CN108337646B - 一种基于超高频rfid的果园单轨运输机定位系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于超高频RFID的果园单轨运输机定位系统及方法，在单轨轨道和运输机的基础上，结合主控处理器、RFID阅读器、第一、二RFID单向天线和多个无源抗金属标签组成超高频RFID定位系统，通过对RSSI数据进行处理计算实现对果园单轨运输机的在轨位置信息实时感知。该定位方法适用性强，RFID阅读器可在非视距条件下非接触读取在轨标签数据，不受光照和枝叶遮挡等影响；采用第一、二RFID单向天线读取对应的RSSI数据的对比方式来降低工作环境中果树树冠及地势变化等对无线信号传播造成的影响，从而降低运输机定位误差，提高定位精度。

Description

一种基于超高频RFID的果园单轨运输机定位系统及方法
技术领域
本发明涉及农机定位的技术领域，尤其涉及到一种基于超高频RFID的果园单轨运输机定位系统及方法。
背景技术
我国岭南地区盛产荔枝、柑橘等岭南佳果，受区域地形地貌影响，果园多分布在丘陵山地中。山地果园立地条件较差，地势起伏不平，植保作业、农资和果品运输主要依靠人工或小型农用车等运送方式，效率低、劳动强度大、人工费用高，作业环境存在安全隐患。普通的轮式或者履带式拖拉机不适宜在大坡度山地果园中作业，难以形成完善的交通运输网络。单轨运输机具有爬坡能力强、转弯半径小、可靠性高等特点，适用于山地果园的运输作业。
运输机轨道沿果园山势搭建，穿梭作业时极易受到果树遮挡，导致操作人员无法全程实时遥控运输机。因此，单轨运输机应具有自主到达指定方位的功能，这是实现精准农业的必要前提，而精确感知自身在轨位置是实现运输机自主运行的关键。
当前农机位置感知技术主要采用相对位置感知和绝对位置感知两种方法。其中，机器视觉是相对位置感知方法的典型代表，具有定位速度快，定位精度高等特点。但是，该类定位技术应用成本较高，定位结果受光照和枝叶遮挡等影响，不适用于密集种植的果园。作为绝对位置感知方法的典型代表技术，GPS(全球定位系统)适用于大区域平整农田中的农机定位，山地果园中果树树冠及地势变化均对其信号传播造成严重影响，从而定位精度受限。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种应用成本较低、适应性强、定位精度高的基于超高频RFID的果园单轨运输机定位系统。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：
包括单轨轨道、设置在单轨轨道上的运输机、RFID阅读器、主控处理器、第一、二RFID单向天线、多个无源抗金属标签；其中，多个无源抗金属标签设置在单轨轨道侧边，无源抗金属标签之间的间隔相等；第一、二RFID单向天线分别安装在运输机的前后两端，分别与其射频信号发射方向的无源抗金属标签无线连接，读取对应的RSSI数据；RFID阅读器和主控处理器均安装在运输机内，主控处理器通过RFID阅读器分别与第一、二RFID单向天线连接，将第一、二RFID单向天线读取到的RSSI数据上传至主控处理器。
为实现上述目的，本发明另外提供一种用于该基于超高频RFID的果园单轨运输机定位系统的方法：包括以下步骤：
S1、获取无源抗金属标签a和无源抗金属标签b(无源抗金属标签a和无源抗金属标签b为多个无源抗金属标中的其中两个)之间的间隔d1以及第一、二RFID单向天线到单轨轨道的距离d2；
S2、运输机在轨道上，自无源抗金属标签a处开始移动，至无源抗金属标签b处停止；
S3、主控处理器通过RFID阅读器接收第一、二RFID单向天线分别读取其射频信号发射方向的无源抗金属标签的RSSI数据，包括RSSIa和RSSIb；
S4、根据基于通信距离的射频信号路径损耗模型推导，RSSIa和RSSIb的数据差值与对应的RFID单向天线和无源抗金属标签之间的通信距离比值对数呈负相关，如下式所示：
RSSIa-RSSIb＝βx+γ
