基于SLAM與RFID的博物館藏品智能盤點(diǎn)方法

劉學(xué)平，張晶陽

（清華大學(xué) 深圳國際研究生院，深圳 518055）

0 引言

博物館是歷史與文化傳承的重要公共場所，其文物保存與展示、大眾教育、藝術(shù)交流等功能愈發(fā)突出[1]。近年來，與日俱增的藏品種類和數(shù)量，依賴于人力和紙媒材料的藏品管理模式，都為博物館藏品的日常管理與盤點(diǎn)帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[2]。同時(shí)盤點(diǎn)等環(huán)節(jié)中的藏品挪動、紙質(zhì)標(biāo)簽的粘貼替換等也嚴(yán)重威脅著藏品本體，博物館亟待引入高效而智能的藏品盤點(diǎn)手段。

藏品智能盤點(diǎn)包括博物館室內(nèi)地圖的構(gòu)建和藏品的定位與智能查找兩部分。現(xiàn)有技術(shù)中，同步定位與地圖繪制技術(shù)（Simultaneous Localization and Mapping,SLAM）是室內(nèi)環(huán)境下替代GPS與北斗系統(tǒng)的地圖繪制方法。未知室內(nèi)環(huán)境下，機(jī)器人利用SLAM技術(shù)可完成自身位姿估計(jì)，環(huán)境觀測，以及室內(nèi)地圖的增量式構(gòu)建[3]，故SLAM可用于繪制博物館的室內(nèi)地圖。另一方面，射頻識別（Radio Frequency Identification,RFID）作為一種非接觸式的通訊識別手段，具有全球編碼唯一、識別速度快、信息讀寫便捷等優(yōu)勢[4]，因而可用于藏品識別定位與智能查找。兩種技術(shù)的結(jié)合，也為博物館藏品智能盤點(diǎn)提供了解決方案。

同時(shí)，國內(nèi)外也積累了很多RFID和SLAM技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用范例。姚一青將RFID管理手持機(jī)和門禁系統(tǒng)引入復(fù)旦大學(xué)博物館CMS系統(tǒng)，以非接觸的方式提升了藏品管理效率[5]。陳能成等設(shè)計(jì)了基于RFID與GIS的博物館信息管理系統(tǒng)，提出了模塊化的藏品信息綜合管理方案[6]。Google推出的Trekker和Cartographer機(jī)器人，可在室內(nèi)SLAM基礎(chǔ)上，對地圖中的位置點(diǎn)進(jìn)行人為標(biāo)注與記錄[7]。張穎超等人提出了一種基于FastSLAM的RFID定位模型，并將RFID作為地標(biāo)，可綜合實(shí)現(xiàn)機(jī)器人位姿估計(jì)和RFID定位[8]。

本文進(jìn)一步融合應(yīng)用RFID與SLAM技術(shù)，提出了一種基于博物館藏品布局可視化的藏品盤點(diǎn)方案，在獲取博物館室內(nèi)環(huán)境布局和藏品信息化識別定位的基礎(chǔ)上，利用機(jī)器人系統(tǒng)完成智能盤點(diǎn)，以提升博物館藏品盤點(diǎn)效率和智能化水平。

1 RFID技術(shù)與Hector_SLAM算法

1.1 RFID技術(shù)概述

RFID技術(shù)是一種利用射頻識別信號空間耦合實(shí)現(xiàn)信息交換與目標(biāo)識別的通信技術(shù)[9]，其基本系統(tǒng)組成包括電子標(biāo)簽（Tag）、讀寫器（Reader）和信息終端[10]。系統(tǒng)工作時(shí)，無源標(biāo)簽（Passive Tag）進(jìn)入讀寫器磁場范圍后，內(nèi)置耦合電路產(chǎn)生感應(yīng)電流提供能量將標(biāo)簽信息發(fā)送給讀寫器；有源標(biāo)簽（Active Tag）主動向外發(fā)送信號并將信息傳遞給信號范圍內(nèi)的讀寫器。收到讀寫器信號后，信息終端可識別“指紋”編碼，進(jìn)行信息處理。而根據(jù)工作頻段的不同，RFID技術(shù)也有不同的通信機(jī)制和用途?，F(xiàn)有用于RFID定位的RSSI（接收信號強(qiáng)度法）等方法對RFID信號處理設(shè)備的精度和布置都有較高要求，且系統(tǒng)相對獨(dú)立，與其他技術(shù)的應(yīng)用關(guān)聯(lián)性較小。

