基于超高頻RFID雙天線雙標(biāo)簽對(duì)照的果園單軌運(yùn)輸機(jī)定位

呂石磊，梁尹聰，李 震,4，王建華，王衛(wèi)星

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基于超高頻RFID雙天線雙標(biāo)簽對(duì)照的果園單軌運(yùn)輸機(jī)定位

呂石磊1,2，梁尹聰3，李 震1,2,4※，王建華1，王衛(wèi)星1,2

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院，廣州 510642；2. 廣東省農(nóng)情信息監(jiān)測(cè)工程技術(shù)研究中心，廣州 510642；3. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642；4. 國家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機(jī)械化研究室，廣州 510642）

針對(duì)果園單軌運(yùn)輸機(jī)在軌位置精準(zhǔn)感知的應(yīng)用需求，該文基于超高頻射頻識(shí)別技術(shù)（radio frequency identification, RFID）接收信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行了運(yùn)輸機(jī)定位試驗(yàn)研究。該研究通過分析RFID通信特征，設(shè)計(jì)了RFID雙天線雙標(biāo)簽對(duì)照的運(yùn)輸機(jī)定位方法，構(gòu)建了能量傳輸定位模型和路徑損耗定位模型；通過閱讀器單天線試驗(yàn)，得到當(dāng)前RFID設(shè)備的安裝參數(shù)，確定了閱讀器天線與軌道標(biāo)簽之間的最優(yōu)垂直距離為20 cm，雙標(biāo)簽之間的最優(yōu)水平在軌距離為45 cm；通過雙天線試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，得到適用于試驗(yàn)環(huán)境的最優(yōu)定位模型系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該研究提出的定位模型能夠有效降低噪聲干擾，減少定位誤差。RFID設(shè)備在最優(yōu)定位參數(shù)條件下，使用路徑損耗定位模型得到的最小定位誤差均值為1.007 0 cm。該研究驗(yàn)證了基于超高頻RFID對(duì)果園單軌運(yùn)輸機(jī)定位的可行性，提升了運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行安全性和可靠性。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；運(yùn)輸；果園；單軌運(yùn)輸機(jī)；RFID；RSSI；定位

0 引 言

中國嶺南地區(qū)盛產(chǎn)荔枝、柑橘等嶺南佳果，受區(qū)域地形地貌影響，果園多分布在丘陵山地中。山地果園立地條件較差，地勢(shì)起伏不平，植保作業(yè)、農(nóng)資和果品運(yùn)輸主要依靠人工或小型農(nóng)用車等運(yùn)送方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大、人工費(fèi)用高，作業(yè)環(huán)境存在安全隱患[1-2]。普通的輪式或者履帶式拖拉機(jī)不適宜在大坡度山地果園中作業(yè)，難以形成完善的交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)[3]。單軌運(yùn)輸機(jī)具有爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、可靠性高等特點(diǎn)，適用于山地果園的運(yùn)輸作業(yè)[4]。日本、韓國等正在逐步普及單軌運(yùn)輸機(jī)作為山地果園的主要運(yùn)輸工具[5-7]。近年來，中國加大對(duì)農(nóng)業(yè)設(shè)施的支持力度，已成功研制出包括柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)式[8]、電牽引式[9]和電驅(qū)動(dòng)式[1]等不同類型的單軌運(yùn)輸機(jī)。

