外文文獻(xiàn)翻譯--使用無源RFID系統(tǒng)在倉庫中定位托盤【中文5950字】【PDF+中文WORD】,中文5950字,PDF+中文WORD,外文,文獻(xiàn),翻譯,使用,無源,RFID,系統(tǒng),倉庫,定位,托盤,中文,5950,PDF,WORD 使用無源RFID系統(tǒng)在倉庫中定位托盤 摘要： 倉庫運(yùn)作已成為供應(yīng)鏈中的一項(xiàng)關(guān)鍵活動。托盤的位置信息非常重要，倉庫管理可以提高托盤揀選和分揀的效率。射頻識別（RFID）已被廣泛用于物品識別的倉庫中。同時，RFID技術(shù)在倉庫管理中使用不足的托盤本地化也有很大的潛力。許多企業(yè)都在倉庫管理中使用基于RFID的登記和庫存系統(tǒng)。研究了本地化方法，該方法與現(xiàn)有的RFID登記和庫存系統(tǒng)兼容。提出一種新的RFID定位方法用于托盤檢入。利用附近標(biāo)簽的相位變化來估算添加托盤的位置。還提出了一種新的庫存定位方法，用于對托盤庫存進(jìn)行梳理到達(dá)角（AOA）測量和接收信號強(qiáng)度（RSS）。使用標(biāo)準(zhǔn)的UHF無源RFID系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明一個可接受的定位精度可以滿足要求倉庫管理。 關(guān)鍵詞：倉庫管理；射頻識別（RFID）；本土化；標(biāo)簽階段 1.簡介 在過去的十年中，全球經(jīng)濟(jì)的變化大大重新定義了企業(yè)運(yùn)營的方式。這些變化對供應(yīng)鏈中的倉庫管理產(chǎn)生了重大影響。倉庫不再局限于保持大量庫存。而是在短時間內(nèi)迅速交付少量貨物。倉庫的規(guī)劃和控制變得更加復(fù)雜。 訂單揀選操作會影響倉庫的性能。托盤的位置信息可以減少訂單揀選的時間成本。但是，在向倉庫下達(dá)訂單的時間和到達(dá)目的地所需的時間之間，使用手動操作時，在準(zhǔn)確性和完整性方面存在充足的機(jī)會出現(xiàn)錯誤。因此，庫存執(zhí)行校準(zhǔn)。一般來說，自動庫存操作只能校準(zhǔn)貨物的類型和數(shù)量，而不是位置。甚至更多的是，在隨機(jī)存儲或基于類別的倉庫中，管理人員缺乏自動的方法來知道他們的貨盤在哪里。 RFID技術(shù)有可能消除供應(yīng)鏈中的一些信息缺口。被動式RFID標(biāo)簽因其低成本和小尺寸被廣泛使用?；赗FID的倉庫管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于檢索物品信息并以節(jié)省時間和經(jīng)濟(jì)有效的方式處理倉庫操作。然而，RFID可以用于托盤本地化的事實(shí)在倉庫中沒有得到有效利用。 一些經(jīng)典的無線定位方法已經(jīng)被研究應(yīng)用于RFID系統(tǒng)。通常，RFID定位技術(shù)使用接收信號強(qiáng)度（RSS）來估計(jì)標(biāo)簽到閱讀器的距離。從理論的角度來看，RSS是一種很好的估算距離的方法。但是，RSS值對環(huán)境條件和標(biāo)記的對象屬性很敏感。它也受標(biāo)簽方向的影響?；诘竭_(dá)時間（TOA）的方法也應(yīng)用于RFID系統(tǒng)。但由于Gen 2＆18000-6C協(xié)議定義的低信號速率，因此需要精確的時間測量，這在無源RFID系統(tǒng)中很難實(shí)現(xiàn)?；谙辔坏牡竭_(dá)角（AOA）測量也用于RFID定位測量也用于RFID定位。然而，相位信息對多路徑傳播非常敏感。室內(nèi)UHF RFID頻道通常受到非視距（NLOS）路徑的影響，這會導(dǎo)致較大的相位偏差和AOA測量誤差。 