CN114413803A - 一种基于无源rfid的非接触式角度追踪系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无源RFID的非接触式角度追踪系统及方法，用于在工业环境中测量转轴的旋转角度。系统包括无源角度感知器、角度感知一体机和数据处理平台，其中角度感知一体机配有RFID阅读器和线性极化天线；无源角度感知器包括粘贴有RFID标签的通信模块和用于反射旋转特征的金属反射物体；角度感知一体机持续与无源角度感知器进行通信，获得其返回的标签信号数据，并将数据传输给数据处理平台，数据处理平台根据数据特征构建极化模型来量化转轴旋转角度和金属物体反射信号能量之间的关系，从而计算出每个时刻的旋转角度，实现角度追踪。本发明采用非接触式感知技术，无需接触转轴，通过获得无源角度感知来实现精确的旋转角度追踪。

Description

一种基于无源RFID的非接触式角度追踪系统及方法

技术领域

本发明属于RFID无源感知和工业互联网技术领域，具体涉及一种基于无源RFID的非接触式角度追踪系统及方法。

背景技术

在当今工业环境中，转轴被广泛应用于各类机器，实现机器的旋转和移动，例如，传送带、原料卷盘等等。图2展示了两种真实的工业场景，都需要利用转轴实现连续旋转，并通过电机提供旋转动力。但随着转轴的老化和轴上摩擦力的增加，转轴通常无法持续按预期转动，进而导致堵转问题。堵转不仅会危及安全，例如电机突然停止引起电气危险，还会影响产品质量，例如机床动力不足导致产品制造缺陷。因此，需要尽早检测出堵转情况，而最有效的检测方法就是通过追踪转轴的旋转角度来实现。

为了追踪转轴的旋转角度，当前主要的解决方案包括如下几种：1)基于人工的检测方式：雇佣专家手动测试转轴，然而这种方式会造成检测结果的高延迟以及低准确度。2)基于惯性传感器的检测方式：使用带有陀螺仪或者指南针的设备来测量转轴的旋转角度，然而这种方式需要电池持续供电，并且在工业环境中使用时会造成高昂的人力维护成本。3)基于计算机视觉的检测方式：使用摄像头来追踪转轴的旋转角度，但这种方式通常会受到视角和光线条件的影响，需要大量的前期训练。4)基于射频识别技术的检测方式：目前基于射频识别技术的检测方法都需要在检测对象上粘贴RFID标签，然而这种方式不适用于工业环境，因为标签贴在转轴上无法被读取，并且工业环境中复杂的多径效应也会影响追踪精度。

因此，基于上述考虑，有必要提出一套创新的转轴角度追踪系统，采用成本相对较低的射频识别设备，并且将精度提升到工业级别。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于无源RFID的非接触式角度追踪系统及方法，以解决现有技术中仅靠人工定期检测造成的较高成本和延迟，以及采用惯性传感器或者摄像头带来的不必要的维护开销。本发明采用非接触式感知技术，无需接触转轴，通过获得无源角度感知来实现精确的旋转角度追踪。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种基于无源RFID的非接触式角度追踪系统，包括：

一种基于无源RFID的非接触式角度追踪系统，其特征在于，包括：无源角度感知器、角度感知一体机和数据处理平台；其中，

无源角度感知器，包括粘贴有RFID标签的通信模块和用于反射旋转特征的金属反射物体，RFID标签被角度感知一体机发出的无线射频信号激活，并响应于接收到经由金属反射物体产生的反射信号发送无线射频信号；

角度感知一体机，实时采集无源角度感知器发出的无线射频信号，获取相位和RSSI特征数据，并将数据发送至数据处理平台；

数据处理平台，实时获取角度感知一体机发送的信号特征数据，提取出金属反射物体产生的反射信号，并根据极化模型计算出每个时刻的旋转角度，从而实现角度追踪。

进一步地，所述无源角度感知器的通信模块包括RFID标签和标签固定支架，所述标签固定支架被设置为双RFID标签能够间隔指定角度粘贴在支架提供的载体上，RFID标签及标签固定支架放置在金属反射物体前方；所述金属反射物体为条形金属反射物体，在转轴的带动下随转轴一起旋转。

