果蔬采摘機(jī)器人自主定位與導(dǎo)航設(shè)計(jì)
——基于RFID和WSN信息融合

熊 瓊

(武漢工商學(xué)院 信息工程學(xué)院，武漢 430065)

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果蔬采摘機(jī)器人自主定位與導(dǎo)航設(shè)計(jì)
——基于RFID和WSN信息融合

熊 瓊

(武漢工商學(xué)院 信息工程學(xué)院，武漢 430065)

將RFID與WSN技術(shù)的信息融合后應(yīng)用于采摘機(jī)器人的自主定位與導(dǎo)航中，結(jié)合兩者的優(yōu)勢，使采摘機(jī)器人在與外界交互上更加精準(zhǔn)快速。RFID射頻識(shí)別技術(shù)是一項(xiàng)新興技術(shù)，對(duì)于采摘機(jī)器人在復(fù)雜及障礙物比較多的環(huán)境，采用RFID模塊對(duì)物體的識(shí)別具有使用壽命長、識(shí)別標(biāo)簽多等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在抗干擾性差、通信距離過短、過于依賴讀寫器采集信號(hào)且成本高等缺點(diǎn)。WSN技術(shù)能感應(yīng)周圍各種的信號(hào)，具有輻射范圍廣、可無人值守且成本低等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于識(shí)別傳感器標(biāo)節(jié)點(diǎn)、使用壽命及能耗上不太理想。兩項(xiàng)技術(shù)之間的完美互補(bǔ)使智能識(shí)別與定位更上一個(gè)臺(tái)階，必將推動(dòng)RFID和WSN在智能采摘機(jī)器人方面的應(yīng)用和發(fā)展。

果蔬；采摘機(jī)器人；定位；導(dǎo)航；自動(dòng)識(shí)別

0 引言

隨著科技的發(fā)展，智能機(jī)器人已成為未來發(fā)展的一種趨勢，在人類的日常生活及某些特定的場合已體現(xiàn)出了重要價(jià)值。其中，采摘機(jī)器人作為具有代表性的應(yīng)用，由于其工作環(huán)境非常復(fù)雜且需要隨時(shí)規(guī)劃行程和應(yīng)對(duì)周圍環(huán)境的變化，所以智能采摘機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)在于智能識(shí)別和導(dǎo)航定位的精準(zhǔn)及速度，這兩點(diǎn)對(duì)于采摘機(jī)器人智能水平應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展具有非常重要的理論意義和實(shí)際價(jià)值。目前，智能機(jī)器人一直是科學(xué)研究的焦點(diǎn)。本文所述的采摘機(jī)器人主要應(yīng)用于現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，可為減小農(nóng)民負(fù)擔(dān)、提高生產(chǎn)效率做出偉大的貢獻(xiàn)。本文通過融合RFID與WSN技術(shù)的新思路，使采摘機(jī)器人的應(yīng)用更加可靠、實(shí)用，更加靈活地服務(wù)于人類，具有非常高的商業(yè)價(jià)值。為了保證采摘機(jī)器人較高的可靠性和精準(zhǔn)性，本文基于RFID和WSN信息融合自主定位方式驗(yàn)證了其可行性。

1 RFID定位算法設(shè)計(jì)

1.1 RFID射頻識(shí)別技術(shù)

RFID射頻識(shí)別技術(shù)由物體標(biāo)簽、讀寫系統(tǒng)和無線通信網(wǎng)絡(luò)等3部分組成，結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 RFID結(jié)構(gòu)框架圖

標(biāo)簽是系統(tǒng)的核心部分，主要分為被動(dòng)、半被動(dòng)、主動(dòng)3種，一般由耦合元件及芯片組成，且每個(gè)標(biāo)簽都是唯一的電子編碼信息，通常附載在需要被識(shí)別的物品上，以便系統(tǒng)主動(dòng)識(shí)別目標(biāo)或存儲(chǔ)其相關(guān)的信息，操作快捷方便。閱讀器一般利用RFID系統(tǒng)以非接觸方式識(shí)別物品標(biāo)簽信息，同時(shí)也能夠通過該設(shè)備將信息寫入到標(biāo)簽。無線通信網(wǎng)絡(luò)采取無線傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息的管理和傳輸。

