融合RFID相位與激光的快速動(dòng)態(tài)目標(biāo)定位

付余路, , ,, ,紅陽(yáng),

(西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院,四川 綿陽(yáng) 621010)

0 概述

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification,RFID)和激光作為物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)也逐漸成為目前的研究熱點(diǎn)之一。RFID具有非接觸、非視距等優(yōu)點(diǎn)[1],工作頻段分為低頻、高頻、超高頻,最長(zhǎng)的識(shí)別距離可達(dá)到數(shù)米[2]。相對(duì)于利用視覺(jué)進(jìn)行目標(biāo)的定位,RFID具有唯一的ID,并且不需要與目標(biāo)接觸,可直接通過(guò)信號(hào)強(qiáng)度估算出標(biāo)簽的距離。此外,RFID閱讀器可通過(guò)檢測(cè)RFID天線(xiàn)發(fā)射的多個(gè)載波信號(hào)所返回的相位測(cè)算距離[3]。將傳統(tǒng)測(cè)距與RFID相位結(jié)合,可推導(dǎo)出同一目標(biāo)的RFID相位與其本身的運(yùn)動(dòng)速度存在著一定的關(guān)系。

目前關(guān)于RFID定位的研究主要是在已建好的信號(hào)傳播模型內(nèi)進(jìn)行目標(biāo)標(biāo)簽的定位。文獻(xiàn)[2]通過(guò)構(gòu)造RFID天線(xiàn)的傳感器概率模型,實(shí)現(xiàn)了對(duì)被動(dòng)式RFID標(biāo)簽的定位。文獻(xiàn)[4-6]實(shí)現(xiàn)了基于RFID的室內(nèi)定位系統(tǒng)LANDMARC,其定位精度可達(dá)到厘米級(jí)別,但需要多個(gè)天線(xiàn)進(jìn)行相位檢測(cè)。在三維定位方面,文獻(xiàn)[7]使用三維傳感器模型和立體RFID標(biāo)簽進(jìn)行定位,文獻(xiàn)[8]利用旋轉(zhuǎn)天線(xiàn)獲取不同角度的信號(hào)強(qiáng)度,融合視覺(jué)和三維激光獲取的圖像進(jìn)行標(biāo)簽定位。此外,文獻(xiàn)[9]通過(guò)相控陣天線(xiàn)改變天線(xiàn)單元間的相位差得到標(biāo)簽與天線(xiàn)間的方向角,再通過(guò)信號(hào)強(qiáng)度得到待測(cè)標(biāo)簽的距離,從而定位標(biāo)簽。為進(jìn)一步提高RFID定位精度,一些學(xué)者通過(guò)信息融合[10]實(shí)現(xiàn)精確定位。

目前,利用RFID標(biāo)簽進(jìn)行定位的研究主要面向靜態(tài)RFID標(biāo)簽,對(duì)動(dòng)態(tài)標(biāo)簽的定位研究較少,且RFID不能直接提供目標(biāo)的距離信息。激光傳感器是利用激光測(cè)量距離的傳感器,其具有非接觸、遠(yuǎn)距離測(cè)量、速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)[11],可直接獲得目標(biāo)的距離以及相對(duì)于激光的角度信息,但不能直接識(shí)別目標(biāo)。本文根據(jù)RFID相位差信息估算目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度,結(jié)合激光獲取到的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息對(duì)兩者的速度進(jìn)行匹配,并選擇最優(yōu)匹配點(diǎn)確定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置,從而實(shí)現(xiàn)快速精確定位。

1 系統(tǒng)描述

傳統(tǒng)的RFID定位主要利用獲得的信號(hào)強(qiáng)度信息進(jìn)行定位,但是由于信號(hào)強(qiáng)度易受環(huán)境的影響以及射頻信號(hào)在傳播過(guò)程中存在多徑效應(yīng)等原因,致使定位精度不高。另外,傳統(tǒng)的RFID標(biāo)簽定位主要用于靜態(tài)目標(biāo),較少針對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的跟蹤和定位。為提高定位精度和效率,本文利用RFID閱讀器獲得的相位差信息估算運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度,再結(jié)合激光獲取目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)信息,對(duì)兩者的速度信息進(jìn)行匹配,選擇速度匹配最優(yōu)的點(diǎn),獲得激光對(duì)應(yīng)的距離和角度,通過(guò)激光傳感器建立一個(gè)坐標(biāo)系,從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的快速精確定位。本文方法的基本過(guò)程如圖1所示。

