CN103630875B

CN103630875B - 一种射频识别定位方法及装置

Info

Publication number: CN103630875B
Application number: CN201310597119.7A
Authority: CN
Inventors: 杨国; 彭天柱; 王金龙
Original assignee: ZTE Intelligent IoT Technology Co Ltd
Current assignee: ZTE Intelligent IoT Technology Co Ltd
Priority date: 2013-11-21
Filing date: 2013-11-21
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2033-11-21
Also published as: CN103630875A

Abstract

本发明实施例提供了一种射频识别定位方法和装置，能实时精确定位，有效避免信号强度衰减等因素对定位产生的影响。该方法包括:采集样本标签距离三个天线的反馈信号强度，建立样本标签距每个天线的距离与反馈信号强度之间关系的样本数据库,其中所述三个天线中的每个天线分别对应三维空间的一个坐标轴，且所述三个天线不处于一条直线上；接收到一被测标签距离每一个天线的反馈信号强度；将每一个天线接收到的所述被测标签的反馈信号强度与样本数据库进行匹配，得出所述被测标签与每一个天线的距离估计值；利用所述被测标签与每一个天线的距离估计值求得所述被测标签的坐标值。

Description

一种射频识别定位方法及装置

技术领域

本发明涉及定位技术领域，具体涉及一种射频识别定位方法及装置。

技术背景

射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)定位技术是一种通过无线电信号识别待定目标标签并读写相关数据的技术。射频识别定位主要采取的方法有到达角度定位（AOA），反馈信号强度定位（RSSI），到达时间定位（TOA）、到达时差定位（TDOA）和混合定位方法等。

AOA技术需要复杂的天线阵进行测量，而且室内电波传播环境极其复杂，受到严重的多径影响，AOA测量精度很低；TOA以及TDOA技术对定位系统定位设备的要求较高，且定位精度也较低；RSSI技术在室内定位系统中，由于室内环境复杂，信号在室内环境中的非视距(NLOS)传输效应、多径传播效应、信号强度衰减规律等因素都会对包括RSSI定位方法在内的以上定位方法的定位性能产生严重的干扰，影响定位精度。

此外，随着仓储管理的完整化、系统化，对仓储物流进行实时、精确的定位以及测速对仓储管理的良好运行起着重要的作用，单纯的对目标进行定位而无法获取速度信息已经无法满足仓储管理的需求。另外，由于RFID阅读器发射功率、作用距离及天线增益的影响，为了达到预期的有效信号覆盖范围，现有的RFID阅读器都采用极化定向天线而非全向天线。极化定向天线在各个方向的增益不尽相同，RSSI测距时容易产生距离模糊。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种射频识别定位方法和装置，能实时精确定位，有效避免信号强度衰减等因素对定位产生的影响。

本发明实施例提供了一种射频识别定位方法，包括:

采集样本标签距离三个天线的反馈信号强度，建立样本标签距每个天线的距离与反馈信号强度之间关系的样本数据库,其中所述三个天线中的每个天线分别对应三维空间的一个坐标轴，且所述三个天线不处于一条直线上；

