吳超瓊，張宗謀，慕文靜，韋明旭

(廣西民族師范學(xué)院 數(shù)理與電子信息工程學(xué)院，廣西 崇左 532200)

0 引 言

人類為了不讓自己迷失在茫茫大自然中，先后發(fā)明了羅盤、指南針等工具，衛(wèi)星定位的問世，解決了“我在哪里”的問題。但在高度城市化的今天，室內(nèi)空間越來越龐大復(fù)雜，人類戰(zhàn)勝了大自然，卻在自己構(gòu)筑的鋼筋水泥中迷了路[1-2]。傳統(tǒng)的衛(wèi)星無法在室內(nèi)進(jìn)行定位，而人們大部分的時間又在室內(nèi)度過，相關(guān)服務(wù)并未大范圍普及，可以說室內(nèi)定位隱藏著巨大商機(jī)[3-4]。隨著物流行業(yè)的發(fā)展，物流倉庫越來越多，存儲的貨物數(shù)量急速增加，貨物出入庫頻率劇增，人工倉儲管理方式嚴(yán)重影響了正常的運行工作效率，隨著商品流通的加劇，難以滿足倉儲管理實時性的要求[5]，未來智能無人倉儲管理系統(tǒng)，將存在著龐大的市場需求。使用倉儲機(jī)器人來存取貨物是趨勢，而倉儲機(jī)器人能準(zhǔn)確的在倉庫內(nèi)指定地點進(jìn)行貨物的存取，這是影響無人倉儲發(fā)展的一個重要因素。因傳統(tǒng)的衛(wèi)星無法在室內(nèi)進(jìn)行定位，倉儲機(jī)器人勢必用到室內(nèi)定位技術(shù)，而定位準(zhǔn)確、簡單不復(fù)雜且成本低的室內(nèi)定位系統(tǒng)是加速無人倉儲發(fā)展的關(guān)鍵因素。

目前，國內(nèi)外有很多關(guān)于室內(nèi)定位技術(shù)的研究。如：二維碼導(dǎo)航技術(shù)、WiFi定位技術(shù)、藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)、激光雷達(dá)的三角定位技術(shù)和UWB室內(nèi)定位技術(shù)等等。二維碼導(dǎo)航技術(shù)是通過攝像頭掃描附著在地面的點陣式二維碼地標(biāo)進(jìn)行導(dǎo)航。應(yīng)用在物流倉儲中，需在機(jī)器人的底部和上部分別裝有攝像頭，成本較高。激光雷達(dá)是集激光、全球定位系統(tǒng)和慣性測量裝置3種技術(shù)于一身的系統(tǒng)，可應(yīng)用在無人駕駛汽車應(yīng)用方面，但其成本也很可觀。WiFi定位應(yīng)用于小范圍的室內(nèi)定位，成本雖低，但容易受到其它信號干擾，從而影響定位精度，而且定位器的能耗較高。藍(lán)牙的三角定位功耗高，精度低，在復(fù)雜的環(huán)境中，穩(wěn)定性較差。UWB室內(nèi)定位技術(shù)雖然精度高，但需要安置定位基站和定位卡，成本較高。RFID室內(nèi)定位技術(shù)具有非視距傳輸、識別速度快等特點，用于存儲信息的電子標(biāo)簽體積非常小、成本低廉且可重復(fù)使用。對于小型的物流倉庫需要低成本的、又滿足定位需求的機(jī)器人來說，使用RFID技術(shù)是可以滿足的。在此基礎(chǔ)上本文設(shè)計了一個基于RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)功能描述

室內(nèi)定位系統(tǒng)由智能室內(nèi)定位機(jī)器人系統(tǒng)、RFID手持終端系統(tǒng)、上位機(jī)信息通信系統(tǒng)等3部分組成。以該系統(tǒng)在室內(nèi)物流分揀上的應(yīng)用為例進(jìn)行說明：

