CN110187344A

CN110187344A - 基于逆合成孔径雷达的传送带上标记物品识别定位方法

Info

Publication number: CN110187344A
Application number: CN201910467052.2A
Authority: CN
Inventors: 马永涛; 江越
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2019-05-31
Filing date: 2019-05-31
Publication date: 2019-08-30

Abstract

本发明涉及一种基于逆合成孔径雷达的传送带上标记物品识别定位方法，采用逆合成孔径技术来采集标记物品的相位信息数据，通过提取静态物品、随机移动物品和传送带上的标记物品的识别特征参数来对其进行分类区分，利用阅读器天线在不同的时刻获取沿已知轨迹运动的传送带上的标记物品对应的相位数据，通过相位数据模型来建立网格点数据库，通过计算标记物品测量相位向量与网格点相位数据向量以及静态物品的特征相位数据向量的互相关系数来识别标记物品是否处于传送带上，并在识别后采用在网格点数据库中逐点计算匹配概率来完成标记物品在传送带上的定位。

Description

基于逆合成孔径雷达的传送带上标记物品识别定位方法

技术领域

本发明属于RFID定位技术领域，针对利用阅读器天线获得的沿传送带已知轨迹移动的标记物品相位信息来对标记物品进行识别以及高精度定位问题。

背景技术

RFID(Radio Frequency Identification，无线射频识别)是一种自动识别技术，无需接触即可对人或物体进行定位跟踪。该技术将RFID标签附着于人或物上，通过读写器完成射频信号交换，以达到识别定位人或物体的目的。基于位置服务的普遍需求使得室内定位技术的研究得到越来越多的关注，出现了很多的室内定位技术和系统。与其他的室内无线定位技术如WiFi、蓝牙、ZigBee等相比，RFID技术性价比高，硬件成本低廉，维护费用低。此外，RFID技术安全性高，有很强的抗信号干扰能力不易泄露用户信息。同时其除了具有非接触、非视距和定位目标准确等优点，还可以同时管理大量目标标签，进行快速读取服务，逐渐成为室内定位的优选。随着物联网的快速发展，作为物联网的一项核心支撑技术，RFID技术越来越频繁地出现在大量的日常应用中，如物流管理、生产制造、门禁防伪、目标检测与追踪等。而一种典型的RFID应用——传送带系统，被广泛应用在快递服务、机场物流、仓储管理等行业中。在这些应用中，RFID阅读器被部署在传送带上，识别物品上的标签信息来对其进行下一步操作。

在传送带场景中由于阅读器天线的大波束宽度和杂乱室内存在的多径效应，传送带上的标记物品与场景中静态或在阅读器附近移动的其他标记物品常常被一起识别读取，因此需要解决标记物品之间的分类识别问题，才能实现对其下一步操作如定位等的准确度。传统RFID识别定位大多基于标签返回信号的强度(RSSI)数据，但是RSSI易受室内多径效应的影响，并不能精确反应标签位置与阅读器天线之间的关系。同时也存在利用标签返回信号相位的解决方案，其更适用于静态场景，在动态场景下需要增添更多的硬件设备。而逆合成孔径技术可以利用标记物品随传送带一起移动的动态场景，仅需一个阅读器天线在多个时刻读取标记物品相关的相位信息。从得到的数据中能够提取相关的特征参数，从而实现将传送带上的标记物品和场景中的其他标记物品的准确区分，并进行进一步的精确定位。因此本发明提出了一种基于逆合成孔径雷达技术的传送带上标记物品识别定位方法。

发明内容

本发明涉及一种基于逆合成孔径雷达技术的传送带上标记物品识别定位方法，仅需要单个阅读器天线和商用的基础无源UHF RFID系统设备，不需对硬件设施进行任何修改和附加，就可以实现对传送带上标记物品与传送带外的静态物品和随机移动物品的分类识别，并获取标记物品在传送带上的位置。本发明的技术方案如下：

一种基于逆合成孔径雷达技术的传送带上标记物品识别定位方法，采用逆合成孔径技术来采集标记物品的相位信息数据，通过提取静态物品、随机移动物品和传送带上的标记物品的识别特征参数来对其进行分类区分，利用阅读器天线在不同的时刻获取沿已知轨迹运动的传送带上的标记物品对应的相位数据，通过相位数据模型来建立网格点数据库，通过计算标记物品测量相位向量与网格点相位数据向量以及静态物品的特征相位数据向量的互相关系数来识别标记物品是否处于传送带上，并在识别后采用在网格点数据库中逐点计算匹配概率来完成标记物品在传送带上的定位。包括标记物品相位数据采集阶段、网格相位数据库建立阶段、提取识别特征参数阶段和分类识别定位阶段。