當(dāng)前，單軌運(yùn)輸機(jī)的機(jī)械理論與應(yīng)用方面已日趨成熟。在山地果園中，軌道沿山勢(shì)搭建，運(yùn)輸機(jī)穿梭作業(yè)時(shí)極易受到果樹遮擋，導(dǎo)致操作人員無法全程實(shí)時(shí)遙控運(yùn)輸機(jī)。單軌運(yùn)輸機(jī)應(yīng)具有自主到達(dá)指定方位的功能，這是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的必要前提，而精確感知自身在軌位置是實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸機(jī)自主運(yùn)行的關(guān)鍵。目前，農(nóng)機(jī)位置測(cè)量技術(shù)主要采用相對(duì)位置測(cè)量和絕對(duì)位置測(cè)量2種方法[10]。其中，機(jī)器視覺是相對(duì)位置測(cè)量方法的典型代表，利用圖像處理技術(shù)確定導(dǎo)航基準(zhǔn)線，進(jìn)而測(cè)量農(nóng)機(jī)與作物的相對(duì)位置，具有測(cè)量速度快，定位精度高等特點(diǎn)[11-14]。但該類定位技術(shù)應(yīng)用成本較高，測(cè)量結(jié)果受光照和枝葉遮擋等影響，不適用于密集種植的果園。絕對(duì)位置測(cè)量方法主要基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，包括美國全球定位系統(tǒng)和中國北斗系統(tǒng)等[15-17]。該類定位系統(tǒng)適用于大區(qū)域平整農(nóng)田中的農(nóng)機(jī)定位，山地果園中果樹樹冠及地勢(shì)變化均對(duì)其信號(hào)傳播造成嚴(yán)重影響，從而定位精度受限。

射頻識(shí)別技術(shù)（radio frequency identification, RFID）因安全性高，抗污損能力、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)及非視距通信等特點(diǎn)，在食品質(zhì)量安全溯源、信息采集和信息管理等農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到了快速應(yīng)用與推廣，被列為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一[18-20]。其中，基于接收信號(hào)強(qiáng)度（received signal strength indicator, RSSI）的超高頻（ultra high frequency, UHF）RFID定位技術(shù)受到眾多學(xué)者關(guān)注，已提出包括SpotON、LANDMARC、VIRE等多種定位算法[21-23]。在此基礎(chǔ)上，Huang等提出了基于RSSI的三角定位方法[24]；Zhao等基于聚類策略提出了相似RSSI定位方法[25]?，F(xiàn)階段，超高頻RFID定位技術(shù)已被應(yīng)用在車間巡檢[26]、倉儲(chǔ)管理[27]、人員監(jiān)護(hù)[28]等眾多領(lǐng)域。但是，現(xiàn)有RFID定位技術(shù)多應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境，作者團(tuán)隊(duì)在前期工作中探索利用高頻（13.56 MHz）RFID設(shè)備對(duì)果園運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行定點(diǎn)定位研究[29]，而超高頻 RFID定位在果園環(huán)境中的應(yīng)用情況有待于進(jìn)一步試驗(yàn)。

本研究針對(duì)電驅(qū)動(dòng)式單軌運(yùn)輸機(jī)的定位需求，研究基于超高頻RFID的運(yùn)輸機(jī)在軌位置感知方法；通過分析RFID閱讀器與天線之間的通信特征，構(gòu)建基于RSSI的定位模型；通過設(shè)計(jì)定位試驗(yàn)及對(duì)RSSI數(shù)據(jù)處理分析，得到超高頻RFID最優(yōu)定位參數(shù)。本研究提出的定位方法能夠?yàn)樘岣哌\(yùn)輸機(jī)運(yùn)行安全性，多運(yùn)輸機(jī)機(jī)協(xié)同作業(yè)和規(guī)劃調(diào)度等應(yīng)用提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)支持。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及RFID定位模型

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本研究的試驗(yàn)設(shè)備由深圳市遠(yuǎn)望谷信息技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)，包括XC-RF807型超高頻 RFID固定式閱讀器及分離式單向天線，XCTF-8405型超高頻 RFID無源抗金屬標(biāo)簽。閱讀器工作頻率為902~928 MHz，發(fā)射功率可調(diào)范圍為15～36 dbm，可讀取到標(biāo)簽返回的RSSI數(shù)據(jù)?；诔哳l RFID的單軌運(yùn)輸機(jī)定位系統(tǒng)主要由安裝于運(yùn)輸機(jī)內(nèi)部的RFID閱讀器、運(yùn)輸機(jī)前后兩端的RFID天線和放置于軌道側(cè)邊的RFID標(biāo)簽組成，如圖1所示。