檢入和庫存是倉庫運(yùn)營中的兩個重要流程。這項(xiàng)工作提出了基于階段的定位方法，該方法與現(xiàn)有的RFID登記和庫存系統(tǒng)兼容。使用標(biāo)準(zhǔn)的RFID閱讀器和標(biāo)簽，并且通過標(biāo)簽的基帶信號來測量相位。使用相位變化方法的定位被提出用于托盤檢查。針對托盤庫存，提出了結(jié)合AOA測量和RSS的庫存定位方法。 2當(dāng)前倉庫環(huán)境 20世紀(jì)90年代以來，企業(yè)的生產(chǎn)方式已從以產(chǎn)品為主導(dǎo)的傳統(tǒng)批量生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變?yōu)榇笠?guī)模定制生產(chǎn)模式，以促進(jìn)全球市場競爭的加劇。供應(yīng)鏈活動已重新制定以實(shí)現(xiàn)其競爭優(yōu)勢。HARMON指出，倉庫應(yīng)重新設(shè)計(jì)和自動化，以實(shí)現(xiàn)高吞吐率和高生產(chǎn)率，從而降低訂單處理成本。倉庫不再局限于保持大量庫存。而是在短時間內(nèi)迅速交付少量貨物。 主要的倉庫活動包括接收，轉(zhuǎn)讓，訂單揀選，校準(zhǔn)，分揀和運(yùn)輸。 托盤的位置信息對于其中一些活動很重要。對于訂單揀選，貨盤位置信息可以有效減少行駛距離和人力成本。 而且，訂單發(fā)送的決定需要每個托盤的確切位置。 接收活動包括卸載產(chǎn)品并將其移入倉庫?；赗FID的登記系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于接收產(chǎn)品的倉庫中。閱讀器和天線安裝在倉庫門上或地板上。通過天線傳遞的信息被發(fā)送到主機(jī)數(shù)據(jù)庫。登記系統(tǒng)減少了基于人的錯誤。能夠明顯的節(jié)省時間。聯(lián)合利華，雪佛蘭創(chuàng)意服務(wù)，Kitchens，Inc等已在其倉庫采用RFID檢查系統(tǒng)。但是，基于RFID的登記系統(tǒng)只能獲得產(chǎn)品的代碼。記錄位置信息仍然需要手動操作。目前的工作重點(diǎn)關(guān)注這個問題，并提出了一種新穎的使用相位變化的RFID定位方法。 雖然產(chǎn)品進(jìn)出倉庫時會記錄信息，但有足夠的機(jī)會發(fā)生錯誤。所以，在倉庫里需要校準(zhǔn)。 校準(zhǔn)活動涉及通過庫存校準(zhǔn)產(chǎn)品代碼，數(shù)量等。如何通過庫存自動校準(zhǔn)產(chǎn)品的位置也需要研究。 目前的工作重點(diǎn)關(guān)注這個問題，并提出了一種新穎的庫存定位方法，結(jié)合AOA測量和RSS。 自動倉庫布局如圖1所示。假設(shè)倉庫由許多通道組成。登記口安裝在倉庫的一側(cè)。登記本地化天線安裝在機(jī)架的末端。 庫存定位天線安裝在卡上。 與數(shù)據(jù)庫中的記錄相對應(yīng)的標(biāo)簽附加到產(chǎn)品上。 圖1 倉儲布局圖 3使用相位變化檢入 本節(jié)介紹了一種用于產(chǎn)品檢入本地化的相位變化（LUPV）方法。使用參考標(biāo)簽記錄它們的信號相位。信號相位由標(biāo)簽的基帶信號測量。 3.1反射標(biāo)簽信號的干擾 標(biāo)簽到標(biāo)簽的干擾會導(dǎo)致反射標(biāo)簽信號的變化。當(dāng)兩個標(biāo)簽天線彼此靠近時，相鄰標(biāo)簽的金屬天線會影響IC阻抗，這會導(dǎo)致RSS減小.CHOI等人使用相鄰參考標(biāo)簽的RSS減少來定位目標(biāo)標(biāo)簽。