物聯(lián)傳媒 旗下網(wǎng)站
登錄 注冊(cè)

基于RFID室內(nèi)定位的語(yǔ)音揀選系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者:馬慶修,任正云
來(lái)源:2015年微型機(jī)與應(yīng)用
日期:2016-08-31 14:20:27
摘要:針對(duì)傳統(tǒng)的表單揀貨方式越來(lái)越不能滿足大型物流中心的需求,設(shè)計(jì)了基于語(yǔ)音的揀選系統(tǒng),解決傳統(tǒng)揀選方式存在的不足,提高貨物揀選效率。為實(shí)現(xiàn)揀選操作員的合理調(diào)度,系統(tǒng)引入RFID室內(nèi)定位技術(shù),針對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)揀選實(shí)際應(yīng)用,以LANDMARC算法為基礎(chǔ)進(jìn)行算法改進(jìn),改進(jìn)后系統(tǒng)的定位準(zhǔn)確度提高了2%~60%,同時(shí)增強(qiáng)了實(shí)用性。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)表明,基于室內(nèi)定位的語(yǔ)音揀選系統(tǒng)能夠有效實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能,具有較好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

  0 引言

  揀選(Order Picking)作業(yè)是指按訂單或出庫(kù)單的要求,從存儲(chǔ)場(chǎng)所選出物品并放置在指定地點(diǎn)的作業(yè),揀選作業(yè)是物流中心作業(yè)中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。傳統(tǒng)的揀選方式有揀選單揀選、標(biāo)簽揀選、射頻RF揀選等。隨著物流業(yè)的飛速發(fā)展,傳統(tǒng)的揀選方式不僅束縛了揀選工作效率,而且存在成本高、差錯(cuò)率大等不足。因而,本文設(shè)計(jì)了基于語(yǔ)音識(shí)別的揀選系統(tǒng),與傳統(tǒng)揀選技術(shù)相比,語(yǔ)音分揀技術(shù)具有極大提高訂單準(zhǔn)確度、提高工作效率、培訓(xùn)要求低和投資回報(bào)率高等優(yōu)勢(shì)[1]。在國(guó)外,語(yǔ)音揀選系統(tǒng)已有成功案例,但在我國(guó),由于本土化問(wèn)題,如中文識(shí)別播報(bào),語(yǔ)音揀選技術(shù)在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有很好的應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)使用中文語(yǔ)音識(shí)別模塊,能夠很好地應(yīng)用于語(yǔ)音倉(cāng)儲(chǔ)揀選。

  在揀選作業(yè)過(guò)程中,將近50%的時(shí)間花費(fèi)在揀選的路上。為提高揀選的效率,本文引入室內(nèi)定位技術(shù),選擇離待揀選貨物最近的操作員揀取該貨物,通過(guò)合理調(diào)度大大提高揀選效率。該揀選系統(tǒng)以語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)為基礎(chǔ),以室內(nèi)定位技術(shù)為支撐,搭建一個(gè)快速、精準(zhǔn)、高效的語(yǔ)音揀選系統(tǒng),真正實(shí)現(xiàn)“解放雙手,解放雙眼”。

  1 相關(guān)技術(shù)

  從應(yīng)用方向分析,語(yǔ)音識(shí)別主要分為關(guān)鍵詞語(yǔ)識(shí)別和聽(tīng)寫(xiě)系統(tǒng)兩個(gè)方面。關(guān)鍵詞語(yǔ)識(shí)別技術(shù)的目標(biāo)是精確地識(shí)別說(shuō)話人的語(yǔ)音命令,識(shí)別率要達(dá)到90%以上,用在語(yǔ)音控制和語(yǔ)音命令查詢方面,例如在手機(jī)上實(shí)現(xiàn)的語(yǔ)音撥號(hào)功能。聽(tīng)寫(xiě)系統(tǒng)是前端的聲學(xué)模型不要求精確識(shí)別,而是輸出盡可能多的音標(biāo)候選,由后續(xù)的語(yǔ)義分析器給出擬合的文字內(nèi)容,例如IBM推出的ViaVoice軟件和Google的語(yǔ)音搜索。但就目前的技術(shù)現(xiàn)狀,還未出現(xiàn)一個(gè)更加完善的理論模型來(lái)指導(dǎo)聽(tīng)寫(xiě)系統(tǒng)的發(fā)展,目前的聽(tīng)寫(xiě)系統(tǒng)還只能是實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品,無(wú)法達(dá)到真正理解人的自然語(yǔ)音的水平。所以,在目前能夠提供商業(yè)實(shí)用產(chǎn)品的技術(shù),依然是關(guān)鍵詞語(yǔ)識(shí)別技術(shù)。本系統(tǒng)采用ICRoute公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的LD3321芯片作為語(yǔ)音識(shí)別的主控芯片,此芯片是基于關(guān)鍵詞語(yǔ)識(shí)別的。

