CN110109054A - 一种基于相位差校正的rfid定位方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相位差校正的RFID定位方法和装置，通过依据RFID标签间的间距以及干扰角建立的相位差校正模型对RFID标签的相位差矢量进行校正，减少不同RFID标签间相位干扰的影响，提高kNN定位算法的准确性，使RFID标签的定位更准确。

Description

一种基于相位差校正的RFID定位方法和装置

技术领域

本发明涉及数据处理技术领域，特别是一种基于相位差校正的RFID定位方法和装置。

背景技术

RFID(Radio Frequency Identification)技术，即射频识别技术。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，具有读取率高和操作快捷方便等特点；被广泛应用于被广泛应用于物流仓储、资产管理和人员管理等各个领域。

RFID技术中，采用正弦波作为载波信号，根据信号的相位差可以反映信号在整个传输过程中的时延，根据该原理诞生了基于相位差的RFID室内定位。然而，实际应用中邻近的RFID标签之间会产生耦合效应导致相位测量值的偏移，从而影响实际精度。因此，需要对RFID标签间相位干扰的影响因素进行校正。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种基于相位差校正的RFID定位方法和装置，能校正RFID标签间相位干扰，提高定位的准确性。

本发明的第一方面提供了一种基于相位差校正的RFID定位方法，包括：

获取M个阅读器在同一时间周期内发送向N个目标定位标签的第一相位差矢量集合TPⁿ和发送向P个参考标签的第二相位差矢量集合RP^p；

通过相位差校正模型校正P个参考标签的第二相位差矢量集合RP^p得到第三相位差矢量集合RP_C ^p；

结合第一相位差矢量集合TPⁿ和第三相位差矢量集合RP_C ^p利用kNN算法得到N个目标定位标签的坐标；

其中，所述通过相位差校正模型校正P个参考标签的第二相位差矢量集合RP_m ^p得到第三相位差矢量集合RP_C ^p，包括：

获取干扰角矢量：选定一个参考标签作为基础标签以及选定另一个参考标签作为辅助标签，并得到基础标签的干扰角矢量和辅助标签的干扰角矢量

计算相位偏移矢量：输入和至所述相位差校正模型分别得到所述基础标签的相位偏移矢量ZA和所述辅助标签的相位偏移矢量ZB；

计算第三相位差矢量：根据RP_C ⁱ＝RPⁱ+Z_A-Z_B，i∈(1，P)得到校正后的第三相位差矢量RP_C ⁱ；

重复获取干扰角矢量、计算相位偏移矢量和计算第三相位差矢量步骤得到P个参考标签的第三相位差矢量集合RP_C ^p；

第i个目标定位标签到每个阅读器的第一相位差矢量为第j个参考坐标到每个阅读器的第二相位差矢量为第k个参考坐标到每个阅读器的第三相位差矢量为所述相位差校正模型为式中，a、b、a₁、a₂、b₁、b₂、c₁和c₂为常量系数；d为基础标签和辅助标签的间距。