但是，RSS減少僅在標(biāo)簽彼此關(guān)閉時才會發(fā)生，這將需要密集的參考標(biāo)簽。 當(dāng)標(biāo)簽看起來彼此遠(yuǎn)離時，交互效應(yīng)也可能是相當(dāng)大的。在一個簡單的例子中，標(biāo)簽有效地在它們后面的標(biāo)簽上投下陰影。隨著更多標(biāo)簽的添加，陰影橫向延伸并變得更深。這將導(dǎo)致陰影中標(biāo)簽的信號相位顯著下降。RSS也會下降，但不像信號階段那么顯著和規(guī)則。 帶標(biāo)簽項(xiàng)目的屬性也會影響標(biāo)簽在陰影中的信號。 在倉庫中，標(biāo)簽通常會嵌入紙或塑料標(biāo)簽中，并放置在紙箱上。 通常，干紙張對陰影中標(biāo)簽的信號相位幾乎沒有影響。 但是如果目標(biāo)包含水或金屬，陰影中的標(biāo)簽信號將明顯減少。 如圖2所示，進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證標(biāo)簽信號的相位下降。目標(biāo)標(biāo)簽放置在閱讀器天線前1.5m處。首先，將干擾標(biāo)簽貼在空的紙箱上并逐一添加。目標(biāo)標(biāo)簽的階段繪制在圖3中。目標(biāo)標(biāo)簽的階段在盒子的數(shù)量增加時減少。每個附有標(biāo)簽的盒子的平均相位減少量為8.4°。 然后，將一個塑料盒放置在目標(biāo)標(biāo)簽和閱讀器天線之間。每次，盒子都包含不同材料的物品，并記錄相位。結(jié)果繪制在圖4中。使用包含干紙，水和金屬的物品?？梢钥闯鏊徒饘賹?dǎo)致信號相位嚴(yán)重下降。 圖2 實(shí)驗(yàn)測量標(biāo)簽信號的相位下降 圖3空紙箱被添加時，目標(biāo)標(biāo)簽的階段 圖4標(biāo)簽和天線放置不同材料盒子時，目標(biāo)標(biāo)簽的相位 索引表示：（0-無干擾; 1-空塑料盒; 2-塑料盒裝滿干紙; 3-塑料盒裝滿水; 4個包含金屬的塑料盒） 3.2使用相位變化（LUPV）方法進(jìn)行定位 1）初始階段 假設(shè)貨架位于單個閱讀器天線的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，如圖5所示。設(shè)C表示監(jiān)控區(qū)域中參考標(biāo)簽的ID集合; P表示C的每個標(biāo)簽的信號相位。最初，C中的元素是已知的，并且P是空的。初始詢問周期對于C中的所有參考標(biāo)簽獲得pr。系統(tǒng)必須處理不可見的參考標(biāo)簽，當(dāng)干擾目標(biāo)進(jìn)出時可能會看到該參考標(biāo)簽。該系統(tǒng)還在詢問周期中維護(hù)不可見參考標(biāo)簽的信息。 圖5架子設(shè)置例子 2）產(chǎn)品檢入和參考分組階段 假設(shè)每次通過RFID門簽入一件產(chǎn)品并將其轉(zhuǎn)移到貨架上，則執(zhí)行詢問周期。 閱讀器收集詢問周期中所有標(biāo)簽的ID和階段，并將信息恢復(fù)為Pi，其中我表示審訊周期。對于初始詢問，i = 0。對于不可讀的引用標(biāo)簽，系統(tǒng)將其審訊狀態(tài)保持為不可讀。 在參考分組階段，系統(tǒng)為進(jìn)入的產(chǎn)品本地化選擇最有用的參考標(biāo)簽。為了將Pir與Pi-1r進(jìn)行比較并定義受干擾的參考標(biāo)簽，需要閾值Th。閾值表示環(huán)境因素和噪聲的典型相位變化。閾值表示環(huán)境因素和噪聲的典型相位變化。為了確定閾值Th，當(dāng)沒有產(chǎn)品進(jìn)出時繼續(xù)進(jìn)行詢問。 