展廳服務機器人立體定位與調度管理系統及定位方法
【專利摘要】本發明涉及一種展廳服務機器人立體定位與調度管理系統及定位方法，結合展廳的實際布局，采用三維空間RFID定位方法，將固定標簽全部放置在天花板上，最大程度上降低地面物體的干擾，移動標簽固定在服務機器人身上，然后利用固定標簽條件響應機制篩選數據，通過最小二乘法求解三維坐標。無線通訊模塊、移動終端與上位機軟件的結合，實現多服務機器人快速準確的空間定位和調度管理。
【專利說明】展廳服務機器人立體定位與調度管理系統及定位方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種室內，特別涉及一種展廳服務機器人立體定位與調度管理系統及 定位方法。
【背景技術】
[0002] 目前，基于GPS的室外定位技術已經十分成熟，定位精度與響應速度都能很好地 滿多種需求。然而，室內環境下GPS信號受到嚴重干擾和削弱，無法利用GPS技術來實現室 內定位。利用射頻標簽（RFID)進行室內定位是目前研究的一個熱點。國內外對RFID定位 技術的研究主要集中在定位算法和定位方案兩個方面。比較流行的定位算法主要有三角定 位法、位置指紋算法、空間鄰近法。不同算法其定位精度、算法復雜度及對硬件的要求等都 會有很大差別，因此在實現定位系統的時候需要根據實際的環境和需求選擇合適的算法， 并對算法進行適當的改進。
[0003] 目前現有的基于RFID的室內立體定位方法，采用地面與天花板均安置固定標簽 的方法，獲取距離信息后采用最小二乘法，確定移動節點的三維坐標。然而，該方法缺陷在 于，其地面固定節點由于RSSI信號強度受到遮擋物體干擾以及相距較遠導致測距精度不 準，定位不準確。該方法缺陷還在于，固定節點節點較少則相距較遠導致測距精度不準，設 置多個節點，全部參與定位，計算量較大，定位速度緩慢。
【發明內容】
[0004] 本發明是針對展廳服務機器人缺乏成熟的調度管理模式以及基于RFID的室內立 體定位方法計算量較大，定位速度較慢，系統響應速度慢的問題，提出了一種展廳服務機器 人立體定位與調度管理系統及定位方法，結合展廳的實際布局，采用二維碼識別、無線通 信、人機交互等技術及三維空間RFID定位方法，結合多標簽條件應答機制，實現多服務機 器人快速準確的空間定位和調度管理。
[0005] 本發明的技術方案為：一種展廳服務機器人立體定位與調度管理系統，中央控制 子系統、服務機器人子系統和移動終端應用子系統；中央控制子系統通過無線通訊模塊與 服務機器人子系統相連接，接收服務機器人子系統內狀態信息并控制對展廳內所有服務機 器人進行立體導航；服務機器人子系統通過無線通信方式接收目標位置信息和運動指令并 發送個體當前狀態信息；移動終端子系統通過移動終端無線網絡功能與中央控制子系統通 訊； 中央控制子系統包括室內立體定位系統、控制王界面、數據庫和路徑規劃|旲塊；室內立 體定位系統包括Zigbee網絡模塊和RFID標簽，Zigbee網絡模塊由一個協調器以及多個路 由器和多個終端設備組成，RFID標簽包括移動標簽和固定標簽，其中移動標簽固定在服務 機器人身上，固定標簽立體分布于展廳空間中；室內立體定位系統對各服務機器人精確定 位，通過路徑規劃模塊引導服務機器人到達指定地點。
[0006] 所述服務機器人子系統包括無線導航模塊、運動控制模塊和機器人功能模塊，其 中無線導航模塊采用PTR4000無線數傳模塊與中央控制子系統通訊，接收來自中央控制子 系統的控制信息并反饋機器人狀態信息，運動控制模塊包括地面移動服務機器人的舵機控 制模塊以及空中旋翼機器人的無刷電機電調控制模塊，控制服務機器人的運動及姿態；其 中機器人功能模塊是實現機器人的服務功能的模塊，如搬運、導航等。
[0007] 所述移動終端應用子系統包括顯示界面、二維碼識別模塊、管理數據庫，通過移動 終端無線網絡與中央控制子系統通訊，其中顯示界面實時顯示管理數據庫數據，查看機器 人狀態并提供呼叫服務機器人；二維碼識別模塊用于識別包含位置信息的二維碼，掃描人 員所處位置附近二維碼獲取位置信息；管理數據庫為移動式嵌入數據庫，包含服務機器人 種類、空閑數量及位置信息。