式中，变量x＝lg(d4/d3)，d3为第一RFID单向天线与无源抗金属标签a之间的通信距离，d4为第二RFID单向天线与无源抗金属标签b之间的通信距离；β和γ为待拟合的公式参数；
S5、主控处理器基于步骤S3得到的RSSI数据，使用最小二乘法对公式RSSIa-RSSIb＝βx+γ进行拟合，得到适用于当前工作环境的定位参数β和γ；
S6、主控处理器基于步骤S5得到拟合的定位参数β和γ，通过对新读取的RSSI数据进行计算，利用公式RSSIa-RSSIb＝βx+γ可得到变量x＝lg(d4/d3)；
S7、主控处理器基于步骤S6得到第一、二RFID单向天线与对应无源抗金属标签之间的通信距离比值对数，结合无源抗金属标签之间的间隔d1，第一、二RFID单向天线到单轨轨道的距离d2，以及第一、二RFID单向天线之间的间隔dg，使用如下公式计算出运输机的当前在轨位置da：
Figure BDA0001529589610000031
与现有技术相比，本方案原理和优点如下：
在单轨轨道和运输机的基础上，结合主控处理器、RFID阅读器、第一、二RFID单向天线和多个无源抗金属标签组成超高频RFID定位系统，通过对RSSI数据进行处理计算实现对果园单轨运输机的在轨位置信息实时感知。该定位方法适用性强，RFID阅读器可在非视距条件下非接触读取在轨标签数据，不受光照和枝叶遮挡等影响；采用第一、二RFID单向天线读取对应的RSSI数据的对比方式来降低工作环境中果树树冠及地势变化等对无线信号传播造成的影响，从而降低运输机定位误差，提高定位精度。
附图说明
图1为本发明一种基于超高频RFID的果园单轨运输机定位系统的示意图；
图2为本发明一种基于超高频RFID的果园单轨运输机定位方法的数据原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：
本实施例所述的一种基于超高频RFID的果园单轨运输机定位系统，如图1所示，包括单轨轨道1、设置在单轨轨道1上的运输机2、RFID阅读器3、主控处理器4、第一、二RFID单向天线5、6、多个无源抗金属标签；其中，所述多个无源抗金属标签设置在单轨轨道1侧边，无源抗金属标签之间的间隔相等；第一、二RFID单向天线5、6分别安装在运输机2的前后两端，分别与其射频信号发射方向的无源抗金属标签无线连接，读取对应的RSSI数据；RFID阅读器3和主控处理器4均安装在运输机2内，主控处理器4通过RFID阅读器3分别与第一、二RFID单向天线5、6连接，将第一、二RFID单向天线5、6读取到的RSSI数据上传至主控处理器4。
定位时，具体步骤如下：
S1、获取无源抗金属标签a和无源抗金属标签b(无源抗金属标签a和无源抗金属标签b为多个无源抗金属标中的其中两个)之间的间隔d1以及第一、二RFID单向天线5、6到单轨轨道1的距离d2；
S2、运输机2在单轨轨道上1，自无源抗金属标签a处开始移动，至无源抗金属标签b处停止；
S3、主控处理器4通过RFID阅读器3接收第一、二RFID单向天线5、6分别读取其射频信号发射方向的无源抗金属标签的RSSI数据，包括RSSIa和RSSIb；本实施例采集数据如表1所示；
Figure BDA0001529589610000041
Figure BDA0001529589610000051
表1
S4、根据基于通信距离的射频信号路径损耗模型推导，RSSIa和RSSIb的数据差值与对应的RFID单向天线和无源抗金属标签之间的通信距离比值对数呈负相关，如下式所示：
RSSIa-RSSIb＝βx+γ
式中，变量x＝lg(d4/d3)，d3为第一RFID单向天线5与无源抗金属标签a之间的通信距离，d4为第二RFID单向天线6与无源抗金属标签b之间的通信距离；β和γ为待拟合的公式参数；
S5、主控处理器4基于步骤S3得到的RSSI数据，使用最小二乘法对公式RSSIa-RSSIb＝βx+γ进行拟合，得到适用于当前工作环境的定位参数β和γ；本实施例拟合的公式参数如表2所示；
Figure BDA0001529589610000052
表2
