CN101821785A - 可操纵相位阵列天线射频标识标签定位器和跟踪系统及方法 - Google Patents

可操纵相位阵列天线射频标识标签定位器和跟踪系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种用于跟踪和定位RFID标签的系统和方法，包括：其中，至少一个可操纵相位阵列天线通过使用波束操纵单元和与其相关的控制器来控制由该至少一个可操纵相位阵列天线发射的波束的方向，可以实时定位与三维的项目相关联的标签。

Description

可操纵相位阵列天线射频标识标签定位器和跟踪系统及方法
相关申请的交叉引用
本申请要求由Graham P.Bloy于2007年9月1 1日提交的、名称为“Steerable Phase Array Antenna RFID Tag Locator and Tracking System”的美国临时专利申请第60/993,418号的权益，在此其整体并入作为参考。
技术领域
本发明涉及可操纵相位阵列天线(steerable phase array antenna)RFID标签定位器和跟踪系统。更具体地，所述系统包括至少一个可操纵相位阵列天线、RFID读卡机和控制器来获取、定位和跟踪RFID标签。
背景技术
传统的RFID读卡机可以读取在小于RFID标签用户期望的距离处的标签。特定位置或体积(例如仓库)中的多个RFID标签本质上难以定位或跟踪。当RFID标签彼此接近时(所述接近例如由于RFID标签类型或它们所在的空间内的条件或者周围空间中的条件或者这两者而变化)，也就是多径(multipath)环境，传统的RFID读卡机不能以令人满意的精度定位RFID标签。而且，传统系统根本不能以任意精度来跟踪RFID标签的三维移动。
因此，本发明的一方面是提供一种克服现有技术中的缺陷的系统和方法。
附图说明
附图并入于此并且构成了本说明书的一部分，它们图示了本发明的实施例，并且结合此上给出的总发明描述以及下面给出的详细实施例描述，用于解释本发明的原理。
图1是具有单个SASL的ITCS的示例顶层系统方框图。
图2是图示包括两个SASL的ITCS的通信和或信号互连的替代示例系统图。一个SASL示出了示例内部连接，另一个SASL仅以方框形式提供。
图3是图示包括具有RFID读卡机与控制计算机之间的直接互连的两个SASL的ITCS的通信和或信号互连的替代示例系统图。一个SASL示出了示例内部连接，另一个SASL仅以方框形式提供。
图4是多个SASL配置的示例方框图。
图5是示出被放置成面对公共操作环境的多个SASL的示例图。
图6是使用具有至少两个SASL的ITCS的用于RFID定位的示例方法图。
具体实施方式
发明人已经研发了一种RF信号智能跟踪和控制系统(ITCS)10，例如图1中概括所示以及图2和图3中更详细所示，包括：相位阵列可操纵天线15；RFID读卡机20，与相位阵列可操纵天线15操作性通信；波束操纵单元(beam steering unit，BSU)25，与相位阵列可操纵天线15操作性通信；BSU控制器30，与BSU 25操作性通信；和控制计算机35，与BSU控制器30操作性通信。诸如显示器和或控制面板之类的操作器接口37可耦接到控制计算机35。操作器接口37可以本地安装或者经由专用网络和或因特网被远程耦接。
相位阵列可操纵天线15由至少一个天线元件65(例如圆极化贴片天线(circularly polarized patch)元件65)组成，并且优选地包括多个圆极化贴片天线元件65，例如，32个天线元件65。至少一个天线元件65被配置为可独立控制的通道。
在RFID读卡机20与电源分配器(power splitter)60之间可以应用放大子系统40，放大子系统40例如包括放大器45、衰减器50和循环器55，所述电源分配器60耦接到相位阵列可操纵天线15的单独天线元件65，以便以期望的功率电平和波形格式驱动询问信号。
BSU 25可以包括驱动多个单独移相器70的控制电路，该单独移相器70串联连接在电源分配器/组合器60与单独天线元件65和或天线元件65组之间，使得能够经由纯粹电气方式从相位阵列可操纵天线15表面进行天线波束操纵。