1.運(yùn) 輸機(jī)機(jī)箱 2.超高頻 RFID閱讀器 3.天線b 4.標(biāo)簽b 5.單軌軌道 6.天線a 7.標(biāo)簽a

理想狀態(tài)下，通過閱讀器讀取的RSSI數(shù)據(jù)可表征RFID天線接收無源標(biāo)簽反射的信號(hào)功率大小，從而能夠映射天線與對(duì)應(yīng)標(biāo)簽之間的相對(duì)距離[30-31]。但是，由于RFID信號(hào)在傳播過程中受多徑效應(yīng)、陰影效應(yīng)等影響[32-33]，并且果園作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變，枝葉遮擋、農(nóng)機(jī)農(nóng)具等會(huì)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)造成不同程度影響。因此，在果園環(huán)境采集的RSSI數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，存在較嚴(yán)重的背景噪聲干擾，只能對(duì)運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行軌道區(qū)域感知，無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。本研究針對(duì)果園作業(yè)環(huán)境，設(shè)計(jì)了RFID雙天線雙標(biāo)簽對(duì)照的定位方法，旨在通過對(duì)照2對(duì)天線-標(biāo)簽的RSSI數(shù)據(jù)來降低實(shí)時(shí)的噪聲干擾影響，從而降低運(yùn)輸機(jī)定位誤差，提高定位精度。

本研究的試驗(yàn)場(chǎng)地位于華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院國家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系的柑橘試驗(yàn)園，為方便采集和分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)定位系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，如圖2a所示，圖2b為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖。本研究將通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，分析基于雙天線雙標(biāo)簽的超高頻 RFID最優(yōu)安裝參數(shù)，即圖2a中雙標(biāo)簽之間的水平在軌距離1和天線與軌道標(biāo)簽之間的垂直距離2。另外，本研究在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，2個(gè)單向天線背向疊放將造成嚴(yán)重信號(hào)干擾，因此設(shè)置雙天線錯(cuò)位疊放，且保持固定間隔。

注： d1為雙標(biāo)簽的水平距離，d2為天線與標(biāo)簽的垂直距離，d3為天線a與標(biāo)簽a的通信距離，d4為天線b與標(biāo)簽b的通信距離，da為天線a與標(biāo)簽a的水平距離。

1.2 能量傳輸定位模型

超高頻 RFID無源標(biāo)簽沒有電源，不能主動(dòng)向閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)。閱讀器與無源標(biāo)簽之間的通信遵從電磁耦合原理，閱讀器通過天線發(fā)射電磁波信號(hào)來激活標(biāo)簽，并接收標(biāo)簽反射的電磁波信號(hào)[34-35]。

設(shè)閱讀器的發(fā)射功率為P，其發(fā)射天線的增益為G，則標(biāo)簽與閱讀器天線距離為時(shí)反射的電磁波能量P為

式中為標(biāo)簽反射電磁波能力的度量，取值取決于標(biāo)簽物理特性。

則閱讀器天線所處位置的功率密度S為

設(shè)閱讀器接收天線增益為G，信號(hào)波長為，則接收天線有效面積A為

則閱讀器天線接收到標(biāo)簽反射總功率P為

若分別使用圖2a中天線a測(cè)量標(biāo)簽a得到的信號(hào)強(qiáng)度值RSSIa和天線b測(cè)量標(biāo)簽b得到的信號(hào)強(qiáng)度值RSSIb來表征天線收到對(duì)應(yīng)標(biāo)簽的反射功率P[24-25]，則

由式（5）可知，對(duì)于天線a和天線b，二者RSSI數(shù)據(jù)比值與對(duì)應(yīng)標(biāo)簽通信距離比值的4次方呈負(fù)相關(guān)。因?yàn)闇y(cè)量過程中天線與標(biāo)簽工作環(huán)境的一致性和實(shí)時(shí)性，在理想狀態(tài)下使用式（5）可有效降低背景噪聲干擾。但由于現(xiàn)場(chǎng)RFID信號(hào)傳播受多方面因素影響，因此本研究使用4次多項(xiàng)式來表征二者關(guān)系，即

其中，為多項(xiàng)式系數(shù)，=4，變量x=4/3。

1.3 路徑損耗定位模型

基于通信距離的路徑損耗模型在多個(gè)領(lǐng)域被用來模擬由多徑衰落、障礙物和移動(dòng)物體等復(fù)雜環(huán)境因素引起的RFID無線信號(hào)傳播的路徑損耗[24,36]，如式（7）所示。

