一种提高堆垛机无线定位精度的方法

摘要

本发明公开了一种提高堆垛机无线定位精度的方法，利用堆垛机直线运动特点，在传统四边定位算法基础上改进四边投影定位方法，以提高定位精度，并降低定位算法的复杂度，该方法可广泛应用于物流仓储中心、现代配送中心等领域，具有良好的经济效益和应用前景。

权利要求

1.一种提高堆垛机无线定位精度的方法，所应用的全自动仓储系统中信标节点为规则网格状分布，每一个巷道(101、102、103)都有一台堆垛机，堆垛机在巷道内作水平移动，且只能沿直线运行，其特征在于：在巷道的上方每隔一定间隔部署信标节点(107、108、109、110)，信标节点(107、108、

109、110)的初始坐标都是已知值，对信标节点(107、108、109、110)进行编号，最终形成网格状的信标节点(107、108、109、110)阵列，在每个堆垛机的上方部署堆垛机移动无线节点(104、105、106)，该移动无线节点的位置代表堆垛机的坐标；

根据堆垛机直线运动特征，采用四边投影定位算法提高定位精度，具体技术方案包括以下步骤：(1)在巷道对称的两边选择两对信标节点：信标节点A(301)、信标节点B(302)、信标节点C(303)、信标节点D(304)；

(2)计算各自和堆垛机移动节点的RSSI距离，分别是与信标节点A距离(305)、与信标节点B距离(306)、与信标节点C距离(307)、与信标节点D距离(308)；

(3)和堆垛机运动直线1(310)分别相交于信标节点A距离与堆垛机运动直线交点N(314)、信标节点B距离与堆垛机运动直线交点K(311)、信标节点C距离与堆垛机运动直线交点M(313)、信标节点D距离与堆垛机运动直线交点L(312)，因此，无线移动节点P(300)的坐标为：根据勾股定理，已知信标节点至堆垛机运动直线之间的垂直距离h，计算各自交点的横坐标xK、xL、xM、xN；

(4)如果RSSI距离小于信标节点至堆垛机运动直线之间的垂直距离h，则直接剔出该信标节点；

(5)求交点横坐标的算术平均值，即为堆垛机无线移动节点P(300)的横坐标估计值x；

(6)而堆垛机无线移动节点P(300)的纵坐标是一个常数y。

说明书

一种提高堆垛机无线定位精度的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种提高堆垛机无线定位精度的方法，尤其涉及一种利用堆垛机直线运动特点，在传统四边定位算法基础上改进的四边投影定位方法，以提高定位精度，并降低定位算法的复杂度，该方法可广泛应用于物流仓储中心、现代配送中心等领域，属于仓储设备技术领域。

背景技术

[0002] 全自动仓储系统是指不用人工直接处理，将物料以单元化形式存储在货架内，并能自动存/取物料的系统。全自动仓储技术是现代物流技术的核心。堆垛机是全自动仓储系统的核心搬运设备，在巷道内来回穿梭，完成入库、出库、移库、调库等作业，堆垛机的运行速度和效率决定了整个仓储系统的吞吐量和周转率。目前高速堆垛机都采用变频电机牵引，通过优化变频电机速度曲线提高运行效率。

[0003] 然而，堆垛机提速难点在于认址定位的精度。目前，认址技术主要有三种：编码器认址、激光测距认址、BPS(Barcode Positioning System)条码定位认址。编码器认址是将堆垛机的距离通过编码器转化为脉冲数值，缺点在于机械误差导致计数错误；激光测距认址将激光头装在堆垛机上，反射板装在地面上，通过测量激光反射时间差，计算距离值，精度可达±3mm，缺点是光路不能有障碍物，对使用环境要求较高；BPS条码定位系统在行进路线上安置条码带，通过扫描条码并转换为距离信息实现精确定位，缺点是条码污染影响扫描结果，高速运动时响应速度跟不上。目前市场上，编码器认址一般用于120m/min以下低速堆垛机，激光测距认址和BPS条码定位认址用于240m/min以上高速堆垛机。

[0004] 基于无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)技术的室内定位具有价格低、安装调试方便、响应速度快等优点，主要包括基于测距算法(Range-based)和无需测距算法(Range-free)，在堆垛机应用中，由于硬件结构较简单，因此多采用基于测距算法。

