標(biāo)簽信息長(zhǎng)度為2字節(jié)，為適應(yīng)AT24C08的數(shù)據(jù)連續(xù)寫入/讀取功能，提高讀取效率，位置信息也用2字節(jié)存儲(chǔ)，分別為該位置對(duì)應(yīng)層數(shù)的十位和個(gè)位的ASCII碼。存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 標(biāo)簽信息匹配算法

系統(tǒng)上電后，MSP430微處理器先將存儲(chǔ)在AT24C08中的映射關(guān)系讀入自身的RAM中，以便后續(xù)運(yùn)行過程中快速查找標(biāo)簽信息并識(shí)別在軌位置。讀寫器讀取標(biāo)簽信息后，在自身的RAM中搜索與之匹配的位置信息，工作過程如圖4所示。

圖3 映射關(guān)系存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)Fig.3 Mapping relationship storage structure

圖4 標(biāo)簽信息匹配算法工作過程

映射關(guān)系占用較多的存儲(chǔ)單元，每次識(shí)別到標(biāo)簽信息后都遍歷存儲(chǔ)區(qū)將帶來比較嚴(yán)重的時(shí)間延遲。因此，需要根據(jù)運(yùn)輸機(jī)行進(jìn)方向和當(dāng)前位置信息，設(shè)計(jì)標(biāo)簽信息匹配算法，提高標(biāo)簽信息匹配的效率。標(biāo)簽信息匹配算法流程圖如圖5所示。

運(yùn)輸機(jī)工作時(shí)，主控制系統(tǒng)將運(yùn)行方向信息發(fā)給RFID讀寫器的MSP430微處理器，作為在存儲(chǔ)區(qū)中搜索匹配的標(biāo)簽信息的依據(jù)。程序中設(shè)置2個(gè)指針“Pointer_tag”和“Pointer_location”。其中“Pointer_tag”指向當(dāng)前標(biāo)簽信息的高8位，“Pointer_location”指向當(dāng)前位置信息的“十”位。當(dāng)檢測(cè)到與當(dāng)前標(biāo)簽信息不匹配的新標(biāo)簽時(shí)，系統(tǒng)按照?qǐng)D4的流程進(jìn)行標(biāo)簽匹配，如果成功，則改變“Pointer_location”的值，使其指向?qū)?yīng)的位置信息存儲(chǔ)單元，并將該單元及其后續(xù)一個(gè)單元的信息存入AT24C08中。系統(tǒng)再次上電后，以在AT24C08中存儲(chǔ)的位置為起點(diǎn)搜索標(biāo)簽，避免每次啟動(dòng)都遍歷存儲(chǔ)區(qū)，提高標(biāo)簽信息匹配的效率。

算法中設(shè)置了容錯(cuò)機(jī)制，以應(yīng)對(duì)當(dāng)系統(tǒng)掉電后，運(yùn)輸機(jī)被人為移動(dòng)了位置的情況。此時(shí)，如果上電后從AT24C08中讀取的當(dāng)前位置信息與實(shí)際位置不同，處理方法為設(shè)置容錯(cuò)計(jì)數(shù)器“Lack”，當(dāng)發(fā)生標(biāo)簽變化，且存儲(chǔ)的標(biāo)簽信息與實(shí)際信息不匹配時(shí)，Lack自增1。本研究中預(yù)設(shè)當(dāng)出現(xiàn)3次該類情況時(shí)，微處理器從存儲(chǔ)的第0個(gè)標(biāo)簽信息開始遍歷存儲(chǔ)區(qū)，進(jìn)行標(biāo)簽信息匹配。

圖5 標(biāo)簽信息匹配算法流程圖

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 運(yùn)輸機(jī)行進(jìn)速度對(duì)標(biāo)簽讀取結(jié)果的影響

3.1.1 靜態(tài)測(cè)試

3.1.1.1 測(cè)試方法 標(biāo)簽與讀寫器安裝方式如圖2，手動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)輸機(jī)，使標(biāo)簽的縱向中位線與讀寫器的縱向中位線所構(gòu)成的平面與軌道外緣平面垂直，如圖6所示。