BSU 25和BSU控制器30例如在多于一个轴上独立地控制每个可独立控制的通道的波束方向，并且优选地，BSU 25和BSU控制器30在两个轴上协作并控制相位阵列可操纵天线15。
RFID读卡机20可以是单通道RFID读卡机。RFID读卡机20生成由可独立控制的通道组成的RF波束，所述可独立控制的通道能够获得来自RFID标签85的响应或者相反能够询问RFID标签85(例如经由反向散射调制(backscatter modulation))，并且从而读取RFID标签85。
RFID读卡机20生成RF波束以获得来自RFID标签85的响应，以便计算下列中的一个和或每个：计算RFID标签85与参考点之间的距离；计算RFID标签85与参考点之间的方向；计算和跟踪RFID标签85相对于参考点的位置。
为了提高制造效率、明显地简化系统安装和或易于系统配置，可以集成系统的元件以形成信号获取和源定位模块(SASL)75，其将相位阵列可操纵天线15、波束操纵单元25和波束操纵控制器30合并到单个模块。可替代地，SASL 75也可以包括RFID读卡机20，该RFID读卡机20可操作来经由相位阵列可操纵天线在期望频率或频带上发送询问信号波束并且在期望频率或频带上接收一个或多个响应信号。根据系统被配置所使用的信号参数，询问信号和响应信号频率和或频带可被配置成公共频率或频带。
ITCS 10可以包括一个或多个间隔开的SASL 75，该SASL 75例如被布置在天花板或其它高架位置，以便面向期望的目标区域，如例如图4中所示，每个SASL 75经由控制和或数据通信链接与控制计算机35通信并且受控制计算机35控制。在使用多个SASL 75的情况下，借助于网络转接77或者路由器，例如以太网10/100/1000MB网络转接，可以建立与控制计算机35的通信链接。
配置成将期望功率电平提供给系统的单独功率消耗者的电源70可被集成在SASL内或者替代地被远程地安装。电源70可被应用为将不同电压范围提供给各种消耗者的单个集中式单元或者替代地可被应用为多个分立电源，每个分立电源专用于为每个消耗者生成期望的功率电平。
相位阵列可操纵天线15发射可被配置为窄波束图案和或集中(focused)波束图案的可操纵信号波束。一旦ITCS 10被校准用于特定安装配置和操作环境，信号波束的三维坐标就是已知的。经由位置三角测量、返回信号强度指示和或询问信号的发射与反向散射调制信号或来自RFID标签85的其它响应的检测之间的响应时间的测量，ITCS允许其操作者及时发现三维的RFID标签85。
在本发明的系统的一个实施例中，在BSU 25控制波束方向时，单通道RFID读卡机20经由相位阵列可操纵天线15的方向性波束来询问RFID标签85。通过天线元件65(例如圆极化贴片天线)的阵列，可以在两个轴上控制波束。所形成的波束的方向可以基于相位阵列可操纵天线15的一般方位(orientation)并且更精确地经由来自RFID读卡机20的每个信号对于相位阵列可操纵天线15的各个单独天线元件65的相对相位，并且每个通道经由BSU25可被独立地控制。BSU控制器30命令RFID读卡机20通过生成专用于目标RFID标签85的特殊RFID射频波形的协议来询问RFID标签85。所述波形可以通过衰减器50被发送和或经由放大器45被功率放大，以便将预定的功率电平提供给每个相位阵列可操纵天线15。
用于RFID读卡机20的控制指令和或RFID读卡机20接收到的信号数据可以经由网络数据通信链接(例如以太网)或和直接连接串行通信协议(例如直接在RFID读卡机20与控制计算机35之间或者可替代地经由BSU控制器30在RFID读卡机20与控制计算机35之间的RS-232)进行通信。
ITCS 10的性能和或应用包括：一个或多个RFID标签85的三维空间定位；经由两个或更多天线跟踪RFID标签85；跟踪(例如沿着运动传送带)运动中的RFID标签85；以及，遍及空间(例如遍及办公室或公共空间、仓库的后面区域、零售设施等)跟踪和三角测量标签。