2 基于速度匹配的快速目標(biāo)定位

2.1 RFID工作原理

RFID通過(guò)無(wú)線(xiàn)電射頻信號(hào)傳輸數(shù)據(jù),從而進(jìn)行非接觸式自動(dòng)識(shí)別。RFID基本工作系統(tǒng)包括閱讀器、標(biāo)簽、天線(xiàn)、計(jì)算機(jī)。其中:閱讀器是控制天線(xiàn)與RFID標(biāo)簽進(jìn)行通信的設(shè)備;RFID標(biāo)簽是存儲(chǔ)需要識(shí)別的目標(biāo)ID和其他相關(guān)信息的芯片,其內(nèi)部具有發(fā)送和接收信號(hào)的電路;RFID天線(xiàn)是發(fā)送和接收射頻載波信號(hào)的設(shè)備;計(jì)算機(jī)主要作用是管理和傳輸閱讀器獲得的標(biāo)簽信息[12]。

RFID系統(tǒng)工作過(guò)程為:終端運(yùn)行相關(guān)的程序啟動(dòng)閱讀器,利用閱讀器設(shè)定閱讀器的功率和效率,RFID天線(xiàn)磁場(chǎng)內(nèi)的無(wú)源RFID標(biāo)簽接收到信號(hào),從中獲取能量并激活將自身信息發(fā)射出去,天線(xiàn)接收到標(biāo)簽返回的信息同時(shí)將此信息傳給閱讀器,閱讀器將獲得的RFID信息反饋給終端,便于終端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

在理想情況下,閱讀器向標(biāo)簽發(fā)送的載波信號(hào),其時(shí)間波形表達(dá)式為:

S(t)=Acos(2πft+θ)

(1)

其中,A為載波信號(hào)的振幅,θ為載波信號(hào)的相位,f為射頻載波的頻率,頻率和波長(zhǎng)之間的關(guān)系式為λ=c/f,c在空氣中等于光速(3×108m/s)。

射頻信號(hào)的相位是一個(gè)周期為2π的周期函數(shù)[13],通常測(cè)量相位的計(jì)算公式為:

θ=2π(d/λ)mod(2π)

(2)

其中,d為天線(xiàn)到標(biāo)簽的距離。

在RFID工作系統(tǒng)中,標(biāo)簽通過(guò)反向散射的方式返回信息,如圖2所示。其中,閱讀器和標(biāo)簽之間的信號(hào)傳輸?shù)目偩嚯x為2d。

除了距離引起的射頻信號(hào)相位旋轉(zhuǎn)之外,閱讀器發(fā)射端、接收端以及標(biāo)簽的發(fā)射特性都存在一定的相位旋轉(zhuǎn)[14],分別記為θT、θR、θTag。因此,總相位可表示為:

θ=2π(2d/λ)+θT+θR+θTag

(3)

2.2 激光傳感器

激光傳感器由激光發(fā)射器、激光反射探測(cè)器以及內(nèi)部測(cè)量電路構(gòu)成。本文利用激光的3個(gè)特性,即高方向性、高單色性和高亮度等特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量[15],其工作原理為:由激光器向目標(biāo)發(fā)射一束激光,發(fā)射出的激光經(jīng)目標(biāo)反射后向各個(gè)方向散射,部分激光被傳感器的檢測(cè)器接收到,并記錄和處理激光發(fā)射和接收所用的往返時(shí)間,即可計(jì)算出目標(biāo)距離,也可利用激光傳感器對(duì)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)速。首先,對(duì)被測(cè)目標(biāo)進(jìn)行2次有特定時(shí)間間隔的激光測(cè)距,取得在該時(shí)間間隔內(nèi)被測(cè)目標(biāo)的移動(dòng)距離[16-17],從而得到被測(cè)目標(biāo)的移動(dòng)速度。

在使用激光進(jìn)行定位時(shí),由于激光可以提供精確的距離信息,因此再根據(jù)接收激光的角度,可以確定物體相對(duì)于激光發(fā)射器的位置。但激光無(wú)法直接對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別,往往需要事先控制激光獲取周?chē)沫h(huán)境信息進(jìn)行建模型。之后使用復(fù)雜的算法進(jìn)行識(shí)別,需要一定的準(zhǔn)備和運(yùn)算時(shí)間。

