1、摘 要I本科毕业论文（20 届）面向移动机器人定位应用的 RFID 识读器设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要II摘 要射频识别技术是智能化研究的新课题，在全球范围内有广泛的应用。例如我们常见的有饭卡、身份证、银行卡和公交卡等。射频读取与接收电路在高频远距离读取信号中具有重要的作用。本文所设计的 RFID 读卡器拟定服务于变电站智能巡检机器人。RFID 读卡器主要由控制部分、射频部分和天线三部分组成。其中，在射频模块中，由于震荡器产生的信号功率较低，无法满足标签对能量的需求，需要加入功率放大电路及滤波匹配电路使其达到控制要求。而天线模块样式众
2、多，且产品成熟，本文采用北京圆志科信公司的天线产品。鉴于 125KHz 无法满足机器人快速巡检中读取标签的要求，故本文采用 13.56MHz 的 MF RC522 芯片。本文设计的识读器识读距离远、识读速率快，能够满足变电站移动机器人对自身定位方面的要求。关键字：射频识别，RFID 读卡器，智能巡检AbstractIIIAbstractRadio frequency identification technology is a new topic of intelligent research. In the global range, is widely used. In the low f
3、requency, high frequency, ultra high frequency of each frequency band are used, card, identity card, bank card and the public transit card are more common in the us.Radio frequency reading and receiving circuit plays an important role in high frequency remote read signal. In this paper the design of
4、 RFID card reader protocol service in substation patrol robot. RFID card reader mainly consists of a control module, Radio frequency module and an antenna module three parts. Radio frequency module, because the oscillator generates the signal power is low, cannot satisfy the label on energy demand,
5、need to join the power amplification circuit and a filter matching circuit so that it can meet the requirements. Antenna module style numerous, and the products mature, Beijing Yuanzhi Kexin company has a full set of style antenna products. For the frequency of 125KHz can not meet the requirements o
6、f read label when robot rapid inspection, so it uses 13.56MHz MF RC522 chip. The design of the card reader have the advantage of read with distance and read speed id fast. Can satisfy the requirements of the positioning itself to the substation mobile robot. Key words: Radio frequency identification
7、, 13.56MHz, hardware middle circuit目 录IV目 录摘 要 .IAbstract.II目 录 .III第一章 绪 论 .11.1 设计的目的和意义 .11.2 国内外发展现状 .21.2.1 RFID 技术发展现状 .21.2.2 RFID 技术的移动定位应用 .21.3 内容安排 .3第二章 系统总体方案设计 .52.1 RFID 识读系统 .52.2 频段选择 .62.3 识读器整体设计方案 .7第三章 硬件中间电路设计 .93.1 射频发射电路设计 .93.1.1 射频功率放大模块的设计 .93.1.2 滤波匹配电路模块设计 .133.2 射频接收电路模
8、块的设计 .173.2.1 检波电路设计 .183.2.2 副载波调制信号放大电路设计 .213.2.3 信号调制电路设计 .23第四章 软件编程与调试 .254.1 识读器试验程序 .264.2 不同天线模块调试试验 .27结 论 .29参考文献 .31致 谢 .32附 录 .33第一章 绪 论- 1 -第一章 绪 论在机器人定位系统研究中，用于定位及建图的传感器仍然存在非视距问题。1.1 设计的目的和意义RFID 技术为非接触式识别技术，以无线通信为基础，被看作 21 世纪中最受欢迎的高新技术之一。并且在近几年中逐渐成为一个应用领域的新热点，在新一轮的科技浪潮推动下，射频识别技术的发展更进
9、一步，其应用涉及到身份识别、医疗领域、零售业等领域。RFID 技术在智能机器人运动控制应用的机器人定位系统上的应用也是一个新兴热点 1。智能移动机器人能在复杂的作业环境中能够做到自主组织，自主规划，且具有自适应能力的机器人。导航定位系统的研究是智能机器人研究中的极其核心部分，同时也是智能移动机器人实现智能化和自主移动的重点。机器人通过自身携带能获取信息的装置，如 RFID 射频识读器，获得自身所在环境的信息，实现定位。在无人干预的条件下，机器人可根据自身状态，自主规划，确定下一步的动作，完成给定任务 2。我们可以将智能机器人的定位看作由两个阶段组成：建图阶段和定位阶段。在建图阶段，机器人不断收
10、集存储样本形成样本库；在定位阶段，机器人通过计算标签期望被读取的概率与当前的标签向量的匹配度，得到机器人的位姿。因为 RFID 标签可以存储信息，可先把位姿信息存放在标签中，把 RFID 读卡器放在机器人底部，来实现机器人的高精度定位 3。本文设计的 RFID 识读器拟定服务于鲁能智能技术有限公司的变电站智能巡检机器人。该公司已成功将 RFID 技术运用于变电站机器人定位系统中，并投入生产运行。但因 RFID 识读器读取距离较短，在机器人高速运行下会出现漏检的情况，限制了机器人的移动速度。为解决该问题，本文意设计出读取距离更远、读取时间更短的 RFID 识读器 4。第一章 绪 论- 2 -1.