S6、主控处理器4基于步骤S5得到拟合的定位参数β和γ，通过对新读取的RSSI数据进行计算，利用公式RSSIa-RSSIb＝βx+γ可得到变量x＝lg(d4/d3)；
S7、主控处理器4基于步骤S6得到第一、二RFID单向天线5、6与对应无源抗金属标签之间的通信距离比值对数，结合无源抗金属标签之间的间隔d1，第一、二RFID单向天线5、6到单轨轨道1的距离d2，以及第一、二RFID单向天线5、6之间的间隔dg，如图2所示，使用如下公式计算出运输机2的当前在轨位置da：
Figure BDA0001529589610000061
本实施例的单轨轨道1上运输机2定位结果分析如表3所示；
Figure BDA0001529589610000062
表3
在单轨轨道和运输机的基础上，结合主控处理器、RFID阅读器、第一、二RFID单向天线和多个无源抗金属标签组成超高频RFID定位系统，通过对RSSI数据进行处理计算实现对果园单轨运输机的在轨位置信息实时感知。该定位方法适用性强，RFID阅读器可在非视距条件下非接触读取在轨标签数据，不受光照和枝叶遮挡等影响；采用第一、二RFID单向天线读取对应的RSSI数据的对比方式来降低工作环境中果树树冠及地势变化等对无线信号传播造成的影响，从而降低运输机定位误差，提高定位精度。
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于超高频RFID的果园单轨运输机定位系统，包括单轨轨道(1)、设置在单轨轨道(1)上的运输机(2)，其特征在于：还包括RFID阅读器(3)、主控处理器(4)、第一、二RFID单向天线(5、6)、多个无源抗金属标签；其中，所述多个无源抗金属标签设置在单轨轨道(1)侧边，无源抗金属标签之间的间隔相等；第一、二RFID单向天线(5、6)分别安装在运输机(2)的前后两端，分别与其射频信号发射方向的无源抗金属标签无线连接，读取对应的RSSI数据；RFID阅读器(3)和主控处理器(4)均安装在运输机(2)内，主控处理器(4)通过RFID阅读器(3)分别与第一、二RFID单向天线(5、6)连接，将第一、二RFID单向天线(5、6)读取到的RSSI数据上传至主控处理器(4)；
包括以下步骤：
S1、获取无源抗金属标签a和无源抗金属标签b之间的间隔d1以及第一、二RFID单向天线(5、6)到单轨轨道(1)的距离d2；
S2、运输机(2)在单轨轨道(1)上，自无源抗金属标签a处开始移动，至无源抗金属标签b处停止；
S3、主控处理器(4)通过RFID阅读器(3)接收第一、二RFID单向天线(5、6)分别读取其射频信号发射方向的无源抗金属标签的RSSI数据，包括RSSIa和RSSIb；
S4、根据基于通信距离的射频信号路径损耗模型推导，RSSIa和RSSIb的数据差值与对应的RFID单向天线和无源抗金属标签之间的通信距离比值对数呈负相关，如下式所示：
RSSIa-RSSIb＝βx+γ
式中，变量x＝lg(d4/d3)，d3为第一RFID单向天线(5)与无源抗金属标签a之间的通信距离，d4为第二RFID单向天线(6)与无源抗金属标签b之间的通信距离；β和γ为待拟合的公式参数；
S5、主控处理器(4)基于步骤S3得到的RSSI数据，使用最小二乘法对公式RSSIa-RSSIb＝βx+γ进行拟合，得到适用于当前工作环境的定位参数β和γ；
S6、主控处理器(4)基于步骤S5得到拟合的定位参数β和γ，通过对新读取的RSSI数据进行计算，利用公式RSSIa-RSSIb＝βx+γ可得到变量x＝lg(d4/d3)；
S7、主控处理器(4)基于步骤S6得到第一、二RFID单向天线(5、6)与对应无源抗金属标签之间的通信距离比值对数，结合无源抗金属标签之间的间隔d1，第一、二RFID单向天线(5、6)到单轨轨道(1)的距离d2，以及第一、二RFID单向天线(1)之间的间隔dg，使用如下公式计算出运输机(2)的当前在轨位置da：
Figure FDA0002415799360000021
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