进一步地，所述的角度感知一体机包含RFID阅读器和线性极化天线，线性极化天线持续发出线性的无线射频信号，无线射频信号到达无源角度感知器的金属反射物体后，被金属反射物体反射，该反射信号被RFID标签接收；RFID阅读器实时采集周边的无源角度感知器发出的无线射频信号，获取RSSI和相位信号特征数据，并将数据发送至数据处理平台。

进一步地，所述RFID阅读器及其RFID标签为超高频规格，频率为860-960MHz，RFID阅读器通过EPC Global C1 G2协议读写RFID标签。

进一步地，所述数据处理平台包括：

信号接收模块，获得每个标签i在整个时间序列下的信号，包括相位和RSSI数据，记为s_i(t)，t为时间戳；

反射信号强度计算模块，基于得到的信号数据s_i(t)，根据反射模型提取出无源角度感知器产生的反射信号S_reflect,i，并计算出反射信号强度P_reflect,i；

理论反射信号能量计算模块，根据预先收集的校准数据，对极化模型进行校准，估算出其中的物理参数C_i的近似值，从而计算出理论反射信号能量P_i,reader；

旋转方向确定模块，根据反射信号强度P_reflect,i中的指定角度，即峰值和谷值对应的角度，推断出转轴的旋转方向；

旋转角度计算模块，结合旋转方向和理论反射信号能量P_i,reader，估算出每个时刻下使得P_reflect,i和P_i,reader最接近的角度

从而实现转轴旋转角度的实时追踪。

进一步地，所述

根据下式求得：

式中N表示标签总数。

进一步地，所述信号接收模块还对接收的信号进行预处理，所述预处理包括：

获得标签在整个时间序列下的RSSI数据和相位数据，分别记为R(t)和β(t)，其中，t表示采样的时间戳；

对于某个时间戳t_j下缺失的数据，R(t_j)和β(t_j)，采用插值的方式进行补充，利用其它时刻的数据来计算出缺失值：

采用移动平均滤波器对插值后的数据进行平滑处理，消除高频噪声；

利用滑动窗口对平滑后的信号进行分段，根据每个时间窗口下信号的方差变化提取出不同旋转方向的数据信号。

进一步地，所述反射信号强度计算模块根据以下方法计算反射信号强度：

预先获取每个标签i在自由空间下的信号，所述自由空间下的信号为去除无源角度感知器中的金属反射物体后，收集的标签i此时反馈的无线射频信号S_free,i；

用获取的实际信号S_actual,i，减去自由空间信号S_free,i，提取出反射信号S_reflect,i，即S_reflect,i＝S_actual,i-S_free,i，其中S_free,i和S_actual,i的取值根据获取的信号特征计算得到，

其中R代表信号强度RSSI，β代表相位信息；

利用提取出的反射信号S_reflect,i，计算得到反射信号强度P_reflect,i＝|S_reflect,i|²。

进一步地，所述极化模型如下：

式中θ为转轴的旋转角度，γ_i表示标签i的偶极子天线的极化方向和z轴的夹角，r₁、r₂、r₃分别表示金属反射物体和阅读器天线之间的距离，金属反射物体和标签之间的距离，以及标签和阅读器天线之间的距离；C_i表示所有和物理因素相关的固定增益，其根据预先完成的校准操作使用最小二乘法拟合估算得到，所述校准操作为使转轴旋转一圈，所述C_i＝arg min∑_{θ∈[0°,180°]}(P_reflect,i-P_i,reader)²。