1.2 Hector_SLAM算法分析

本方法中選用了目前主流SLAM技術(shù)中應(yīng)用較多的Hector_SLAM算法。

精確的地圖是室內(nèi)環(huán)境可視化的關(guān)鍵，而以高更新頻率和高分辨率激光雷達(dá)為數(shù)據(jù)來源的Hector_SLAM就是一種常用的室內(nèi)地圖構(gòu)建算法。相較基于RBPF的Gmapping算法[11]，Hector_SLAM不需要里程計(jì)信息便可以通過掃描匹配的方式實(shí)現(xiàn)位姿估計(jì)和室內(nèi)地圖增量繪制。同時(shí)，該算法采用柵格地圖作為地圖表達(dá)形式，創(chuàng)建和更新維護(hù)簡便，也適用于機(jī)器人的導(dǎo)航避障[12]。

SLAM過程中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的掃描匹配和最優(yōu)位姿的搜索是基于Gauss-Newton迭代梯度下降的方式進(jìn)行的，迭代公式如式(1)、式(2)所示：

計(jì)算過程中，用一階泰勒展開式對上式進(jìn)行展開，得：

取H為黑塞矩陣，令τj-1=∈，并對Δτ求偏導(dǎo)后求解，有：

而對于每一幀的掃描數(shù)據(jù)，Hector_SLAM采用了雙線性插值的方法以避免柵格地圖的離散性帶來的計(jì)算限制，柵格Pm的占用值M(Pm)的梯度估計(jì)用鄰近的四個(gè)柵格點(diǎn)來進(jìn)行：

2 ROS系統(tǒng)架構(gòu)與藏品定位盤點(diǎn)方法

使用Hector_SALM算法繪制室內(nèi)環(huán)境地圖，可得到以機(jī)器人初始位姿為原點(diǎn)的世界坐標(biāo)系[13]，藏品及與其綁定的電子標(biāo)簽也位于此世界坐標(biāo)系中，獲取代表藏品的電子標(biāo)簽的位置坐標(biāo)，即可獲取藏品的室內(nèi)布局情況，進(jìn)而可以通過ROS系統(tǒng)控制底盤移動，完成智能巡檢與盤點(diǎn)。

2.1 軟硬件系統(tǒng)架構(gòu)

藏品智能盤點(diǎn)是通過移動機(jī)器人平臺進(jìn)行的。硬件層面，Stm32驅(qū)動板與麥克納姆輪全向移動底盤作為運(yùn)動功能下位機(jī)，底盤上搭載的樹莓派3B+作為系統(tǒng)上位機(jī)，PC端用于遠(yuǎn)程可視化與人機(jī)交互，激光雷達(dá)RPLIDAR A1M8與超高頻RFID讀寫器R2000 UHF900M作為系統(tǒng)信息前端，各部分間通過USB進(jìn)行通信，系統(tǒng)由12V鋰電池供電。軟件與系統(tǒng)層面，PC端系統(tǒng)為Ubuntu 16.04 LTS，樹莓派3B+系統(tǒng)為Ubuntu 16.04 Mate，ROS版本為Kinetic Kame，SLAM算法為Hector_SLAM。

ROS是一種基于分布式架構(gòu)的機(jī)器人系統(tǒng)，其運(yùn)行依賴于不同話題、節(jié)點(diǎn)與服務(wù)的調(diào)用與通信。本方法中，為了實(shí)現(xiàn)底盤移動、SLAM地圖構(gòu)建、RFID掃描識別、電子標(biāo)簽定位計(jì)算，以綜合完成智能盤點(diǎn)任務(wù)，采用的軟硬件系統(tǒng)綜合架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)軟硬件綜合架構(gòu)