1.軌道；2.RFID標(biāo)簽；3.中位線構(gòu)成平面；4.讀寫器天線。

運(yùn)輸機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)，將讀寫器與計(jì)算機(jī)相連，每次讀到標(biāo)簽信息后，讀寫器將該信息反饋給計(jì)算機(jī)并進(jìn)行顯示。利用秒表計(jì)時(shí)，記錄5 s內(nèi)讀寫器讀取標(biāo)簽的次數(shù)，連續(xù)進(jìn)行5次試驗(yàn)，將5次的讀取次數(shù)取平均值作為靜態(tài)測(cè)試結(jié)果。

3.1.1.2 測(cè)試結(jié)果 5次試驗(yàn)結(jié)果見表1。用標(biāo)簽信息讀取次數(shù)的平均值除以平均用時(shí)，得到讀寫器在1 s內(nèi)約可讀取標(biāo)簽信息15.1次，取整數(shù)15次。

表1 靜態(tài)測(cè)試結(jié)果

3.1.2 運(yùn)輸機(jī)行駛狀態(tài)下測(cè)試 該測(cè)試的目的是檢驗(yàn)當(dāng)運(yùn)輸機(jī)工作在設(shè)計(jì)速度(0.2～0.6 m·s-1)時(shí)，位置感知系統(tǒng)能否穩(wěn)定的讀取每個(gè)標(biāo)簽的信息。測(cè)試方法為控制運(yùn)輸機(jī)的行駛速度分別為0.2、0.4、0.5和0.6 m·s-1，測(cè)量讀寫器以不同的車速駛過標(biāo)簽過程中讀取標(biāo)簽信息的次數(shù)。定義測(cè)試結(jié)果與理論值的吻合度為：

(1)

式中：Match為測(cè)試結(jié)果與理論值的吻合度；Kt為通過計(jì)算得到運(yùn)輸機(jī)行駛通過標(biāo)簽的讀取區(qū)域時(shí)讀寫器可讀取標(biāo)簽的次數(shù)；Ki為第i次試驗(yàn)測(cè)試得到運(yùn)輸機(jī)行駛通過標(biāo)簽的讀取區(qū)域時(shí)讀寫器實(shí)際讀取標(biāo)簽的次數(shù)；N為運(yùn)輸機(jī)在某一行駛速度下進(jìn)行標(biāo)簽讀取能力測(cè)試的次數(shù)。

滿足讀寫器能夠有效讀取標(biāo)簽信息條件下，運(yùn)輸機(jī)行駛距離(2×l)的示意圖如圖7，按照式(2)計(jì)算運(yùn)輸機(jī)從進(jìn)入標(biāo)簽的有效讀取區(qū)到標(biāo)簽中心正對(duì)讀寫器天線中心時(shí)的行駛距離l為：

(2)

式中：l為運(yùn)輸機(jī)從進(jìn)入標(biāo)簽的有效讀取區(qū)到標(biāo)簽中心正對(duì)讀寫器天線中心時(shí)的行駛距離，cm；r為標(biāo)簽的有效讀取距離(半徑)，cm；d為RFID天線與標(biāo)簽間的垂直距離，cm。

其中，d=2.8 cm，r=5 cm，代入式1得到l=4.15 cm，2×l=8.3 cm，即運(yùn)輸機(jī)駛?cè)霕?biāo)簽有效讀取區(qū)到駛出有效讀取區(qū)的距離為8.3 cm。

1.運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭罩；2.讀寫器；3.標(biāo)簽；4.軌道。