式中0表示模型參考距離，PL(0)為發(fā)射信號(hào)在自由空間中傳播距離為0時(shí)的路徑損耗。為路徑損耗指數(shù)，取值依賴于系統(tǒng)環(huán)境，一般設(shè)為[1.6,6]。X為陰影衰落，在此模型中表示均值為0，標(biāo)準(zhǔn)偏差為的高斯噪聲。

設(shè)閱讀器的發(fā)射功率為P，則與天線距離為的標(biāo)簽反射功率P為

式中為標(biāo)簽功率反射能力的度量，取值取決于標(biāo)簽物理特性。則經(jīng)過距離后，閱讀器天線收到的標(biāo)簽反射功率P為

若分別使用圖2a中天線a測(cè)量標(biāo)簽a得到的信號(hào)強(qiáng)度值RSSIa和天線b測(cè)量標(biāo)簽b得到的信號(hào)強(qiáng)度值RSSIb來表征天線收到對(duì)應(yīng)標(biāo)簽的反射功率P[24-25]，則

由式（10）可知，對(duì)于天線和天線，二者RSSI數(shù)據(jù)差值與對(duì)應(yīng)標(biāo)簽通信距離比值的對(duì)數(shù)呈負(fù)相關(guān)。與能量傳輸定位模型相似，式（10）在理想狀態(tài)下可有效降低背景噪聲干擾。本研究使用式（11）來表征二者關(guān)系

(x)=RSSIa?RSSIb=βx+（11）

式中為函數(shù)系數(shù)，為補(bǔ)償項(xiàng)，變量x=lg(4/3)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究將通過單天線試驗(yàn)確定RFID設(shè)備安裝參數(shù)（1,2），通過雙天線定位試驗(yàn)確定定位模型系數(shù)，通過定位模型性能試驗(yàn)驗(yàn)證基于當(dāng)前應(yīng)用環(huán)境的超高頻RFID最優(yōu)定位參數(shù)的有效性，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖3所示。單天線試驗(yàn)參數(shù)如圖4所示，雙天線試驗(yàn)參數(shù)如圖2a所示。本研究使用的電驅(qū)動(dòng)式單軌運(yùn)輸機(jī)由作者團(tuán)隊(duì)自行研制，運(yùn)行速度為0.2～0.6 m/s[29]，前期研究結(jié)果表明RFID設(shè)備在運(yùn)輸機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)下能夠100%讀取到標(biāo)簽信息。為提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，減小測(cè)量誤差，本研究的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均在靜止?fàn)顟B(tài)下采集。

圖3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)圖

圖4 單天線試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2 基于垂直距離d2變化的單天線試驗(yàn)

如圖4a所示，設(shè)置閱讀器天線a發(fā)射功率為33 dbm，設(shè)定標(biāo)簽a與天線a的中心水平距離為5 cm，研究在不同讀取時(shí)間、不同垂直距離2變化下，天線a讀取RSSIa的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 基于垂直距離d2變化的單天線試驗(yàn)

注 ：天線a測(cè)量標(biāo)簽a得到的信號(hào)強(qiáng)度值為RSSIa

Note: RSSIais the radio signal strength indicator of tag a measured by antenna a.

由表1中數(shù)據(jù)可知，分別使用天線a對(duì)標(biāo)簽a進(jìn)行5、10和15 s讀取數(shù)據(jù)，標(biāo)簽a的被讀取次數(shù)與被讀取時(shí)間正相關(guān)，這表明XC-RF807型超高頻 RFID閱讀器工作性能較穩(wěn)定。為不失一般性，后續(xù)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)讀取時(shí)間均以10 s為準(zhǔn)。另外，表1數(shù)據(jù)表明，當(dāng)垂直距離2為5和10 cm時(shí)，RSSIa均為88，不能映射出垂直距離2的變化；并且本研究使用了邊長為13 cm的正方形單向天線，當(dāng)垂直距離2為5或10 cm時(shí)，天線距離軌道過近，存在被軌道旁或地面障礙物碰撞損壞的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)垂直距離2為15～25 cm時(shí)，RSSIa信號(hào)強(qiáng)度值較大，且隨距離增加，下降趨勢(shì)穩(wěn)定。同時(shí)，考慮在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中運(yùn)輸機(jī)機(jī)箱距軌最大高度為38 cm，本研究設(shè)定垂直距離2的可選數(shù)值包括15、20、25 cm。