进一步，一种基于相位差校正的RFID定位方法还包括：

系统初始化：设定阅读器的数量M、目标定位标签的数量N、参考标签的数量P、阅读器的坐标和参考标签的坐标。

进一步，所述结合第一相位差矢量集合TPⁿ和第三相位差矢量集合RP_c ^p利用kNN算法得到N个目标定位标签的坐标具体为：

计算相位差欧式距离矢量：根据计算得到第i个目标定位标签到第j个参考坐标的相位差欧式距离；

权重赋值：选择k个相位差欧式距离最小的参考标签并根据相位差欧式距离赋予不同的权重其中

计算目标定位标签坐标：根据计算得到目标定位标签的坐标(x_i,y_i)；

重复计算相位差欧式距离矢量步骤、权重赋值步骤和计算目标定位标签坐标步骤，得到N个目标定位标签的坐标。

本发明的第二方面提供了一种基于相位差校正的RFID定位装置，包括：

相位差获取模块，用于获取M个阅读器在同一时间周期内发送向N个目标定位标签的第一相位差矢量集合TPⁿ和发送向P个参考标签的第二相位差矢量集合RP^p；

校正模块，用于通过相位差校正模型校正P个参考标签的第二相位差矢量集合RP^p得到第三相位差矢量集合RP_c ^p；

坐标计算模块，用于结合第一相位差矢量集合TPⁿ和第三相位差矢量集合RP_c ^p利用kNN算法得到N个目标定位标签的坐标；

其中，校正模块包括：

干扰角矢量获取模块，用于选定一个参考标签作为基础标签以及选定另一个参考标签作为辅助标签，并得到基础标签的干扰角矢量和辅助标签的干扰角矢量

相位偏移矢量计算模块，用于输入和至所述相位差校正模型分别得到所述基础标签的相位偏移矢量ZA和所述辅助标签的相位偏移矢量ZB；

第三相位差矢量计算模块，用于根据RP_C ⁱ＝RPⁱ+Z_A-Z_B，i∈(1，P)得到校正后的第三相位差矢量RP_C ⁱ；

其中，所述相位差校正模型为式中，a、b、a₁、a₂、b₁、b₂、c₁和c₂为常量系数；d为基础标签和辅助标签的间距。

进一步，一种RFID定位装置，还包括：系统初始化模块，用于设定阅读器的数量M、目标定位标签的数量N、参考标签的数量P、阅读器的坐标和参考标签的坐标。

进一步，所述坐标计算模块包括:

相位差欧式距离矢量计算模块，用于根据计算得到第i个目标定位标签到第j个参考坐标的相位差欧式距离；

权重赋值模块，用于选择k个相位差欧式距离最小的参考标签并根据相位差欧式距离赋予不同的权重其中

坐标计算子模块，用于根据计算得到目标定位标签的坐标(x_i,y_i)。

进一步，一种基于相位差校正的RFID定位装置，还包括至少两个RFID电子标签和至少两个阅读器。

具体地，所述阅读器为UHF-RFID阅读器。

本发明的第三方面提供了一种基于相位差校正的RFID定位装置，包括处理器以及与所述处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器能够执行如本发明第一方面所述的RFID定位方法。

有益效果是：通过依据RFID标签间的间距以及干扰角建立的相位差校正模型对RFID标签的相位差矢量进行校正，减少不同RFID标签间相位干扰的影响，提高kNN定位算法的准确性，使RFID标签的定位更准确。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例一种基于相位差校正的RFID定位方法的流程图；

图2是图1中步骤S300的具体流程图；

图3是图1中步骤S400的具体流程图；

图4是干扰角的示意图；

图5是本发明实施例一种基于相位差校正的RFID定位装置的结构图；

图6是相位差校正模型的三维坐标图；

图7是基于相位差校正的RFID定位方法与无采用相位差校正模型的RFID定位方法的误差对比图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1，本发明实施例提供了一种基于相位差校正的RFID定位方法，包括：

S100、系统初始化：设定阅读器的数量M、目标定位标签的数量N、参考标签的数量P、阅读器的坐标和参考标签的坐标；

S200、获取M个阅读器在同一时间周期内发送向N个目标定位标签的第一相位差矢量集合TPⁿ和发送向P个参考标签的第二相位差矢量集合RP^p；

S300、通过相位差校正模型校正P个参考标签的第二相位差矢量集合RP^p得到第三相位差矢量集合RP_C ^p；

S400、结合第一相位差矢量集合TPⁿ和第三相位差矢量集合RP_C ^p利用kNN算法得到N个目标定位标签的坐标；

其中，所述相位差校正模型为式中，a、b、a₁、a₂、b₁、b₂、c₁和c₂为常量系数；d为基础标签和辅助标签的间距。

另外，参考标签为辅助确定目标定位标签的坐标的参考对照物。参考标签的位置在确定目标定位标签的坐标的过程中是不变。

需要说明的是，第i个目标定位标签到每个阅读器的相位差表示为第一相位差矢量则有第一相位差矢量集合TPⁿ为N个目标定位标签的第一相位差矢量TPⁱ的集合；同样地，有第二相位差矢量集合RP^p为P个参考标签的第二相位差矢量RP^j的集合，第三相位差矢量集合RP_c ^p为P个参考标签的第三相位差矢量RP_c ^k的集合。

参照图4，相位差的计算方式如下：将两个邻近的标签组成双标签阵列，其中一个标签标记为T1，另一个标签标记为T2，阅读器对两个标签发送相同频率的载波，通过将两个标签分别反射回来的载波信号的相位信息进行相减获取相位差。