[0008] -種展廳服務機器人立體定位與調度管理系統的定位方法，具體包括如下步驟： 1)將固定RFID標簽按照展廳形狀、大小和RFID標簽選擇要求全部等間距固定布置在 展廳天花板上； 2 )中央控制子系統采集移動標簽與固定標簽信號，根據計算公式 1SSI =-(10Mg Δ + α),計算移動標簽與各個固定標簽信號的相對距離，其中免為與信 號的傳輸環境有關的傳輸常數；Δ為所求移動標簽與固定標簽之間的距離；α為射頻參數 dBm，表示標簽之間距離為lm時接受信號的強度；RSSI為檢測到的接收信號強度； 3)對固定標簽采用條件應答機制，確定對應移動標簽最近的3個固定標簽的RSSI信 息，通過Zigbee網絡模塊上傳確定的3個固定標簽信息到上位機進行定位計算。
[0009] 所述固定標簽條件應答機制為固定標簽接收到移動標簽的廣播消息時，只有當檢 測到的接收信號強度RSSI滿足設定的應答條件時，該固定標簽應答發送RSSI值與該固定 標簽的物理地址，否則不應答。
[0010] 所述定位計算采用三維定位，將由固定標簽和移動標簽之間距離成立的聯立方程 組轉化為不相容線性方程組，并求不相容線性方程組最小二乘的解。移動標簽獲取到確定 的3個固定標簽信息后，將3個固定標簽的坐標和與移動標簽的距離值代入方程組，得最小 二乘的解即移動標簽坐標的估計值。
[0011] 本發明的有益效果在于：本發明展廳服務機器人立體定位與調度管理系統及定位 方法，在室內環境下對于多移動物體實現高精度、三維定位，以及結合移動終端軟件與二維 碼識別系統通過管理數據庫實現機器人調度管理與路徑導航。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發明展廳服務機器人立體定位與調度管理系統整理框圖； 圖2為本發明中央控制子系統結構框圖； 圖3為本發明服務機器人子系統結構框圖； 圖4為本發明移動終端應用子系統功能框圖； 圖5為本發明展廳服務機器人立體定位與調度管理系統示意圖； 圖6為本發明固定節點條件響應機制示意圖。
【具體實施方式】
[0013] 如圖1所示展廳服務機器人立體定位與調度管理系統整理框圖，包括：中央控制 子系統、服務機器人子系統和移動終端應用子系統。其中：中央控制子系統通過無線通訊模 塊與服務機器人子系統相連接，接收服務機器人子系統內狀態信息并負責對展廳內所有服 務機器人進行立體導航，服務機器人子系統通過無線通信方式接收目標位置信息和運動指 令并發送個體當前狀態信息。移動終端子系統通過移動終端無線網絡功能與中央控制子系 統通訊。
[0014] 所述的服務機器人狀態信息包括：當前服務機器人序列號、機器人位置信息、朝向 姿態信息和工作狀態。
[0015] 如圖2所示中央控制子系統結構框圖，包括：室內立體定位系統、控制主界面、數 據庫和路徑規劃模塊，其中室內立體定位系統利用RFID定位模塊通過三維空間RFID定位 方法對各服務機器人精確定位。通過路徑規劃模塊引導服務機器人到達指定地點。
[0016] 所述的室內立體定位系統，硬件包括：Zigbee網絡模塊、RFID標簽，其中Zigbee網 絡模塊由一個協調器以及多個路由器和多個終端設備組成，提供一個低功耗、低數據速率、 低成本的雙向無線網絡，支持對多個移動節點的同時定位，最大支持數量可達65536個。 RFID標簽包括移動標簽和固定標簽，其中移動標簽固定在服務機器人身上，固定標簽立體 分布于展廳空間中。根據條件應答機制選取參與定位的固定標簽，進而反饋信號強度RSSI 確定相對距離，通過三維定位計算方法確定該移動標簽位于空間坐標系位置。
[0017] 所述的條件應答機制是在對移動節點讀取所有固定節點信息計算量大、具有較大 延時的情況下提出的優化方案，即固定節點接收到移動節點的廣播消息時，只有當檢測到 的接收信號強度（RSSI)滿足設定的應答條件時，該固定節點應答發送RSSI值與該固定節 點的物理地址，否則不應答，從而減少參與定位的固定節點數，提高定位效率。
[0018] 所述的控制主界面包括管理員界面，數據庫操作界面和監控調度界面，其中管理 員界面負責用戶賬戶管理和登陸權限設置，數據庫操作界面負責服務機器人數據讀寫和維 護，監控調度界面負責監視各個服務機器人的位置和工作狀態； 所述的數據庫包括服務機器人數據表、服務區域位置數據表和人員信息記錄數據表， 其中服務機器人數據表包含服務機器人編號、種類、數量和狀態，服務區域位置數據表包含 每個二維碼的數據信息及該位置的當前機器人數量和累計次數，用戶信息數據表記錄用戶 賬戶信息。