接收到一被测标签距离每一个天线的反馈信号强度；

将每一个天线接收到的所述被测标签的反馈信号强度与样本数据库进行匹配，得出所述被测标签与每一个天线的距离估计值；

利用所述被测标签与每一个天线的距离估计值求得所述被测标签的坐标值。

其中，所述采集样本标签距离三个天线的反馈信号强度，建立样本标签距每个天线的距离与反馈信号强度之间关系的样本数据库包括：

设置所述三个天线，使得所述三个天线的主瓣方向分别对着所述被测对象运动路线坐标系的X轴、Y轴和Z轴；

在所述被测对象运动路线上布置多个所述样本标签，在被测对象上布置至少一个被测标签；

所述三个天线向所述样本标签以及所述被测标签发射信号，并接收来自所述样本标签以及所述被测标签的反馈信号；

根据所述每个样本标签距每个天线的距离，以及每个天线收到的每个样本标签的反馈信号强度，建立所述样本数据库。

其中，所述建立样本标签距每个天线的距离与反馈信号强度之间关系的样本数据库包括：采用多项式拟合建模得到拟合曲线的方式建立样本数据库。

其中，所述得出所述被测标签与每一个天线的距离估计值包括：

在所述拟合曲线的每个单调变化区间内，选取反馈信号强度与该被测标签的实测反馈信号强度最接近的样本点的距离值，作为所述被测标签分别距每个天线的距离估计值。

其中，所述利用所述被测标签与每一个天线的距离估计值求得所述被测标签的坐标值包括：

利用所述被测标签距每一个天线的距离估计值，采用最小二乘法求解矩阵方程，得到所述被测标签的坐标估计值。

其中，当所述被测标签与被测对象的相对位置已知时，所述利用所述被测标签与每一个天线的距离估计值求得所述被测标签的坐标值包括：

利用所述被测标签距每一个天线的距离估计值以及所述被测标签与被测对象的相对位置，采用最小二乘法求解矩阵方程，得到所述被测标签的坐标估计值。

其中，所述利用所述被测标签与每一个天线的距离估计值求得所述被测标签的坐标值进一步包括：

求得所述被测标签的坐标估计值距每一个天线的距离值，并将所述距离值与所述被测标签距每一个天线的距离估计值做残差，将残差最小的坐标估计值作为所述被测标签的坐标值。

其中，当所述被测对象上仅有一个被测标签时，所述方法进一步包括：将所述被测标签的坐标值作为所述被测对象的坐标值。

其中，当所述被测对象上有多个被测标签时，所述方法进一步包括：

确认被测对象上每个被测标签的坐标值，利用所述被测对象上所有所述被测标签的坐标值确定所述被测对象的坐标值。

其中，当所述被测标签与被测对象之间的相对位置未知时，所述利用所述被测对象上所有所述被测标签的坐标值确定所述被测对象的坐标值包括：

将求得的所有被测标签坐标值的平均值作为所述被测对象的坐标值。

其中，当被测标签与被测对象之间的相对位置已知时，所述利用所述被测对象上所有所述被测标签的坐标值确定所述被测对象的坐标值包括：

利用被测标签与被测对象之间的相对位置得到所述被测对象的坐标值。

其中，所述方法进一步包括：利用被测对象两个不同时刻的坐标值求得被测对象的运行速度。

其中，当所述两个不同时刻之间的间隔足够小时，所得到的被测对象的运行速度为瞬时速度。

其中，包括：数据库模块、获取模块、对比模块以及分析排错模块，且以上模块依次连接；

其中，所述数据库模块采集以固定步进布置的样本标签的反馈信号强度，建立样本标签距天线的距离与反馈信号强度之间关系的样本数据库；

所述获取模块获取被测标签的反馈信号强度；

所述对比模块将被测标签的反馈信号强度与数据库中的样本数据库进行匹配，得到被测标签的距离估计值；

所述分析排错模块利用被测标签的距离估计值求出被测标签的坐标值。

本发明实施例所提供的射频识别定位方法和装置，首先通过多项式拟合建立样本坐标值数据库，再将实测数据与数据库中的样本比对。有效的避免了室内复杂的信道环境对距离测量所产生的影响。

本发明实施例所提供的射频识别定位方法和装置充分的考虑了因阅读器采用极化定向天线所带来的对测距定位产生的影响，通过最小距离残差法，有效解决测距定位模糊的问题。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的射频识别定位系统的结构示意图。

图2为本发明一实施例提供的射频识别定位方法的流程图。

图3为本发明一实施例提供的射频识别定位方法的拟合曲线示意图。

图4为本发明一实施例提供的射频识别标签在被测对象上的分布示意图。

图5为本发明一示例提供的被测对象的定位误差曲线。

图6为本发明一示例提供的被测对象的测速误差曲线。

图7为本发明一示例提供的被测对象的正确定位比例示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例所提供的射频识别定位方法，通过采集样本标签的反馈信号强度，建立样本标签距天线的距离与反馈信号强度之间关系的样本数据库；当接收到被测对象上一被测标签的反馈信号时，将该反馈信号强度与样本数据库中的数据进行匹配，得出该被测标签距天线的距离估计值，再通过所述距离估计值求得该被测标签的坐标估计值，将所述坐标估计值距天线的距离值与所述距离估计值做残差，将残差最小的坐标估计值作为被测标签的坐标值。最后利用被测标签的坐标值确定被测对象的坐标值。

在本发明一实施例中，通过一个射频识别系统来采集样本标签以及被测标签的反馈信号强度。图1为该射频识别系统的一个示意图，如图1所示，该系统包括：阅读器101，三个天线111、112和113，多个样本标签114，被测对象115以及被测标签116。其中，三个天线111、112和113与阅读器101相连，三个天线中的每个天线代表三维空间的一个坐标轴，且所述三个天线不处于一条直线上；具体来说，将三个天线的主瓣方向分别对着所述被测对象运动路线坐标系的X轴、Y轴和Z轴。在图1中，天线111对应X轴，天线112对应Z轴，天线113对应Y轴。

