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一种用于智能工厂的自动导向车辆的RFID定位系统
摘要：智能工厂作为我们行业的一个重要的未来，要求在一个生产基地实现车间的物流自动化。自动导向车辆(AGV)系统可能是一种解决方案，其准确性将受到某些因素的影响。本文介绍了一种用于智能工厂的无线射频识别(RFID)定位系统。定量地研究了影响AGV精度的关键因素，如圆形天线、圆形磁场、圆形轮廓稳定性等。在此基础上，对该方法的可行性和实用性进行了仿真研究和试验研究。研究表明，大直径天线用于驱动区，小直径天线用于停车区域。这种方法与另一种使用被动RFID标记的方法进行了比较，它优于这种方法，大大减少了标记的部署。通过模拟和试验研究的观察和教训可以用来指导智能制造车间的自动化物流。
关键词：RFID；AGV；定位；CPS；智能工厂
1.介绍
制造自动化的需求是因为它不断节约劳动力和材料，提高质量，精确，精度和效率【1】。举个例子，一个智能工厂，一些先进的技术如网络物理系统（CPS）是用来监视的物理过程，通过创建一个虚拟的虚拟世界，制造自动化可以实现模块化、结构化的单位【2】。利用CPS技术的制造系统在智能工厂中扮演着重要的角色。在这样的系统中，来自所有相关生产活动的信息将在物理工厂地面和计算空间之间紧密同步和监控【3】。智能工厂的关键之一是物流自动化，它能有效地在生产场所(如车间)中交付各种部件。
物流自动化可以通过自动化的引导车辆(AGV)实现，它能够灵活地移动不同的材料，如原材料、制品和成品，而无需人工干预。【4】 必须确保生产活动和物流行为的高度同步，使生产能够顺利进行。在此之前，AGV的定位系统是至关重要的，因为确定AGV的位置将在很大程度上影响整个制造系统。如果AGV的定位系统不能正常工作，机器和工人可能会花费额外的等待时间。此外，制造性能严重依赖于一个智能工厂的物流效率和效率，在那里高度自动化的机器将被装备。这给AGV的定位系统带来了巨大的挑战，因为它的系统布局和性能将受到生产设施和动态变化或紧急生产指令等情况的严重影响【5】。目前，带磁性带的固定导轨因其低成本而被广泛应用于定位系统【6】。然而，这种方法不能适应制造的灵活性，因为智能工厂内的设备将会被重新设计，并根据不同的批量定制产品进行重新设计。例如，制造机器可以在高峰季节遵循生产线模式，然后按照另一种模式在淡季对这些机器进行分组。因此，在劳动力和时间成本方面，应该对固定的指导路径进行更多的修改。
随着自动识别技术的发展，如射频识别(RFID)，对智能工厂的AGV定位系统可以进行改进。一些初步研究表明，利用RFID技术在典型的制造工厂中进行定位是可行的。例如，RFID通过将读取器和标签放置在制造环境中来定位，从而方便通过云或远程控制器实现自动物流【7】。被动射频识别是一种基于精确跟踪算法的室内定位跟踪系统【8】。然而，有一些研究问题需要解决。首先，RFID支持的AGV对定位精度的关键影响是什么?其次，如何设计和开发一个基于关键影响的RFID定位系统?第三，如何评价设计和开发的系统?
