CN110703188B - 一种基于rfid的六自由度姿态估计系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于RFID的六自由度姿态估计系统,包括:首先定义全局坐标系GCS:O‑XYZ,它表示物体和附加标签的实际位置,以及旋转坐标系RCS:C‑UVW,用于表示物体的位移和旋转,通过定位RCS的原点,即物体的旋转中心,计算物体沿x轴,y轴和z轴的位移,RCS与对象具有相同的位移,但它不会旋转,围绕RCS坐标轴的物体的旋转角度被称为物体的姿态角,令物体围绕u轴,v轴和w轴的旋转角度分别为α,β和γ,设γ=0,给出坐标变换,设两个线性独立的矢量n1和n2由三个标签的位置确定;计算出三个姿态角;从中获得物体的三维位置。

Description

一种基于RFID的六自由度姿态估计系统
技术领域
本发明属于RFID定位技术领域。
背景技术
随着移动互联网和智能手机的普及,基于位置的服务(Location Based Service,LBS)得到了广泛的关注,带动了各种现代导航定位技术的发展。众所周知的室外定位技术GPS由于建筑物的遮挡等原因GPS系统不能够应用于室内定位。近年来出现了很多基于无线网络的室内定位技术,如WiFi定位、蓝牙定位、ZigBee定位和RFID定位等。而物联网技术的飞速发展使得RFID技术开始广泛应用于生产、物流及药品等的定位、追踪与回溯。在室内定位方面,RFID相比于其他定位方法除了具有低成本、定位精度高、识别速度快和抗干扰强等特点,还有非接触、非视距以及可以对多目标同时进行识别跟踪的优点,这使其逐渐成为室内定位的首选。
RFID的无线定位技术主要分为两种:一种是基于非测距方法,通常不需要确定的信号传播模型,在定位区域中预先布置大量参考标签,经过某种运算后筛选出位置相近的参考标签,用它们去确定最终定位坐标;另一种是基于测距的方法,根据信号传播模型确定人与多个无线点装置之间的距离,通过几何关系变换确定人员位置。基于测距的方法主要包括:AOA(Angle of Arrival)信号到达角度法、TOA(Time of Arrival)信号到达时间法、TDOA(Time Difference of Arrival)信号到达时间差法和RSSI(Received SignalStrength Indication)接收信号强度法。RSSI定位法通过信号强度与距离建立传播模型来估计接收的标签,这种方法功率低,成本低,无需额外的设备功能支持,然而信号能量信息在传播过程中除了距离因素还受非视距、多径等其他多种因素影响,导致其定位精度受限。TOA和TDOA定位法主要通过测量电磁波的传播时间来计算距离,这种方法对于硬件设施的时钟同步有要求或者需要精确的参考时间。AOA定位法主要通过阅读器的天线阵列来测量标签信号的到达方向,这种方法需要功能特殊的天线阵列,准确度受限于设备性能,成本也相对较高。
而在标签与阅读器存在相对移动的场景中,合成孔径技术可以利用天线与目标之间的相对移动形成虚拟天线阵列,通过多个采样相位值的相干叠加来确定目标位置,从而具有良好的抗噪声和多径干扰的能力,能够提高定位精度。并且适用于手持式设备等独特的动态应用场景,也不需要额外布置参考标签和费时的校准阶段。同时成本相对较低,仅用商用设备就可以实现定位。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于RFID的六自由度姿态估计系统。本发明的技术方案如下:
一种基于RFID的六自由度姿态估计系统,包括:
1)首先定义全局坐标系GCS:O-XYZ,它表示物体和附加标签的实际位置,以及旋转坐标系RCS:C-UVW,用于表示物体的位移和旋转,通过定位RCS的原点,即物体的旋转中心,计算物体沿x轴,y轴和z轴的位移,RCS与对象具有相同的位移,但它不会旋转。围绕RCS坐标轴的物体的旋转角度被称为物体的姿态角。设RCS中的u轴,v轴和w轴分别与GCS中的x轴,y轴和z轴平行,将目标的起始位置c=[xc,yc,zc]表示为
Figure BDA0002198117590000021
其中I3是单位矩阵,经过位移dt=[Δx,Δy,Δz]后的新位置为:
Figure BDA0002198117590000022
此等式可以写作:
Cd=Trans(dt)×C
将Trans称为位移函数。
2)令物体围绕u轴,v轴和w轴的旋转角度分别为α,β和γ,设γ=0,坐标变换表示为:
Figure BDA0002198117590000023
其中
Figure BDA0002198117590000024
类似地,得到:
Figure BDA0002198117590000025
Figure BDA0002198117590000026
因此,平移和旋转后的坐标变换可以表示为:
Figure BDA0002198117590000031
其中R(α,β,γ)=Rot(w,γ)×Rot(v,β)×Rot(u,α),被称为旋转矩阵。
3)设两个线性独立的矢量n1和n2由三个标签的位置确定,计算出第三个向量n3=n1×n2,通过定位获得的GCS中的坐标,可以获得两个矩阵Ng=[n1,n2,n3]和Nr=[r1,r2,r3],坐标变换表示为:
Nr=R(α,β,γ)×Ng
之后得到旋转矩阵
Figure BDA0002198117590000032
将R(α,β,γ)写为:
Figure BDA0002198117590000033
然后可以计算出三个姿态角:
Figure BDA0002198117590000034
Figure BDA0002198117590000035
Figure BDA0002198117590000036
进一步可以得到位移矩阵
Figure BDA0002198117590000037
从中获得物体的三维位置。
附图说明
图1为系统模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种基于RFID的六自由度姿态估计系统。
步骤如下:
1)为了介绍我们的六自由度物体定位和姿态估计系统,我们首先定义全局坐标系(GCS)O-XYZ,它表示物体和附加标签的实际位置,以及旋转坐标系(RCS)C-UVW,用于表示物体的位移和旋转。通过定位RCS的原点,即物体的旋转中心,我们可以计算物体沿x轴,y轴和z轴的位移。请注意,RCS与对象具有相同的位移,但它不会旋转。围绕RCS坐标轴的物体的旋转角度被称为物体的姿态角。设RCS中的u轴,v轴和w轴分别与GCS中的x轴,y轴和z轴平行。将目标的起始位置c=[xc,yc,zc]表示为
Figure BDA0002198117590000041
其中I3是单位矩阵。k是一个表示周期数的整数。经过位移dt=[Δx,Δy,Δz]
后的新位置为:
Figure BDA0002198117590000042
此等式可以写作:
Cd=Trans(dt)×C
我们将Trans称为位移函数。
2)令物体围绕u轴,v轴和w轴的旋转角度分别为α,β和γ。设γ=0,可以证明坐标变换可以表示为:
Figure BDA0002198117590000043
其中
Figure BDA0002198117590000044
类似地,我们可以得到:
Figure BDA0002198117590000045
Figure BDA0002198117590000046
因此,平移和旋转后的坐标变换可以表示为:
Figure BDA0002198117590000051
其中R(α,β,γ)=Rot(ω,γ)×Rot(v,β)×Rot(u,α),被称为旋转矩阵。
3)为了通过将三个标签的坐标代入其中来求解方程,有必要引入标签之间的位置关系作为约束,并且求解过程很复杂。为了简化求解过程,两个线性独立的矢量n1和n2可以由三个标签的位置确定。然后我们可以计算出第三个向量n3=n1×n2。通过使用通过定位获得的GCS中的坐标,可以获得两个矩阵Ng=[n1,n2,n3]和Nr=[r1,r2,r3]。于是坐标变换可以表示为Nr=R(α,β,γ)×Ng
之后可以得到旋转矩阵
Figure BDA0002198117590000052
将R(α,β,γ)写为:
Figure BDA0002198117590000053
然后可以计算出三个姿态角:
Figure BDA0002198117590000054
Figure BDA0002198117590000055
Figure BDA0002198117590000056
进一步可以得到位移矩阵
Figure BDA0002198117590000057
从中我们可以获得物体的三维位置。

