一种基于射频识别技术的装载机室内导航路径规划方法与流程

本发明涉及的是一种装载机室内导航路径规划方法，具体涉及一种基于射频识别技术的装载机室内导航路径规划方法。

背景技术：

对于电厂或煤矿而言，经常需要用装载机将煤沿固定路径运送至指定地点。为减少煤粉环境对人体健康的影响，减轻工人劳动强度。可在装载机上采用自动驾驶技术，实现煤场的智能转运。

射频识别(rfid)是一种无线通信技术，利用无线射频方式对记录媒体(电子标签或射频卡)进行读写，从而达到识别目标和数据交换的目的。

rfid系统通常由阅读器与电子标签组成，其工作原理是阅读器发射一特定频率的无线电波信号，电子标签接收阅读器发出的射频信号，将内存的标识性数据传给阅读器。这种通信是在无接触的方式下，利用交变磁场或电磁场的空间耦合以及射频信号调制与解调技术实现的。

自动驾驶常用的定位导航方式有：电磁导轨导航、激光导航、惯性导航、二维码导航、gps导航等。但电磁导轨导航、二维码导航、gps导航由于原理所限，不适用于堆煤仓库这类室内场所，而激光导航、惯性导航则存在干扰大、成本高的缺点。因此有必要采用一种低成本，高可靠性的导航方式。

电磁导轨导航采用埋藏在地下的导轨沿固定路径导航，一般适用于从一个工位到另一个工位进行单一的运送工作，电磁导轨导航精度较高，成本较低，不易受到外界油污、灰尘、工业废料的侵蚀，在常规的寻迹系统中很受欢迎。

激光导航方式通常在车辆合适位置安装激光发射装置，通过激光反射信息进行运算得到位置信息从而实现准确定位。激光导航定位精度高、处理速度快。但容易受到环境的干扰，并且激光导航设备的成本较高。

二维码导航采用在物流仓库的地面铺设二维码标签，通过摄像头识别二维码信息获得当前的地理信息。方案对场地环境要求较高，二维码标签一旦被遮挡或受到污损就无法被识别，而且读取设备价格昂贵。

gps导航系统在设备上安装gps装置，通过卫星获得gps定位信息。一般适用于大型运输系统比如自动化的集装箱码头或者物流运输车辆中，不能适用于室内仓库内各物品的精确定位。

综上所述，本发明设计了一种基于射频识别技术的装载机室内导航路径规划方法，其采用rfid电子标签对地面进行网格划分，通过安装在装载机四周的阅读器读取当前位置，在指定起点和终点后，采用算法进行路径的自动规划，控制装载机自动行驶至终点。适用于大型库房、车间等室内环境中的装载机自动导航控制。也可用于室外开放环境指定区域的装载机导航控制。

技术实现要素：

针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种基于射频识别技术的装载机室内导航路径规划方法，针对室内煤场粉尘环境导致通用的定位导航方法受限的问题，解决了装载机自动驾驶导航的难题。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种基于射频识别技术的装载机室内导航路径规划方法，由埋于地下的rfid标签网格和安装于车辆四周的rfid阅读器，能够实现远程控制的装载机，以及导航路径规划算法组成；包括以下步骤：

首先，将含有位置信息的无源rfid标签封装于石砖内，在室内地面上采用正方形网格的形式布置无源rfid标签，由rfid标签形成室内坐标网格。

其次，设置煤堆当前位置坐标为导航目的点，设置车辆初始位置(一般为煤场转运的目的地)为坐标原点，建立直角坐标系。

第三，采用a*算法规划车辆行驶路径，设为此次导航路径。

第四，在装载机四周分别安装四个rfid阅读器，通过读取rfid标签确定车辆当前位置坐标和车辆运动方向。将当前位置与导航路径坐标进行对比，控制车辆运动方向和速度，使其沿导航路径前进。