本发明的一种基于无源RFID的非接触式角度追踪方法，基于上述的角度追踪系统，包括如下步骤：

无源角度感知器的RFID标签接收经由金属反射物体产生的反射信号，并发送无线射频信号；

角度感知一体机实时采集无源角度感知器发出的无线射频信号，获取相位和RSSI特征数据，并将数据发送至数据处理平台；

数据处理平台实时获取角度感知一体机发送的信号特征数据，提取出金属反射物体产生的反射信号，并根据极化模型计算出每个时刻的旋转角度，从而实现角度追踪。

本发明具有以下有益效果：

1.高精度实时转速监测：对机器转轴的转速进行高精度的监测，监测精度达到毫秒级别，并且角度追踪误差控制在5°以内。

2.提高系统安全性和可靠性：利用智能化算法设计，能够精确监控到堵转异常的发生，并及时向设备管理人员发送相应的预警。

3.降低维护开销：使用RFID无源标签和无源角度感知器，并且可以反复进行使用，无需对设备进行更换电池等维护措施，降低开销，绿色环保。

4.环境要求低，便于部署：对环境包括光线人数场景等要求低，可以在复杂环境下正常工作。

附图说明

图1为本发明的角度追踪系统架构图；

图2为本发明的系统应用场景图以及部署方式结构图；

图3为本发明的极化模型示意图；

图4为本发明的角度追踪算法流程图；

图5为本发明的角度追踪原理图；

图6为本发明的信号强度和相位变化示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1和图2，本发明的一种基于无源RFID的非接触式角度追踪系统，包括：无源角度感知器、角度感知一体机和数据处理平台，其中无源角度感知器以无源方式感知转轴的旋转并发信号来通知，角度感知一体机接收无源角度感知器发出的信号，发送至数据处理平台，数据处理平台基于接收到的信号计算出每个时刻的旋转角度，从而实现角度追踪。

在本发明实施例中，无源角度感知器由粘贴有RFID标签的通信模块和用于反射旋转特征的细长型金属反射物体组成，金属反射物体粘贴在转轴外部，随转轴一起旋转；在转轴存在内置线性反射物的情况下，则不需要再设置金属反射物体；RFID标签被角度感知一体机发出的无线射频信号激活，持续接收金属反射物体产生的反射信号，并发送可被角度感知一体机接收的无线射频信号，其中转轴外部金属反射物体的旋转会导致该信号的相位和信号强度(RSSI)发生规律性波动，从而能感知出转轴的旋转。

参照图2，无源角度感知器包含：RFID标签1、标签固定支架2以及细长型金属反射物体3，该标签固定支架可以由多种形态组成，以图2的形态为例，由三脚架21和固定在三脚架上方的正方形盒22组成，双RFID标签则相互垂直粘贴在正方形盒表面；金属反射物体粘贴在待测转轴外部，例如转轴连接的金属转盘4，并通过绝缘物质5(例如，泡沫塑料)与金属转盘隔开一定的距离。

角度感知一体机实时采集无源角度感知器发出的无线射频信号，获取相位和RSSI特征数据，并将数据发送至数据处理平台。在本发明实施例中，角度感知一体机包含RFID阅读器和线性极化天线；线性极化天线持续发出线性的无线射频信号，信号到达无源角度感知器的金属反射物体后，被金属反射物体反射，该反射信号被RFID标签接收，从而实现旋转特征的实时跟踪；RFID阅读器实时采集周边的无源角度感知器发出的无线射频信号，获取RSSI和相位信号特征数据，并将数据发送至数据处理平台。其中，RFID阅读器及其RFID标签为超高频规格，频率为860-960MHz，RFID阅读器通过EPC Global C1 G2协议读写RFID标签。

数据处理平台实时获取角度感知一体机发送的信号特征数据，提取出金属反射物体产生的反射信号，并根据极化模型计算出每个时刻的旋转角度，从而实现角度追踪。在此基础上，数据处理平台可根据工厂预设的异常转速阈值来判断机器转轴是否出现堵转异常，并且该阈值可以针对设备的具体情况进行调整。

基于上述系统，可以实现一种基于无源RFID的非接触式角度追踪方法，包括如下步骤：

1)在转轴没有内置线性反射物的情况下，将无源角度感知器的金属反射物体与转轴外部接触设置，利用绝缘物质隔离金属物体和转轴；将无源角度感知器的RFID标签及标签固定支架放置在金属反射物体前方，二者之间的距离不超过2m；

2)RFID阅读器实时采集有效范围内的RFID标签信息，获取无线射频信号数据，包括信号强度(RSSI)、相位信息和时间戳；

3)数据处理平台对上述采集到的无线射频信号数据进行计算，得到每个时刻转轴的旋转角度，并对一段时间内的相对旋转角度进行评估，计算出转轴的转速，如果转速低于阈值，则及时向设备管理员反馈信息。