[0019] 所述的路徑規劃模塊實現機器人路徑選擇與自主避障功能。
[0020] 所述的三維定位計算方法，通過計算一組移動標簽與固定標簽相對距離，計算公 式為RSSI = -(liDMgA + a〇，其中無為與信號的傳輸環境有關的傳輸常數，^為所求的移動 標簽與固定標簽的相對距離，《為射頻參數（dBm)，表示標簽之間距離為lm時接收信號的 強度。此方法用來計算并確定該移動標簽位于空間的實際位置。
[0021] 如圖3所示服務機器人子系統結構框圖，包括無線導航模塊、運動控制模塊和機 器人功能模塊，其中無線導航模塊采用PTR4000無線數傳模塊與中央控制子系統通訊，接 收來自中央控制子系統的控制信息并反饋機器人狀態信息；運動控制模塊包括地面移動服 務機器人的舵機控制模塊以及空中旋翼機器人的無刷電機電調控制模塊，控制服務機器人 的運動及姿態；其中機器人功能模塊是實現機器人的服務功能的模塊，如搬運、導航等。
[0022] 如圖4所示移動終端應用子系統功能框圖，所述的移動終端應用子系統包括顯示 界面、二維碼識別模塊、管理數據庫和無線網絡，通過移動終端無線網絡與中央控制子系統 通訊。其中顯示界面實時顯示管理數據庫數據，查看機器人狀態并提供呼叫服務機器人功 能；二維碼識別模塊用于識別包含位置信息的二維碼，掃描人員所處位置附近二維碼獲取 位置信息；管理數據庫為移動式嵌入數據庫，包含服務機器人種類、空閑數量及位置信息。
[0023] 如圖5所示展廳服務機器人立體定位與調度管理系統示意圖，為一實施例的展廳 服務機器人的定位導航示意圖。該實施例展廳10內含有可自由移動服務機器人3個，即空 中機器人101，121和地面機器人111 ;展廳10天花板上固定有固定標簽30若干（R1-R20); 展廳10內有用戶22及其攜帶手機21，分布的包含位置坐標的二維碼信息20;展廳10-側， 有Zigbee網關31和數傳模塊32通過RS232連接上位機33,上位機33通過路由器連接互 聯網。
[0024] 機器人111包括移動標簽112,數傳模塊113,以及自身的運動模塊。移動標簽112， 用來對服務機器人進行定位；數傳模塊113,用來對服務機器人進行導航和控制。
[0025] 移動標簽112用于向天花板的固定標簽廣播發出定位請求，天花板的固定標簽依 據條件應答機制，選取參與定位的固定標簽，固定標簽反饋信號強度RSSI，由移動標簽112 收集后上傳至Zigbee網關31，經過上位機33通過三維定位計算方法，即先由RSSI值換算 成相對距離，再由相對距離確定該移動標簽112位于空間坐標系位置。
[0026] 移動標簽與固定標簽相對距離與RSSI信號強度的關系，計算公式為 RSSI =-(lOWg Δ + α·)，其中為與信號的傳輸環境有關的傳輸常數，λ為所求兩標簽之間 的距離，《為射頻參數（dBm)，表示標簽之間距離為lm時接受信號的強度。RSSI信號強度 對應直線距離如圖5中虛線所示，當固定節點與移動節點的距離越遠，RSSI信號強度變化 越不明顯，即誤差越大。由于展廳實際面積較大，不能只在展廳四角或隨意設定幾個固定標 簽，以免固定標簽與移動標簽相距過遠，定位誤差過大。故展廳內要實現高精度定位，本方 法提出，需每隔一段特定的距離，設置一固定標簽。然而，此舉會造成：移動標簽定位時，會 獲取所有固定標簽反饋的RSSI和物理地址，信息量較龐大；移動標簽再上傳至Zigbee網 關,Zigbee網關上再傳至上位機處理，獲取定位坐標時，計算量較龐大,造成定位速度緩慢。 而且定位時無需過多無用的信息，理論上僅需3個固定標簽即可實現定位，故為消除無關 信息量，減少計算量，大幅提高定位速度，本方法提出，采用條件應答機制。
[0027] 所述的條件應答機制是在對移動節點讀取所有固定節點信息計算量大、具有較大 延時的情況下提出的優化方案。當固定節點接收到移動節點的廣播消息時，只有當檢測到 的接收信號強度（RSSI)滿足設定的應答條件，即RSSI大于某個值時，該固定節點應答，發 送RSSI值與該固定節點的物理地址，否則不應答，從而減少參與定位的固定節點數，提高 定位效率。其實際意義為：當固定節點接收到移動節點的廣播消息時，如果RSSI大于某個 值，意味著該固定節點屬于離目標較近的節點，可以參與定位。