本文的射頻識(shí)別系統(tǒng)中采用有源RFID，結(jié)構(gòu)如圖2所示。閱讀器通過射頻天線向外發(fā)射載波信息；在系統(tǒng)發(fā)射區(qū)，若標(biāo)簽被讀取時(shí)，可以通過調(diào)制、解碼、解密對(duì)信號(hào)進(jìn)行操作，進(jìn)而對(duì)信號(hào)采取密碼、權(quán)限等工作，然后由天線將載波信息發(fā)射出去；閱讀器收到標(biāo)簽傳送過來的信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，最后發(fā)給計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)對(duì)信息進(jìn)行處理判斷，然后根據(jù)設(shè)計(jì)發(fā)出指令進(jìn)行控制。系統(tǒng)之間的連接主要是通過無線通信網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)需要設(shè)計(jì)軟件，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

圖2 RFID系統(tǒng)框架圖

1.2 RFID定位算法估計(jì)理論

定位算法估計(jì)主要包括極大似然估計(jì)法和最小二乘估計(jì)法兩種。本文研究設(shè)計(jì)RFID定位算法采用極大似然估計(jì)法，該算法式是建立在極大似然原理上的統(tǒng)計(jì)方法。其原理如下：

(1)

L=L(Zk,X)=L(Z(1),Z(2),...,Z(k),X)

(2)

圖3 極大似然定位法結(jié)構(gòu)圖

如圖3所示，各坐標(biāo)到未知點(diǎn)T的距離分別為d1,d2,d3,d4,…,dn，則各點(diǎn)到距離T的距離公式為

(3)

變換后可以得到

(4)

將式(4)表示為線性方程AX=b，則有

(5)

(6)

(7)

因此，可以得到所需求解T點(diǎn)的坐標(biāo)為

(8)

2 WSN定位算法設(shè)計(jì)

定位是機(jī)器人自主導(dǎo)航的根本，將WSN作為機(jī)器人導(dǎo)航的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，首先要使其具備定位功能，各無線傳感節(jié)點(diǎn)既要通過附近節(jié)點(diǎn)給自身定位，又要為采摘機(jī)器人路徑規(guī)劃提供判斷。根據(jù)定位需求不同，WSN的定位算法分類不同。目前，在WSN研究中已經(jīng)提出的測距技術(shù)主要包括RSSI、TDOA、AOA和TOA這4種算法，這幾種算法各具優(yōu)點(diǎn)。RRSI算法的工作原理是：在知道節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率的狀態(tài)下，通過無線傳感測量節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度，系統(tǒng)根據(jù)算法將信號(hào)傳播衰減強(qiáng)度化為距離信息。在系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)確定時(shí)，采用RSSI算法是最佳的測距方法。采摘機(jī)器人工作的環(huán)境復(fù)雜多變，外界不確定因素多，系統(tǒng)易受外界影響。

針對(duì)上述問題綜合考慮，選用RSSI作為WSN定位算法設(shè)計(jì)，利用RSSI表示采摘機(jī)器人位置信息和導(dǎo)航模式，能夠最大程度降低數(shù)值信息轉(zhuǎn)換過程中引入的模型誤差。假設(shè)Bi,Bi+1,…,Bi+m為通信節(jié)點(diǎn)，Aj(xj,yi)為空間一點(diǎn)，各通信節(jié)點(diǎn)的信號(hào)在Aj(xj,yi)處的強(qiáng)度分別為Pi,Pi+1,…,Pi+m，可以表示為

(9)

那么，Ajp在Aj點(diǎn)的RRSI空間坐標(biāo)的映射，可記為

(10)

在采摘機(jī)器人作業(yè)環(huán)境比較大時(shí)，在點(diǎn)Aj與各通信節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度值是固定的，Φ是一個(gè)唯一值。反過來，Ajp到Aj的映射函數(shù)Φ卻不是一個(gè)唯一的。如圖4所示，當(dāng)只有一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)時(shí)，Ajp的映射只是一條封閉的環(huán)形曲線；當(dāng)有2個(gè)通信節(jié)點(diǎn)時(shí)，Ajp的映射則有2個(gè)點(diǎn)；而當(dāng)有3個(gè)通信節(jié)點(diǎn)時(shí)，Ajp的映射就只有1個(gè)唯一的點(diǎn)。此時(shí)，兩者之間的映射關(guān)系可以表示為