Claims (1)

1.一种基于RFID的六自由度姿态估计系统,包括:
1)首先定义全局坐标系GCS:O-XYZ,它表示物体和附加标签的实际位置,以及旋转坐标系RCS:C-UVW,用于表示物体的位移和旋转,通过定位RCS的原点,即物体的旋转中心,计算物体沿x轴,y轴和z轴的位移,RCS与物体具有相同的位移,但它不会旋转;围绕RCS坐标轴的物体的旋转角度被称为物体的姿态角;设RCS中的u轴,v轴和w轴分别与GCS中的x轴,y轴和z轴平行,将物体的起始位置c=[xc,yc,zc]表示为
Figure FDA0003331168000000011
其中I3是单位矩阵,cT为物体的起始位置c三维坐标构成的向量的转置,经过位移dt=[Δx,Δy,Δz]后的新位置为:
Figure FDA0003331168000000012
此等式记为:
Cd=Trans(dt)×C
将Trans称为位移函数;
2)令物体围绕u轴,v轴和w轴的旋转角度分别为α,β和γ,设γ=0,
坐标变换表示为:
Figure FDA0003331168000000013
其中
Figure FDA0003331168000000014
类似地,得到:
Figure FDA0003331168000000021
Figure FDA0003331168000000022
因此,平移和旋转后的坐标变换可以表示为:
Figure FDA0003331168000000023
其中R(α,β,γ)=Rot(w,γ)×Rot(υ,β)×Rot(u,α),被称为旋转矩阵;
3)设两个线性独立的矢量n1和n2由三个标签的位置确定,计算出第三个向量n3=n1×n2,通过定位获得的GCS中的标签坐标,可以获得两个矩阵Ng=[n1,n2,n3]和Nr=[r1,r2,r3],坐标变换表示为:
Nr=R(α,β,γ)×Ng
之后得到旋转矩阵
Figure FDA0003331168000000029
将R(α,β,γ)写为:
Figure FDA0003331168000000024
然后可以计算出三个姿态角:
Figure FDA0003331168000000025
Figure FDA0003331168000000026
Figure FDA0003331168000000027
进一步可以得到位移矩阵
Figure FDA0003331168000000028
从中获得物体的三维位置。
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