RFID手持終端和上位機(jī)信息通信系統(tǒng)，通過2.4 G頻段的NRF與室內(nèi)定位機(jī)器人進(jìn)行通信，其向室內(nèi)定位機(jī)器人發(fā)送貨物起點坐標(biāo)和終點坐標(biāo)數(shù)據(jù)，室內(nèi)定位機(jī)器人向其反饋機(jī)器人當(dāng)前的狀態(tài)，手持設(shè)備將信息顯示在OLED屏上，上位機(jī)信息通信系統(tǒng)將信息顯示在頁面上，并顯示機(jī)器人當(dāng)前位置。室內(nèi)定位機(jī)器人通過NRF接收任務(wù)數(shù)據(jù)，接收到任務(wù)的機(jī)器人識別自己當(dāng)前所在坐標(biāo)位置，并通過陀螺儀改變其前進(jìn)方向。當(dāng)機(jī)器人的坐標(biāo)與貨物起點坐標(biāo)相等時，表示機(jī)器人到達(dá)貨物起點坐標(biāo)的位置，機(jī)器人頂部的伸縮電機(jī)伸起，卡住貨架底部，再進(jìn)行路線的規(guī)劃，到達(dá)貨物終點坐標(biāo)后，伸縮電機(jī)收起，至此完成一次貨運過程。當(dāng)貨運任務(wù)結(jié)束時，檢測當(dāng)前是否有新的任務(wù)，如有任務(wù)繼續(xù)前往新的貨運起點，沒有則返回等待區(qū)等待任務(wù)。當(dāng)機(jī)器人電壓低于設(shè)定電壓時，會自動規(guī)劃路線前往閑置充電坐標(biāo)點進(jìn)行充電。系統(tǒng)總體框架如圖1所示，室內(nèi)定位機(jī)器人無人倉庫方案布置如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

圖2 室內(nèi)定位機(jī)器人無人倉庫方案布置圖

2 硬件設(shè)計

本設(shè)計使用STM32F407ZET6單片機(jī)作為系統(tǒng)主控，用于控制整體系統(tǒng)運行，相比于51單片機(jī)和STM32F1芯片有著質(zhì)的提升。使用FM11RF08射頻芯片實現(xiàn)對RFID電子標(biāo)簽坐標(biāo)的識別；使用TOF10120測距傳感器實現(xiàn)機(jī)器人避障功能。當(dāng)規(guī)劃路徑出現(xiàn)了障礙時，機(jī)器人等待30 s，如30 s后障礙還未消除，則根據(jù)當(dāng)前坐標(biāo)重新計算規(guī)劃路徑后前往任務(wù)坐標(biāo)。使用6軸的MPU6050電子陀螺儀獲取機(jī)器人當(dāng)前姿態(tài)，從而判斷機(jī)器人車頭的朝向，同時能精確控制機(jī)器人轉(zhuǎn)向的角度，確保機(jī)器人前進(jìn)方向正確。采用XKT601-02無線充電模塊進(jìn)行機(jī)器人的無線充電，其發(fā)射端放置于充電地點，供電輸入9～12 V電壓，接收端放置在機(jī)器人底部，當(dāng)機(jī)器人位于充電模式時，即可進(jìn)行充電。機(jī)器人供電采用7.4 V聚合物鋰電池，額定容量為15 000 mAh，大容量電池可為小車提供充足的電能，使運行時間大大延長。數(shù)據(jù)的無線傳輸使用基于NRF24l01的E34-2G4H20D模塊，RFID手持終端系統(tǒng)和上位機(jī)信息通信系統(tǒng)，通過2.4 G頻段與室內(nèi)定位機(jī)器人進(jìn)行通信。伸縮電機(jī)主要用于當(dāng)機(jī)器人到達(dá)運輸起始坐標(biāo)時，通過伸縮電機(jī)把放置在坐標(biāo)上的貨物架卡住，運輸至坐標(biāo)終點時，伸縮電機(jī)收起，完成貨物運輸工作。四路電機(jī)驅(qū)動主要用于控制機(jī)器人行走。

