CN101598792B - 基于射频识别的小空间区域内高精度三维定位装置 - Google Patents
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Abstract
一种射频识别技术领域的基于射频识别的小空间区域内高精度三维定位装置，包括：射频识别标签组件、定位识别阅读器和数据处理终端，其中：定位识别阅读器通过无线传输与射频识别标签组件连接以接收反馈信号或发送激励信号，定位识别阅读器通过串行数据传输线与数据处理终端连接以发送天线阵列位置信息或接收定位指令。与现有技术相比，本发明可以克服极端环境和制造工艺的影响，可以对任意复杂环境中的物体进行高精度定位，提供厘米级的定位精度，而且灵活便携，适合人体内部移动定位。
Description
技术领域
本发明涉及一种射频识别技术领域的定位装置，具体是一种基于射频识别的小空间区域内高精度三维定位装置。
背景技术
传统的定位技术多采用到达时间差(TDOA)的技术，例如全球定位系统(GPS)依靠多颗卫星信号的接收时间差来进行定位。但该类技术受到制造工艺以及环境的影响，在小空间区域和近传输距离的条件下，无法得到精确的时间差，精度很难达到厘米级。另一方面，射频标签(射频识别)技术趋向于成熟，已经有不少用于定位领域的，但都是大空间区域的，例如办公人员的室内定位、地下矿井的人员定位等。
经对现有技术文献的检索发现，中国专利申请号200710058162.0，公开号CN101089654A，记载了一种“基于相位差测距的射频识别无线定位方法”，该技术提出“将射频标签缚在待测目标处，每个阅读器各自的位置以及相互之间的距离已知，各个阅读器通过各自的天线发射电磁波，各自发射的电磁波被所述射频标签反射后又分别被各自的阅读器所接收，通过测量每个阅读器所发射的电磁波的发射相位和接收相位之间的相位差，确定射频标签分别与每个阅读器之间的距离，再根据阅读器与射频标签之间的几何关系，求出射频标签的位置”。该技术虽然采用了射频识别，而且区域也比较小，但是计算定位的方法仍然受到制造工艺和环境影响，很难在复杂环境中对物体进行定位。
又经检索发现，专利申请号200520122463.1，公开号CN2919567A，记载了一种“射频识别天线定位矩阵”，该技术一种射频识别天线定位矩阵由n×m个参数一致的、射频识别读卡器的天线单元在同一平面上均匀排列而成，当射频识别标签靠近某个天线单元时，这个天线单元感应到标签的电磁波，相应的横线和纵线输出电磁波信号。结合矩阵处理器、读卡器和显示器可实现对标签的定位。虽然该技术采用了天线阵列来定位，但是只适用于电磁波能量衰减恒定的环境中，而对于体内胶囊定位等复杂环境中物体的定位也是无法实现的。
公开号CN101135728A“射频识别定位发射接收装置、系统和方法”以及公开号CN2924487A“利用射频识别(射频识别)技术实现的机动车辆定位导航装置”，该技术虽然利用射频识别，但是缺陷也是只能定位精度要求不高的大范围内的物体，无法适用于高精度的小空间区域的物体定位。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种基于射频识别的小空间区域内高精度三维定位装置，本发明利用基于发射天线方向图三维投影重建的定位方法使定位精度达到厘米级，并能实时显示待定位物体的三维坐标。
本发明是通过以下技术方案实现，本发明包括：射频识别标签组件、定位识别阅读器和数据处理终端，其中：定位识别阅读器通过无线传输与射频识别标签组件连接以接收反馈信号或发送激励信号，定位识别阅读器通过串行数据传输线与数据处理终端连接以发送天线阵列位置信息或接收定位指令。