具體而言，系統(tǒng)工作時(shí)Hector_SLAM訂閱RPLIDAR發(fā)布的/scan話題獲取激光雷達(dá)深度數(shù)據(jù)，完成博物館室內(nèi)環(huán)境SLAM建圖，為系統(tǒng)提供地圖服務(wù)。RFID掃描裝置成功識別電子標(biāo)簽后調(diào)用地圖服務(wù)和底盤的里程計(jì)/odometry話題信息，通過計(jì)算完成RFID定位并記錄。執(zhí)行盤點(diǎn)任務(wù)時(shí)，ROS系統(tǒng)利用amcl根據(jù)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自身位姿估計(jì)，Move_base完成路徑規(guī)劃和動態(tài)避障，控制移動底盤向目標(biāo)藏品移動，完成盤點(diǎn)。底盤在SLAM建圖、RFID電子標(biāo)簽掃描定位及執(zhí)行盤點(diǎn)任務(wù)的移動過程中，都會根據(jù)電機(jī)編碼數(shù)據(jù)和imu數(shù)據(jù)計(jì)算里程信息并以話題/odometry發(fā)布。

2.2 RFID電子標(biāo)簽定位方法

巡檢機(jī)器人系統(tǒng)通過SLAM算法可以得到包含建筑結(jié)構(gòu)等在內(nèi)的博物館室內(nèi)布局地圖，而藏品是根據(jù)博物館的具體規(guī)劃排布的，需要對其進(jìn)行定位才能讓機(jī)器人系統(tǒng)獲取其室內(nèi)排布情況。本方案中用電子標(biāo)簽代替紙質(zhì)標(biāo)簽進(jìn)行藏品信息維護(hù)，并將其附著或靠近對應(yīng)的藏品作為藏品信息化識別標(biāo)識。以機(jī)器人為載體，在SLAM所得地圖中，利用RFID讀寫終端掃描電子標(biāo)簽，并在此過程中記錄機(jī)器人系統(tǒng)位置信息，再根據(jù)掃描裝置與機(jī)器人的相對位置關(guān)系，進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和定位計(jì)算，即可完成RFID定位，獲取博物館藏品布局地圖。

具體而言，在PC端遠(yuǎn)程控制下，移動機(jī)器人平臺先通過自身移動和激光雷達(dá)深度數(shù)據(jù)完成室內(nèi)環(huán)境地圖SLAM，獲取室內(nèi)地圖，然后ROS系統(tǒng)調(diào)用RFID掃描裝置并遍歷地圖以掃描全部與藏品綁定的電子標(biāo)簽。在此過程中，掃描終端首次識別某一電子標(biāo)簽位置時(shí)（記j=1），調(diào)用并記錄機(jī)器人base_link在世界坐標(biāo)中的位姿，在首次失去某電子標(biāo)簽信號時(shí)（記j=2）再次記錄，并在機(jī)器人的移動中重復(fù)三次（記i=1,2,3）上述過程，所得坐標(biāo)記為

在如圖2所示的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系中，設(shè)機(jī)器人坐標(biāo)系base_link下UHF的位置坐標(biāo)為(xUHF,yUHF)，則可知UHF此時(shí)世界坐標(biāo)系坐標(biāo)為：

圖2 系統(tǒng)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系

RFID定位采用三點(diǎn)定位的方法，即通過能夠掃描到RFID信息的三個(gè)UHF位置點(diǎn)（在以RFID為中心的可掃描區(qū)域內(nèi)）確定中心電子標(biāo)簽位置，如圖3所示。

圖3 電子標(biāo)簽三點(diǎn)定位法

計(jì)算過程中，分別取(xi,1,yi,1),(xi,2,yi,2)與點(diǎn)(xk,1,yk,1)或(xk,2,yk,2)計(jì)算圓心坐標(biāo)，其中k=1,2,3且k≠i。令圓的方程為：