[0028] 所述的應答條件如下所述。按照應答條件的選擇不同，參與定位的固定節點數量 不同，數量少于3個，無法定位；數量過多，信息量仍然較大，定位較慢。根據如圖6所示 固定節點條件響應機制示意圖，幾何模型，參與定位的固定標簽與移動節點距離范圍，為 <rm ? 為參與定位的固定標簽的選取范圍半徑,r3為相鄰固定標簽間距)， 2， ti m 2 13 以圖6所示為例，參與定位的固定標簽的選取范圍內，參與定位的固定標簽為R8，R12，R13,
【權利要求】
1. 一種展廳服務機器人立體定位與調度管理系統，其特征在于，中央控制子系統、服務 機器人子系統和移動終端應用子系統；中央控制子系統通過無線通訊模塊與服務機器人子 系統相連接，接收服務機器人子系統內狀態信息并控制對展廳內所有服務機器人進行立體 導航；服務機器人子系統通過無線通信方式接收目標位置信息和運動指令并發送個體當前 狀態信息；移動終端子系統通過移動終端無線網絡功能與中央控制子系統通訊； 中央控制子系統包括室內立體定位系統、控制王界面、數據庫和路徑規劃|旲塊；室內立 體定位系統包括Zigbee網絡模塊和RFID標簽，Zigbee網絡模塊由一個協調器以及多個路 由器和多個終端設備組成，RFID標簽包括移動標簽和固定標簽，其中移動標簽固定在服務 機器人身上，固定標簽立體分布于展廳空間中；室內立體定位系統對各服務機器人精確定 位，通過路徑規劃模塊引導服務機器人到達指定地點。
2. 根據權利要求1所述展廳服務機器人立體定位與調度管理系統，其特征在于，所述 服務機器人子系統包括無線導航模塊、運動控制模塊和機器人功能模塊，其中無線導航模 塊采用PTR4000無線數傳模塊與中央控制子系統通訊，接收來自中央控制子系統的控制信 息并反饋機器人狀態信息，運動控制模塊包括地面移動服務機器人的舵機控制模塊以及空 中旋翼機器人的無刷電機電調控制模塊，控制服務機器人的運動及姿態。
3. 根據權利要求2所述展廳服務機器人立體定位與調度管理系統，其特征在于，所述 移動終端應用子系統包括顯示界面、二維碼識別模塊、管理數據庫，通過移動終端無線網絡 與中央控制子系統通訊，其中顯示界面實時顯示管理數據庫數據，查看機器人狀態并提供 呼叫服務機器人；二維碼識別模塊用于識別包含位置信息的二維碼，掃描人員所處位置附 近二維碼獲取位置信息；管理數據庫為移動嵌入式數據庫，包含服務機器人種類、空閑數量 及位置信息。
4. 根據權利要求3所述的系統的定位方法，其特征在于，具體包括如下步驟： 1)將固定RFID標簽按照展廳形狀、大小和RFID標簽選擇要求全部等間距固定布置在 展廳天花板上； 2 )中央控制子系統采集移動標簽與固定標簽信號，根據計算公式 RSSI =-(mtlg Δ + ￡?),計算移動標簽與各個固定標簽信號的相對距離，其中先為與信 號的傳輸環境有關的傳輸常數；Δ為所求兩標簽之間的距離；α'為射頻參數dBm，表示標簽 之間距離為lm時接受信號的強度；RSSI為檢測到的接收信號強度； 3)對固定標簽采用條件應答機制，確定對應移動標簽最近的3個固定標簽的RSSI信 息，通過Zigbee網絡模塊上傳確定的3個固定標簽信息到上位機進行定位計算。
5. 根據權利要求4所述的系統的定位方法，其特征在于，所述固定標簽條件應答機制 為固定標簽接收到移動標簽的廣播消息時，只有當檢測到的接收信號強度RSSI滿足設定 的應答條件時，該固定標簽應答發送RSSI值與該固定標簽的物理地址，否則不應答。
6. 根據權利要求4所述的系統的定位方法，其特征在于，所述定位計算采用三維定位， 將由固定標簽和移動標簽之間距離成立的聯立方程組轉化為不相容線性方程組，并求不相 容線性方程組最小二乘的解，移動標簽獲取到確定的3個固定標簽信息后，將3個固定標 簽的坐標和與移動標簽的距離值代入方程組，得最小二乘的解即移動標簽坐標的估計值。
【文檔編號】G01S5/06GK104062630SQ201410311587
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月2日 優先權日:2014年7月2日
【發明者】姚元豐, 劉子龍, 李亞凱, 孫佳郡, 王亞剛 申請人:上海理工大學