所述的射频识别标签组件包括：射频识别标签、标签阻抗匹配电路、射频直流转换电路、标签稳压电路、标签控制电路、标签振荡信号发生电路、数字开关电路和电池，其中：射频识别标签的输入端与数字开关电路的输出端相连，射频识别标签的输出端与标签阻抗匹配电路输入端相连，标签阻抗匹配电路、射频直流转换电路和标签稳压电路依次串联，将射频识别标签输出的电压依次转换为射频电压和直流电压并输出至标签控制电路，标签控制电路的输出端分别连接至数字开关电路和标签振荡信号发生电路，电池的输出端分别连接至标签控制电路、数字开关电路和标签振荡信号发生电路。
所述的标签阻抗匹配电路使射频识别标签接收到的射频信号能量有效的从射频识别标签传送到射频直流转换电路的RF输入端，从而使射频识别标签组件的接收效率达到最高。
所述的射频直流转换电路把接收到的射频信号电压转换为直流电压。
所述的标签稳压电路使射频直流转换电路输出的幅值在一定范围内变化的直流电压转变为幅值稳定的直流电压输出。
所述的标签控制电路检测标签稳压电路输出的直流电压值，当标签稳压电路输出到标签控制电路的直流电压值达到标签控制电路逻辑高电平电压范围时，标签控制电路向数字开关电路发送控制信号，使数字开关电路闭合，此时射频识别标签组件向外发射标签振荡信号发生电路输出的射频信号。
所述的标签振荡信号发生电路产生标签向阅读器反馈的射频信号。
所述的电池给标签控制电路、数字开关路和标签振荡信号发生电路供电，使得标签控制电路、数字开关电路和标签振荡信号发生电路不需要借助接收到的射频信号的能量来工作，使得射频识别标签组件的工作距离可以达到更远。
所述定位识别阅读器，包括：阅读器天线阵列、多端口选择电路、阅读器阻抗匹配电路、阅读器转换电路、阅读器稳压电路、阅读器振荡信号发生电路、阅读器中央芯片和电源，其中：阅读器天线阵列和多端口选择电路双向连接以传输射频信号，多端口选择电路分别与阅读器振荡信号发生电路和阅读器阻抗匹配电路相连接以分别输出激励信号或反馈信号，阅读器阻抗匹配电路依次串联阅读器转换电路和阅读器稳压电路，将反馈信号转变为幅值稳定的直流电压输出，阅读器中央芯片的输入端与阅读器稳压电路的输出端相连接以接收幅值稳定的直流电压并将天线阵列位置信息传输给数据处理终端，电源的输出端分别连接至阅读器振荡信号发生电路、阅读器中央芯片和多端口选择电路。
所述的阅读器天线阵列为三维立体结构，各天线之间的水平距离和垂直距离根据定位精度要求设定，对于厘米级的精度要求，一般为5~10厘米。待定位物体处于三维天线阵列之内。该阅读器天线阵列以轮询方式向标签发射射频激励信号并接收射频识别标签组件发射的反馈射频信号。
所述的多端口选择电路以时间轮询的方式选择阅读器天线阵列中的天线。
所述的阅读器阻抗匹配电路使定位识别阅读器接收到的反馈信号能量有效的从阅读器天线阵列传送到阅读器转换电路的RF输入端，从而使定位识别阅读器组件的接收效率达到最高。
阅读器转换电路把接收到的射频信号电压转换为直流电压。
所述的阅读器稳压电路使阅读器转换电路输出的幅值在一定范围内变化的直流电压转变为幅值稳定的直流电压输出。
所述的阅读器振荡信号发生电路产生定位识别阅读器向射频识别标签组件发射的激励信号，输出端与多端口选择电路的输入端相连。
所述的阅读器中央芯片控制阅读器天线阵列向外发射射频信号，并检测接收到的直流电压，同时将天线阵列位置信息传输给数据处理终端。
所述的数据处理终端包括：控制模块、交互模块和位置中心寻找模块，其中：控制模块的输入端和输出端分别连接位置中心寻找模块和交互模块。交互模块接受用户的输入并根据用户的指令对阅读器中央芯片进行初始化和调用运行在控制模块上的位置中心寻找模块，计算后的三维坐标通过交互模块在控制模块上显示。
所述的位置中心寻找模块根据定位识别阅读器传输到数据处理终端的阅读器天线阵列状态信息和已知的天线阵列的坐标，得到射频识别标签组件在坐标系各维中的投影方向图，并进一步计算获得射频识别标签组件的三维坐标。当出现由于环境的干扰等造成的检测到标签的阅读器天线的非规则分布时，则利用实验得到的一些经验参数，修正坐标值。
