RFID技术在机器人室内定位中的应用

◆李辰迪 王艳新

作者：李辰迪，上海工程技术大学材料工程学院在读本科生，担任国家级大学生创新创业训练计划项目《智能安防机器人设计与制作》

项目负责人；王艳新，上海工程技术大学工程实训中心副教授，担任项目指导老师（201620）。

1 引言

现如今，越来越多的机器人被应用到人们的生活生产中去，诸如清洁机器人、安防机器人等。绝大多数机器人都工作在室内，在他们执行任务时，往往会由操作员给定一个路径，机器人会按照该路径来行驶到指定位置。但行驶过程中各种不可测的因素都会影响实际的路线。故如何保证机器人能够按照给定路径行驶的问题就被提出了。

由于工作在室内，常用的户外GPS定位系统无法工作。继而，需要设计一种能够帮助机器人进行室内定位的系统。本文介绍的一种室内定位方案采用RFID（射频识别）技术，通过组建物理坐标网络为机器人提供可靠的地理位置信息。该方案成本低，实施容易，可靠性高，具有较大的实用价值。

2 方案构思

本方案的灵感源自于公共场所地面上铺设的盲道——盲人能够通过感触盲道上的凸点来辨别路径，与之类似，通过有规则地铺设机器人的“盲道”——电子标签坐标网络，机器人便能够辨别所处的方位。

方案示意如图1所示，建立二维直角坐标系X0Y，蓝色圆点为电子标签。假设左下角为原点，则该标签定义为（0，0）。设步长均为1，则可定义坐标系上任意标签的坐标（x，y）。每当机器人运动到某个标签的上方时，便可获得一个坐标信息；收集到两个坐标信息后，便可计算出运动大致方向；或者通过指南针传感器辨别下一刻路径方向。

3 方案实现

3.1 硬件方案

目前市面上与RFID相关的设备有很多，应用广泛，技术成熟，成本较低的有MFRC522芯片的方案，和与之配套的ISO 14443A、MIFARE系列标签。硬件实物如图2所示。圆形标签直径约为25 mm，厚度约为0.8 mm，识别器尺寸为50 mm×30 mm。

图1 电子标签网络示意图

图2 电子标签和识别器

3.2 硬件安装

由于使用的电子标签背部有不干胶，故能够方便地粘贴在平滑地面上（如大理石、瓷砖、实木等）。标签正面有塑料保护层，可以隔绝水和油的污染，并保护内部芯片免受日常摩擦损耗。

识别器可以安装在机器人的底盘上，如果识别距离允许或者底盘比较低，推荐安装在机器人外壳内，以保护识别器。

3.3 软件方案

为了适应不同工作环境下和不同性能的机器人，设计两套软件方案。

方案一，机器人内置一个数据库，主要记录不同电子标签的序列号和与其对应的坐标信息。机器人通过读取标签序列号来获取坐标信息，然后自动演算路径并前往目的地。

图3 方案一程序流程图

方案一的程序流程图如图3所示。由流程图可知，采用方案一的机器人在收到定位命令后开始监听识别器，一旦有标签被识别便进行检索，得到坐标信息后机器人可以根据目的地坐标演算出最佳路径。该方案定位方式灵活，可适应各种环境，但需要机器人有较强的路径演算能力。

方案二是针对机器人的某些特殊功能而提出的，如“自动回基站充电”和“定点巡更”功能，此类功能所要求的定位信息相对固定，即都是为了同一个目的地而定位。这样的话，只要在标签中写入当前点到达目的地的最佳路径便可实现定位。其程序流程图如图4所示。

以“自动回基站充电”功能为例，由于标签的位置在安装的时候已经固定，充电基站的位置也是固定的，因此，从任意一个标签点到达基站的路径是可以预先确定的。于是可以将规划好的路径写入每一个标签内，机器人通过读取标签内的路径数据便可直接前往目的地，省去了路径演算。

图4 方案二程序流程图

该方案针对性强，定位直接明了，无需机器人进行路径演算。但预先准备投入较大，需要对每个标签进行路径规划和写入，且标签的铺设范围受其存储容量和地形复杂程度的制约，故适用于小范围内简单路径的定位。为了实现大范围的定位，提供了方案二的改进版。通过给机器人增加一个外置存储器用来存储事先规划好的路径，并与之对应一个标签的序列号。因为存储器的容量可以随意扩展，所以理论上路径的信息也可以随意扩充，而不受标签存储容量的限制。

4 总结

本设计方案的提出是依据笔者参与的机器人项目中所需“自动回基站充电”的功能而提出的。本文介绍的方案通过使用RFID技术，实现了机器人在室内的定位，在中小范围，简单地形环境下定位可靠方便。方案成本低，技术成熟，抗干扰能力强，易于实现，可用于家庭服务机器人、清洁打扫机器人、安防机器人等系统中，应用前景十分广阔。

[1]程曦.RFID应用指南：面向用户的应用模式、标准、编码及软硬件选择[M].北京:电子工业出版社,2011.

[2]毛丰江.智能卡与RFID技术[M].北京:高等教育出版社,2012.

[3]杨学亮,项安,刘青松,张涛.基于RFID的轨道机器人定位系统研究[J].机电一体化,2012(9):18-21.