为了回答这个问题，本文介绍了一种利用近场耦合射频识别技术实现的无线射频识别定位系统，实现了在智能工厂中实现精确的覆盖定位以支持最终的自动物流。为了找出关键影响因素，本文分析了环形天线的磁场、圆形磁场和圆形轮廓的稳定性。研究发现，在YOZ平面上的环形天线将产生天线辐射模式的分布规律。为了设计和开发具有RFID功能的定位系统，需要考虑关键影响因素。研究发现定位精度很大程度上受到轮廓圆半径的影响。因此，大直径驱动天线线圈用于粗定位，小直径停止天线线圈用于精确定位和姿态校正。为了测试这个系统，本文使用模拟研究，实验室测试台，并与另一种方法进行比较来验证所提出的系统。
本文的其余部分组织如下。第二部分介绍了RFID技术、AGV系统的定位以及近场耦合技术。第3节给出了NFC的一些基本定义，并分析了三个关键影响因素。第4节关于支持rfid的定位系统的设计和开发报告。第5节展示了仿真研究、实验和比较研究。第6节通过给出我们的研究结果和未来的研究方向得出结论。
2、文献综述
2.1、网络物理系统（CPS）
CPS指的是物理和软件组件之间存在显著关联的机制，这样物理对象就可以在网络空间中得到很好的控制或监控。支持CPS的制造业能够将工人、材料和设备等典型资源转化为更智能的对象，在未来的智能工厂中显示出巨大的前景【9】。因此，基于CPS概念的网络制造已经得到了广泛的关注，为了最终实现了高性能和可靠的生产。
CPS涉及大量的跨学科方法，如控制论、机械和机电一体化、设计和过程科学、制造系统和计算机科学。其中一个关键技术方法是嵌入式系统，它使物理对象及其计算元素或服务之间具有高度协调和组合的关系【10】。与传统的嵌入式系统不同的是，一个基于GPS的系统是一种网络交互，它是由物理输入和输出以及它们的控制算法和计算能力等网络连接服务设计和发展来的。因此，大量的传感器在CPS中起着重要的作用。例如，在CPS中广泛使用多种感觉设备来达到不同的目的，如触摸屏、光传感器、力传感器等。大量的无线传感器网络监督环境方面，使来自环境的信息能够集中控制和管理决策【11】。
2.2射频识别技术
RFID技术作为CPS的关键要素之一，由于其灵活的操作和高准确度而被广泛使用【12】。 RFID能够通过无线电波跟踪和追踪物体【13】。因此，它被用于跟踪生产系统中的关键组件，以便捕获的数据可用于支持实时调度【14】。由于RFID智能制造对象产生的巨大数据，数据挖掘方法被用于挖掘有价值的信息和知识，以支持先进的生产决策。例如，标准操作时间（SOT）和调度规则是从大量的RFID生产数据中挖掘出来的，以支持车间楼层的实时计划和调度【15，16】。
除了跟踪和跟踪能力外，室内定位是RFID技术的一个特殊应用。 Hasani等人从而为使用无源RFID和无线局域网（WLAN）的室内定位引入了一种新型混合配置【17】。定位系统基于移动设备，纺织品标签和用于定位各种物体的多个RFID阅读器。对于室内定位人员而言，基于惯性测量单元（IMU）的位置定位方法是由位于建筑物某些位置的几个有源RFID标签提出的【18】。本文将IMU和RSS（接收信号强度）与一个松散的卡尔曼滤波器集成在一起，设计了一个紧凑的基于KF的INS / RFID系统。对于不同类型的RFID频率，已经研究，设计和开发了大量利用RFID标签和阅读器辅助的定位系统【20】。
2.3 AGV系统中的定位
定位在AGV系统中起着关键作用。最近提出的一种称为双极性焊盘（BPP）的线圈焊盘设计中引入了一个用于AGV应用的10kHz 300W分布式电感功率传输（IPT）系统【20】。利用三维有限元建模工具对分布式AGV定位应用进行了评价。在工业导航系统中，路径跟踪是很重要的。Villagra等公司引入了一种控制律，通过集成三种控制技术:模糊、矢量追踪和基于平面控制的控制【21】，使agv能够使用工业等级的精度和可靠性跟踪预先确定的路线。初始位置的自动配置是AGV系统的关键研究领域之一。Herrero等于是提出了一种无约束优化方法，并结合概率技术来解决这个问题【22】。为了实现有效的位置跟踪，Cho等人使用了基于被动超高频RFID的B样条表面方程，建立了室内应用的无线位置跟踪系统【7】。