本发明通过以下方式进行工作：将射频识别标签组件缚在待定位物体上，它监听来自定位识别阅读器发射的激励信号，并向定位识别阅读器发射反馈信号。定位识别阅读器根据数据处理终端发送过来的定位指令向射频识别标签组件发射激励信号，接收来自射频识别标签组件发射的反馈信号，并把接收到反馈信号的阅读器天线阵列位置信息传输到数据处理终端。数据处理终端向定位识别阅读器发送控制指令，并接收定位识别阅读器的传输来的天线阵列位置信息，通过位置中心寻找模块计算出待定位物体的三维空间坐标。
本发明中首先通过阅读器中央芯片控制天线阵列中的天线按照一定的延时，依次向射频识别标签组件发射一定频率的射频信号，每次发射后，将处于发射状态的阅读器天线转为接收状态；当射频识别标签组件检测到来自阅读器天线的射频信号时，射频识别标签组件的状态由接收状态转为发射状态；当射频识别标签组件向阅读器发射反馈信号时，如果阅读器天线阵列中的某个天线处于射频识别标签组件的工作范围内，该阅读器天线就能够检测到射频识别标签组件发射的反馈信号；阅读器通过串行传输线定时向数据处理终端传输一帧数据，把那些检测到射频识别标签的阅读器天线的天线阵列位置信息传输给数据处理终端；数据处理终端根据得到的数据，然后利用位置中心寻找模块和已知的天线阵列坐标系，计算得出标签的三维坐标，该坐标信息最终在终端显示。
与现有技术相比，本发明可以克服极端环境和制造工艺的影响，可以对任意复杂环境中的物体进行高精度定位，提供厘米级的定位精度，而且灵活便携，适合人体内部移动定位。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为射频识别标签组件示意图。
图3为定位识别阅读器模块框图。
图4为阅读器天线阵列结构框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：射频识别标签组件、定位识别阅读器和数据处理终端，其中：定位识别阅读器通过无线传输与射频识别标签组件连接以接收反馈信号或发送激励信号，定位识别阅读器通过串行数据传输线与数据处理终端连接以发送天线阵列位置信息或接收定位指令。
如图2所示，所述的射频识别标签组件包括：射频识别标签、标签阻抗匹配电路、射频直流转换电路、标签稳压电路、标签控制电路、标签振荡信号发生电路、数字开关电路和电池，其中：射频识别标签的输入端与数字开关电路的输出端相连，射频识别标签的输出端与标签阻抗匹配电路输入端相连，标签阻抗匹配电路、射频直流转换电路和标签稳压电路依次串联，将射频识别标签输出的电压依次转换为射频电压和直流电压并输出至标签控制电路，标签控制电路的输出端分别连接至数字开关电路和标签振荡信号发生电路，电池的输出端分别连接至标签控制电路、数字开关电路和标签振荡信号发生电路。
所述的标签阻抗匹配电路使射频识别标签组件接收到的射频信号能量有效的从射频识别标签传送到射频直流转换电路的RF输入端，从而使射频识别标签组件的接收效率达到最高。
所述的射频直流转换电路把接收到的射频信号电压转换为直流电压。
所述的标签稳压电路使射频直流转换电路输出的幅值在一定范围内变化的直流电压转变为幅值稳定的直流电压输出。
所述的标签控制电路检测标签稳压电路输出的直流电压值，当标签稳压电路输出到标签控制电路的直流电压值达到标签控制电路逻辑高电平电压范围时，标签控制电路向数字开关电路发送控制信号，使数字开关电路闭合，此时射频识别标签组件向外发射标签振荡信号发生电路输出的射频信号。
所述的标签振荡信号发生电路产生标签向阅读器反馈的射频信号。
所述的电池给标签控制电路、数字开关路和标签振荡信号发生电路供电，使得标签控制电路、数字开关电路和标签振荡信号发生电路不需要借助接收到的射频信号的能量来工作，使得射频识别标签组件的工作距离可以达到更远。