  目前室內(nèi)定位采用的主要技術(shù)有GPS技術(shù)、超聲波技術(shù)、紅外線(IR)技術(shù)、WiFi技術(shù)、超寬帶(UWB)技術(shù)、射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)等,但大多技術(shù)因受多徑效應(yīng)、非視距傳播影響以及精度限制等不能得到很好的推廣。射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)利用射頻方式進(jìn)行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)以達(dá)到識(shí)別和定位的目的。這種技術(shù)作用距離短,但它可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級(jí)定位精度的信息,且傳輸范圍很大,成本較低。同時(shí)由于其多目標(biāo)識(shí)別、非接觸和非視距等優(yōu)點(diǎn),可望成為優(yōu)選的室內(nèi)定位技術(shù)。本系統(tǒng)采用射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)人員的室內(nèi)定位。

  2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于RFID室內(nèi)定位的語(yǔ)音揀選系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  基于室內(nèi)定位的倉(cāng)儲(chǔ)語(yǔ)音揀選系統(tǒng)的系統(tǒng)總體框圖如圖1所示,語(yǔ)音揀選系統(tǒng)主要包括語(yǔ)音識(shí)別部分和RFID定位部分。

  該語(yǔ)音揀選系統(tǒng)語(yǔ)音識(shí)別模塊采用ICRoute公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的V280語(yǔ)音識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)模塊,該模塊能夠獨(dú)立完成語(yǔ)音識(shí)別,并根據(jù)用戶設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作;模塊基于本地的語(yǔ)音識(shí)別,識(shí)別命令相對(duì)于“云端”語(yǔ)音識(shí)別,其具有沒(méi)有延遲、不受網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性影響等優(yōu)點(diǎn);模塊以LD3321芯片作為語(yǔ)音識(shí)別的主控芯片,此芯片是基于關(guān)鍵詞語(yǔ)的識(shí)別,采用成熟的非特定人語(yǔ)音識(shí)別芯片技術(shù),能夠有效地實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別,并且能夠支持語(yǔ)音播放功能;同時(shí),模塊具有豐富的外設(shè)接口,方便進(jìn)行控制。為實(shí)現(xiàn)操作人員的有效調(diào)度,提高揀選效率,系統(tǒng)采用先進(jìn)的室內(nèi)定位算法,并依據(jù)系統(tǒng)的特殊性進(jìn)行算法改進(jìn),下面詳細(xì)介紹定位算法的實(shí)現(xiàn)。

  3 RFID定位算法分析

  目前,比較成熟的RFID室內(nèi)定位方案有SpotON、3D-iD pinpoint和基于動(dòng)態(tài)有源RFID校準(zhǔn)定位(Location Identification based on Dynamic active RFID Calibration,LANDMARC)[2]。其中技術(shù)最成熟,應(yīng)用最廣泛的是LANDMARC算法。LANDMARC算法引入?yún)⒖紭?biāo)簽概念,應(yīng)用“最近鄰”思想,求待測(cè)點(diǎn)位置。即以確定坐標(biāo)的RFID標(biāo)簽為參考,與參考標(biāo)簽越近的待測(cè)標(biāo)簽,其在同一個(gè)RFID讀卡器中讀得的信號(hào)強(qiáng)度應(yīng)該越相近。然后通過(guò)相應(yīng)的公式計(jì)算獲得待測(cè)標(biāo)簽的坐標(biāo)位置[3-5]。

  LANDMARC算法引入?yún)⒖紭?biāo)簽降低環(huán)境因素影響,獲得較高的定位精度。但其也存在一些不足,LANDMARC算法將所有參考標(biāo)簽都設(shè)為其鄰近標(biāo)簽,并計(jì)算其與待測(cè)標(biāo)簽的歐氏距離,這勢(shì)必增加系統(tǒng)的計(jì)算量,還可能會(huì)影響到定位精度。而且為提高LANDMARC算法定位精度,就需要增加參考標(biāo)簽排放密度,然而密度增加會(huì)加劇信號(hào)之間的干擾,從而又導(dǎo)致定位精度降低。