[0005] 目前该类算法主要有基于测量无线信号强度衰减指数的RSSI(Received Signal Strength Index)算法，基于无线信号传播时间差的TOA(Time of Arrival)算法、以及TDOA(Time Difference of Arrival)算法，基于无线信号方向的AOA(Angle of Arrival)算法等。

[0006] 而为了实现精确定位，一般采用三边测量术、三角测量术，以及多边测量术等方法。近年来，针对WSN芯片的RSSI特征，出现了一些优化变种，主要有对RSSI进行高斯滤波预处理的算法，选择RSSI值最大的前几个信标节点进行的加权质心定位法等。

[0007] ZigBee技术是目前较流行和廉价的WSN技术之一，德州仪器TI公司推出的ZigBee芯片CC2430本身就已经集成有测量RSSI和测距的模块，使用方便，功耗低，发射功率仅为1mW，响应速度快，信道接入时延仅为15ms。缺点在于测距距离较短，在不加功率放大的情况下测距距离只能达到64米，测量精度较低，往往只能达到3～5米的精度。

[0008] 传统的基于RSSI的四边定位算法，首先需要计算RSSI值，RSSI是通过无线信号在传播中的衰减来估计两个节点之间的距离，目前主要有三种无线信号传播模型：Free Space模型，Two-Ray Ground Reflection模型，以及Shadowing模型。而在实际测量中，选用以下的数学模型：

[0009] RSSI＝-(10nlgd+A)

[0010] 式中，射频参数A定义为用dBm表示的距离发射器1m接收到的平均能量绝对值，也就是距发射节点1m处的接收信号强度，n为信号传输常数，与信号传输环境有关，d为距发射节点的距离。

[0011] 由于堆垛机在一次停机之后，其坐标位置基本上是确定的，因此对于具有固定坐标部署的信标节点的初始距离是已知的，通过测量RSSI的差值，可以得到距离的比值：

[0012]

[0013] 式中，RSSI为当前测量值，d为当前距离，RSSI0为初始测量值，d0为初始距离。

[0014] 由于RSSI测距误差较大，本发明利用堆垛机运动特点，在传统四边定位算法基础上改进四边投影定位方法，以提高定位精度，并降低定位算法的复杂度，从而优化变频电机速度曲线的方法。具有成本低、效率高、稳定可靠的优点。

发明内容

[0015] 本发明的目标是提供一种提高堆垛机无线定位精度的方法，具体的说，就是在传统四边定位算法的基础上，改进为四边投影定位算法，这种改进是建立在堆垛机直线运动特征的基础之上的，不仅提高了定位精度，而且降低了定位运算复杂度。

[0016] 为了实现上述目的，本发明所应用的全自动仓储系统中信标节点为规则网格状分布，且坐标已知，而堆垛机只能沿直线运行，也即只需确定一个横坐标即可。

[0017] 因此，本发明提出所谓四边投影定位的技术方案如下：

[0018] (1)在巷道对称的两边选择两对信标节点；

[0019] (2)计算各自和堆垛机移动节点的RSSI距离；

[0020] (3)根据勾股定理，已知信标节点至堆垛机运动直线之间的垂直距离h，可以计算各自交点的横坐标；

[0021] (4)如果RSSI距离小于信标节点至堆垛机运动直线之间的垂直距离h，则直接剔出该信标节点，所得结果并不会受到严重影响；

[0022] (5)求交点横坐标的算术平均值，即为堆垛机移动节点的横坐标估计值；

[0023] (6)而堆垛机移动节点的纵坐标可以认为是一个常数。

[0024] 综上所述，本发明所提出的技术方案的有益技术效果是：计算复杂度低，只需要利用勾股定理计算横坐标即可，而传统的四边定位需要解多元方程组，且定位精度大大提高，对称的信标节点抵消了RSSI测距的系统误差。具有良好的应用前景和经济效益。