然后，為了參考分組，每個參考標(biāo)簽的相位變化被獲得為 對于參考標(biāo)簽的選擇，系統(tǒng)比較每個參考的，并選擇干擾參考 在上一周期中可見的不可見參考標(biāo)簽也被選為干擾不可見參考。 然而，如果目標(biāo)產(chǎn)品含有金屬或水，則金屬或水的反射會引起參考標(biāo)簽信號的顯著的多路徑傳播。由于反射傳播，位于較遠(yuǎn)距離的參考標(biāo)簽很可能具有超過閾值的相位降低。實(shí)際上，目標(biāo)產(chǎn)品陰影中的受干擾參考標(biāo)簽在空間上接近。應(yīng)從參考組中勾選單獨(dú)的參考標(biāo)記。為了勾選單個參考標(biāo)記，使用圖論。在參考圖中，每個參考標(biāo)簽都連接到單跳距離標(biāo)簽，如圖6所示。 圖6 參數(shù)圖 雖然所有都可以分組為非干擾引用，但實(shí)際上系統(tǒng)并不需要將它們?nèi)坑糜谀繕?biāo)位置計(jì)算。為了選擇最有用的不干擾參考，也可以使用參考圖。如圖6所示，選擇干擾基準(zhǔn)到讀取器天線的最短路徑上的第一個干擾基準(zhǔn)用于目標(biāo)位置計(jì)算。 3）位置估算階段 使用受干擾的參考s，其中且選擇無干擾參考t，目標(biāo)位置可以計(jì)算為 其中F（z）表示z的最小菲涅爾區(qū)。 目標(biāo)位置估計(jì)為{xi，yi}的中心。 3.3實(shí)驗(yàn)和結(jié)果 1）實(shí)驗(yàn)設(shè)置 天線放置在貨架側(cè)面1.5米處。木架的尺寸為1.8m×1.6m。如圖7所示，擱板放置在普通的辦公室。在這種情況下，閱讀器天線可以覆蓋整個擱板區(qū)域。這些標(biāo)簽是Impinj公司出品的H47。將45個參考標(biāo)簽貼在貨架上。每個產(chǎn)品都附有一個標(biāo)簽。RFID閱讀器基于標(biāo)準(zhǔn)閱讀器模塊。Impinj公司的INDY R2000 RFID閱讀器芯片是閱讀器模塊的主要組成部分。RFID閱讀器的頻率固定為915 MHz，射頻功率為30 dbm。如圖8所示，將8個目標(biāo)依次放入架子中。在閱讀器的一個詢問圈中，每個標(biāo)簽可以讀取數(shù)十次或數(shù)百次，并且系統(tǒng)記錄標(biāo)簽相位的平均值。 圖7 貨架和產(chǎn)品 圖8 二維空間中的實(shí)際目標(biāo)位置 2）LUPV實(shí)驗(yàn)結(jié)果 在LUPV中，系統(tǒng)通過比較相位變化與閾值Th來測量相位變化并選擇干擾的參考標(biāo)簽。Th被設(shè)為4.1°。幾個典型選定參考的信號相位繪制在圖9中。例如，當(dāng)T1出現(xiàn)時，C2的相位從103.5°下降到97.0°。因此，C2被選為T1的干擾參考。 當(dāng)T1出現(xiàn)時，C12的相位從166.2°下降到160.5°，然后在出現(xiàn)T2時，相位從160.5°下降到154.7°。因此，選擇C12作為T1和T2的干擾參考。 如圖6所示，使用參考圖選擇未干擾的參考。目標(biāo)位置使用等式（3）。 定位結(jié)果繪制在圖10中，網(wǎng)格為0.1 m×0.1 m。 定位的平均誤差為0.113米，最大誤差為0.174米。 當(dāng)包裝箱內(nèi)裝有水瓶時，干擾參考文獻(xiàn)的相位下降會更加劇烈。例如，當(dāng)T3為空箱時，C10的相位從140.6°降至130.0°，C19的相位從17.0°降至12.7°。選擇C10和C19作為T3的干擾參考。當(dāng)T3含有水瓶時，C10的相由140.6°降至120.8°，C19由17.0°降至5.3°。因此，受干擾的T3參考群仍然是C10和C19，T3的估計(jì)位置沒有變化。有時，由于反射傳播，錯誤的參考標(biāo)簽可能會使相位下降超過閾值。