第五，当车辆遇临时障碍物时，通过车辆上装设的红外传感器检测障碍物位置，车辆停止，待障碍物消失后继续沿原来路径前进。

第六，当车辆到达目的点，装载完毕后，以坐标原点为目的点，重复第三、四、五步，回到起始位置，卸载完毕后将车身调整为初始位置，准备开始下一周期的动作。

最后，随着煤堆转运不断进行，导航的目的点也在不断变化，因此每次装载机的目的点都会在第一次目的点的坐标上增加一个距离。若车辆检测到原目的点与新目的点有障碍物时，认为此障碍物为煤堆，此时车辆停车开始装煤。否则车辆运动至新目的点时停车装煤。

所述的a*算法是最短路径的启发式搜索算法，启发式搜索是一种解决在复杂的环境下从起始状态到目标状态转换问题的有效方法，其核心思想是根据一个代价评估函数对当前的状态信息进行评估，然后选择一个比较有利的邻接节点进行扩展，并且循环执行这一搜索过程直到搜索到目标节点。

所述的rfid标签网格是在地面栅格化铺设rfid标签，标签按照二维直角坐标系的形式铺设，并在标签内部写入节点的坐标信息。

所述的rfid阅读器采用rd905m，读距约6m，内置8dbi天线，输出功率0～30dbm可调，正向扇形读卡区域60～90°，支持tcp/ip、rs232/485、wifi等多种通讯方式。

所述的装载机采用柳工clg850h。

本发明具有以下有益效果：本发明采用rfid电子标签形成网格，对室内进行网格划分；可通过rfid阅读器读取电子标签，获得装载机当前位置；车辆行进过程中与规划路径比较，实时调整车辆运动方向与速度；目标点位置坐标自动更新；本发明方案简单可靠，成本低廉；不受粉尘环境影响，抗干扰性强；所需计算资源小，便于嵌入式系统实现。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明的rfid工作原理图；

图2为本发明的a*算法路径搜索过程示意图；

图3为本发明的读卡器的读写区域示意图；

图4为本发明的内接正方形边长示意图；

图5为本发明读卡器位置示意图；

图6为本发明的rfid标签铺设方式示意图；

图7为本发明的装载机运动情况示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参照图1-7，本具体实施方式采用以下技术方案：一种基于射频识别技术的装载机室内导航路径规划方法，由埋于地下的rfid标签网格和安装于车辆四周的rfid阅读器，能够实现远程控制的装载机，以及导航路径规划算法组成；包括以下步骤：

首先，将含有位置信息的无源rfid标签封装于石砖内，在室内地面上采用正方形网格的形式布置无源rfid标签，由rfid标签形成室内坐标网格。

其次，设置煤堆当前位置坐标为导航目的点，设置车辆初始位置(一般为煤场转运的目的地)为坐标原点，建立直角坐标系。

第三，采用a*算法规划车辆行驶路径，设为此次导航路径。

第四，在装载机四周分别安装四个rfid阅读器，通过读取rfid标签确定车辆当前位置坐标和车辆运动方向。将当前位置与导航路径坐标进行对比，控制车辆运动方向和速度，使其沿导航路径前进。

第五，当车辆遇临时障碍物时，通过车辆上装设的红外传感器检测障碍物位置，车辆停止，待障碍物消失后继续沿原来路径前进。

第六，当车辆到达目的点，装载完毕后，以坐标原点为目的点，重复第三、四、五步，回到起始位置，卸载完毕后将车身调整为初始位置，准备开始下一周期的动作。

最后，随着煤堆转运不断进行，导航的目的点也在不断变化，因此每次装载机的目的点都会在第一次目的点的坐标上增加一个距离。若车辆检测到原目的点与新目的点有障碍物时，认为此障碍物为煤堆，此时车辆停车开始装煤。否则车辆运动至新目的点时停车装煤。

本具体实施方式主要采用了以下技术原理：

1、无源rfid的基本原理

最基本的rfid应用系统由电子标签、阅读器和天线三部分组成，基本工作原理如图1所示。阅读器通过发射天线发射一定频率的射频信号，当电子标签进入发射天线工作区域时产生感应电流，电子标签获得能量被激活；电子标签将自身编码等信息通过天线发送出去；系统接收天线接收从电子标签发送过来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收到的信号进行解调之送到后台主系统进行相关处理：主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，根据不同的设定进行相关的处理，并通过天线修改标签的内部信息。