  4 LANDMARC系統(tǒng)算法的應(yīng)用改進(jìn)

  分析揀選系統(tǒng)的特性,語(yǔ)音揀選系統(tǒng)定位要求是找到離設(shè)定位置(待揀選貨物)最近的待測(cè)標(biāo)簽(操作員),而不是關(guān)心所有待測(cè)標(biāo)簽(操作員)的具體位置,因而不需要計(jì)算所有待測(cè)標(biāo)簽的具體位置,可以先找到靠近設(shè)定位置(待揀選貨物)的一些待測(cè)標(biāo)簽(操作員)形成一個(gè)集合,再在這個(gè)集合中找到離設(shè)定位置(待揀選貨物)最近的待測(cè)標(biāo)簽(操作員),對(duì)其下達(dá)揀選命令。因而對(duì)LANDMARC系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

  對(duì)LANDMARC系統(tǒng)“k鄰域”算法中k的取值進(jìn)行研究,實(shí)驗(yàn)得到,在參考標(biāo)簽的密度適中時(shí),當(dāng)k值為4時(shí)定位精度最理想[6-10]。因而,在改進(jìn)算法中,以待揀選貨物所在網(wǎng)格的4個(gè)參考標(biāo)簽為鄰居標(biāo)簽,選取K個(gè)歐幾里德距離最小的待測(cè)標(biāo)簽(操作員),然后利用公式求得距離貨物最近的操作員。語(yǔ)音揀選系統(tǒng)室內(nèi)定位布置示意圖如圖2所示。

基于RFID室內(nèi)定位的語(yǔ)音揀選系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  算法改進(jìn)過(guò)程如下(n個(gè)閱讀器,m個(gè)參考標(biāo)簽和u個(gè)待定位標(biāo)簽):

  (1)分別獲得u個(gè)帶定位標(biāo)簽關(guān)于n個(gè)閱讀器的信號(hào)強(qiáng)度矩陣:

  S=S11 … S1u… … …Sn1 … Snu(1)

  再獲得包圍待揀選貨物的矩形定點(diǎn)上的4個(gè)參考標(biāo)簽(分別編號(hào)為a、b、c、d)關(guān)于n個(gè)閱讀器的信號(hào)強(qiáng)度矩陣:

基于RFID室內(nèi)定位的語(yǔ)音揀選系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  (2)如圖3所示,當(dāng)需要揀選的貨物位置在⑥、⑦、⑩、{11}參考標(biāo)簽圍成的方框區(qū)域內(nèi)時(shí),分別使用6、7、10、11號(hào)參考標(biāo)簽為鄰居標(biāo)簽,利用式(3)得到所有以6、7、10、11號(hào)參考標(biāo)簽為鄰居標(biāo)簽與待測(cè)標(biāo)簽的值,即為其歐式距離。根據(jù)參考標(biāo)簽離需揀選貨物的距離關(guān)系,由式(4)選取Mj值最小的前K(1≤K≤u)個(gè)待測(cè)標(biāo)簽,表示這K個(gè)標(biāo)簽離需選取的貨物位置相對(duì)較近。其中,kj由式(5)獲得,其中di對(duì)應(yīng)圖2中的距離。

基于RFID室內(nèi)定位的語(yǔ)音揀選系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  (3)通過(guò)式(6)求得選取的該K個(gè)待測(cè)標(biāo)簽的坐標(biāo)(x,y):

基于RFID室內(nèi)定位的語(yǔ)音揀選系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  (4)得到這4個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)后,利用式(7)求出e最小的點(diǎn),即離(x0,y0)最近的待測(cè)標(biāo)簽,其中,(x0,y0)為需選取貨物的坐標(biāo),選擇該最近的待測(cè)標(biāo)簽(操作員)為接收揀選命令的操作員。

基于RFID室內(nèi)定位的語(yǔ)音揀選系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

  按照?qǐng)D2實(shí)驗(yàn)布局,每一排中相鄰兩參考標(biāo)簽之間距離為2 m,每?jī)膳胖g距離為1.5 m。約定當(dāng)系統(tǒng)選擇離待揀選貨物最近最方便的操作員完成揀選任務(wù)即為此次定位正確。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)得到,當(dāng)K<5時(shí),隨著K的增大選取最近待測(cè)標(biāo)簽的準(zhǔn)確率提高;當(dāng)K≥5時(shí),隨著K值的增加選取最近待測(cè)標(biāo)簽的準(zhǔn)確率只存在微弱波動(dòng),而K值的增加帶來(lái)額外的計(jì)算。因而,K=5時(shí)系統(tǒng)性能最佳。