3 軟件設(shè)計思路

該室內(nèi)定位系統(tǒng)共分為3個部分：智能室內(nèi)定位機(jī)器人系統(tǒng)、RFID手持終端系統(tǒng)、上位機(jī)信息通信系統(tǒng)。RFID手持終端系統(tǒng)和上位機(jī)信息通信系統(tǒng)通過2.4G頻段的NRF模塊與室內(nèi)定位機(jī)器人進(jìn)行通信。

3.1 室內(nèi)定位機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計

室內(nèi)定位機(jī)器人通過NRF無線通信方式與手持RFID終端系統(tǒng)、上位機(jī)信息通信系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)會判斷有無接收到任務(wù)數(shù)據(jù)，當(dāng)接收到任務(wù)時，連接在串口2上的射頻識別模塊，識別當(dāng)前所在位置，再通過陀螺儀獲取當(dāng)前車頭方位姿態(tài)，進(jìn)行坐標(biāo)的判斷。若當(dāng)前坐標(biāo)大于任務(wù)坐標(biāo)，控制電機(jī)向左轉(zhuǎn)向90°，確保車頭朝向前進(jìn)方向，在進(jìn)行路線規(guī)劃時，遵循先走X軸，再走Y軸路線設(shè)計原則，逐步向目標(biāo)坐標(biāo)靠近。將當(dāng)前X坐標(biāo)與貨物起點X坐標(biāo)進(jìn)行比較，機(jī)器人要行駛至與貨物起點X坐標(biāo)一致的位置；再將當(dāng)前Y坐標(biāo)與貨物起點Y坐標(biāo)進(jìn)行比較，機(jī)器人要行駛至與貨物起點Y坐標(biāo)一致的位置。當(dāng)機(jī)器人的X、Y軸坐標(biāo)與貨物起點坐標(biāo)都相等時，表示機(jī)器人已到達(dá)貨物起點坐標(biāo)位置，機(jī)器人頂部的伸縮電機(jī)伸起，卡住貨架底部，機(jī)器人獲取當(dāng)前位置與貨物終點坐標(biāo)進(jìn)行對比，再進(jìn)行路線的規(guī)劃，到達(dá)貨物終點坐標(biāo)后，伸縮電機(jī)收起，完成一次貨運過程。當(dāng)貨運任務(wù)結(jié)束時，檢測當(dāng)前是否有新的任務(wù)，如有任務(wù)繼續(xù)前往新的貨運起點，沒有則返回等待區(qū)等待任務(wù)。當(dāng)機(jī)器人電壓低于設(shè)定電壓時，會自動規(guī)劃路線前往閑置充電坐標(biāo)點進(jìn)行充電。室內(nèi)定位機(jī)器人系統(tǒng)運行流程如圖3所示。

圖3 機(jī)器人運行流程圖

3.2 RFID手持終端系統(tǒng)設(shè)計

RFID手持終端系統(tǒng)提供兩種模式功能，其一用于錄入坐標(biāo)，其二用于發(fā)送任務(wù)，可通過KEY5切換模式。當(dāng)選擇模式一時，首先根據(jù)場地大小設(shè)置坐標(biāo)，設(shè)置完成后，將電子RFID標(biāo)簽放置于手持終端底部，即可自動完成坐標(biāo)錄入。當(dāng)選擇模式二時，系統(tǒng)先判斷當(dāng)前機(jī)器人是否有任務(wù)安排，當(dāng)機(jī)器人暫無任務(wù)安排時，則允許通過NRF無線通信發(fā)送方式，以16進(jìn)制數(shù)據(jù)格式發(fā)送4個字節(jié)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，包含貨物起點坐標(biāo)，和終點坐標(biāo)地址發(fā)送給機(jī)器人。室內(nèi)定位機(jī)器人通過NRF無線通信方式反饋當(dāng)前位置、電量、狀態(tài)、角度信息，系統(tǒng)將這些數(shù)據(jù)顯示在OLED屏幕上。手持RFID終端系統(tǒng)運行流程圖如圖4所示。

