基于紅外感應(yīng)的全自動標簽打印裝置的定位研究

莫喜玄，張 娟，高興宇，蔣文彥，梁小歡，龔 平

（1.桂林星漢科技股份有限公司，廣西 桂林 541000；2.桂林醫(yī)學院附屬醫(yī)院健康體檢中心，廣西 桂林 541000；3.桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004）

0 引言

標簽打印在物流、醫(yī)學等方面扮演著重要的作用。人們可以根據(jù)標簽上面的信息追蹤到其生產(chǎn)廠家及相關(guān)產(chǎn)品等人員的詳細信息，極大提高了安全性、便捷性。但是在貼標簽的過程由于其位置不準確，會造成標簽錯位，對廠家而言會極大提高生產(chǎn)的成本，造成極大浪費[1]。

為了解決在自動標簽打印過程中標簽定位不準確的問題，提出了一種基于粒子群算法來精確計算其位置的方法。由于粒子群算法會造成一定區(qū)域內(nèi)的最優(yōu)化問題和節(jié)點的位置會發(fā)生不可預(yù)測的變化[2，3]，同時因為測量時會有誤差的存在和網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點不合理導(dǎo)致測量精度不高[4]等問題。因此，利用粒子群算法結(jié)合其實際的坐標位置來進行實驗分析，通過重復(fù)反饋、多方面影響粒子群算法因素從而對位置準確度會有影響進行分析，從而找到條形碼的準確位置。

1 紅外感應(yīng)傳感器原理

紅外感應(yīng)傳感器是通過計算回饋的能量，基本原理：紅外傳感器在遇到不同檢測物的時候會出現(xiàn)不同的能量損耗，根據(jù)這一特點進行位置信息的采集。紅外測距傳感器結(jié)構(gòu)：兩個二極管，一個是負責接收信號，另一個作為發(fā)射紅外信號，用來判斷接收與發(fā)射的頻率是否頻率一致從而判斷有沒有障礙物。因此本課題以紅外感應(yīng)傳感器作為空間位置信息采集，利用優(yōu)化算法對空間坐標進行最優(yōu)化，來確定精確位置。如圖1所示為紅外感應(yīng)的全自動標簽打印裝置的整體結(jié)構(gòu)。

圖1 紅外感應(yīng)的全自動標簽打印裝置

基于時間差算法原理的傳感器對貼標機進行定位研究，其定位原理如圖2所示。

圖2 時間差算法定位原理

2 基于粒子群算法空間坐標最優(yōu)化

粒子群算法是一種解決最優(yōu)化問題的特定算法，通過利用粒子群算法優(yōu)化空間坐標確定標簽裝置的精確位置，實現(xiàn)全自動標簽打印裝置的精確定位。粒子群算法的基本原理：在一個待測的空間中會存在許多粒子，其中速度和位置會根據(jù)最優(yōu)化的結(jié)果進行重新確定，位置的不斷變化會使種群中的粒子趨向于最優(yōu)化[5]。在粒子群算法中，種群中粒子的速度和位置都是隨機確定的，當粒子在被測區(qū)域運動的時候，每個粒子會根據(jù)自身的特征從而改變自己在空間域的速度和位置，從而在每一次的反饋的時候找到最優(yōu)解。每一次反饋時，粒子會根據(jù)個體的極值pbest和全局的極值gbest變化自己的速度和位置，對應(yīng)的算法流程圖如圖3所示，其速度和位置更新公式見式（1）（2）。

圖3 粒子群算法流程圖

其中，學習因子是e，它們都為正常數(shù)，正常情況下c1=c2=2；r1，r2為0~1之間均勻分布的隨機數(shù)慣性權(quán)重因子為ω，其作用為影響粒子的飛行速度從而對種群狀態(tài)的影響。

個體極值更新公式：

對于整個種群而言，全局極值的更新公式：

3 打印裝置空間坐標定位最優(yōu)化仿真與結(jié)果分析

使用MATLAB搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺。對紅外感應(yīng)貼標裝置應(yīng)用粒子群優(yōu)化算法確定其精確位置參數(shù)的設(shè)置見表1。特定的區(qū)域的作用會作為隨機網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的位置，平面結(jié)構(gòu)作為指定區(qū)域。

表1 參數(shù)設(shè)置

圖4描述的是空間中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的空間位置在紅色點表示實際位置、藍色點表示目標節(jié)點評估位置是需要重新進行優(yōu)化的點，從圖中可以看出實際位置與重新優(yōu)化的位置基本重合，空間地理坐標[12.5-20]和[30-40]區(qū)間中空間點的位置最集中，因此可以確定傳感器的坐標值來對試管進行貼標。

圖4 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位

表2是對通信半徑進行誤差分析的結(jié)果，可以得知通信半徑數(shù)值越大傳感器定位誤差越小，因此在利用算法對貼標機空間位置進行優(yōu)化過程中，通信半徑在裝置空間允許的范圍內(nèi)應(yīng)該盡量選擇大。節(jié)點個數(shù)對誤差值的影響和通信半徑一致。

表2 通信半徑誤差分析

表3對優(yōu)化算法中瞄點個數(shù)與定位誤差之間的關(guān)系進行分析的結(jié)果，可知瞄點個數(shù)與定位誤差成反比，通過對空間地理位置、通信半徑以及瞄點個數(shù)定量化進行分析實現(xiàn)了節(jié)點的精確定位，只有極少數(shù)粒子出現(xiàn)誤差，但它是由于每一次的反饋使結(jié)果進入局部最優(yōu)解的陷阱成為“偽點”。

表3 錨點個數(shù)誤差分析

4 結(jié)語

本課題采用粒子群算法對全自動標簽打印進行準確定位的研究，文中結(jié)合標簽打印裝置以選取基于時間到達差算法定位原理的紅外感應(yīng)傳感器，為提高定位精度提供了基礎(chǔ)。這樣利用優(yōu)化算法根據(jù)裝置空間位置對參數(shù)進行設(shè)置，通過對影響定位誤差的主要因素進行定量分析，確定最佳的優(yōu)化區(qū)間；通過利用MATLAB對所確定的區(qū)間進行仿真驗證，使定位精度進一步提高。