如图3所示，所述定位识别阅读器，包括：阅读器天线阵列、多端口选择电路、阅读器阻抗匹配电路、阅读器转换电路、阅读器稳压电路、阅读器振荡信号发生电路、阅读器中央芯片和电源，其中：阅读器天线阵列和多端口选择电路双向连接以传输射频信号，多端口选择电路分别与阅读器振荡信号发生电路和阅读器阻抗匹配电路相连接以分别输出激励信号或反馈信号，阅读器阻抗匹配电路依次串联阅读器转换电路和阅读器稳压电路，将反馈信号转变为幅值稳定的直流电压输出，阅读器中央芯片的输入端与阅读器稳压电路的输出端相连接以接收幅值稳定的直流电压并将天线阵列位置信息传输给数据处理终端，电源的输出端分别连接至阅读器振荡信号发生电路、阅读器中央芯片和多端口选择电路。
所述的多端口选择电路以时间轮询的方式选择阅读器天线阵列中的天线。
所述的阅读器阻抗匹配电路使定位识别阅读器接收到的反馈信号能量有效的从阅读器天线阵列传送到阅读器转换电路的RF输入端，从而使定位识别阅读器组件的接收效率达到最高。
所述的阅读器转换电路把接收到的射频信号电压转换为直流电压。
所述的阅读器稳压电路使阅读器转换电路输出的幅值在一定范围内变化的直流电压转变为幅值稳定的直流电压输出。
所述的阅读器振荡信号发生电路产生定位识别阅读器向射频识别标签组件发射的激励信号，输出端与多端口选择电路的输入端相连。
所述的阅读器中央芯片控制阅读器天线阵列向外发射射频信号，并检测接收到的直流电压，同时将天线阵列位置信息传输给数据处理终端。
所述的数据处理终端包括：控制模块、交互模块和位置中心寻找模块，其中：控制模块的输入端和输出端分别连接位置中心寻找模块和交互模块。交互模块接受用户的输入并根据用户的指令对阅读器中央芯片进行初始化和调用运行在控制模块上的位置中心寻找模块，计算后的三维坐标通过交互模块在控制模块上显示。
所述的位置中心寻找模块根据定位识别阅读器传输到数据处理终端的阅读器天线阵列状态信息和已知的天线阵列的坐标，得到射频识别标签组件在坐标系各维中的投影方向图，并进一步计算获得射频识别标签组件的三维坐标。当出现由于环境的干扰等造成的检测到标签的阅读器天线的非规则分布时，则利用实验得到的一些经验参数，修正坐标值。
如图4所示，所述的阅读器天线阵列为三维立体结构。在初步的验证实验中，采用了高60厘米、长60厘米、宽60厘米的立方体结构，间隔大约5厘米放置微型天线。三维结构的拓扑形状和天线间距可根据具体定位环境及实现技术进行调整。天线阵列中各天线之间的水平距离和垂直距离根据定位精度要求设定，对于厘米级的精度要求，可以将各天线之间的水平距离和垂直距离设为5厘米，则定位精度在3厘米之内。该精度在同类设计中已经达到国内领先程度。对于更高的精度要求，则通过提高射频标签的工作频率，缩小天线尺寸来达到更高的定位精度。天线阵列中各天线分别通过射频电缆连接到阅读器多端口选择电路。天线阵列接收到的射频信号通过射频电缆传输到阅读器，阅读器振荡信号发生电路产生的射频信号也通过射频电缆传输给阅读器天线阵列。待定位物体处于三维天线阵列之内。该阅读器天线阵列以轮询方式向标签发射射频激励信号并接收射频识别标签组件发射的反馈射频信号。
所述的数据处理终端包括：控制模块、交互模块和位置中心寻找模块，其中：控制模块的输入端和输出端分别连接位置中心寻找模块和交互模块。交互模块接受用户的输入并根据用户的指令对阅读器中央芯片进行初始化和调用运行在控制模块上的位置中心寻找模块，计算后的三维坐标通过交互模块在控制模块上显示。
所述的位置中心寻找模块根据定位识别阅读器传输到数据处理终端的阅读器天线阵列状态信息和已知的天线阵列的坐标，得到射频识别标签组件发射的信号在坐标系各维中的投影方向图，然后通过软件解算出标签的三维坐标。具体实施如下：一、建立阅读器的三维天线阵列坐标，然后根据阅读器得到的天线阵列状态形成标签发射的信号在该天线阵列坐标的方向图投影；二、根据已知的射频识别标签信号的三维方向图的特征，计算射频识别标签发射信号的三维方向图在天线阵列坐标上的理论投影形状；如果该理论投影形状与步骤一中得到的实际方向图投影重合，则根据反向投影理论计算出信号源的位置、即射频识别标签中心的三维坐标；三、若不匹配，则可以通过计算三维天线阵列坐标的旋转和平移，找到合适的理论投影形状匹配实际的方向投影图，最后根据反向投影理论解算出射频识别标签中心的三维坐标。