样本标签114以固定或变化的步进布置在被测对象115的运动路线上，其中样本标签114的布置位置可以由所需要的采样精度决定；被测标签116位于被测对象115上。

三个天线向样本标签114以及被测标签116发射信号，并接收来自样本标签114以及被测标签116的反馈信号，阅读器101接收并分析反馈信号。

这里，利用三个天线采集到的被测标签距这三个天线的反馈信号强度，可得到多个距离估计值，由该多个距离估计值代入矩阵方程可求得被测标签在x轴、y轴以及z轴三个坐标轴上的坐标值，进而得到被测标签的三维坐标值。

在本发明一实施例中，被测对象115以一定速度运动于三个天线的一侧。

当被测对象115上只有一个被测标签116时，则可用一个被测标签116的坐标值来代表被测对象115的坐标值；当被测对象115上有多个被测标签116时，则需要利用多个被测标签116的坐标值求得被测对象115的坐标值。

图2所示为本发明实施例提供的射频识别定位方法的流程图，定位过程要使用图1所示的射频识别系统，该方法包括：

步骤201：采集样本标签距离三个天线的反馈信号强度，建立样本标签距每个天线的距离与反馈信号强度之间关系的样本数据库,其中所述三个天线中的每个天线分别对应三维空间的一个坐标轴。

在本发明一实施例中，当采取样本数据的天线采用的是极化定向天线时，实测数据中的距离为水平距离，因此传统的路损模型不适合用于反馈信号强度建模，并且受测量环境的影响，测量的样本数据存在波动，这种情况下，可以采用多项式拟合建模得到拟合曲线的方式来建立样本数据库。

步骤202：接收到一被测标签距离每一个天线的反馈信号强度。

步骤203：将每一个天线接收到的所述被测标签的反馈信号强度与样本数据库进行匹配，得出所述被测标签与每一个天线的距离估计值。

当作为样本数据库的拟合曲线是单调变化时，可由拟合曲线直接读取该被测标签分别距三个天线的距离估计值。

当作为样本数据库的拟合曲线不是单调变化时，在所述拟合曲线的每个单调变化区间内，选取反馈信号强度与该被测标签的实测反馈信号强度最接近的样本点的距离值作为该被测标签分别距三个天线的距离估计值，这样可得到与多个单调变化区间对应的多个距离估计值。

步骤204：利用所述被测标签与每一个天线的距离估计值求得所述被测标签的坐标值。

当该被测标签与被测对象的相对位置已知时，由于需要考虑被测对象的体积尺寸，除要利用被测标签分别距三个天线的距离估计值外，还需利用该被测标签与被测对象的相对位置，并采用最小二乘法求解矩阵方程，得到该被测标签的三维坐标估计值。

由于已知三个天线的坐标值，此时将该被测标签的坐标估计值距三个天线的距离值，与该被测标签距三个天线的距离估计值（由步骤203中得出）做残差，将残差最小的坐标估计值作为该被测标签的坐标值。

当被测对象上仅有一个被测标签时，则将该被测标签的坐标值作为该被测对象的坐标值。

当被测对象上有多个被测标签时，可以通过如下步骤来进一步确认该被测对象的坐标值。

重复执行步骤202至步骤204直至获得每个被测标签的坐标值。如果多个被测标签与被测对象之间的相对位置未知，将求得的所有被测标签坐标值的平均值作为被测对象的坐标值。如果多个被测标签与被测对象之间的相对位置已知，利用多个被测标签与被测对象之间的相对位置，直接得到所述被测对象的坐标值。

下面详细说明以上每个步骤的执行过程。

首先，利用多项式拟合建立样本数据库的过程可以是：将每个样本标签距每个天线之间的距离值与其反馈信号强度作为多项式的数组，代入多项式公式求得多项式系数，得到每个样本标签与天线之间的反馈信号强度随距离值变化的拟合曲线，并以拟合曲线上的点的坐标值为样本点建立样本数据库。