包括至少第一和第二SASL 75的ITCS 10(例如图5中所示)可以根据如图6所示的示例性方法操作。在对操作环境90配置(例如通过记录来自位于跨过期望操作环境90的已知位置和距离范围处的样本RFID标签的信号响应)之后，操作环境90可被划分为天线波束方向矢量矩阵，当所述天线波束方向矢量矩阵被逐个连续穿过(stepped through)时会造成操作环境90的完全扫描。
在完成对操作环境90的配置时，可以通过来自第一SASL 75的第一可操纵信号波束询问信号来扫描操作环境90。为了执行扫描，在步骤100，天线信号波束被递增地穿过每个方向矢量。在步骤110，在数据矩阵中存储在每个方向矢量处接收到的任意RFID标签响应信号，所述数据矩阵例如包括当接收到每个响应信号时的第一可操纵信号波束的方向矢量(theta1，phi1)、提供响应信号的RFID标签的标识和返回信号强度指示符(RSSI)。可替代地和或另外地，数据矩阵可以包括信号定时数据，例如发射询问信号和接收每个响应信号之间的时延。
在步骤120，基于数据矩阵计算接收到的信号数据使得能够生成每个RFID收发机例如在全局坐标中的估计位置(也被存储在数据矩阵中)。例如，在已知询问信号的方向矢量(其导致来自单个RFID标签的最强RSSI)的情况下，可以将与单个RFID标签的那个方向矢量相关联的RSSI与在系统配置期间获得的值进行比较，以便识别沿着方向矢量距天线的距离，其中所述RFID标签是期望的。如果信号定时数据可用，则可以类似地应用信号定时数据来估计RFID标签沿着方向矢量的位置。
对于在步骤120获得的RFID标签的每个估计位置，在步骤130，第二SASL 75可专用于扫描第二SASL 75操作环境90的子集区域，所选择的子集例如以通过在步骤120中相对于第一SASL 75定义的全局坐标上的共轭对换算为第二SASL 75方向矢量的估计位置为中心。可替代地，所选择的扫描子集区域可以沿着第一SASL 75的相关方向矢量的加宽路径或者是第一SASL75的相关方向矢量的离开天线估计由RSSI值指引的一部分。在步骤140，子集区域的扫描结果被类似地处理为数据矩阵。
因为第二SASL 75扫描其操作环境90的、由第一SASL 75结果指引的子集，大量方向矢量被穿过，因此明显地减少了总体扫描时间。
在完成步骤130的每个RFID标签估计的位置子集扫描之后，已经将每个RFID标签的两个估计位置存储到数据矩阵。在步骤150，可以执行基于每个SASL 75的位置和当获得最高RSSI时每个方向矢量的三角测量计算，以便获得每个RFID标签的另一估计位置。
在步骤160，可以使用已经获得的每个RFID标签的三个计算位置之间的比较来生成位置结果的可靠因子和或生成每个RFID标签的最终平均位置，用以输出到用户和或进一步处理，于是系统返回到步骤100以执行另一扫描顺序。
可以应用其它扫描顺序的结果，其中询问信号被同时地导向合适的RFID标签响应信号初始位置的全局坐标，以便使投影的标签位置符合来自多个SASL 75中每个的集中询问波束的利益。
当数据矩阵被更新并且被投影的标签位置相对于正在进行的扫描被存储时，可以分析被投影的标签位置的变化以便识别运动(包括速度和方向)中的RFID标签，。可以对数据矩阵初始位置图案应用纠错，例如迭代加权健壮最小平方估计(iterative weighted robust least squares estimation)，以便提高轨道估计的精度，据此经由轨道结果的导数可以推导出方向性跟踪。
例如，针对最大RSSI值和或与每个响应信号(具有与接收到的RFID标签标识符相同的RFID标签标识符)相关联的信号接收时间，可以执行数据矩阵中存储的结果的分析，以便在操作环境90内识别并标记例如由(行进更远并且因此后来到达且具有较低RSSI的)真实信号响应的反射所产生的伪发射机信号响应。
通过聚集方向性天线信号波束，包括将来自多个SASL 75的询问信号应用于空间中的公共坐标，RFID标签也能够以增加的距离进行通信，而不超过可容许的功率电平。
