基於RFID技術的自動導引車定位引導設計詳解

0 前言

對於物體搬運AGV（自動導引車）來說，引導和定位是重點研究部分。 常用的引導方式有磁引導[1]、視覺引導[2]、雷射引導[3]等，定位方式有二維碼定位[4]、RFID射頻識別定位[5]、超音波定位等。其中，磁導磁條易於鋪設、易於改變路徑、無線射頻辨識不易污染、對聲光無幹擾。 因此，整合RFID技術的磁導AGV在自動化生產和運輸中已廣泛應用。

許多學者對磁導引中的RFID技術進行了研究。 顧家偉等. 文獻[6]透過在電子標籤中寫入標籤號碼和運動控制參數來實現AGV導航。 李吉[7]利用RFID輔助定位，利用水平磁條完成車輛轉彎、停車等動作。 羅宇佳[8]固定了AGV轉彎動作模式，利用標籤資訊實現90°和180°轉彎。

上述文獻大多將動作指令寫入電子標籤。 由於保存的指令資訊單一，標籤利用率較低。 當實際路徑複雜時，需要佈置更多標籤，不利於路徑規劃和引導。 本文在前人研究的基礎上，針對複雜路徑下AGV的引導問題，提出了車輛動作指令演算法。 根據調度任務產生動作指令並保存在車輛控制系統中。 標籤僅作為位置識別，提高車輛行駛彈性。

1. 駕駛地圖建模

1.1 地圖構成

地圖由引導磁條和工作站組成，如圖1所示。兩者分別以直線和矩形表示。 g代表工作站，數量為h，依式（1）進行編號（圖中小矩形右側的數字），則工作站集合可表示為G = {g1 ，g2，g3，...，gh}。 l代表一條線，數量為n。 規定橫、垂直線編號分別以偶數和奇數表示，並依式（2）編號（圖中圓圈內的數字）。 線集為L={l1,l2,...,ln}。

基於本文的應用場景，規定AGV進入工作站時除貨叉向前移動外均向後行駛，在線路交叉口和進入工作站時減速。

1.2 電子標籤佈局

1.2.1 工作站相關標籤的放置

圖2中，pi1、pi2、...、pi7代表電子標籤的位置。 圖2(a)顯示AGV直行並從左側進入工作站gi。 規定分別在pi3、pi5、pi4、pi7處減速，由倒車行駛變為前進、前進、右轉、停止。 圖2(b)顯示AGV後退並左轉退出工作站。 直線後退、後退左轉、分別在pi7、pi6、pi1處加速。 AGV從工作站右側進出與其從左側進出類似。 定義pik為與工作站gi相關的第k個標籤（k∈{1, 2,...,7}），其排列如圖2所示。其組成以矩陣S1表示為：

1.2.2 線路標籤佈局

每行兩端放置兩個電子標籤。 sja表示第lj行上的第a個標籤，a={1,2,3,4}。 規定Sj1、Sj2、Sj3、Sj4沿座標軸正方向依序排列在lj上，Sj1和Sj4之間的線段為直線lj的範圍。 車輛在Sj1和Sj4處執行轉彎指令進入其他線路，在Sj2和Sj3處執行加速或減速指令，進入lj時加速，離開lj時減速。 所有行上的標籤均由方程式(4)中所示的矩陣S2表示。 最終地圖中所有標籤的佈局如圖3所示。

2.動作指令演算法

首先對標籤進行編碼，然後根據調度路徑確定每個標籤傳遞的順序，最後根據標籤排序產生動作指令。

2.1 電子標籤編碼

編碼方式電子標籤的格式如圖4所示，其中x、y表示標籤在地圖中的座標，「pro」為電子標籤的座標。 代表屬性，即車輛可以在標籤“line”處執行的動作指令類型。 代表線，「坐」； 表示相關工作站編號。 根據線上AGV的驅動方式，“Pro” Sj1和Sj4的位子是‘01’，表示轉動，‘pro’表示轉動。 Sj2和Sj3的位子是‘02’，表示加減速。 Sja的‘line’位元是行號j，‘sit’位元用零表示。 “專業人士” 根據AGV進站和出站方式，標籤pik的位元位如表1所示。 “線” bit 是 pi1 所在的行號，‘sit’ 是 pi1 所在的行號。 bit是與其相關的站號。

2.2 路徑建立與選擇

其中，w代表路徑，數量為m（m≥m0）。 那麼所有路徑組成的矩陣可以表示為W = [w1,w2,...,wm]T。 ltx 表示路徑 wt 的第 x 行，其中 wt={lt1, lt2,…, ltx,…}, t∈{1, 2,…, m}, ltx∈L，假設該行包含在 t-第條路徑最大的數為n1，則W 為m×n1 階矩陣。 若行數小於n1，則不足部分以0表示，路徑矩陣以式(6)表示：

2.3 調度路徑標籤排序方法

對於任兩條連接線上的標籤，第一條線和第二條線分別以 lu 和 lv 表示。 lu 上的標籤為 Su1、Su2、Su3 和 Su4，lv 上的標籤為 Sv1、Sv2、Sv3 和 Sv4。 r0表示從lu到lv的標籤數列。 假設Su1的座標為(x1,y1)，Sv1的座標為(x2,y2)。 透過比較兩個座標，可以推斷出lu和lv的相對位置關係：