参照图3，kNN算法，是一个理论上比较成熟的方法，也是最简单的机器学习算法之一。该方法的思路是：如果一个样本在特征空间中的k个最相似(即特征空间中最邻近)的样本中的大多数属于某一个类别，则该样本也属于这个类别。kNN算法应用到空间定位上时，通过结合目标定位标签的第一相位差矢量集合TPⁿ和参考标签的第二相位差矢量集合RP^p得到N个目标定位标签的坐标，具体为：

S410、计算相位差欧式距离矢量：根据计算得到第i个目标定位标签到第j个参考坐标的相位差欧式距离EP_i,j；相位差欧式距离EP_i,j数值越小，表示目标定位标签和参考标签距离越小；

S420、权重赋值：选择k个相位差欧式距离最小的参考标签并根据相位差欧式距离赋予不同的权重其中

S430、计算目标定位标签坐标：根据计算得到目标定位标签的坐标(x_i,y_i)；

S440、重复计算相位差欧式距离矢量步骤、权重赋值步骤和计算目标定位标签坐标步骤，得到N个目标定位标签的坐标。

但是，在实际应用中邻近的RFID标签之间会产生耦合效应导致相位测量值的偏移，从而影响坐标定位的实际精度。因此需要对参考标签的第二相位差矢量集合RP^p进行校正得到第三相位差矢量集合RP_C ^p，在kNN算法的计算相位差欧式距离矢量步骤中用校正后的第三相位差矢量集合RP_C ^p代替第二相位差矢量集合RP^p以减少耦合效应造成的误差的影响。

参照图2，具体地，通过相位差校正模型校正P个参考标签的第二相位差矢量集合RP_m ^p得到第三相位差矢量集合RP_C ^p的步骤S300如下：

S310、获取干扰角矢量：选定一个参考标签作为基础标签以及选定另一个参考标签作为辅助标签，并得到基础标签的干扰角矢量和辅助标签的干扰角矢量

S320、计算相位偏移矢量：输入和至所述相位差校正模型分别得到所述基础标签的相位偏移矢量ZA和所述辅助标签的相位偏移矢量ZB；

S330、计算第三相位差矢量：根据RP_C ⁱ＝RPⁱ+Z_A-Z_B，i∈(1，P)得到校正后的第三相位差矢量RP_C ⁱ；

S340、重复获取干扰角矢量、计算相位偏移矢量和计算第三相位差矢量这三个步骤得到P个参考标签的第三相位差矢量集合RP_C ^p。

参照图4，需要说明的是，基础标签的干扰角是基础标签延伸至阅读器的线段以及基础标签延伸至辅助标签的线段所组成的角。基础标签的干扰角矢量的计算方式如下：基础标签的坐标为(x_j，y_j)，阅读器的坐标为(Xr,Yr)，则有基础标签的干扰角为若计算结果大于2π，则减去2π，若计算结果小于0，加上2π。基础标签的干扰角矢量为同样地，可以得到辅助标签的干扰角矢量

参照图6，图6是相位差校正模型的三维坐标图。相位差校正模型为具体地，a＝-0.5169，a₁＝35.59，a₂＝0.1348，b＝0.2238，b1＝0.5412，b2＝0.5799，c1＝0.06985，c2＝-0.1348。在某些实施例中，a、b、a₁、a₂、b₁、b₂、c₁和c₂可为其他常量。相位差校正模型是根据标签间的耦合效应以及载波的频率特性，在原相位差矢量的基础上结合标签间的距离进行校正，即令测量得到的相位差和标签间的距离对最终的目标定位标签的坐标结果进行反馈，提高结果的准确度。

参照图7，图7是对100个目标定位标签进行测试的情况下，采用相位差校正模型的RFID定位方法与无采用相位差校正模型的RFID定位方法的误差对比图。实线表示的是采用相位差校正模型的RFID定位方法的误差趋势，虚线表示的是无采用相位差校正模型的RFID定位方法的误差趋势。横坐标是误差的数值，纵坐标是已测试标签占总测试标签的误差占比。从图中可以看出，未采用相位差校正模型的RFID定位方法的平均误差为0.6605m，采用相位差校正模型的RFID定位方法的平均误差为0.3326m，误差明显减小；本申请的RFID定位方法由于采用相位差校正模型，其定位精度明显高于未采用相位差校正模型的RFID定位方法的定位精度。同时，也可以看出标签间相位干扰给定位准确度带来的影响，以及本申请所采用的RFID定位方法可以有效地减少干扰造成的影响。