本领域的普通技术人员得知并且理解，如此处所使用的，对RFID标签85的跟踪的参考涵盖已粘贴到RFID标签85或者相反物理地与RFID标签85相关联的各项目(包括零售项目)的跟踪。
定位和跟踪RFID标签85的替代方法包括下列步骤：提供相位阵列可操纵天线15；提供RFID读卡机20，该RFID读卡机20与相位阵列可操纵天线15操作性通信并且能够生成特定协议的RFID RF波形；提供与相位阵列可操纵天线15操作性通信的BSU 25；提供与波束操纵单元25操作性通信的波束操纵单元控制器30；提供与波束操纵单元控制器30操作性通信的控制计算机35；生成RF波束；以及，生成响应，读取和或询问RFID标签85。
每个可分别包括在上面方法中的另外附加和或替代步骤可以包括：通过衰减器50和或功率放大器45发送特定协议的RFID RF波形；生成RF波束，所述RF波束优选地在相位阵列可操纵天线15处具有最大可容许功率。可以在控制计算机35的控制下经由RFID读卡机20进行询问；独立地控制至少一个操作性可控通道；协作地操作波束操纵单元25和波束操纵单元控制器30，以便在多于一个轴上导向相位阵列可操纵天线15的信号波束，并且优选地包括在两个轴上控制相位阵列可操纵天线15。
涉及基于响应而定位RFID标签85的附加步骤可以包括计算RFID标签85与参考点之间的距离和或跟踪RFID标签85相对于参考点的连续位置。
涉及RF波束的方向性的附加步骤可以包括：利用BSU控制器30控制BSU 25；利用BSU 25控制RF波束以便控制RF波束的方向；控制相位阵列可操纵天线15的物理方位；经由以太网提供波束操纵单元控制器30与控制计算机35之间的通信；和或经由诸如RS-232之类的串行通信协议，提供波束操纵单元控制器30与RFID读卡机20之间的通信。
涉及至少两个相位阵列可操纵天线15实施例的附加步骤(其中RFID标签数据与电子价格代码(EPC)相关联)包括：校准至少两个相位阵列可操纵天线15，以便将天线15与已知全局坐标最佳地对准；将RFID读卡机20配置成其工作环境的性质；利用一个天线15执行可视区域的二维光栅扫描；利用一个或多个波束区域计算可视区域的最小覆盖范围；为光栅扫描定义操纵方向集合；使用一个天线来确定一个或多个RFID标签是否存在于波束区域中；保存EPC列表；估计至少一个RFID标签在一个或多个波束区域中的预期位置；将RFID标签的预期位置投影到全局坐标；估计最概然共轭对(“PGPt1”)；使用RFID标签高度的估计随机分布和PGPt1，计算全局坐标中的RFID标签投影相对于其它天线(“PGPt2”)的最可能位置；计算PGPt2的逆在全局坐标中的投影，以产生用于其它天线的最概然操纵方向；利用其它天线沿由PGPt2的平面点投影表示的方向读取；使用PGPt1和PGPt2三角测量所述其它天线看到的任何RFID标签；使用PGPt1和PGPt2三角测量RFID标签是否不被所述其它天线看到，只要这个位置仍旧很可能作为所述RFID标签的位置；和对于每个波束区域重复这些步骤。
上述实施例可以进一步包括相对于所存储的中间和或历史数据的后处理(如必需的话)，例如：使用对RFID标签收集的数据估计RFID标签被看到的时间范围；使用例如迭代加权健壮最小平方估算将一个模型适用于由共轭光栅扫描产生的(x，y，z，t)数据；使用RFID标签的估计运动模型，在时间间隔t上计算RFID标签轨道；和使用RFID标签轨道的导数来跟踪RFID标签的方向。
在本发明的实施例中，相位阵列可操纵天线15和RFID标签可以在超过二十尺的距离，优选地在超过四十尺的距离，更优选地在超过五十尺的距离，甚至更优选地在超过六十尺的距离进行通信。
本领域的普通技术人员将会理解，某些制定规章的权力机构已经对于某些类型的天线已经设定了关于最大可容许功率的标准和规则，例如包括但不限于联盟通信委员会(“FCC”)的那些代理。当FCC发布那些规则时，那些规则此处不受限制，并且本发明清楚地涵盖了所有适当的功率值。
本领域的普通技术人员将会得知且理解，如此处所使用的，对波束区域和或图案的参考可以包括可能涵盖圆形的椭圆形。而且，波束图案可能具有椭圆以外的形状。