(11)

圖4 不同節(jié)點(diǎn)對(duì)空間坐標(biāo)映射的影響

通信節(jié)點(diǎn)有3個(gè)，即映射Φ-1唯一的情況下，采摘機(jī)器人的空間狀態(tài)信息可以用RSSI值表示。信號(hào)強(qiáng)度等勢線如圖5所示。

圖5 等勢線的理論值(左)與實(shí)際值

等勢線可看成節(jié)點(diǎn)向空間傳遞的信號(hào)強(qiáng)度值，機(jī)器人在t時(shí)刻相對(duì)于某一節(jié)點(diǎn)M的狀態(tài)為

(12)

其中，Vit是機(jī)器人靠近M的速度；Dk是機(jī)器人移動(dòng)方向。

機(jī)器人的定位和導(dǎo)航參數(shù)信息就可表示為

(13)

機(jī)器人移動(dòng)位置目標(biāo)G可以表示為

(14)

對(duì)于機(jī)器人自主定位與導(dǎo)航系統(tǒng)的控制中，首要問題是控制機(jī)器人的移動(dòng)方向，每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)也是為了判斷決策控制輸出量，從而引入到相應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度的等勢線上。在這個(gè)過程中，通信節(jié)點(diǎn)可以提高系統(tǒng)檢測周邊環(huán)境的靈活性，為機(jī)器人導(dǎo)航提供可靠依據(jù)。

3 采摘機(jī)器人自主定位與導(dǎo)航設(shè)計(jì)

采摘機(jī)器人自主定位與導(dǎo)航系統(tǒng)包括自主定位平臺(tái)、導(dǎo)航平臺(tái)、環(huán)境事物識(shí)別系統(tǒng)和機(jī)器人主體。

3.1 建立WSN環(huán)境平臺(tái)

采摘機(jī)器人在自主定位和導(dǎo)航過程中，對(duì)周邊環(huán)境的感知和判斷都需要WSN平臺(tái)的支撐。通過WSN平臺(tái)，采摘機(jī)器人節(jié)點(diǎn)可以通過無線通信網(wǎng)絡(luò)與其他環(huán)境節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息的傳輸與交互，進(jìn)而獲取自身位置狀態(tài)和環(huán)境信息。本設(shè)計(jì)中，建立WSN平臺(tái)是研究的重要環(huán)節(jié)，對(duì)采摘機(jī)器人自主定位和導(dǎo)航的成功與否起著決定性作用。該平臺(tái)的建立采用GAINZ節(jié)點(diǎn)技術(shù)，主要包括信標(biāo)、移動(dòng)和普通3種節(jié)點(diǎn)。

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)主要是搭載在采摘機(jī)器人上，而信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)則根據(jù)環(huán)境狀況分布在作業(yè)區(qū)域，且能夠裝備傳感器板以方便全局環(huán)境信息的采集。采摘機(jī)器人作業(yè)區(qū)域WSN平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 采摘機(jī)器人作業(yè)區(qū)域WSN平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

3.2 RFID射頻識(shí)別設(shè)備布置

RFID射頻識(shí)別閱讀器設(shè)備安裝在采摘機(jī)器人上，隨著機(jī)器人在作業(yè)區(qū)域的移動(dòng)，可以讀取環(huán)境標(biāo)簽的信息。由于閱讀器信息場智能識(shí)別距離有限，因此機(jī)器人讀取范圍僅被限制在機(jī)器人正前方的橢圓形范圍內(nèi)。在作業(yè)區(qū)域，RFID標(biāo)簽與普通節(jié)點(diǎn)布放物理位置一致，標(biāo)簽與普通節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，這些射頻標(biāo)簽用來方便機(jī)器人識(shí)別障礙和目標(biāo)。

載有閱讀器的采摘機(jī)器人在移動(dòng)過程中可以根據(jù)電子標(biāo)簽獲取障礙或者目標(biāo)的狀態(tài)信息，RFID的應(yīng)用及其信息的成功獲得，給采摘機(jī)器人提供了有效的避障和導(dǎo)航規(guī)劃，大大提高了自主性和靈活度。本文中，由于閱讀器安置形式及其信息場特征因素，采摘機(jī)器人只能夠采集到其正前方橢球型范圍內(nèi)的電子標(biāo)簽信息，成功讀取的距離約為10m。