11、2 国内外发展现状1.2.1 RFID 技术发展现状在国外，RFID 技术的发展相当迅速，相关的产品也非常多。同时，国际标准化组织也为其制订了相应的标准。许多国际大型公司也逐步生产了符合标准的产品。国际上，北美的美国，西欧的英、德等国家以及亚洲的日本，在 RFID技术研究方面均已十分成熟。我国对该技术的研究比较晚，无法达到发达国家的水平，不过我国政府对该技术的发展相当重视。我国十分重视这项技术的发展，先后制定了很多相关的课题，一些重大课题在近几年得到实施，这对于我国的 RFID 技术发展有很大帮助。我国自行制订了技术规范，对今后的发展具有决定性的意义。并且我国不少企业在 RFID 系统集成技术
12、的研究方面已有相当高的成就，在设计方面已能自主设计 5。1.2.2 RFID 技术的移动定位应用 当机器人处于运动状态时，对自身的定位是一个重要的问题，机器人定位是机器人根据数据库中给定的环境地图信息，结合机器人自身的位姿情况及所携带的传感器所传出的各种观测信息，经过一定的处理，得到更为准确的定位估计。对使用传感器来感知信息来实现定位，是移动机器人实现智能控制的一项重要的前提 6。机器人定位时一般使用自身装载的传感器定位。大致分为两类：绝对定位技术和相对定位技术。1定位技术主要有导航信标、主动或被动标识、地图匹配或卫星导航技术等，这几种方法中，导航信标或着标识牌识别技术在建设时以及后期维护所消
13、耗的成本较高，地图匹配处理速度慢，GPS 应用范围较窄，只能在室外使用，且变电站强磁环境下很难接收信号。2相对定位技术即是机器人通过测量自身末位置与初始位置之间的相对距离以及相对方向，经过处理计算，确定机器人的位置。相对定位优点是机器人不需要感知外界所在环境的信息，便可以自我推算出当前的位置，不过缺点也第一章 绪 论- 3 -比较明显，随着时间的积累，定位系统的漂移误差会越来越大，所以不能够做到精确的定位。绝对定位可以通过传感器感知所在环境信息，然后经过相对应的算法处理，计算出机器人当前的坐标，在固定区域内，相对精度要高 7。现在，RFID 技术在现实社会中有了很好的发展，特别是在民用领域，汽
14、车生产线、现代化楼宇、现代化导航机器人等，产品的到不断改善。以变电站巡检机器人为例，图 1-1 为机器人巡检示意图。图 1-1 巡检机器人示意图变电站内铺设有磁导航线，标签埋在预定的线路上，机器人按既定路线行走，当路过标签时，读取标签内的信息，并反馈给后台系统，如此便可确定机器人所在位置。1.3 内容安排本课题的主要工作是以移动机器人定位的特殊需求为导向，在了解国内外RFID 技术研究进展和发展方法的基础上，研究 RFID 系统用的常用标准和基本原理，设计一种定位精度高、识别距离远、读取速度快、能够满足移动机器人定位要求的 RFID 识读器。本论文章节安排如下：第 1 章主要是介绍了本次设计的