本领域的普通技术人员将会理解，除了此上的操作方法，本发明提供了许多优势，包括易于安装并且极大地简化了功率和或由根据本发明的SASL75提供的通信互连需求。
本发明的另一优势通过使用多个SASL 75能够容易灵活地实现，其中所述多个SASL 75中的每一个可以在中央控制计算机35的指导下被利用来增加正被监控的整体区域的大小，以便提供附加的数据点以提高三角测量计算的精度，以及也增加询问信号的数量，因此得到的信号功率电平可被集中到空间中的单个点。
本发明的又一优势是提供可操纵相位阵列天线和RFID读卡机的组合以便生成射频(“RF”)以询问和读取RFID标签，从而实现明显改善的多径安全性(multipath immunity)。
部件的表格
  10   智能跟踪和控制系统
  15   相位阵列可操纵天线
  20   RFID读卡机
  25   波束操纵单元
  30   波束操纵单元控制器
  35   控制计算机
  37   操作器接口
  40   放大子系统
  45   放大器
  50   衰减器
  55   循环器
  60   功率分配器/组合器
  65   天线元件
  70   移相器
  75   信号获取和源定位模块
  77   网络转接
  80   电源
  10   智能跟踪和控制系统
  85   RFID标签
  90   操作环境
在前面描述中已经对具有已知等价物的比率、整数、组件或模块进行了参考，因此所述等价物并入于此就象单独阐述一样。
尽管通过本发明实施例的描述已经例示了本发明，并且尽管相当详细地描述了实施例，但是申请人并不试图将所附权利要求的范畴约束或者以任何方式限制为所述细节。另外的优点和修改对本领域的普通技术人员来说将是容易看出的。因此，本发明在其更广方面上不限于所示和所述的特定细节、代表性装置、方法和示例性示例。因此，在不背离申请人总的发明概念的精神或范畴的情况下，可以对所述细节做出背离。而且，将会理解，在不背离由所附权利要求定义的本发明的范畴或精神的情况下，可以对本发明进行改进和/或修改。

Claims (23)

1.一种RFID标签定位器和跟踪系统，包括：
拥有多个天线元件的相位阵列可操纵天线；
RFID读卡机，与所述相位阵列可操纵天线操作性通信；
波束操纵单元，与所述多个天线元件操作性通信；
波束操纵单元控制器，与所述波束操纵单元操作性通信；和
控制计算机，与所述波束操纵单元控制器操作性通信。
2.如权利要求1所述的RFID标签定位器和跟踪系统，其中所述多个天线元件包括至少一个圆极化贴片天线；和
所述相位可操纵天线具有至少一个可独立控制的通道。
3.如权利要求2所述的RFID标签定位器和跟踪系统，其中所述相位阵列可操纵天线、所述RFID读卡机、所述波束操纵单元和所述波束操纵单元控制器被集成到一个具有共同外壳的模块。
4.如权利要求1所述的RFID标签定位器和跟踪系统，其中所述波束操纵单元和所述波束操纵单元控制器在多于一个轴上协作并控制所述相位阵列可操纵天线。
5.如权利要求1所述的RFID标签定位器和跟踪系统，其中所述RFID读卡机生成RF波束以获得来自RFID标签的响应，从而计算RFID标签与参考点之间的距离。
6.如权利要求1所述的RFID标签定位器和跟踪系统，其中所述RFID读卡机生成RF波束以获得来自RFID标签的响应，从而计算RFID标签与参考点之间的方向。
7.如权利要求1所述的RFID标签定位器和跟踪系统，其中所述RFID读卡机生成RF波束以获得来自RFID标签的响应，从而计算并跟踪RFID标签相对于参考点的实时位置。
8.一种定位和跟踪RFID标签的方法，包括步骤：
提供相位阵列可操纵天线；
提供与所述相位阵列可操纵天线操作性通信的RFID读卡机；
提供与所述相位阵列可操纵元件操作性通信的波束操纵单元；
提供与所述波束操纵单元操作性通信的波束操纵单元控制器；
提供与所述波束操纵单元控制器操作性通信的控制计算机；
生成特定协议的RFID RF波形，并且经由所述相位阵列可操纵天线对其进行发射；和