  取K=5,實(shí)驗(yàn)得到算法改進(jìn)前后選取最近操作員正確率對(duì)比圖如圖3所示。其中,橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)圖2中待揀選貨物的序號(hào),縱坐標(biāo)為選取操作員的正確率。

基于RFID室內(nèi)定位的語(yǔ)音揀選系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  從圖3可以看出,改進(jìn)算法較原來(lái)的LANDMARC算法準(zhǔn)確率有所提高。而且,實(shí)驗(yàn)中定位錯(cuò)誤時(shí)選擇的操作員的位置與在實(shí)際離待揀選貨物最近的操作員位置相鄰近。因而,系統(tǒng)定位準(zhǔn)確率能達(dá)到揀選定位要求。

  分析結(jié)果數(shù)據(jù)可知,對(duì)于2、4號(hào)待揀選貨物定位選擇操作員準(zhǔn)確率明顯提升。以4號(hào)待揀選貨物為例,從系統(tǒng)布局示意圖可以看出,與4號(hào)待揀選貨物距離相對(duì)較近的有a、b、c位操作員,由無(wú)線電波在室內(nèi)傳播模型分析,相對(duì)于帶定位標(biāo)簽a、b,帶定位標(biāo)簽c由于與貨物4周圍的14、15、18、19號(hào)參考標(biāo)簽在同一條走廊上,因而路徑損耗相近,系統(tǒng)定位時(shí)更容易選擇c為最近操作員。由此可得,當(dāng)操作員與待揀選幾何距離相近時(shí),改進(jìn)算法能夠選擇相同走廊上的操作員完成揀選工作,而避免選擇與待揀選貨物不在相同走廊上的操作員而走遠(yuǎn)距離完成揀選任務(wù)的情況,從而提高揀選效率。

  6 結(jié)論

  本文設(shè)計(jì)了基于室內(nèi)定位的倉(cāng)儲(chǔ)語(yǔ)音揀選系統(tǒng),系統(tǒng)使用ICRoute公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的V280語(yǔ)音識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)模塊,完成語(yǔ)音命令的下達(dá)與識(shí)別。為提高揀選操作員調(diào)度效率,系統(tǒng)以LANDMARC室內(nèi)定位算法為基礎(chǔ),以語(yǔ)音揀選倉(cāng)庫(kù)為實(shí)際應(yīng)用目標(biāo),對(duì)室內(nèi)定位算法進(jìn)行應(yīng)用改進(jìn),與原始LANDMARC算法相比較改進(jìn)后的算法定位精度提高2%~60%,實(shí)用性更強(qiáng)。該系統(tǒng)具有較好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

  參考文獻(xiàn)

  [1] 浦震寰.語(yǔ)音揀選技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用分析[J].物流技術(shù)與應(yīng)用,2013,18(8):120-121.

  [2] 潘爵雨.基于RFID的室內(nèi)定位技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2012.

  [3] 游戰(zhàn)清,李蘇劍.無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)理論與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

  [4] Zhao Yiyang, Liu Yunhao, NI L M. VIRE: active RFID-based localization using virtual reference elimination[C]. International Conference on Parallel Processing, ICPP 2007, 2007:56.

  [5] NI L M, Liu Yunhao, LAU Y C, et al. LANDMARC: indoor location sensing using active RFID[C]. Proccedings of the First IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications, PerCom 2003, 2003: 407-415.

  [6] 閆保中,姜琛,尹偉偉.基于RFID技術(shù)的室內(nèi)定位算法研究[J].計(jì)算機(jī)仿真,2010,27(2):320-324.

  [7] PAPAPOSTOLOU A, CHAOUCHI H. RFID-assisted indoor localization and the impact of interference on its performance[J]. Journal of Network and Computer Applications, 2011,34(3):902-913.

  [8] 李魏峰.基于RFID的室內(nèi)定位技術(shù)的研究[D].上海:上海交通大學(xué),2012.

  [9] 周惇.基于射頻識(shí)別的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2013.

  [10] 何毅,黃俊,鄒傳云.基于RFID的虛擬標(biāo)簽算法研究與改進(jìn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2014,40(10):99-102.