射频识别标签组件缚在待定位物体上，它监听来自定位识别阅读器发射的激励信号，并向定位识别阅读器发射反馈信号。定位识别阅读器根据数据处理终端发送过来的定位指令向射频识别标签组件发射激励信号，接收来自射频识别标签组件发射的反馈信号，并把接收到反馈信号的阅读器天线阵列位置信息传输到数据处理终端。数据处理终端向定位识别阅读器发送控制指令，并接收定位识别阅读器的传输来的天线阵列位置信息，通过位置中心寻找模块计算出待定位物体的三维空间坐标。
用户在交互模块中输入控制指令，指挥定位识别阅读器对待定位物体进行定位，定位过程中接收定位识别阅读器传输过来包含有待定位物体位置信息的数据，然后通过运行在控制终端上的位置中心寻找模块计算出待定位物体的三维坐标，定位结果通过交互模块在控制终端中显示。
Claims (2)
1.一种基于射频识别的小空间区域内高精度三维定位装置，其特征在于，包括：射频识别标签组件、定位识别阅读器和数据处理终端，其中：定位识别阅读器通过无线传输与射频识别标签组件连接以接收反馈信号或发送激励信号，定位识别阅读器通过串行数据传输线与数据处理终端连接以发送天线阵列位置信息或接收定位指令；
所述的数据处理终端包括：控制模块、交互模块和位置中心寻找模块，其中：控制模块的输入端和输出端分别连接位置中心寻找模块和交互模块，交互模块接受用户的输入并根据用户的指令对阅读器中央芯片进行初始化和调用运行在控制模块上的位置中心寻找模块，计算后的三维坐标通过交互模块在控制模块上显示；
所述的位置中心寻找模块根据定位识别阅读器传输到数据处理终端的阅读器天线阵列状态信息和已知的天线阵列的坐标，得到射频识别标签在坐标系各维中的投影方向图，并进一步计算获得射频识别标签的三维坐标；
所述定位识别阅读器，包括：阅读器天线阵列、多端口选择电路、阅读器阻抗匹配电路、阅读器转换电路、阅读器稳压电路、阅读器振荡信号发生电路、阅读器中央芯片和电源，其中：阅读器天线阵列和多端口选择电路双向连接以传输射频信号，多端口选择电路分别与阅读器振荡信号发生电路和阅读器阻抗匹配电路相连接以分别输出激励信号或反馈信号，阅读器阻抗匹配电路依次串联阅读器转换电路和阅读器稳压电路，将反馈信号转变为幅值稳定的直流电压输出，阅读器中央芯片的输入端与阅读器稳压电路的输出端相连接以接收幅值稳定的直流电压并将天线阵列位置信息传输给数据处理终端，电源的输出端分别连接至阅读器振荡信号发生电路、阅读器中央芯片和多端口选择电路；
所述的阅读器天线阵列为三维立体结构，各天线之间的水平距离和垂直距离根据定位精度要求设定，对于厘米级的精度要求为5～10厘米；待定位物体处于三维天线阵列之内；该阅读器天线阵列以轮询方式向标签发射射频激励信号并接收射频识别标签组件发射的反馈射频信号。
2.根据权利要求1所述的基于射频识别的小空间区域内高精度三维定位装置，其特征是，所述的射频识别标签组件包括：射频识别标签、标签阻抗匹配电路、射频直流转换电路、标签稳压电路、标签控制电路、标签振荡信号发生电路、数字开关电路和电池，其中：射频识别标签的输入端与数字开关电路的输出端相连，射频识别标签的输出端与标签阻抗匹配电路输入端相连，标签阻抗匹配电路、射频直流转换电路和标签稳压电路依次串联，将射频识别标签输出的电压依次转换为射频电压和直流电压并输出至标签控制电路，标签控制电路的输出端分别连接至数字开关电路和标签振荡信号发生电路，电池的输出端分别连接至标签控制电路、数字开关电路和标签振荡信号发生电路。
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