第一種情況：x1》x2，y1》y2，如圖5（a）和圖5（b）所示，r0={Su4，Su3，Su2，Su1，Sv4，Sv3，Sv2，Sv1}。

第二種情況：x1》x2，y1》y2，若lu為奇數，則r0={Su1，Su2，Su3，Su4，Sv4，Sv3，Sv2，Sv1}，對應圖5(c)； 否則r0={Su4，Su3，Su2，Su1，Sv1，Sv2，Sv3，Sv4}，對應於圖5(d)。 同理，可以推論出其他情況下r0元素的排列。

對於路徑wβ，首先根據式（4）選擇每條線上的標籤，然後按照車輛通過路徑上每個標籤的順序排列。 步驟如下：

(1) 將lβ1和lβ2分別視為第一條線和第二條線，根據座標關係決定它們的位置關係。 依照兩行標籤排序規則排序，將排序結果放入陣列r1中；

(2) 將lβ2和lβ3分別作為第一行和第二行進行排序，並將lβ3標籤的排序結果加入數組r1；

(3) 依照與步驟(2)類似的方式排列lβ3、lβ4、lβ4、lβ5、...、jsj3-t6-s1.gif 行的標籤。

根據AGV進出工作站的方式，刪除r1中未經過lj1和lj2的標籤。 此時，r1中的元素個數以b1表示。

2.4 動作說明

動作指令格式如圖6所示。前5位為電子標籤代碼，「ins」為電子標籤代碼。 bit是AGV在前5位對應的標籤上執行的動作指令。 程式碼依其功能編碼，如表2所示。當AGV從起始站點gs行駛到目標站點ge時，請依照出站、沿路徑行駛、進站的順序行駛。 RFID讀取器持續讀取地面標籤資訊並將其傳輸至車輛控制系統。 依照條件順序執行指令，完成調度任務。 條件是目前讀取的標籤資訊與要執行的指令的標籤編碼位元一致。

2.4.1 出站動作指令

R1 代表工作站操作指令集。 如果AGV從左側出站，則新增“00”、“01” 和“05” 分別在標籤編碼後帶有“pro”； 「09」、「08」位 和“03” 在S1的S行，否則加上“00”，“02” 和“05” 分別在對「pro」的標籤進行編碼後 位是“09”、“08” 和“07” 在 S1 的 S 行中，並將它們用作第 1、2R1 中依序為第 2 個和第 3 個。 行動指示。

2.4.2 路徑動作指令

根據「親」的要求來決定動作指令。 分別對應 r1 中 b1 標籤的位元。 R2代表路徑動作指令集，圖7示出了其判斷過程。

2.4.3 工作站進入動作指令

R3 代表工作站操作指令集。 AGV從左側進入工位，加上「06」、「07」、「04」字樣。 分別在標籤代碼“05”、“07”、“06”和“09”之後 在「專業」中 S1的e行位置。 , '08'; 否則，請增加“06”、“07”、“03”、“08” 分別在「05」、「03」、「04」和「09」的標籤編碼之後 在行中。 並依序為 R3 中的第 1、2、3、4 條指令。

3 測試結果及分析

選擇站 12、13、17 和 18 進行測試。 標籤編碼如圖8所示。前兩位是x座標，第3到4位是y座標，第5到6位代表屬性，第7到8位是所在行號，最後兩位數字與之相關。 電台編號。

車輛動作指令程式採用VC++6.0編寫，選取基於ARM架構、整合式RC522射頻辨識模組的模型車作為測試對象。 圖9所示為鋪設引導線並放置標籤後的實際車輛運行圖。 測試表明，車輛能夠按預期完成調度任務。 圖10展示了將動作指令寫入標籤的引導方法。 AGV透過執行標籤中的指令來完成加減速等動作。 由於地面標籤的內部指示資訊在放置後就已經確定，車輛在經過每個標籤時只能完成一定的固定動作。 引導方式比較簡單，彈性較差。

選擇不同的起始站和目標站進行組合，代表不同的調度任務。 在C++6.0中，每次操作的結果如圖11所示，每個動作指令的前10位是電子標籤程式碼，後兩位表示AGV對標籤執行的動作。

任務1和任務2的行駛路線分別為20→22→24、20→22→21→18。 AGV通過了標籤4610012200。任務1中沒有與該標籤對應的指令。AGV此處不執行任何指令。 22號線繼續直行進入24號線； 任務2中該標籤對應的指令為461001220002，最後兩位數字「02」為 表示AGV在這裡倒車右轉，從第22行進入第21行。對比可知：AGV只執行符合動作指令執行條件的標籤處的指令。

任務3和任務4的行駛路線分別為24→21→16→14、24→21→18。 AGV皆經過標籤4722012100。在任務3中，AGV在該標籤上對應的指令為472201210002，最後兩位數字「02」為472201210002。 代表AGV在這裡倒車右轉，從21號線進入16號線； 任務4中該標籤對應的指令為472201210001，最後兩位數字「01」為 表示AGV在這裡倒車左轉，從第21行進入第18行。對比可知：AGV在完成不同的任務時，可以對相同標籤執行不同的指令，增加了行駛彈性。

4 總結

本文採用電子標籤作為位置標識，根據具體任務透過演算法產生動作指令並儲存在車輛控制系統中，使得車輛在不同任務中經過同一電子標籤時可以執行不同的動作指令，彌補了傳統的導航方式中，行駛路線固定，標籤處執行的指令單一。 此方法解決了複雜路徑下的車輛引導問題，提高了駕駛靈活性和標籤利用率，具有一定的應用價值。