附图说明

[0025] 图1是本发明一种提高堆垛机无线定位精度的方法的仓储系统无线传感器网络部署图；

[0026] 图2是本发明一种提高堆垛机无线定位精度的方法的四边测距定位法示意图；

[0027] 图3是本发明一种提高堆垛机无线定位精度的方法的四边投影定位算法原理图。

具体实施方式

[0028] 参考附图，下面对本发明进行详细描述。

[0029] 如图1所示，本发明一个实施例的全自动仓储系统主要包括：

[0030] 立体货架(100)、巷道1(101)、巷道2(102)、巷道3(103)、堆垛机移动无线节点1(104)、堆垛机移动无线节点2(105)、堆垛机移动无线节点3(106)、信标节点A(107)、信标节点B(108)、信标节点C(109)、信标节点D(110)组成。

[0031] 从图中可以看到，每一个巷道(101、102、103)都有一台堆垛机，可以对左右两面的立体货架(100)执行存/取操作，堆垛机在巷道内作水平移动，对于大多数仓储系统，巷道的长度远远大于立体货架(100)的高度，因此堆垛机水平方向的调速优化起着决定作用。

[0032] 在巷道的上方每隔一定间隔部署信标节点(107、108、109、110)，信标节点(107、108、109、110)的初始坐标都是已知值，对信标节点(107、108、109、110)进行编号，最终形成网格状的信标节点(107、108、109、110)阵列。在每个堆垛机的上方部署堆垛机移动无线节点(104、105、106)，该节点的位置可以代表堆垛机的坐标。由于巷道的上方为自由空间，因此相对来说，无线信号的衰减情况较好。

[0033] 如图2所示，在传统四边测距定位法中，已知四个信标节点A(205)、信标节点B(206)、信标节点C(207)、信标节点D(208)，和移动无线节点P(200)的距离分别为dA、dB、dC、dD，则有：

[0034]

[0035] 由此计算当前距离，由于在实际环境中，无线信号传播会发生反射、绕射和散射，引起信号衰减RSSI值的测量误差，因此与信标节点A的距离所形成的圆(201)、与信标节点B的距离所形成的圆(202)、与信标节点C的距离所形成的圆(203)、与信标节点D的距离所形成的圆(204)，这四个圆不会交于一点。

[0036] 一种情况为交于圆B与圆C的交点K(209)、圆A与圆B的交点L(210)、圆C与圆D的交点N(211)、圆A与圆D的交点M(212)四点，一种合理方案是，将这四个交点(209、210、211、212)所组成的四边形的质心作为移动无线节点P(200)坐标的估计值，即：

[0037]

[0038] 然而，求解圆B与圆C的交点K(209)、圆A与圆B的交点L(210)、圆C与圆D的交点N(211)、圆A与圆D的交点M(212)四点的算法复杂度是很高的。

[0039] 如图3所示，以图1中巷道2(102)中的堆垛机移动无线节点2(105)为例，定位选用巷道1(101)中的信标节点A(107)、信标节点D(110)，以及巷道3(103)中的信标节点B(108)、信标节点C(109)。

[0040] 四边投影定位法的原理如图3所示，信标节点A(301)、信标节点B(302)、信标节点C(303)、信标节点D(304)的测距分别是与信标节点A距离(305)、与信标节点B距离(306)、与信标节点C距离(307)、与信标节点D距离(308)。

[0041] 各自又和堆垛机运动直线l(310)分别相交于信标节点A距离与堆垛机运动直线交点N(314)、信标节点B距离与堆垛机运动直线交点K(311)、信标节点C距离与堆垛机运动直线交点M(313)、信标节点D距离与堆垛机运动直线交点L(312)，因此，无线移动节点P(300)的坐标为：

[0042]

[0043] 计算四个交点的横坐标相当容易，由于信标节点至堆垛机运动直线之间的垂直距离h已知，只需利用勾股定理即可得到。另一种不好的情况是，测得的距离d＜h，则可直接剔除该信标节点，所得结果并不会受到严重影响。

[0044] 四边投影定位算法的优点在于计算复杂度低，适合在ZigBee等低配置无线传感器网络节点中运算；另一方面，投影之后，原先的测距误差也相应减少。如，信标节点与堆垛机运动直线夹角θ(315)，则误差抑制为：

[0045] errorproject＝errordistance·cos(θ)