3.3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

自主定位和導(dǎo)航控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)是采摘機(jī)器人的核心，主要涉及控制器芯片、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇、運(yùn)動(dòng)控制電路、接口模塊及傳感器網(wǎng)絡(luò)等?？刂葡到y(tǒng)硬件框架如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)硬件框架圖

自主定位和導(dǎo)航控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)包括S3C2440處理器、GAINZ節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)、RFID閱讀器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電子羅盤運(yùn)動(dòng)控制、碰撞開關(guān)和顯示電路等。

3.3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

自主定位和導(dǎo)航控制軟件系統(tǒng)包括應(yīng)用軟件，內(nèi)核、系統(tǒng)服務(wù)及驅(qū)動(dòng)程序。軟件構(gòu)成如圖8所示。

圖8 軟件構(gòu)成示意圖

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

機(jī)器人自主定位和避障，是采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)的重要部分。為了驗(yàn)證該機(jī)器人定位和避障系統(tǒng)是否能夠滿足設(shè)計(jì)需要，在機(jī)器人自主運(yùn)行的情況下，在作業(yè)區(qū)域隨機(jī)布置了20個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)。首先，根據(jù)RSSI算法手動(dòng)控制對(duì)采摘機(jī)器人進(jìn)行路徑導(dǎo)航，驗(yàn)證導(dǎo)航算法的準(zhǔn)確性；然后將采摘機(jī)器人置于手動(dòng)控制的初始位置，啟動(dòng)自主導(dǎo)航模式，根據(jù)機(jī)器人是否可以成功跟蹤預(yù)先設(shè)定的期望路徑判斷其導(dǎo)航性能。試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。圖9中，虛線表示手動(dòng)控制時(shí)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑，實(shí)線表示自動(dòng)導(dǎo)航時(shí)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑。從圖9可以看出：機(jī)器人能夠成功導(dǎo)航并跟蹤預(yù)先設(shè)定的路徑，且誤差系數(shù)小。由此證明了自主定位和導(dǎo)航系統(tǒng)的有效性和可行性。

圖9 采摘機(jī)器人實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

分析了RFID射頻識(shí)別技術(shù)和WSN的原理及其優(yōu)越性，根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)研究了一種基于RFID和WSN信息融合的采摘機(jī)器人自主定位與導(dǎo)航系統(tǒng)。系統(tǒng)將應(yīng)用非常廣泛的RFID和WSN技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于機(jī)器人的自主定位與導(dǎo)航，具有重要現(xiàn)實(shí)意義和寬廣的應(yīng)用前景。同時(shí)，為了驗(yàn)證該機(jī)器人定位和避障系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可行性，進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：機(jī)器人能成功導(dǎo)航并跟蹤預(yù)先設(shè)定的路徑，且誤差系數(shù)小。由此證明了本自主定位和導(dǎo)航系統(tǒng)的可行性和可靠性。

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Autonomous Positioning and Navigation Design of Fruit and Vegetable Picking Robot—Based on Information Fusion of RFID and WSN

Xiong Qiong

(School of Information Engineering,Wuhan Technology and Business University,Wuhan 430065, China)

The RFID and WSN technology of information fusion to together used in picking robot self localization and navigation, by combining their advantages, the picking robot in and outside interaction of more accurate and rapid. Radio frequency identification (RFID) is an emerging technology, for picking robot in the environment more complex and obstacles, the RFID module of object recognition is the use of long life, identification tags, etc.. But there are also poor anti-interference, communication distance is too short, too dependent on the read and write device signal acquisition and cost advantages and shortcomings. WSN technology can sense a wide range of signals, with a wide range of radiation, no one on duty and low cost advantages, but for the identification of sensor nodes, the use of life and energy consumption is not ideal. The perfect complementarity between the two technologies enables intelligent recognition and positioning of a higher level, and will certainly promote the application and development of RFID and WSN in the intelligent picking robot.

fruit and vegetable; picking robot; location; navigation; automatic identification

2016-07-06

武漢工商學(xué)院科學(xué)研究項(xiàng)目(A2016010)

熊 瓊(1981-)，女，湖北鄂州人，講師，碩士，(E-mail)joanxiong@foxmail.com。

S225.911

A

1003-188X(2017)10-0223-05