他們中的大多數(shù)都使用參考圖表進(jìn)行勾選。在我們的第二個實(shí)驗(yàn)中，使用了裝有水瓶的盒子。定位結(jié)果的平均誤差為0.147米。 圖9干擾參考標(biāo)簽的相位變化 圖10 LUPV的本地化結(jié)果 表1顯示了LUPV，KNN和LDTI定位方法之間的比較。與KNN相比，LDTI和LUPV均有所改善。盡管使用空盒的LUPV的平均誤差與LDTI相比沒有改善，但LUPV的最大誤差顯著降低。在使用完成的目標(biāo)時，LUPV比LDTI有更好的表現(xiàn)。 表1 LUPV的表現(xiàn) 4結(jié)合AOA測量和RSS的庫存本地化 產(chǎn)品庫存是倉庫管理中的一項(xiàng)重要活動。據(jù)報(bào)道，一些基于RFID的庫存解決方案已應(yīng)用于倉庫管理[5,29]。本部分提出了與現(xiàn)有RFID庫存系統(tǒng)兼容的庫存定位方法。 該方法可以有效提高多路徑定位精度。 4.1 AOA測量和錯誤 AOA可以通過天線對上的相位差來測量[30]： 其中是兩個天線之間測得的相位差;是由閱讀器，天線和連接器的硬件引起的相位差; L是兩個天線之間的距離;λ是載波的波長;是從標(biāo)簽到天線對的角度。然而，AOA測量受到多路徑傳播的影響。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。天線對被放置在8個不同的位置，以測量a上的21個標(biāo)記物品的AOA 如圖11所示。五個天線對位于架子側(cè)面1.5m處，高度從0.33m至1.33m。前面1.5米有三對天線。 貨架和產(chǎn)品如圖12所示。 圖11 為了分析AOA測量誤差選擇了八個不同的天線對位置 圖12 實(shí)驗(yàn)環(huán)境 統(tǒng)計(jì)分析AOA測量誤差與從標(biāo)簽到閱讀器天線的距離，實(shí)際AOA和RSS之間的關(guān)系。天線對分為兩組，而天線對1-5為一組，而6-8為另一組。 結(jié)果繪制在圖13中，其中一些標(biāo)簽可能不被讀取器檢測到并且未被繪制。如圖13（a）和（b）所示，定位誤差和距離之間沒有明確的關(guān)系。對于實(shí)際的AOA和誤差的關(guān)系，在天線對1-5上也沒有明顯的規(guī)律。在天線對6-8中，定位誤差隨實(shí)際AOA增加而增加，但規(guī)律性也不準(zhǔn)確。RSS，RSS和定位誤差之間可以找到準(zhǔn)確的模式，特別是在天線對6-8上。當(dāng)RSS減少時，定位誤差顯著增加。所有點(diǎn)落在圖中標(biāo)記為紅色的直線上。總之，從實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)兩個規(guī)則：架子前面的天線對的誤差分布比側(cè)面的天線對的誤差分布更規(guī)則; RSS和定位誤差之間有很強(qiáng)的關(guān)系。低RSS可能導(dǎo)致高AOA測量錯誤。 圖13 AOA測量誤差與距離（a，b），角度（c，d）和RSS（e，f） 由于多路徑是影響AOA測量的主要因素，因此標(biāo)簽和閱讀器天線之間存在一條視距（LOS）路徑和若干個非視距（NLOS）路徑，如同 如圖14所示。 圖14 UHF RFID多路徑信道模型 相應(yīng)的信道脈沖響應(yīng)包含長度為dLOS的直接LOS路徑和長度為di的M個反射路徑。 其中Gx，y代表設(shè)備y在x方向上的角度相關(guān)天線增益;G是散射體i的偏振相關(guān)反射系數(shù)。這兩個相量如圖15所示。 圖15 相位誤差的幾何解釋 對于天線對6-8，總是存在顯著的LOS路徑，并且LOS信號的幅度高于NLOS信號的幅度。