在本发明一实施例中，所采用的多项式公式为：p_r(d)=a_n+1dⁿ+a_nd^n-1+…+a₂d+a₁

其矩阵形式为：

求解得：

θ=(A^TA)^-1A^TP

其中，n为样本标签的数量；d为一个变量，代表样本标签距天线的距离值；p_r(d)为样本标签的反馈信号强度值；θ为所求得的多项式系数。

将θ代入多项式公式得到p_r(d)的拟合曲线；以拟合曲线上的点的坐标值为样本点建立数据库。

当天线是全向天线时，随着距离的增加，反馈信号强度的测量值减少，所得到拟合曲线为单调变化的；当天线是极化定向天线时，所得到拟合曲线不是单调变化的。例如所得到的拟合曲线为抛物线，在某一临界值距离之前，随着距离的增加反馈信号强度值反而是增加的，只有在这个临界值距离之后，反馈信号强度值才是随着距离的增加而减小。该临界值距离由最大天线增益决定。此时，当将该被测标签的实测反馈信号强度值与样本数据库中的反馈信号强度样本值进行匹配时，会获得两个距离估计值。

另外，在所得到的一些拟合曲线中，在某一距离值之后，随着距离的变化，反馈信号强度的变化值不大，即反馈信号强度的微小变化都可能引起距离估计大的偏差，因此在后续的距离估计中，可以舍弃这部分数据。

图3为本发明一实施例提供的射频识别定位方法的拟合曲线示意图。如图3所示的拟合曲线为抛物线，当将t时刻被测标签的实测反馈信号强度值与样本数据库中的反馈信号强度样本值进行匹配时，则获得两个距离估计值。

当已获取某一个被测标签距三个天线的多个距离估计值时，利用该被测标签的多个距离估计值求得该被测对象标签坐标值的过程如下所述：

当获得的该被测标签到三个天线的距离估计值为r_l，l=1，2，3时，假设被测标签的坐标值为(x，y，z)，三个天线的位置为(x_l，y_l，z_l)l=1，2，3。

如果被测标签与被测对象之间的相对位置未知，根据距离公式将其两端去平方并转化为矩阵形式为：

GZ=Y

其中

采用最小二乘法求解上述矩阵等式，可得到该被测标签的坐标估计值：

Z=(G^TG)^-1G^TY，

如果被测标签与被测对象的相对位置已知，则利用该被测对象标签距三个天线的距离估计值以及被测标签与被测对象之间的相对位置，采用最小二乘法解矩阵方程求得被测标签的坐标估计值。

图4为本发明一实施例提供的射频识别标签在被测对象上的分布示意图。如图4所示，被测对象共有A，B，C，D四面，若以天线113为观察视角，A，B，C，D四面分别为被测对象的左面、右面、背面和前面。

假设被测对象的长宽高分别为L,W，H，且被测对象位置为（x，y，0）。每面有两排被测标签，每排有N个被测对象标签。

当该被测标签为被测对象的A面的第1排第i个时，该被测标签坐标为：

当该被测标签为被测对象的B面的第1排的第i个时，该被测标签坐标为：

当该被测标签为被测对象的C面的第1排第i个时，该被测标签坐标为：

当当该被测标签为被测对象的D面的第1排第i个时，，该被测标签坐标为：

以该被测标签为A面所有被测标签第1排中的第i个为例，其到第l个天线的距离为：

其中n为距离估计误差。

将上式展开，并转换为矩阵形式可得：

Aθ=R

其中

θ=[x y x²+y²]^T

采用最小二乘方法求解上矩阵等式，

θ=(A^TA)^-1A^TR

通过θ可得到该被测标签的坐标估计值Z。

此时假设一共得到了该被测标签的j个坐标估计值，记为Z_j，首先通过每个标签的各个坐标估计值Z_j及三个天线的坐标值求出坐标估计值Z_j与三个天线之间的距离R_jl，l=1，2，3，并将R_jl，l=1，2，3与三个天线通过与样本数据库匹配得到的距离估计值r_jl做残差：

找出使距离残差最小的标签坐标估计值Z_j，作为该被测标签的坐标值，从而解决了使用极化定向天线所造成的定位模糊。

本发明以上实施例侧重于对被测对象的定位，在本发明另一实施例中，被测对象为运动中的对象时，还可进一步对运动中的被测对象进行测速。此时，本发明实施例的方法在图2所示方法的基础上，进一步包括：利用被测对象两个不同时刻的坐标值求得被测对象的运行速度。

具体实现过程为：利用相隔为Δt的两个不同时刻的被测对象坐标值求得被测对象的运动距离L，则被测对象在Δt时刻内的平均运行速度V为：

V=L/(△t-Td)