2.3 速度估算

2.3.1 RFID相位估算速度

若一個(gè)標(biāo)簽以速度Vr徑向移動(dòng)到閱讀器天線(xiàn),閱讀器反復(fù)地通過(guò)接收到的EPC包識(shí)別標(biāo)簽。假設(shè)閱讀器在相鄰時(shí)間連續(xù)接收到2個(gè)EPC包,令閱讀器檢測(cè)到標(biāo)簽的時(shí)間和相位分別為(ti,θi)和(ti+1,θi+1)。因此,可根據(jù)時(shí)間差估算出標(biāo)簽徑向移動(dòng)的距離:

d=Vr·(ti+1-ti)

(4)

同時(shí),利用相位差估算出標(biāo)簽徑向移動(dòng)的距離:

d=(1/4π)·(θi+1-θi)·λ

(5)

由于標(biāo)簽是反向散射信號(hào)同時(shí)傳播下行鏈路和上行鏈路,使得傳輸距離應(yīng)為2d。由式(4)和式(5)轉(zhuǎn)換為:

2Vr·(ti+1-ti)=(1/2π)·(θi+1-θi)·λ

(6)

因此可推導(dǎo)出速度的表達(dá)式為:

2.3.2 基于激光的速度估算

激光傳感器工作時(shí)發(fā)射出非常短的光脈沖,同時(shí)啟動(dòng)“電子秒表”,當(dāng)光線(xiàn)接觸到物體時(shí),光線(xiàn)會(huì)反射回來(lái)并被激光傳感器接收,同時(shí)停止計(jì)時(shí),利用發(fā)射到接收的時(shí)間間隔便可計(jì)算出物體到激光傳感器的距離[14]。

此外,可根據(jù)激光相應(yīng)的掃描角度,大致估算出物體相對(duì)于激光傳感器的方位。

其中,α為平滑指數(shù),0<α<1。

2.4 速度匹配

因?yàn)镽FID相位是一個(gè)周期為2π的周期函數(shù),容易出現(xiàn)相位模糊的問(wèn)題,所以會(huì)使所測(cè)得相位差存在較大的誤差,進(jìn)而使RFID相位差估算的速度不準(zhǔn)確。為使閱讀器相位差測(cè)速更加精確,在利用RFID相位差測(cè)速之前,需要對(duì)RFID相位差進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí),發(fā)現(xiàn)有時(shí)RFID前后時(shí)刻的相位差值會(huì)猛然變大,而對(duì)于同一目標(biāo)在前后時(shí)刻相位差值是不會(huì)超過(guò)±90°的。因此,為克服相位模糊,當(dāng)相位差值在-90°～90°之間時(shí),利用該相位差進(jìn)行速度的估算得到Vr,否則將速度設(shè)為0。

另一方面,激光傳感器掃描估算的速度是與激光掃描的角度一一對(duì)應(yīng)的,即每一個(gè)速度對(duì)應(yīng)一個(gè)角度。同時(shí)激光傳感器會(huì)記錄一個(gè)相應(yīng)的掃描距離,便于觀(guān)察物體。

因?yàn)镽FID標(biāo)簽是具有唯一ID的,所以可直接通過(guò)RFID閱讀器讀取到標(biāo)簽的ID號(hào),并利用相位差估算出該標(biāo)簽的運(yùn)動(dòng)速度,再與激光傳感器檢測(cè)到的速度進(jìn)行匹配,而最優(yōu)的匹配點(diǎn)對(duì)應(yīng)的激光掃描角度和距離,就可確定該標(biāo)簽的位置,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)快速精確的定位。

本文通過(guò)RFID相位差估算速度,同時(shí)結(jié)合激光的角度和距離信息估算速度,將2個(gè)速度進(jìn)行匹配,再根據(jù)匹配點(diǎn)對(duì)應(yīng)的激光距離和角度信息來(lái)確定目標(biāo)的位置,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的準(zhǔn)確定位。若單獨(dú)使用RFID定位,由于RFID無(wú)法直接提供目標(biāo)的距離信息,為了獲得目標(biāo)的距離,通常需要對(duì)RFID的信號(hào)強(qiáng)度建立傳輸模型后再進(jìn)行定位。若僅使用激光進(jìn)行定位,激光可直接提供距離和角度信息,但無(wú)法直接識(shí)別目標(biāo),若要識(shí)別目標(biāo)需先建模型,再使用復(fù)雜的算法識(shí)別目標(biāo)。若將兩者的信息進(jìn)行融合,一方面利用RFID提供的唯一識(shí)別碼,再結(jié)合激光直接獲取的距離和角度信息,通過(guò)速度匹配后,確定動(dòng)態(tài)目標(biāo)的位置;另一方面,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,既不需要對(duì)RFID建傳播模型,也不需要利用激光獲取周?chē)沫h(huán)境信息進(jìn)行建圖,且只需要激光的角度和距離信息而無(wú)需復(fù)雜的算法,處理過(guò)程簡(jiǎn)單快捷。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本文采用德國(guó)Metralabs公司的SCITOS G5服務(wù)機(jī)器人進(jìn)行驗(yàn)證。該機(jī)器人已配置了一個(gè)激光傳感器(SICK S300)和一個(gè)型號(hào)為Impinj Speedway Revolution R420的RFID超高頻射頻識(shí)別閱讀器。此外,RFID閱讀器連接著一個(gè)Lairs Technologies SS8688P圓極化天線(xiàn),此天線(xiàn)可提供最大識(shí)別范圍為7 m,閱讀器最小的接收信號(hào)強(qiáng)度為-80 dBm。使用的標(biāo)簽型號(hào)為Alien Technology Squiggle,閱讀器可讀取到標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度和相位信息。在實(shí)驗(yàn)中,RFID閱讀器選用Dense Reader Mode 8(DRM8)模式,閱讀器發(fā)射功率為32.5 dBm,通道采用16通道,即載波發(fā)射頻率為924.375 MHz。