标记物品相位数据采集阶段包括以下步骤：

1)阅读器天线对传送带上被标签标记物品所在的待定位区域采集相位数据。在标记物品沿着传送带移动期间，阅读器天线以IRT为时间间隔多次采集反向散射信号的相位数据，共采集N个的测量数据。在第n个时间间隔，阅读器天线采集到的标记物品反向散射信号的相位数据为1≤n≤N，则标记物品的测量数据存储为：

2)为了避免环境和设备引起的固定相位偏移的影响，将阅读器天线首次采集的标记物品反向散射信号的相位数据作为参考量，分析多次采集的相位数据的相对变化：

3)将多个时间间隔采集的标记物品的反向散射信号相位数据相对于首次采集的记为标记物品的测量相位向量y_p：

网格相位数据库建立阶段中，包括以下步骤：

1)已知传送带的运动速度为v，以传送带的运动轨迹建立曲线横坐标s。把传送带平面区域划分为M个网格点，第m个网格点的横坐标为s_1m。则其在阅读器天线第n次采集相位数据时，与阅读器天线的相对距离r_nm是该时刻虚拟位置s_nm的函数(依据实际场景)：

r_nm＝f(s_nm)，1≤m≤M

s_nm＝s_1m+(n-1)v·IRT

2)阅读器天线的辐射信号波长为λ，环境和硬件设备影响引起的相位偏移为固定常数则在第n个时间间隔对应的第m个网格点的相位数据为：

计算N个时间间隔所对应的M个网格点的相位数据。

3)为了消除环境和设备引起的相位偏移的影响，对于第m个网格点，将在横坐标为s_1m的位置处对应的网格信号相位数据作为参考值，来计算不同时间间隔对应相位数据的相对变化：

则第m个网格点的相位数据向量存储为

4)由传送带平面的M个网格点的数据向量，可建立网格点相位数据库A：

提取识别特征参数阶段中，包括以下步骤：

1)计算标记物品测量相位向量y_p与每个网格点的相位数据向量的互相关系数，则其最大值C_max：

2)计算标记物品测量相位向量y_p与静态物品的特征相位数据向量b的互相关系数C₁，b为N维单位向量：

3)计算特征比率D：

D＝C_max/C₁

分类识别定位阶段中，包括以下步骤：

1)若标记物品的特征比率D≤1，则识别为不处于传送带上的静态物品。

2)若标记物品的特征比率D＞1，且C_max≤0.8，则识别为不处于传送带上的随机移动物品。

3)若标记物品的特征比率D＞1，且C_max＞0.8，则识别为处于传送带上的标记物品。

4)当识别为处于传送带上的标记物品，则计算标记物品的测量相位向量y_p与每个网格点的相位数据向量的匹配概率P来进行其在传送带的上的定位：

4)选择匹配概率最大的网格点，以其位置s_pixel作为阅读器天线首次采集相位数据时标记物品的所在位置之后标记物品的位置可由已知时间与传送带速度计算得到：

5)当识别定位下一标记物品时，重复标记物品相位数据采集阶段、提取识别特征参数阶段和分类识别定位阶段得到结果。

本发明在传送带场景下基本不受丰富的多径效应干扰，具有良好的鲁棒性。而且本发明适用于商用的RFID系统设备，无需硬件设施的修改和添加，只用单个天线就能获得对传送带上标记物品精准的分类识别定位。其过程可以在单个标签级别实现，独立于标签类型。

附图说明

图1为基于逆合成孔径技术的标记物品识别定位场景。

图2为算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种基于逆合成孔径雷达技术的传送带上标记物品识别定位方法做进一步的描述。

基于逆合成孔径技术的标记物品识别定位场景如图1所示。在标记物品相位数据采集阶段，场景中传送带宽0.5m，长2m，运动速度为0.5m/s。阅读器天线与传送带之间的最短距离为210cm，阅读器以30ms的时间间隔来采集标记物品的测量相位数据，其工作频率为866.3MHz，对应波长为34.6cm，采集数据的总时长为3s，一共获取100(N＝100)个相位数据。网格相位数据库建立阶段中传送带区域网格点划分间距设定为5cm。

本发明的识别定位方法根据采集的标记物品的测量相位数据实时地得到算法结果，算法流程如图2所示，步骤如下：

1)获取标记物品的测量数据存储为为了避免环境和设备引起的固定相位偏移的影响，将阅读器天线首次采集的标记物品反向散射信号的相位数据作为参考量，分析多次采集的相位数据的相对变化：