當(dāng)運(yùn)輸機(jī)行駛速度分別為0.2、0.4、0.5、0.6 m·s-1時(shí)，通過8.3 cm的時(shí)間分別為0.42、0.21、0.17、0.14 s，理論上當(dāng)運(yùn)輸機(jī)駛過時(shí)可讀取標(biāo)簽信息的次數(shù)分別為6、3、3、2次。每個(gè)行駛速度分別進(jìn)行5次試驗(yàn)，結(jié)果如表2。從表2可以看出，(1)測(cè)試結(jié)果與理論值的吻合度介于60%到97%之間，行駛速度越快，吻合度越低；(2)5次測(cè)試中每個(gè)行駛速度下的讀取成功率均達(dá)到100%，說明當(dāng)運(yùn)輸機(jī)工作在設(shè)定速度時(shí)，讀寫器均能夠成功讀取標(biāo)簽信息1次以上，滿足在軌位置感知的要求。

表2 運(yùn)輸機(jī)行駛狀態(tài)下標(biāo)簽讀取能力測(cè)試結(jié)果

3.2 系統(tǒng)實(shí)際工作效果測(cè)試

3.2.1 正常工作狀態(tài)測(cè)試 沿軌道連續(xù)鋪設(shè)5個(gè)標(biāo)簽，并設(shè)定每個(gè)標(biāo)簽對(duì)應(yīng)位置分別為0、1、2、3、4，運(yùn)輸機(jī)起始點(diǎn)在“0”號(hào)標(biāo)簽之前，分別以0.2、0.4、0.5、0.6 m·s-1的速度駛過5個(gè)標(biāo)簽。讀寫器與計(jì)算機(jī)相連，每匹配到一個(gè)新標(biāo)簽時(shí)讀寫器將其對(duì)應(yīng)的位置信息發(fā)送給計(jì)算機(jī)顯示。由于此時(shí)讀寫器無法接受來自運(yùn)輸機(jī)主控制器的行駛方向信息，在本研究中將讀寫器程序在存儲(chǔ)器中搜索標(biāo)簽的方向固定為“上行”。正常工作狀態(tài)測(cè)試中，運(yùn)輸機(jī)工作在每個(gè)行駛速度條件下均測(cè)試5次。

3.2.2 容錯(cuò)能力測(cè)試 通過程序設(shè)定AT24C08中存儲(chǔ)的位置信息為“0”位置。移動(dòng)運(yùn)輸機(jī)，使讀寫器在斷電的狀態(tài)下越過代表位置“0”的標(biāo)簽，再次啟動(dòng)時(shí)第一個(gè)讀取的標(biāo)簽將為位置“1”，同時(shí)在程序中增加反饋“Lack”計(jì)數(shù)器值，觀察計(jì)算機(jī)顯示內(nèi)容。容錯(cuò)能力測(cè)試中，運(yùn)輸機(jī)工作在0.4 m·s-1，連續(xù)測(cè)試5次。

3.2.3 測(cè)試結(jié)果 工作效果測(cè)試時(shí)計(jì)算機(jī)運(yùn)行串口調(diào)試助手的截屏如圖8。從圖8可以看出，(1)在正常工作狀態(tài)下，運(yùn)輸機(jī)連續(xù)駛過5個(gè)標(biāo)簽，5次試驗(yàn)中讀寫器均可成功讀取每個(gè)標(biāo)簽信息并正確反饋所對(duì)應(yīng)的位置；(2)容錯(cuò)能力測(cè)試中，運(yùn)輸機(jī)被人為移動(dòng)位置，RFID讀寫器上電后能夠按照預(yù)設(shè)的方法，當(dāng)連續(xù)3次匹配標(biāo)簽和位置信息失敗后，微處理器中的程序可自動(dòng)重新遍歷整個(gè)存儲(chǔ)區(qū)，在讀到第4個(gè)標(biāo)簽后實(shí)現(xiàn)正確匹配標(biāo)簽和位置信息。

圖8 工作效果測(cè)試時(shí)計(jì)算機(jī)串口調(diào)試助手Fig.8 Serial port debugging assistant in working effect test