2.3 基于水平距離d1變化的單天線試驗(yàn)

如圖4b所示，設(shè)置閱讀器天線a發(fā)射功率為36 dbm，設(shè)定標(biāo)簽a與天線a的中心垂直距離2為15 cm，研究在不同水平距離1變化下，天線a位于標(biāo)簽a最遠(yuǎn)端時(shí)讀取RSSIa數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)。為提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，分別進(jìn)行3次獨(dú)立試驗(yàn)，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 基于雙標(biāo)簽的水平距離d1變化的單天線試驗(yàn)

由表2中數(shù)據(jù)可知，隨著水平距離1的變化，RSSIa數(shù)據(jù)與水平距離1負(fù)相關(guān)。但是，當(dāng)水平距離1達(dá)到40～50 cm時(shí)，RSSIa數(shù)據(jù)相對(duì)保持穩(wěn)定。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明在當(dāng)前試驗(yàn)條件下，本研究使用的RFID設(shè)備能夠通過RSSIa數(shù)據(jù)變動(dòng)來表征的最大水平通信距離不超過50 cm。當(dāng)設(shè)定標(biāo)簽a與天線a的中心垂直距離2分別為20和25 cm時(shí)，測(cè)量結(jié)果存在類似趨勢(shì)。因此本研究試驗(yàn)中，設(shè)定水平距離1的可選數(shù)值包括40、45、50 cm。

2.4 雙天線定位試驗(yàn)

本研究提出能量傳輸定位模型和路徑損耗定位模型，主要目的是通過雙天線雙標(biāo)簽來降低實(shí)時(shí)噪聲干擾，進(jìn)一步明確閱讀器天線與標(biāo)簽的通信距離與其所讀取RSSI數(shù)據(jù)之間的映射關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸機(jī)的在軌位置感知。通過上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，本研究得到了適用于單軌運(yùn)輸機(jī)定位系統(tǒng)的RFID設(shè)備安裝參數(shù)（1,2）。本節(jié)將針對(duì)不同安裝參數(shù)進(jìn)行雙天線試驗(yàn)。設(shè)置閱讀器天線a和天線b發(fā)射功率均為36 dbm，天線a和天線b從標(biāo)簽a處開始水平移動(dòng)，記天線a與標(biāo)簽a的水平距離為a，如圖2a所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)及基于不同定位模型的RSSI比值(x)和差值(x)如表3所示。

表3 不同垂直距離的雙天線試驗(yàn)

注： 天線b測(cè)量標(biāo)簽b得到的信號(hào)強(qiáng)度值RSSIb。x=4/3，(x)為能量傳輸定位模型的RSSI比值（RSSIa/RSSIb）。x= lg(4/3)，(x)為路徑損耗定位模型的RSSI差值（RSSIa-RSSIb）?！痢硎鹃喿x器天線在試驗(yàn)時(shí)間（10 s）內(nèi)無法讀取對(duì)應(yīng)標(biāo)簽RSSI數(shù)據(jù)。

Note: RSSIbis the radio signal strength indicator of tag b measured by antenna b.x=4/3,(x) is the RSSI ratio in energy transferring location model (RSSIa/RSSIb).x= lg(4/3),(x) is difference of RSSI in path loss location model (RSSIa-RSSIb). ‘×’ means reader antenna can’t obtain the RSSI data of communication tag within 10 s.