以其中一組參數(shù)為例，帶入以下行列式即可求解參數(shù)a,b,c。

圓心坐標(biāo)為：

利用上述方法，可求得12個(gè)圓心坐標(biāo)結(jié)果，為了減小定位的系統(tǒng)誤差，取其算術(shù)平均值作為世界坐標(biāo)系下RFID電子標(biāo)簽定位結(jié)果并在系統(tǒng)中進(jìn)行記錄，定位記錄的電子標(biāo)簽位置坐標(biāo)為

3 RFID定位與智能盤點(diǎn)方法驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)本方法的有效性，本文以普通室內(nèi)環(huán)境模擬了博物館室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，將電子標(biāo)簽隨機(jī)放置于室內(nèi)環(huán)境中，用以模擬博物館中分散展覽或存放的藏品。裝配了麥克納姆輪的四輪全向移動底盤搭載樹莓派，激光雷達(dá)等硬件，在PC端遠(yuǎn)程控制下，移動過程中掃描室內(nèi)環(huán)境，利用SLAM模塊構(gòu)建室內(nèi)環(huán)境地圖，然后基于上述步驟對RFID電子標(biāo)簽進(jìn)行位置坐標(biāo)計(jì)算，得出計(jì)算結(jié)果后利用RVIZ在地圖中進(jìn)行還原和標(biāo)注。

同時(shí)，在移動機(jī)器人的世界坐標(biāo)系下對室內(nèi)環(huán)境中標(biāo)簽放置的坐標(biāo)位置進(jìn)行測量，借助RVIZ的publish point工具尋找電子標(biāo)簽實(shí)際位置在地圖中的對應(yīng)點(diǎn)，并進(jìn)行標(biāo)注。其中部分標(biāo)簽實(shí)際位置與定位位置的標(biāo)記與對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 SLAM地圖中定位結(jié)果與實(shí)際位置對比

如圖4所示，Hector_SLAM算法可較為精確地構(gòu)建出室內(nèi)環(huán)境地圖，所繪地圖邊界相對完整清晰，在有多個(gè)角落的室內(nèi)環(huán)境中也有較好環(huán)境特征測繪能力。同時(shí)，本文所述藏品地圖構(gòu)建方法中，經(jīng)RVIZ可視化和位置點(diǎn)還原與對比，可知藏品電子標(biāo)簽實(shí)際位置與定位測算位置偏差較小，經(jīng)計(jì)算，定位的絕對誤差Ep≤0.1m，電子標(biāo)簽定位準(zhǔn)確性較好。

實(shí)驗(yàn)中，對特定電子標(biāo)簽代表的“藏品”盤點(diǎn)時(shí)，移動機(jī)器人接收PC端指令，讀取系統(tǒng)藏品布局地圖記錄的目標(biāo)藏品位置坐標(biāo)，完成路徑規(guī)劃并控制底盤移動。移動過程中，底盤依靠激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)避障和路徑調(diào)整，直至完成電子標(biāo)簽的識別和信息讀寫，完成盤點(diǎn)任務(wù)。

綜上所述，利用該方法可有效構(gòu)建博物館室內(nèi)藏品布局地圖，并可以用機(jī)器人代替人工實(shí)現(xiàn)藏品智能盤點(diǎn)，有效提升了博物館藏品盤點(diǎn)的智能化水平和盤點(diǎn)效率。

4 結(jié)語

為了實(shí)現(xiàn)博物館藏品的智能化盤點(diǎn)，本文提出了基于SLAM與RFID的博物館藏品智能盤點(diǎn)方法：利用ROS系統(tǒng)，在使用SLAM技術(shù)構(gòu)建的博物館室內(nèi)布局地圖中，根據(jù)RFID掃描信息完成藏品RFID電子標(biāo)簽定位，從而獲得博物館的藏品布局，供機(jī)器人調(diào)用完成盤點(diǎn)任務(wù)。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，電子標(biāo)簽定位與其實(shí)際位置的距離偏差≤0.1m，誤差較小，盤點(diǎn)任務(wù)能可高效完成。結(jié)果表明，本文方法切實(shí)有效，可綜合提升博物館藏品盤點(diǎn)的智能化水平和工作效率。