下面对本发明实施例提供的RFID定位装置、系统及存储介质进行介绍，下文描述的RFID定位装置、系统及存储介质与上文描述的RFID定位方法可相互对应参照。

参照图5，本发明实施例还提供了一种基于相位差校正的RFID定位装置，包括：

系统初始化模,100，用于设定阅读器的数量M、目标定位标签的数量N、参考标签的数量P、阅读器的坐标和参考标签的坐标；

相位差获取模块200，用于获取M个阅读器在同一时间周期内发送向N个目标定位标签的第一相位差矢量集合TPⁿ和发送向P个参考标签的第二相位差矢量集合RP^p；

校正模块300，用于通过相位差校正模型校正P个参考标签的第二相位差矢量集合RP^p得到第三相位差矢量集合RP_c ^p；

坐标计算模块400，用于结合第一相位差矢量集合TPⁿ和第三相位差矢量集合RP_c ^p利用kNN算法得到N个目标定位标签的坐标；

其中，校正模块300包括：

干扰角矢量获取模块310，用于选定一个参考标签作为基础标签以及选定另一个参考标签作为辅助标签，并得到基础标签的干扰角矢量和辅助标签的干扰角矢量

相位偏移矢量计算模块320，用于输入和至所述相位差校正模型分别得到所述基础标签的相位偏移矢量ZA和所述辅助标签的相位偏移矢量ZB；

第三相位差矢量计算模块330，用于根据RP_C ⁱ＝RPⁱ+Z_A-Z_B，i∈(1，P)得到校正后的第三相位差矢量RP_C ⁱ。

进一步，所述坐标计算模块400包括:

相位差欧式距离矢量计算模块410，用于根据计算得到第i个目标定位标签到第j个参考坐标的相位差欧式距离；

权重赋值模块420，用于选择k个相位差欧式距离最小的参考标签并根据相位差欧式距离赋予不同的权重其中

坐标计算子模块430，用于根据计算得到目标定位标签的坐标(x_i,y_i)。

进一步，一种基于相位差校正的RFID定位装置，还包括至少两个RFID电子标签和至少两个阅读器。RFID电子标签中，至少一个RFID电子标签作为目标定位标签和至少一个RFID电子标签作为参考标签。

具体地，所述阅读器为UHF-RFID阅读器，工作频段在865MHz-956MHz。在某些实施例中，阅读器可为其他类型的具有其他工作频段的RFID阅读器。

本发明实施例还提供了一种RFID定位装置，包括处理器以及与所述处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器能够执行如上述的RFID定位方法。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、寄存器、硬盘、可移动磁盘或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于相位差校正的RFID定位方法，其特征在于，包括：

获取M个阅读器在同一时间周期内发送向N个目标定位标签的第一相位差矢量集合TPⁿ和发送向P个参考标签的第二相位差矢量集合RP^p；

通过相位差校正模型校正P个参考标签的第二相位差矢量集合RP^p得到第三相位差矢量集合RP_C ^p；

结合第一相位差矢量集合TPⁿ和第三相位差矢量集合RP_C ^p利用kNN算法得到N个目标定位标签的坐标；

所述通过相位差校正模型校正P个参考标签的第二相位差矢量集合RP_m ^p得到第三相位差矢量集合RP_C ^p，包括：

获取干扰角矢量：选定一个参考标签作为基础标签以及选定另一个参考标签作为辅助标签，并得到基础标签的干扰角矢量和辅助标签的干扰角矢量

计算相位偏移矢量：输入基础标签的干扰角矢量和辅助标签的干扰角矢量至所述相位差校正模型分别得到所述基础标签的相位偏移矢量ZA和所述辅助标签的相位偏移矢量ZB；

计算第三相位差矢量：根据RP_C ⁱ＝RPⁱ+Z_A-Z_B，i∈(1，P)得到校正后的第三相位差矢量RP_C ⁱ；

重复获取干扰角矢量、计算相位偏移矢量和计算第三相位差矢量步骤得到P个参考标签的第三相位差矢量集合RP_C ^p；

其中，第i个参考坐标到每个阅读器的第二相位差矢量为RPⁱ＝(RPⁱ ₁,RPⁱ ₂,...,RPⁱ _M)，i∈(1，P)，第i个参考坐标到每个阅读器的第三相位差矢量为RP_c ⁱ＝(RP_c ⁱ ₁,RP_c ⁱ ₂,...,RP_c ⁱ _M)，i∈(1，P)；所述相位差校正模型为式中，a、b、a₁、a₂、b₁、b₂、c₁和c₂为常量系数；d为基础标签和辅助标签的间距。