表3中符號(hào)‘×’表示閱讀器天線在試驗(yàn)時(shí)間（10 s）內(nèi)無法讀取對(duì)應(yīng)標(biāo)簽RSSI數(shù)據(jù)，這主要是因?yàn)殡p天線在與標(biāo)簽通信過程中存在信號(hào)干擾。綜合考慮RFID系統(tǒng)通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)可靠性，本研究在表3中選取3組具有不同水平距離1，讀取數(shù)據(jù)量較多，且信號(hào)強(qiáng)度值較大的RSSI數(shù)據(jù)，并依此來分別擬合能量傳輸定位模型和路徑損耗定位模型，如式（6）和式（11）所示。

本研究選取的（1,2）參數(shù)為：（40 cm, 25 cm）、（45 cm, 20 cm）、（50 cm, 20 cm）。記天線a和天線b之間的固定間隔為d，本研究試驗(yàn)環(huán)境中，d=4 cm。通過圖2a可得能量傳輸定位模型參數(shù)x和路徑損耗定位模型參數(shù)x，如式（12）～（13）所示，使用最小二乘法進(jìn)行模型系數(shù)擬合，如表4所示。

x=lgx（13）

3 定位模型性能試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 定位模型性能試驗(yàn)

為測(cè)試表4中能量傳輸定位模型和路徑損耗定位模型的有效性，本研究基于3組（1,2）參數(shù)進(jìn)行了性能試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。針對(duì)能量傳輸定位模型，通過測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算得到(x)；利用定位模型計(jì)算得到變量x，根據(jù)式（12）計(jì)算得到定位變量，記為ae。針對(duì)路徑損耗定位模型，通過測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算得到(x)；利用定位模型計(jì)算得到變量x，根據(jù)式（12）～（13）計(jì)算得到定位變量，記為ar。

表4 定位模型擬合系數(shù)

表5 定位模型性能試驗(yàn)

注：ae為使用能量傳輸定位模型計(jì)算的定位結(jié)果，ar為使用路徑損耗定位模型計(jì)算的定位結(jié)果?！?’表示（50 cm，20 cm）參數(shù)的部分定位變量計(jì)算結(jié)果不在合理取值范圍內(nèi)。

Note:aeis the location result using energy transferring location model,aris the location result using path loss location model. ‘-’ means some calculated location results are out of available range.

3.2 結(jié)果分析

由于定位模型的定位變量（ae、ar）與模型函數(shù)值（(x)、(x)）之間均為非線性映射關(guān)系，同一模型函數(shù)值可能存在多個(gè)與之對(duì)應(yīng)的定位變量。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，ae∈[0,1]，ar∈[0,1]。表5中符號(hào)‘-’表示（50 cm，20 cm）參數(shù)的部分定位變量計(jì)算結(jié)果不在合理取值范圍內(nèi)，這表明基于該參數(shù)的定位模型不適用于本研究的試驗(yàn)環(huán)境。針對(duì)（40 cm，25 cm）參數(shù)和（45 cm，20 cm）參數(shù)的定位結(jié)果分析如表6所示。當(dāng)安裝參數(shù)設(shè)為（40 cm，25 cm）時(shí)，能量傳輸定位模型的定位誤差均值稍優(yōu)于路徑損耗定位模型，但路徑損耗定位模型的定位誤差最小值優(yōu)于能量傳輸定位模型；當(dāng)安裝參數(shù)設(shè)為（45 cm，20 cm）時(shí)，路徑損耗定位模型的定位誤差均值優(yōu)于能量傳輸定位模型，但能量傳輸定位模型可得到定位誤差最小值；能量傳輸定位模型和路徑損耗定位模型在（45 cm，20 cm）參數(shù)條件下，均可得到更好的定位結(jié)果，定位誤差均值分別為1.748 6和1.077 4 cm，2種定位模型曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖5所示。

在果園作業(yè)環(huán)境中，影響RFID系統(tǒng)定位精度的因素復(fù)雜多變。本研究認(rèn)為，產(chǎn)生定位誤差的原因主要包括系統(tǒng)誤差、測(cè)量誤差和干擾誤差。首先，由于本研究使用的RFID設(shè)備輸出RSSI數(shù)據(jù)精度受限，系統(tǒng)誤差難以避免；其次，移動(dòng)標(biāo)簽和天線的測(cè)量過程中會(huì)引入人為測(cè)量誤差。但是，本研究提出的雙天線雙標(biāo)簽對(duì)照的定位方法能夠有效降低系統(tǒng)誤差和測(cè)量誤差。因此，在沒有干擾誤差存在的理想試驗(yàn)環(huán)境中，由系統(tǒng)誤差和測(cè)量誤差導(dǎo)致的定位誤差主要受標(biāo)簽和天線的測(cè)量移動(dòng)間距（5 cm）影響。結(jié)合表6中不同參數(shù)條件下定位誤差最大值可知，能量傳輸定位模型和路徑損耗定位模型在（45 cm，20 cm）參數(shù)條件下能夠更好地消除信號(hào)干擾導(dǎo)致的定位誤差。另外，本研究試驗(yàn)結(jié)果表明，與1=40 cm相比，1=45 cm時(shí)2種定位模型均可得到更好的定位精度，這表明通過減小標(biāo)簽之間的在軌距離，即增大標(biāo)簽部署密度，并不能保證提高定位精度。