询问所述RFID标签。
9.如权利要求8所述的方法，还包括：从所述RFID读卡机通过衰减器和功率放大器发送所述特定协议的RFID RF波形。
10.如权利要求8所述的方法，其中所述相位阵列可操纵天线由具有可独立控制的通道的至少一个操作性圆极化贴片天线组成；和
所述至少一个操作性可控通道被独立地控制。
11.如权利要求8所述的方法，还包括：在多于一个轴上控制所述相位阵列可操纵天线。
12.如权利要求8所述的方法，还包括：在两个轴上控制所述相位阵列可操纵天线。
13.如权利要求8所述的方法，还包括：
获得来自RFID标签的响应；和
计算RFID标签与参考点之间的距离。
14.如权利要求8所述的方法，还包括：
获得来自RFID标签的响应；和
计算RFID标签与参考点之间的方向。
15.如权利要求8所述的方法，还包括：
获得来自RFID标签的响应；和
计算RFID标签相对于参考点的位置。
16.一种在使用电子价格代码的环境中定位和跟踪RFID标签的方法，包括步骤：
校准至少两个相位阵列可操纵天线，以便将所述天线与已知全局坐标最佳地对准；
对于工作环境配置RFID读卡机；利用第一天线执行所述工作环境的可视区域的二维光栅扫描；利用一个或多个波束区域计算所述可视区域的最小覆盖范围；
对于光栅扫描定义操纵方向集合；
使用所述第一天线确定一个或多个RFID标签是否存在于所述波束区域中；
保存电子价格代码列表；
估计至少一个RFID标签在所述波束区域中的预期位置；
将所述RFID标签的预期位置投影到全局坐标；
估计最概然共轭对(“PGPt1”)；
使用RFID标签高度的估计随机分布和PGPt1，计算全局坐标中的RFID标签投影相对于第二天线(“PGPt2”)的最可能位置；
计算PGPt2的逆在全局坐标中的投影，以产生用于所述第二天线的最概然操纵方向；
利用其它天线沿由PGPt2的平面点投影表示的方向读取；
使用PGPt1和PGPt2三角测量所述其它天线看到的任何RFID标签；
使用PGPt1和PGPt2三角测量RFID标签是否不被所述其它天线看到，只要这个位置仍旧很可能作为所述RFID标签的位置；和
对于每个波束区域重复这些步骤。
17.如权利要求18的方法，还包括：
利用针对RFID标签收集的数据估计RFID标签被看到的时间范围；
使用迭代加权健壮最小平方估计将一模型应用于通过共轭光栅扫描产生的(x，y，z，t)数据；
使用RFID标签的估计运动模型计算时间间隔t上的RFID标签轨道；和
使用所述RFID标签轨道的导数跟踪RFID标签的方向。
18.一种定位和跟踪RFID标签的方法，包括步骤：
利用来自第一相位阵列可操纵天线的第一可操纵信号波束询问信号来扫描操作环境；
将RFID标签响应信号存储在数据矩阵中，所述数据矩阵包括当接收到每个响应信号时的第一可操纵信号波束的方向矢量和提供响应信号的所述RFID标签的标识；
扫描来自第二相位阵列可操纵天线的第二可操纵信号波束询问信号的操作环境的子集环境；
将RFID标签响应信号存储在数据矩阵中，所述数据矩阵包括当接收到每个响应信号时的第二可操纵信号波束的方向矢量和提供响应信号的所述RFID标签的标识；和
对所述标识相同的每个响应信号三角测量响应信号初始位置。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述数据矩阵驻留于控制计算机中。
20.如权利要求18所述的方法，其中每个响应信号的数据矩阵包括接收时间。
21.如权利要求18所述的方法，其中随时间的连续扫描每个被存储在所述数据矩阵中。
22.如权利要求18所述的方法，其中所述数据矩阵被分析来识别和标记被接收到的任意伪发射机响应信号；
所述伪发射机响应信号是一组具有公共标识的响应信号内的任意信号，所述一组响应信号不是具有所述询问信号发射和所述响应信号接收之间的最短时间的响应信号。
23.如权利要求18所述的方法，其中与每个响应信号相关联的返回信号强度指示符被存储在数据矩阵中。
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