在實(shí)驗(yàn)階段,SCITOS G5服務(wù)機(jī)器人固定不動(dòng),實(shí)驗(yàn)人員佩戴有RFID標(biāo)簽,并在RFID與激光掃描區(qū)域內(nèi)移動(dòng)。為方便驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的正確性,設(shè)定實(shí)驗(yàn)人員在掃描范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡為一個(gè)1.8 m×1.8 m的正方形,機(jī)器人距正方形起點(diǎn)1.2 m處,每次測(cè)試時(shí)實(shí)驗(yàn)人員攜帶標(biāo)簽在規(guī)定的路徑上移動(dòng),圖3顯示了機(jī)器人與路徑的位置關(guān)系。當(dāng)激光傳感器的速度平滑指數(shù)設(shè)置為α=0.2時(shí),實(shí)驗(yàn)人員沿著如圖3所示的正方形路徑移動(dòng)3圈。

圖3 機(jī)器人與路徑的位置關(guān)系

圖4顯示了人行走的真實(shí)路徑與本文提出的速度匹配算法所估計(jì)的路徑。從中可以看出,采用速度匹配后的運(yùn)動(dòng)路徑與實(shí)驗(yàn)真實(shí)的運(yùn)動(dòng)路徑基本吻合。由于實(shí)驗(yàn)人員在運(yùn)動(dòng)時(shí)存在背對(duì)RFID天線(xiàn)移動(dòng)的情況,因此導(dǎo)致RFID閱讀器檢測(cè)到的信號(hào)較弱,從而使某一邊上速度匹配的點(diǎn)較少。實(shí)驗(yàn)人員在天線(xiàn)附近運(yùn)動(dòng)時(shí),因?yàn)镽FID閱讀器檢測(cè)到的信號(hào)較強(qiáng),使得速度匹配上的點(diǎn)更多,所以定位也更準(zhǔn)確。

圖4 真實(shí)路徑與速度匹配算法的估算路徑(α=0.2)

當(dāng)激光定位失效時(shí),無(wú)法獲取到有用的激光測(cè)量信息,此時(shí)若激光估算出一個(gè)錯(cuò)誤的速度,再與RFID估算的速度進(jìn)行速度匹配,得到一個(gè)錯(cuò)誤的匹配點(diǎn),會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中某些情況的定位誤差較大。若激光估算速度與RFID估算速度無(wú)法實(shí)現(xiàn)匹配時(shí),可根據(jù)動(dòng)態(tài)目標(biāo)前一時(shí)刻的匹配點(diǎn)和下一時(shí)刻的匹配點(diǎn)估計(jì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)路徑,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的準(zhǔn)確定位。

3.2 平滑指數(shù)的影響

由于激光傳感器估算的速度需要進(jìn)行平滑,平滑指數(shù)的選取直接影響到平滑后的速度值。因此,合理確定α的取值極為關(guān)鍵。為了確定α的取值,分別取α=0.05,α=0.20,α=0.40,α=0.60,α=1.00,觀(guān)察在相似運(yùn)動(dòng)條件、不同平滑指數(shù)情況下的速度匹配點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)軌跡,結(jié)果如圖5所示,對(duì)應(yīng)的匹配點(diǎn)數(shù)量和平均誤差如表1所示。進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn),每一組都是走相同的路徑,走了同樣的次數(shù),對(duì)比每組實(shí)驗(yàn)在不同平滑指數(shù)下的定位誤差,結(jié)果如圖6所示。