表6 定位結(jié)果分析I

圖5 定位模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

綜上所述，在本研究試驗(yàn)環(huán)境中，基于（45 cm，20 cm）參數(shù)的路徑損耗定位模型定位精度最佳。為不失一般性，若記單軌運(yùn)輸機(jī)機(jī)箱長度為d，則當(dāng)前RFID定位系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)包括：安裝參數(shù)（1+d-d,2），即（d+41 cm，20 cm）；模型系數(shù)=63.19，=2.988。

3.3 果園試驗(yàn)及結(jié)果分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證定位方法的有效性，本研究在南亞熱帶果樹種質(zhì)資源圃（廣州）進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)（植株間距約4 m，果樹高度約5 m），現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)如圖6所示。能量傳輸定位模型和路徑損耗定位模型基于不同安裝參數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表7所示。通過數(shù)據(jù)分析可知，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的定位結(jié)果與定位模型性能試驗(yàn)的定位結(jié)果具有一致性，即當(dāng)安裝參數(shù)設(shè)為（45 cm，20 cm）時(shí)，能量傳輸定位模型和路徑損耗定位模型具有更好的定位結(jié)果；定位模型的定位誤差均值相對(duì)穩(wěn)定，使用路徑損耗定位模型得到的定位誤差均值為1.007 0 cm。因此，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明本研究提出的RFID雙天線雙標(biāo)簽對(duì)照定位方法能夠有效降低環(huán)境噪聲干擾，減小運(yùn)輸機(jī)定位誤差。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

表7 定位結(jié)果分析II

4 結(jié)論與討論

本研究基于超高頻RFID RSSI數(shù)據(jù)對(duì)電驅(qū)動(dòng)式單軌運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行在軌位置感知試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了雙天線雙標(biāo)簽對(duì)照的定位方法來降低現(xiàn)場(chǎng)噪聲干擾，構(gòu)建了能量傳輸定位模型和路徑損耗定位模型。通過RFID單天線/雙天線試驗(yàn)確定了適用于試驗(yàn)環(huán)境的RFID定位系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)，并通過定位模型性能試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)均驗(yàn)證了定位方法的有效性。試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）雙天線雙標(biāo)簽對(duì)照的定位方法能夠有效降低噪聲干擾，從而減少系統(tǒng)定位誤差，但不能完全消除噪聲干擾；減小軌道標(biāo)簽之間的部署距離，即增大標(biāo)簽部署密度，不能保證提高系統(tǒng)定位精度。

2）適用于當(dāng)前RFID設(shè)備的最優(yōu)安裝參數(shù)為（45 cm，20 cm），使用不同型號(hào)的單軌運(yùn)輸機(jī)時(shí)應(yīng)考慮機(jī)箱的不同長度將導(dǎo)致安裝參數(shù)發(fā)生變化。

3）在不同試驗(yàn)環(huán)境中，基于（45 cm，20 cm）參數(shù)的路徑損耗模型具有最小平均定位誤差。

本研究的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了基于超高頻 RFID的單軌運(yùn)輸機(jī)定位方法的可行性。下一步工作將研究果園動(dòng)態(tài)環(huán)境及運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行參數(shù)等因素對(duì)定位精度的影響。

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Orchard monorail conveyer location based on ultra high frequency RFID dual antennas and dual tags

Lü Shilei1,2, Liang Yincong3, Li Zhen1,2,4※, Wang Jianhua1, Wang Weixing1,2

(1.,,510642,; 2.510642,; 3.,,510642,; 4.,510642,)