2.根据权利要求1所述的一种基于相位差校正的RFID定位方法，其特征在于，还包括：

系统初始化：设定阅读器的数量M、目标定位标签的数量N、参考标签的数量P、阅读器的坐标和参考标签的坐标。

3.根据权利要求1所述的一种基于相位差校正的RFID定位方法，其特征在于，所述结合第一相位差矢量集合TPⁿ和第三相位差矢量集合RP_C ^p利用kNN算法得到N个目标定位标签的坐标具体为：计算相位差欧式距离矢量：根据计算得到第i个目标定位标签到第j个参考坐标的相位差欧式距离，其中第i个目标定位标签的第一相位差矢量为TPⁱ＝(TPⁱ ₁,TPⁱ ₂,TPⁱ ₃,...,TPⁱ _M)；

权重赋值：选择k个相位差欧式距离最小的参考标签并根据相位差欧式距离赋予不同的权重其中

计算目标定位标签坐标：根据计算得到第i个目标定位标签的坐标(x_i,y_i)；

重复计算相位差欧式距离矢量步骤、权重赋值步骤和计算目标定位标签坐标步骤，得到N个目标定位标签的坐标。

4.一种基于相位差校正的RFID定位装置，其特征在于，包括：

相位差获取模块，用于获取M个阅读器在同一时间周期内发送向N个目标定位标签的第一相位差矢量集合TPⁿ和发送向P个参考标签的第二相位差矢量集合RP^p；

校正模块，用于通过相位差校正模型校正P个参考标签的第二相位差矢量集合RP^p得到第三相位差矢量集合RP_c ^p；

坐标计算模块，用于结合第一相位差矢量集合TPⁿ和第三相位差矢量集合RP_c ^p利用kNN算法得到N个目标定位标签的坐标；

其中，校正模块包括：

干扰角矢量获取模块，用于选定一个参考标签作为基础标签以及选定另一个参考标签作为辅助标签，并得到基础标签的干扰角矢量和辅助标签的干扰角矢量

相位偏移矢量计算模块，用于输入和至所述相位差校正模型分别得到所述基础标签的相位偏移矢量ZA和所述辅助标签的相位偏移矢量ZB；

第三相位差矢量计算模块，用于根据RP_C ⁱ＝RPⁱ+Z_A-Z_B，i∈(1，P)得到校正后的第三相位差矢量RP_C ⁱ；

其中，第i个参考坐标到每个阅读器的第二相位差矢量为RPⁱ＝(RPⁱ ₁,RPⁱ ₂,...,RPⁱ _M)，i∈(1，P)，第i个参考坐标到每个阅读器的第三相位差矢量为RP_c ⁱ＝(RP_c ⁱ ₁,RP_c ⁱ ₂,...,RP_c ⁱ _M)，i∈(1，P)；

所述相位差校正模型为

式中，a、b、a₁、a₂、b₁、b₂、c₁和c₂为常量系数；d为基础标签和辅助标签的间距。

5.根据权利要求4所述的一种基于相位差校正的RFID定位装置，其特征在于，还包括：系统初始化模块，用于设定阅读器的数量M、目标定位标签的数量N、参考标签的数量P、阅读器的坐标和参考标签的坐标。

6.根据权利要求5所述的一种基于相位差校正的RFID定位装置，其特征在于，所述坐标计算模块包括:

相位差欧式距离矢量计算模块，用于根据计算得到第i个目标定位标签到第j个参考坐标的相位差欧式距离，其中第i个目标定位标签的第一相位差矢量为TPⁱ＝(TPⁱ ₁,TPⁱ ₂,TPⁱ ₃,...,TPⁱ _M)；

权重赋值模块，用于选择k个相位差欧式距离最小的参考标签并根据相位差欧式距离赋予不同的权重其中

坐标计算子模块，用于根据计算得到目标定位标签的坐标(x_i,y_i)。

7.根据权利要求6所述的一种基于相位差校正的RFID定位装置，其特征在于，还包括至少两个RFID电子标签和至少两个阅读器。

8.根据权利要求7所述的一种基于相位差校正的RFID定位装置，其特征在于，所述阅读器为UHF-RFID阅读器。

9.一种基于相位差校正的RFID定位装置，其特征在于，包括处理器以及与所述处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器能够执行如权利要求1-3任一项所述的RFID定位方法。