圖5 不同平滑指數(shù)的速度匹配點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)軌跡

表1 不同平滑指數(shù)的匹配點(diǎn)數(shù)量與定位誤差

圖6 不同平滑指數(shù)情況下的平均定位誤差

由圖5可見(jiàn),在相似的運(yùn)動(dòng)環(huán)境下,速度匹配點(diǎn)明顯受到平滑指數(shù)影響。在相同的運(yùn)動(dòng)次數(shù)下,α=0.20時(shí)環(huán)境噪聲明顯少于α=0.40、α=0.60以及α=1.00。當(dāng)α=1.00時(shí),實(shí)質(zhì)上是沒(méi)有對(duì)激光測(cè)得的速度進(jìn)行平滑,此時(shí)測(cè)得的運(yùn)動(dòng)路徑與真實(shí)路徑相差甚大。圖6顯示了不同平滑指數(shù)的平均誤差,從中可知,在α=0.20時(shí)誤差為0.5 m,在其余平滑指數(shù)下誤差較大,而在平滑指數(shù)很小時(shí),實(shí)驗(yàn)的誤差又逐漸變大,所以選擇合理的平滑指數(shù)是提高精確度必不可少的條件。結(jié)合表1、圖5以及圖6可知:當(dāng)平滑指數(shù)很小時(shí),會(huì)對(duì)激光測(cè)得的速度過(guò)度平滑,使得匹配上的點(diǎn)數(shù)變少,且使匹配的準(zhǔn)確度變低;當(dāng)平滑指數(shù)較小時(shí),噪聲少但激光對(duì)速度的檢測(cè)靈敏度較低;當(dāng)平滑指數(shù)較大時(shí),速度匹配點(diǎn)多但噪聲大,致使定位精度較低。根據(jù)圖6所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),在本文中激光速度平滑的平滑指數(shù)選用0.20時(shí)達(dá)到最佳定位精度,在其他應(yīng)用環(huán)境中可根據(jù)實(shí)際情況選擇平滑指數(shù),以達(dá)到最佳定位精度。

3.3 擾動(dòng)對(duì)定位的影響

為了驗(yàn)證環(huán)境噪聲對(duì)本文算法的影響,在將2個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合前,在激光和RFID估算速度時(shí)分別加入一個(gè)期望為0、方差為1、幅度為0.5的高斯白噪聲進(jìn)行測(cè)試。加入噪聲后不同的平滑指數(shù)情況下的速度匹配點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)軌跡如圖7所示,對(duì)應(yīng)的匹配點(diǎn)數(shù)量和平均誤差如表2所示。

圖7 加入噪聲后不同平滑指數(shù)的速度匹配點(diǎn)與運(yùn)行軌跡

表2 加入噪聲后不同平滑指數(shù)的匹配點(diǎn)數(shù)量與定位誤差

由圖7可知,加入噪聲后采用速度匹配得到的估計(jì)路徑與真實(shí)路徑基本一致,只是匹配點(diǎn)相對(duì)于未加入噪聲時(shí)數(shù)量有所增加。結(jié)合表2和圖7可知,加入噪聲后不同平滑指數(shù)對(duì)應(yīng)的匹配點(diǎn)普遍增多,由于加入了隨機(jī)噪聲其誤差相對(duì)于未加入噪聲時(shí)有所增大。當(dāng)α=0.20時(shí),加入隨機(jī)噪聲的平均定位誤差為0.6 m,只比未加入噪聲時(shí)的平均定位誤差增大了0.1 m,由此可知整個(gè)系統(tǒng)具有較好的抗噪聲性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種快速動(dòng)態(tài)目標(biāo)定位方法,通過(guò)融合RFID相位差信息和激光來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的快速定位。該方法克服了RFID信號(hào)強(qiáng)度易受環(huán)境影響的問(wèn)題,利用RFID相位信息對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)進(jìn)行速度估算,并融合激光傳感器獲取動(dòng)態(tài)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)信息,對(duì)RFID相位差估算的速度與激光獲得的速度進(jìn)行匹配,根據(jù)最優(yōu)匹配點(diǎn)對(duì)應(yīng)的激光距離和角度確定目標(biāo)的位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的準(zhǔn)確定位。但在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境下,激光傳感器可能檢測(cè)到多個(gè)與RFID相位差速度相似的移動(dòng)物體,直接影響定位效果。因此,下一步將通過(guò)改進(jìn)速度匹配算法或融合RFID信號(hào)強(qiáng)度等信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的追蹤和定位。