4 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)山地果園蓄電池驅(qū)動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)在運(yùn)行過程中自動(dòng)感知其在軌位置，本研究設(shè)計(jì)了基于RFID的山地果園蓄電池驅(qū)動(dòng)單軌運(yùn)輸機(jī)在軌位置感知系統(tǒng)，硬件由讀寫器和RFID標(biāo)簽構(gòu)成，其中讀寫器主要包括非接觸式讀寫控制芯片、電源電路、功率放大電路、天線等；系統(tǒng)軟件可實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)與匹配標(biāo)簽信息與在軌位置間的映射關(guān)系，并具有容錯(cuò)能力。讀寫器安裝在運(yùn)輸機(jī)上，沿軌道放置RFID標(biāo)簽，運(yùn)輸機(jī)行進(jìn)過程中讀寫器無線讀取標(biāo)簽信息，感知自身的在軌位置。

為檢驗(yàn)系統(tǒng)工作效果，測(cè)試了運(yùn)輸機(jī)行進(jìn)速度對(duì)標(biāo)簽讀取結(jié)果的影響，并模擬正常和人為在斷電狀態(tài)下移動(dòng)運(yùn)輸機(jī)以測(cè)試系統(tǒng)的標(biāo)簽匹配和容錯(cuò)能力。試驗(yàn)結(jié)果表明：(1)運(yùn)輸機(jī)靜止且讀寫器與標(biāo)簽間距離小于標(biāo)簽的有效讀取距離時(shí)，讀寫器在1 s內(nèi)約可讀取標(biāo)簽信息15次；運(yùn)輸機(jī)的行駛速度介于0.2～0.6 m·s-1時(shí)，正確讀取標(biāo)簽次數(shù)與理論值的吻合度介于97%～60%之間，速度越快，吻合度越低；在運(yùn)輸機(jī)的工作速度范圍內(nèi)，系統(tǒng)能夠保證駛過一個(gè)標(biāo)簽時(shí)成功讀取該標(biāo)簽信息1次以上。(2)運(yùn)輸機(jī)在正常工作狀態(tài)下，讀寫器可成功讀取每個(gè)標(biāo)簽信息并正確反饋所對(duì)應(yīng)的位置；運(yùn)輸機(jī)被人為移動(dòng)位置，讀寫器能夠按照預(yù)設(shè)的方法進(jìn)行糾錯(cuò)和重新匹配，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定目標(biāo)。

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(責(zé)任編輯：蔣國良)

On-track positioning system for battery-drive mountainous orchard monorail transporter

LI Zhen1,2,3, LIU Yue1,2,3, HONG Tiansheng2,4, JIA Chuang2,5, LI Jianian2,5, LV Shilei1,3

(1.College of Electronic Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; 2.Division of Citrus Machinery, China Agriculture Research System, Guangzhou 510642, China; 3.Guangdong Engineering Research Center for Agricultural Information Monitoring, Guangzhou 510642, China; 4.College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; 5.Faculty of Modern Agricultural Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)

An on-track position sensing system based on RFID for battery-drive monorail transporter was developed in this study to enable the mountainous orchard battery-drive monorail transporter to sense automatically its on-track position while it is on the move. The system hardware was composed of reader and RFID tag. The reader mainly includes the non-contact reading and writing control chip, power circuit, power amplifier, antenna, microprocessor, EEPROM, etc. The system software can store and identify tag information and matching it with the transporter’s on-track position. In the study, the influence of the transporter’s driving velocity on the tag reading result is tested, and the label matching and fault-tolerance capability of the system are also tested. The results indicated that: (1) when the transporter's driving velocity was in the range of 0.2 to 0.6 m·s-1, the consistency between the number of correct tag reading towards its counterpart theoretical number was in the range of 97% to 60%; the higher the velocity was, the lower the consistency was; in the range of the transporter’s working velocity, the system can ensure more than one successful tag reading when the transporter drives pass a label. (2) The system software can realize matching tag and location information, and have the fault-tolerance and error correction function.

mountainous orchard; transportation machine; position sensing; RFID

2016-06-29

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203016)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(CARS-27)；廣東省高等學(xué)校優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(Yq2013028)；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016A020210093)

李 震(1981-)，男，廣東廣州人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用研究。

洪添勝(1955-)，男，廣東梅縣人，教授，博士，博士生導(dǎo)師。

1000-2340(2017)01-0053-07

S126

A