电子标签附着在待识别的物品上，是射频识别系统真正的数据载体，当标签进入天线有效覆盖区域内无源标签就能从天线发出的电磁场中获得能量，从而被激活。一般情况下，电子标签由标签天线和标签专用芯片组成。

当附着有电子标签的待识别物品通过其读出范围内时，阅读器自动以无接触的方式将电子标签中的约定识别信息取出，从而实现自动识别物品或自动收集物品标识信息的功能。典型的阅读器包含有高频模块(发送器和接收器)、控制单元以及阅读器天线。

天线及空间信道天线用于发射信号来形成有效的电磁场覆盖区域和接收标签的返回信号。针对无源标签的任务有两个：一是通过电磁场耦合向标签提供能量，二是通过电磁耦合在标签与阅读器之间建立传送数据的通道。

在rfid系统中应该使用方向性天线，它与全向天线相比具有更少的辐射模式和返回损耗的干扰。天线类型的选择必须使它的阻抗与自由空间和asic(为专门目的所设计的集成电路)相匹配。

2.a*算法

a*算法是最短路径的启发式搜索算法，启发式搜索是一种解决在复杂的环境下从起始状态到目标状态转换问题的有效方法，其核心思想是根据一个代价评估函数对当前的状态信息进行评估，然后选择一个比较有利的邻接节点进行扩展，并且循环执行这一搜索过程直到搜索到目标节点。a*算法通过启发函数指引算法的搜索方向，节点距离目标越近估计函数值会越小，保证最短搜索向终点方向进行。a*算法的路径搜索过程如图2所示。

a*算法的基本思想如下：引入当前节点j的估计函数f，当前节点j的估计函数定义为：

f(j)＝g(j)+h(j)

其中g(j)是从起点到当前节点j的实际费用的量度，h(j)是从节点j到终点的最小费用的估计，可以依据实际情况，选择h(j)的具体形式，h(j)要满足一个要求：不能高于节点j到终点的实际最小费用。从起始节点向目的节点搜索时，每次都搜索f(j)最小的节点，直到发现目的节点。

a*算法的核心是设计估价函数h(j)，估价函数h(j)是距离权重值的n倍，运用的距离计算方式与移动方式相匹配，在网格化地图中，允许本体向四个领域移动时采用曼哈顿距离，这种情况下节点j的估计函数表达式为：

f(j)＝g(j)+(|ax-bx|+|ay-by|)

a*算法在搜索中设置两个表：open表和close表。open表保存了所有已生成而未被考察的节点，close表中记录已被考察过的节点。算法中有一步是根据估计函数重排open表中的节点，这样，循环的每一步只考虑open表中状态最好(代价最小)的节点，如果被发现在open表中存在同一个节点，就应比较两个节点代价的大小，如扩展得到的新节点代价大于已有的节点代价，可以放弃扩展得到的新节点，否则就以新节点代替原来的节点。如果在close表中存在同一个节点号，则新新生成的路径的代价肯定大于原来路径的代价，可以淘汰新生成的节点。

算法步骤如下：

步骤1：生成空的open表、close表，将起点s放入open表；

步骤2：如果open表为空，则失败退出；

步骤3：从open表中，找出头节点u,作为当前节点,将它从open表中移除；

步骤4：判断u是否为终点，如果是，则通过节点u的父指针，一直遍历到起点，找到到最优路径，算法结束。否则，转步骤5；

步骤5：扩展当前节点u,找到其扩展的后继节点集合v,遍历集合v中的节点，如果节点即不在open表也不在close表，计算该节点的估计值，将节点加入到open表，设置父节点为u.如果节点在open表、close表，比较当前节点的代价g(v)和open表、close表中代价，如果当前节点的代价g(v)小，更新表中的代价和父节点指针；

步骤6：按估价值递增的顺序，对open表中所有节点进行排序；

步骤7：转步骤2。

本具体实施方式的电子标签网格划分：

在地面栅格化铺设rfid标签，标签按照二维直角坐标系的形式铺设，并在标签内部写入节点的坐标信息。

超高频rfid读写器采用rd905m，读距约6m，内置8dbi天线，输出功率0～30dbm可调，正向扇形读卡区域60～90°，支持tcp/ip、rs232/485、wifi等多种通讯方式，