As the main transportation equipment in mountainous orchards, monorail conveyers have strong climbing capacity and high reliability. However, monorail conveyers in working status can be invisible frequently because of tree shades. It is impossible for operators to monitor a working monorail conveyer with a remote control in real time. Thus the monorail conveyer should have the capacity of arriving at the designated locations autonomously. The key technology is to locate the conveyer on the monorail accurately. In recent years, there has been growing attention on the technology of ultra high frequency RIFD (radio frequency identification) location, which is based on RSSI (received signal strength indicator) data. The ultra high frequency RIFD location has been applied in many fields including workshop inspection, warehouse management and staff supervision. However, these applications are carried out in indoor environment. There is little research on locating agricultural implements using ultra high frequency RIFD. Considering the application requirement of locating the conveyer on the monorail accurately, experiments of the monorail conveyer location awareness have been carried out in this paper, which is based on the RFID RSSI data. The RFID equipment used in this paper include an XC-RF807 UHF RFID reader with 2 separated unidirectional antennae and several XCTF-8405 anti-metal passive tags, which are provided by Invengo Technology Pte. Ltd, Shenzhen, China. The operating frequency of reader is 902-928 MHz and the transmitted power can be varied from 15 to 36 dbm. Firstly, RFID communicative features are analyzed. The approach of conveyer location is proposed by comparing the RSSI data between dual antennae and dual tags, which aims to reduce the noise interference in conveyer location. Then the energy transferring location model and path loss location model are formulated. Secondly, several experiments are carried out in the citrus orchard, which is located in the China Agriculture Research System, Guangzhou, China. The 2 significant setting parameters of RFID equipment,i.e. the optimal perpendicular distances between RFID antenna and the tag on the monorail, and the optimal horizontal distances between tags on the monorail, are obtained in the experiments of RFID single antenna. Parameters of the 2 location models are fitted to be applicable to experiment environment through the analysis of RSSI data, which can be obtained in the experiments of RFID dual antennae. Finally, the results of performance experiments on location models show that the approach of conveyer location, which is implemented by comparing the data of dual antennae and dual tags, can reduce the noise interference effectively. It can reduce the location error and improve the location system accuracy, but the interference cannot be eliminated completely. The experiment results also demonstrate that reducing the distance between dual tags on the monorail, which increases the density of deployed tags, is not a good way to improve the location system accuracy. The optimal horizontal distances between tags, and the optimal perpendicular distances between RFID antenna and the tag on the monorail are 45 and 20 cm, respectively, and the optimal coefficients in path loss location model are 63.19 and 2.988, respectively, which are applicable to the experiment environment. The varying lengths of conveyers should be considered when different types of conveyers are used. Under the optimal conditions, the minimal average location error is 1.077 4 cm by using the path loss location model, and the minimal location error is 0.017 0 cm by using the energy transferring location model. In order to further verify the effectiveness of the proposed approach, another experiment is carried out in Germplasm Resource Garden of Southern Subtropical Fruit Trees, Guangzhou, China. It shows the similar location results. The research in this paper verifies the feasibility of locating the conveyer on the monorail accurately by using ultra high frequency RIFD equipment. The proposed location approach can improve the safety and reliability of working monorail conveyers.

agricultural machinery; transportation; orchards;; RFID; RSSI; location

2017-09-29

2018-01-11

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61601189、61602187）；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金（CARS-26）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2016A020210088）

呂石磊，博士，講師，主要從事農(nóng)業(yè)信息化研究。Email：lvshilei@scau.edu.cn

李 震，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用研究。Email：lizhen@scau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.009

TP274; S126

A

1002-6819(2018)-04-0071-09

呂石磊，梁尹聰，李 震，王建華，王衛(wèi)星.基于超高頻RFID雙天線雙標(biāo)簽對(duì)照的果園單軌運(yùn)輸機(jī)定位[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(4)：71－79.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.009 http://www.tcsae.org

Lü Shilei, Liang Yincong, Li Zhen, Wang Jianhua, Wang Weixing. Orchard monorail conveyer location based on ultra high frequency RFID dual antennas and dual tags[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(4): 71－79. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.009 http://www.tcsae.org