将多个时间间隔采集的标记物品的反向散射信号相位数据相对于首次采集的记为标记物品的测量相位向量

2)把传送带区域划分为400(M＝400)个网格点，第m个网格点在阅读器天线第n次采集相位数据时，与阅读器天线的相对距离为r_nm，环境和硬件设备影响引起的相位偏移为常数则在第n个时间间隔对应的第m个网格点的相位数据为：

计算100个时间间隔所对应的400个网格点的相位数据。

3)为了消除环境和设备引起的相位偏移的影响，对于第m个网格点，将在横坐标为s_1m的位置处对应的网格点信号相位数据作为参考值，来计算不同时间间隔对应相位数据的相对变化：

则第m个网格点的相位数据向量存储为

4)可建立网格点相位数据库A：

5)计算标记物品测量相位向量y_p与每个网格点的相位数据向量的互相关系数，则其最大值C_max：

6)计算标记物品测量相位向量y_p与静态物品的特征相位数据向量b的互相关系数C₁：

7)计算特征比率D：

D＝C_max/C₁

8)依据识别特征参数进行分类识别，若标记物品的特征比率D＞1，且C_max＞0.8，则识别为处于传送带上的标记物品。

9)当识别为处于传送带上的标记物品，则计算标记物品的测量相位向量y_p与每个网格点的相位数据向量的匹配概率P来进行其在传送带的上的定位：

10)选择匹配概率最大的网格点，以其位置s_pixel作为阅读器天线首次采集相位数据时标记物品的所在位置之后标记物品的位置可由已知时间与传送带速度计算得到：

11)当识别定位下一标记物品时，重复(1)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)步骤得到结果。

Claims

1.一种基于逆合成孔径雷达的传送带上标记物品识别定位方法，采用逆合成孔径技术来采集标记物品的相位信息数据，通过提取静态物品、随机移动物品和传送带上的标记物品的识别特征参数来对其进行分类区分，利用阅读器天线在不同的时刻获取沿已知轨迹运动的传送带上的标记物品对应的相位数据，通过相位数据模型来建立网格点数据库，通过计算标记物品测量相位向量与网格点相位数据向量以及静态物品的特征相位数据向量的互相关系数来识别标记物品是否处于传送带上，并在识别后采用在网格点数据库中逐点计算匹配概率来完成标记物品在传送带上的定位。

2.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，包括标记物品相位数据采集阶段，网格相位数据库建立阶段和提取识别特征参数阶段。其中，

标记物品相位数据采集阶段包括：

1)阅读器天线对传送带上被标签标记物品所在的待定位区域采集相位数据：在标记物品沿着传送带移动期间，阅读器天线以IRT为时间间隔多次采集反向散射信号的相位数据，共采集N个的测量数据，在第n个时间间隔，阅读器天线采集到的标记物品反向散射信号的相位数据为1≤n≤N，则标记物品的测量数据存储为：

2)将阅读器天线首次采集的标记物品反向散射信号的相位数据作为参考量，分析多次采集的相位数据的相对变化：

网格相位数据库建立阶段包括：

1)已知传送带的运动速度为v，以传送带的运动轨迹建立曲线横坐标s，把传送带平面区域划分为M个网格点，第m个网格点的横坐标为s_1m，则其在阅读器天线第n次采集相位数据时，与阅读器天线的相对距离r_nm是该时刻虚拟位置s_nm的函数，此函数依据实际场景确定：

r_nm＝f(s_nm)，1≤m≤M

s_nm＝s_1m+(n-1)v·IRT

计算N个时间间隔所对应的M个网格点的相位数据；

3)对于第m个网格点，将在横坐标为s_1m的位置处对应的网格点信号相位数据作为参考值，计算不同时间间隔对应相位数据的相对变化：

则第m个网格点的相位数据向量存储为

4)由传送带平面的M个网格点的数据向量，建立网格点相位数据库A：

提取识别特征参数阶段包括：

3)计算特征比率D：

D＝C_max/C₁

分类识别定位阶段包括：

1)若标记物品的特征比率D≤1，则识别为不处于传送带上的静态物品；

2)若标记物品的特征比率D＞1，且C_max≤0.8，则识别为不处于传送带上的随机移动物品；

3)若标记物品的特征比率D＞1，且C_max＞0.8，则识别为处于传送带上的标记物品；

4)选择匹配概率最大的网格点，以其位置s_pixel作为阅读器天线首次采集相位数据时标记物品的所在位置之后标记物品的位置由已知时间与传送带速度计算得到。