其中，Td为相邻两个反馈信号的路径差引起的时间差。

在本发明一实施例中，Td相对Δt来说相当小，可以忽略不计，即可认为相邻两个反馈信号强度的测量值的测量时间差为Δt。

在本发明一实施例中，两相邻测量时刻间隔Δt足够短时，可认为υ是t时刻的瞬时速度υ(t)。

本发明实施例所提供的定位方法可应用于测速，根据被测对象位置随时间变化的信息获得运动速度信息，填补了目前室内仓库物流RFID测速的空白。

在本发明实施例中，还进一步提供了一个射频识别定位装置，该装置包括：数据库模块、获取模块、匹配模块以及分析排错模块，且以上模块依次连接。

其中，所述数据库模块采集以样本标签的反馈信号强度，建立样本标签距天线的距离与反馈信号强度之间关系的样本数据库。

所述获取模块获取被测标签的反馈信号强度。

所述对比模块将被测标签的反馈信号强度与数据库中的样本数据库进行匹配，得到被测标签的距离估计值。

下面以具体测试环境来验证本发明所提供的射频识别定位方法和装置的使用效果，假设被测对象从（24m，0，0）处以υ=1m/s速度运动到（29m，0，0）处，每隔0.1s采集一次数据，利用这种定位方法得到的定位误差曲线如5所示，测速误差曲线如图6所示，正确定位比例示意图如图7所示。在被测对象的x坐标处于28.4m左右，测试时间为4.5s左右时，被测对象所处区域正对应于作为样品数据库的拟合曲线的峰值区域，各个测距模糊值之间相近，导致最小距离残差法的识别能力较差，但是这段距离区间内的测距模糊值相近也让最后的定位结果在误差允许范围内，因此是可以接受的。

本领域技术人员可以理解，本发明实施例所提供的射频识别定位测速方法和装置不仅可以用于对仓储物流的实时、精确定位测速，在车道上、收费站、十字路口也可以运用本发明所提供的技术方案对带有标签的车辆进行实时、精确的定位、测速。

本领域技术人员可以理解，以上所有的步骤均可以使用程序代码或软件硬件相结合的方式来实现，并不代表实际的实现过程。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种射频识别定位方法，其特征在于，包括:

接收到一被测标签距离每一个天线的反馈信号强度；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采集样本标签距离三个天线的反馈信号强度，建立样本标签距每个天线的距离与反馈信号强度之间关系的样本数据库包括：

设置所述三个天线，使得所述三个天线的主瓣方向分别对着被测对象运动路线坐标系的X轴、Y轴和Z轴；

根据每个所述样本标签距每个天线的距离，以及每个天线收到的每个样本标签的反馈信号强度，建立所述样本数据库。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述建立样本标签距每个天线的距离与反馈信号强度之间关系的样本数据库包括：采用多项式拟合建模得到拟合曲线的方式建立样本数据库。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述得出所述被测标签与每一个天线的距离估计值包括：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述被测标签与每一个天线的距离估计值求得所述被测标签的坐标值包括：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述被测标签与被测对象的相对位置已知时，所述利用所述被测标签与每一个天线的距离估计值求得所述被测标签的坐标值包括：

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述利用所述被测标签与每一个天线的距离估计值求得所述被测标签的坐标值进一步包括：

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当被测对象上仅有一个被测标签时，所述方法进一步包括：将所述被测标签的坐标值作为所述被测对象的坐标值。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当被测对象上有多个被测标签时，所述方法进一步包括：

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，当所述被测标签与被测对象之间的相对位置未知时，所述利用所述被测对象上所有所述被测标签的坐标值确定所述被测对象的坐标值包括：

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，当被测标签与被测对象之间的相对位置已知时，所述利用所述被测对象上所有所述被测标签的坐标值确定所述被测对象的坐标值包括：

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：利用被测对象两个不同时刻的坐标值求得被测对象的运行速度。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，当所述两个不同时刻之间的间隔足够小时，所得到的被测对象的运行速度为瞬时速度。

14.一种定位装置，其特征在于，包括：数据库模块、获取模块、对比模块以及分析排错模块，且以上模块依次连接；

其中，所述数据库模块采集以固定步进布置的样本标签距离三个天线的反馈信号强度，建立样本标签距每个天线的距离与反馈信号强度之间关系的样本数据库,其中所述三个天线中的每个天线分别对应三维空间的一个坐标轴，且所述三个天线不处于一条直线上；

所述获取模块获取被测标签距离每一个天线的反馈信号强度；

所述对比模块将每一个天线接收到的被测标签的反馈信号强度与样本数据库进行匹配，得到被测标签与每一个天线的距离估计值；

所述分析排错模块利用被测标签与每一个天线的距离估计值求出被测标签的坐标值。