圖4 手持終端運行流程圖

3.3 上位機(jī)信息通信系統(tǒng)

上位機(jī)信息通信系統(tǒng)的主要功能，是顯示機(jī)器人的各個狀態(tài)信息和機(jī)器人當(dāng)前的位置，也可以給機(jī)器人發(fā)送任務(wù)信息。上位機(jī)先判斷機(jī)器人當(dāng)前是否處于空閑狀態(tài)，如處于空閑狀態(tài)時，則允許通過以NRF無線通信發(fā)送方式，以16進(jìn)制數(shù)據(jù)格式發(fā)送4個字節(jié)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，包含貨物起點坐標(biāo)，和終點坐標(biāo)地址發(fā)送給機(jī)器人。室內(nèi)定位機(jī)器人通過NRF無線通信方式反饋當(dāng)前位置、電量、狀態(tài)、角度信息，系統(tǒng)將這些數(shù)據(jù)顯示在接收頁面上，將數(shù)據(jù)進(jìn)行分割填寫于軟件底部信息欄，同時在軟件的右側(cè)坐標(biāo)繪制場地地圖，并根據(jù)機(jī)器人反饋的坐標(biāo)位置顯示出機(jī)器人的當(dāng)前位置。上位機(jī)信息通信系統(tǒng)運行流程圖如圖5所示。

圖5 上位機(jī)運行流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

將室內(nèi)定位系統(tǒng)的3個部分室內(nèi)定位機(jī)器人、手持終端和上位機(jī)進(jìn)行聯(lián)調(diào)，進(jìn)行各項功能的測試。使用RFID電子標(biāo)簽在室內(nèi)布局構(gòu)造場地地圖，模擬運輸場景。手持終端通過NRF無線通信模塊給智能機(jī)器人發(fā)送運輸目標(biāo)地址的X、Y坐標(biāo)，機(jī)器人接收到目標(biāo)地址后，機(jī)器人搭載RFID讀寫器，讀取地面電子標(biāo)簽信息，得出當(dāng)前位置，且進(jìn)行坐標(biāo)比較，從而準(zhǔn)確抵達(dá)終點坐標(biāo)位置。機(jī)器人通過NRF模塊將機(jī)器人的各個狀態(tài)信息發(fā)送給上位機(jī)。打開上位機(jī)可在上位機(jī)的左側(cè)界面看到機(jī)器人發(fā)送過來的機(jī)器人當(dāng)前位置、電量、狀態(tài)、角度等信息，在界面右側(cè)的模擬場地地圖上顯示機(jī)器人當(dāng)前位置。在機(jī)器人空閑狀態(tài)下，上位機(jī)的發(fā)送窗口輸入任務(wù)坐標(biāo)信息，點擊發(fā)送，上位機(jī)就會將任務(wù)坐標(biāo)信息發(fā)送給機(jī)器人。上位機(jī)顯示界面如圖6所示。

圖6 上位機(jī)顯示主界面

5 結(jié)束語

利用室內(nèi)建筑環(huán)境固定易于構(gòu)建獲得地圖信息的優(yōu)勢[6]，本文提出一種低成本、可靠性好、適合應(yīng)用在小型物流倉庫智能存取貨物的基于RFID的室內(nèi)定位機(jī)器人系統(tǒng)。使用RFID標(biāo)簽構(gòu)造室內(nèi)地圖，機(jī)器人模擬存取貨物場景，搭載讀寫器，讀取地面RFID標(biāo)簽信息，得出當(dāng)前坐標(biāo)位置，并進(jìn)行坐標(biāo)比較，從而行駛至終點坐標(biāo)位置。經(jīng)過實地測試并與其它室內(nèi)定位系統(tǒng)比較，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性好，滿足大小型的物流倉儲場景。

本定位系統(tǒng)不僅僅局限于智能無人物流倉儲應(yīng)用，也可將其應(yīng)用于其它室內(nèi)場景，如：無人餐廳、無人超市、博物館等室內(nèi)場景的建設(shè)中，應(yīng)用方式多樣化。