2.4近场耦合(NFC)技术
图1.阅读标签上的有效区域
NFC指的是一个物体周围的电磁场，它携带有活性的或菲涅耳衍射【23】。在许多应用中，波的干扰是叠加原理的基本表现。因此，证明了圆极化偶极子的近场干涉导致了近场中引导电磁模式的单向激发。研究了光激发电荷密度梯度对太赫兹脉冲产生的近场分析，表明表面的电荷动力学能够比表面的电荷动力学向表面的电荷动态辐射更强的THz脉冲【25】。
由于它的优点，NFC技术得到了广泛的应用。Hsu和Huang【26】报道了通用超高频RFID手持阅读器的一种Koch形对数周期偶极阵列（LPDA）天线。在这一通信中，LPDA天线覆盖了超过80%的总辐射效率的射频识别波段。针对具有选择性特征提取的近场测量，提出了一种新颖的三维雷达截面特征提取技术【27】。这种方法通过在8 - 12 Ghz范围内使用合成孔径雷达装置来验证。在理论模型和实验的基础上，介绍了一种基于磁耦合谐振器的无线功率传输谐振器【28】。实验结果表明，该方法在0-70 cm的范围内可以达到70%以上的接近恒定的效率。
通过对相关工作的回顾，可以发现一些研究差距。首先，RFID技术主要用于制造业，以及物流和供应链管理，几乎没有报道。其次，采用了不同的传感器进行AGV定位。在工业应用中，应以一种低成本的方式提高精确度。然而，对其定位精度的一些关键影响因素进行了有限的研究。第三，NFC技术由于其良好的性能和较高的可靠性而得到了广泛的应用。近场耦合与RFID在AGV定位中的集成可能提供高性能和低成本的解决方案。为了填补这一空白，本文提出了一种基于RFID的AGV定位系统，通过研究磁场、圆形磁场、圆形轮廓稳定性等关键影响因素来提高精度。
3. 在启用RFID的AGV中定位
3.1定义
近场天线在AGV定位中起着重要的作用。在本文中，一个产生稳定、精确的磁等高线的天线水平放置在AGV的底部(如图1所示)，磁力线是一个不断改变其方向的闭合曲线。当标签放置在水平位置时，图1显示了可以读取标签的有效区域(阴影字段)。当一个标签垂直放置时，
图2.使用正三角形的精确覆盖 图3.磁性分析
有效区域用虚线标记。因此，我们可以得出这样的结论:(1)阅读器应该是在AGV下水平安装;(2)标签应水平放置在地面上。
本文采用环形天线线圈，可以产生环形覆盖场【29】。规则三角形用于设计在等间距下排列成多边形的标签。如图2所示，基本原理如下:常规三角形AABC具有边长S，其外圆半径为p。S和p 之间的关系是S = p。建立笛卡尔坐标。【30】内接三角坐标的顶点为A(0, p), B（ minus;p, minus; p ） , C (p,, -p ).
3.2环形天线磁场分析
根据Biot-Savart定律，在p点的真空中由电流携带导体产生的磁通密度(MFD)是与当前的元素Idl【31】成比例的。然后可以通过以下方法计算MFD:
（1）
micro;0 = 4是真空磁导率。由于这段电流段，dB垂直于由Idl和r定义的平面，在点p处任意形状的载流导线产生的MFD B等于dB的和:
(2)
图3显示了平面XOY中水平的半径R的圆。 假设是XOY平面中p的投影。 是由点Q的电流矢量和从点Q到P的方向矢量组成的角度。是由磁场方向和Z轴组成的角度。 phi;是OQ和OX之间的角度。 是O和OQ之间的角度，那么我们可以得到：
(3)
O= (4)
OQ=R (5)
根据余弦定理，我们可以得到：
(Q )2 = (O)2 (OQ )2 minus; 2(OQ ) · (O) cos (6)
cos= (7)
cos= (8)
sin=
= (9)
=
QB = (O)· sin˛
= (10)
=xsin-ycos
= (11)
sin
= (12)
因此，圆环可以通过以下方式解决：
Bperp;=
= (13)
3.3圆形磁场分析
为了简单而不失一般性，在分析中使用了辅助三角函数【32】。假设:
xcos ysin=sin() (14)
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