因此，當(dāng)RSS較強(qiáng)時，ALOS具有較高的值，這將導(dǎo)致多路徑對接收信號相位的影響較小。 另一個原因在于相位測量。 在我們的系統(tǒng)中，相位由標(biāo)簽的基帶信號測量。 實(shí)際上，RSS和相位都可以在IQ（同相和正交）平面上測量： 其中z0是接收器的輸入阻抗。 當(dāng)RSS較強(qiáng)時，基帶誤差將導(dǎo)致相位測量誤差較小。 4.2庫存定位方法 現(xiàn)在我們可以使用RSS來估計(jì)本地化結(jié)果的可信度。 庫存定位系統(tǒng)可以通過安裝有天線的移動車實(shí)現(xiàn)，如圖16所示。使用兩個天線對，每對提供一個AOA。 然后可以計(jì)算產(chǎn)品的位置，如圖17所示。 圖16 移動庫存系統(tǒng) 圖17 使用兩個天線對進(jìn)行位置計(jì)算 其中（xa，ya）表示天線對中心的位置。手推車在貨架上移動，閱讀器在幾個固定的庫存點(diǎn)處執(zhí)行庫存。然后，每個標(biāo)簽可以獲得若干個定位結(jié)果。RSS最高的結(jié)果被視為標(biāo)簽的最終位置。 4.3實(shí)驗(yàn)和結(jié)果 實(shí)驗(yàn)環(huán)境與圖12相同。在第一個實(shí)驗(yàn)中，天線對的中心被設(shè)置在架子的中間，定位被執(zhí)行一次。結(jié)果如圖18所示。RSS和定位誤差之間的關(guān)系繪制在圖19中。 圖18 固定定位的結(jié)果 圖19 本地化錯誤與RSS的關(guān)系 第二個實(shí)驗(yàn)如圖20所示。天線穿過貨架，并在三個點(diǎn)執(zhí)行庫存。天線與貨架之間的距離為1.5米。每個標(biāo)簽最多得到3個定位結(jié)果，RSS最高的結(jié)果被視為標(biāo)簽的最終位置。移動庫存系統(tǒng)的結(jié)果繪制在圖21中。平均誤差為0.097 m。與固定定位相比，最大誤差為0.153米，顯著改善。 圖20 移動庫存系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)說明 圖21 移動庫存系統(tǒng)的結(jié)果 表2顯示了固定本地化和移動庫存本地化之間的比較。移動庫存定位系統(tǒng)具有高度的準(zhǔn)確性和魯棒性，其平均誤差為0.097米，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.035米，最大誤差為0.153米。移動庫存定位系統(tǒng)需要移動讀取器天線并執(zhí)行多次詢問。但是，在基于RFID的倉庫管理自動庫存系統(tǒng)中，為訪問所有目標(biāo)標(biāo)簽，移動讀取器天線并執(zhí)行多次詢問也是必要的。 表2 庫存定位系統(tǒng)的性能 5結(jié)論 調(diào)查倉庫管理中的產(chǎn)品本地化。 標(biāo)簽信號階段被利用，并提出了用于檢入和庫存操作的定位方法。對于產(chǎn)品登記，建議使用LUPV方法。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示0.113米的定位誤差。 對于庫存本地化，提出了結(jié)合AOA和RSS的方法。 RSS被證明是估計(jì)AOA測量對多路徑可信度的有效基礎(chǔ)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示0.097米的定位誤差。 此外，所提出的方法與現(xiàn)有的基于RFID的登記和庫存系統(tǒng)兼容。 對現(xiàn)有RFID系統(tǒng)的任何測量模塊都沒有要求，這也使得這種方法很有用。 17