装载机采用柳工clg850h，其车身长度a，宽度b，离地高度h。将读卡器正向正对地面，读卡器的读写区域如图3所示。设读写器距地面垂直距离为l，按读卡器最大扇形读卡区域角度90°计算，则地面上可被读取的区域是半径为l的圆形。读取区域圆形的内接正方形边长为如图4所示。

为减少电子标签数量，且使装载机上左右两边的阅读器在任意时刻都能读取至少一个电子标签，正方形单元网格宽度应小于实际确定时为便于计算可取整数，这里设正方形单元网格边长为δs。

本具体实施方式装载机行驶轨迹描述：由于装载机有四个读卡器，在任意一个采样时刻至少有一个读卡器能读取电子标签，设四个读卡器在任意时刻读取的电子标签数据为(ai,bi,ci,di)，a、b、c、d四点的位置如图5所示。以a点数据作为行驶轨迹，其中未读取到的数据可用b、c、d点的数据进行修正。

一种简单的修正方法是：当a点无数据时，若b点有数据，则将b点数据作为此时刻a点轨迹数据；若b点无数据，c点有数据，则将c点数据作为此时刻a点轨迹数据；若b点无数据，c点无数据，d点有数据，则将d点数据作为此时刻a点轨迹数据。

本具体实施方式的导航方案设计：在地面栅格化铺设rfid标签，每个标签之间的距离设置为δs米。标签按照二维直角坐标系的形式铺设，并在标签内部写入节点的坐标信息，x、y坐标轴各自用一个字节表示，其范围是0～255。该种组合方式可以有65536张数据不重复的rfid标签。实际地图铺设方式如图6所示，地图铺设从左上角的原点开始，向右下方延伸，原点处标签中写入的数据为(0x00,0x00)，右下角的标签处写入的数据为(0xff,0xff)。

图6每一个rfid标签代表场地对应的二维位置节点，可以用于装载机定位：当装载机经过节点上方时，rfid读写器读取到rfid标签中的地理位置信息后，可以根据rfid标签的地理信息得知装载机在仓库中的相对位置。根据地图中rfid标签的铺设格式可以设定一个虚拟方向为上北下南左西右东。假如装载机处于(0x00,0x00)地理位置且装载机的头部朝向(0x00,0x01)时认为装载机朝向虚拟方向的东方。

上位机采用a*算法计算出装载机的行驶路径，经调度系统下发的路径数据链为装载机应该走过的坐标点位置，装载机接收到这些坐标点信息后，其实不知道根据坐标点的信息如何运动。假如调度系统规划了一个起始位置坐标在原点，终点位置坐标为(0x03，0x03)的路径信息，路径格式为：

{(0x00,0x00)(0x00,0x01)(0x01,0x01)(0x02,0x01)(0x02,0x02)(0x03,0x02)(0x03,0x03)}

假设装载机在坐标原点处并且朝向地图的虚拟方向的东方。在接收到该路径信息后装载机运动情况如图7所示。

装载机到达一个坐标位置后，下一步是应该直走还是转弯需要根据当前的坐标位置和下一个坐标位置进行解算，然后根据解算结果做出相应的动作。在解算过程中将xy坐标值合成一个16位的整数，将x坐标值放在高8位，y坐标值放在低8位，那么装载机处于当前坐标计算得到16位整数与下一个坐标求得的值相减得到一个差值。这个差值有只会有四种结果，分别是+1，-1，+256和-256，再结合装载机的虚拟朝向就可以确定下个动作为直行、右转90度、左转90度还是向后旋转180度。当运算值不是这几个值的时候，表示系统出现数据错误，装载机停止运行并上报当前的位置信息。

根据装载机的虚拟朝向与坐标差值可以确定装载机的运动情况，解析动作对照表如表1所示。

表1解析动作对照表

设定装载机初始方向为北方，并用一个变量进行记录，装载机在第一次动作解析时就有了参考方向，装载机实际运行前也需要将装载机的虚拟方向与初始方向一致。如果装载机右转90度时它的方向朝向虚拟方向的东方，那么将存储方向的变量设置为东方可以用于下一个节点的动作解析。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。