15、目的意义，以及现在国内外在 RFID 技术在移动机器人应用上的发展状况。第 2 章简要介绍了本次设计的 RFID 识读器所要面对的应用对象“变电站设备巡检机器人” ，并着重对频段给出分析，确定设计方案。第一章 绪 论- 4 -第 3 章主要对远距离射频读卡器的硬件中间件电路进行原理阐述并设计，确定适当的功率放大电路和射频接收电路模块。第 4 章主要设计软件程序及调试试验。程序主要包括：系统设置、读卡操作、上位机通信等，并对识读器识读距离不同的影响因素进行实验。最后，总结本次设计，得出结论。并对 RFID 技术在移动机器人相关产品上的应用做出了展望，及本文的创新点以及突破点。第二章 系统总体方案
16、设计- 5 -第二章 系统总体方案设计利用射频信号通过空间磁场耦合实现零接触接收和传递信息来达到对目标的识别以及相关数据的获取。识读过程快捷简单，无需人员参与。2.1 RFID 识读系统射频识读系统主要有三部分构成，分别为识读器、数据管理系统和电子标签。射频系统的结构图如图 2-1 所示。数据管理系统控制模块天线射频模块标签图 2-1 射频识别系统结构图1电子标签电子标签是我们所要识别数据的载体，在 RFID 识读系统中是相当重要的部分。通常为卡片状，在我们身边随处可见的有银行卡、身份证。电子标签的分类较繁杂，按照电源有无的分类，可分为有源电子标签和无源电子标签，之间的区别如表 2-1 所示。
17、本设计中采用无源电子标签。无源电子标签由芯片和天线组成，其与识读器进行双向通信主要依据电感耦合原理。2识读器识读器是 RFID 系统的重要部分。识读器通过自身携带的天线（也有外接天线）发射调制信号给电子标签。同时，电子标签反馈回来的信号也会通过天线接收，并上传到后台的数据管理系统。识读器一般由电源模块、信号处理模块、发射模块和接收模块四部分组成。3数据管理系统RFID 系统的控制系统是数据管理系统。包括所要识别物品即电子标签的数据信息。所有需要识别的数据信息都将汇总在信息数据中心。第二章 系统总体方案设计- 6 -表 2-1 有源标签性能和无源标签性能有源标签 无源标签能量 自身蓄电池 电磁感
18、应充电工作距离 可达 100m 35m,通常 2040cm存储容量 可达 16K 字节以上 通常小于 128 字节信号强度要求 低 高平均价格 高 低工作寿命 24 年 长2.2 频段选择按照工作频率可以将 RFID 识别系统分为低频、中频、高频三个频段，按照频率的不同，各个国家也都制定了相应的管理标准，从而使其工作领域大不相同。在表 2-2 中，将各个频段应用的领域和产品的特点列了出来 8。读卡器与电子标签之间可以实现非接触式双向数据交换，通过天线实现射频信号的空间耦合，根据耦合方式的不同，可以分为电感式耦合和电磁耦合两种类型，如图 2-2 与 2-3 所示。图 2-2 电感耦合示意图 图 2-3 电磁耦合示意图电子标签与识读器之间射频信号通信的实现类似于变压器模型，属电感耦合。电感耦合依据电磁感应定律，识读器与电子标签各自的天线当有电流经过时会产生磁场，两者耦合，实现电子标签与识读器之间的通讯。以这种耦合的方式工作的射频识别系统，一般工作在低频或者高频。典型工作频率为：125KHz 和 13.56MHz。系统识别距离不会太远，一般不大于 1m，常见的识别距离是 1020cm9,10。