参照图3和图4，所述步骤3)中的计算得到每个时刻转轴旋转角度的方法为：

31)获得每个标签i在整个时间序列下的信号，包括相位和RSSI数据，记为s_i(t)，t为时间戳；

32)对得到的信号数据s_i(t)，根据反射模型提取出无源角度感知器产生的反射信号，记为S_reflect,i，并计算出反射信号强度，记为P_reflect,i；

33)根据预先收集的校准数据，对极化模型进行校准，估算出其中的物理参数C_i的近似值，从而计算出理论反射信号能量，记为P_i,reader；

34)根据反射信号强度P_reflect,i中的特殊角度，即峰值和谷值对应的角度，推断出转轴的旋转方向；

35)结合旋转方向和理论反射信号能量P_i,reader，估算出每个时刻的转轴旋转角度，记为

即求出每个时刻下，使得P_reflect,i和P_i,reader最接近的角度，

式中N表示标签总数；从而实现转轴旋转角度的实时追踪。

采集的数据可能存在缺失，为了进一步提高追踪精度，在步骤31)所获得的相位和RSSI信号数据，可以按照如下步骤进行预处理：

311)获得标签在整个时间序列下的RSSI数据和相位数据，分别记为R(t)和β(t)，其中，t表示采样的时间戳；

312)对于某个时间戳t_j下缺失的数据，R(t_j)和β(t_j)，采用插值的方式进行补充，即利用其它时刻的数据来计算出缺失值：

313)采用移动平均滤波器对插值后的数据进行平滑处理，消除高频噪声；

314)利用滑动窗口对平滑后的信号进行分段，根据每个时间窗口下信号的方差变化提取出不同旋转方向的数据信号。

在本发明实施例中，步骤32)中根据反射模型计算反射信号强度的方法为：

321)预先获取每个标签i在自由空间下的信号，即去除无源角度感知器中的金属反射物体后，收集标签i此时反馈的无线射频信号，记为S_free,i；

322)用步骤31)中获取的实际信号，此处记为S_actual,i，减去自由空间信号S_free,i，以提取出反射信号S_reflect,i，即S_reflect,i＝S_actual,i-S_free,i；

323)S_free,i和S_actual,i可以根据获取的信号特征计算得到，即

其中R代表信号强度(RSSI)，β代表相位信息；

324)利用提取出的反射信号S_reflect,i，进一步计算得到反射信号强度P_reflect,i，即P_reflect,i＝|S_reflect,i|²。

步骤33)根据极化模型计算出理论反射信号能量的方法为：

331)线性极化天线发出的无线射频信号到达转轴外部的金属反射物体时，金属物体会进行反射，产生反射波，该反射波与金属物体的旋转角度相关；

332)根据上述特征，并结合弗里斯方程，构建出标签i的理论反射信号能量P_i,reader和转轴的旋转角度θ之间的量化关系，即

其中C_i表示所有和物理因素相关的固定增益，参照图3，左右两张图分别表示RFID天线到金属反射物体和金属反射物体到RFID标签的极化过程；γ_i表示标签i的偶极子天线的极化方向和z轴的夹角，r₁、r₂、r₃分别表示金属反射物体和阅读器天线之间的距离，金属反射物体和标签之间的距离，以及标签和阅读器天线之间的距离；

333)根据预先完成的校准操作(让转轴旋转一圈)，使用最小二乘法来拟合理论反射信号能量和实际反射信号强度，从而估算出物理参数C_i的最佳近似值，即C_i＝arg min∑_{θ∈[0°,180°]}(P_reflect,i-P_i,reader)²；

334)将估算出的物理参数C_i带入模型

中，计算出每个角度下的理论反射信号能量P_i,reader。

图5是角度追踪原理图。当反射物体在RFID标签前方旋转时，角度感知一体机接收到的无线射频信号的相位和信号强度(RSSI)会随着旋转角度的改变而变化，如图6所示。虽然转轴外部的转盘和附着在转盘上的金属反射物体都能反射射频信号，但圆形转盘并不会改变射频信号的极化特性，而细长型金属反射物体则会受极化效应的影响而改变射频信号。具体来说，角度感知一体机发出的线性极化信号将经过两个阶段的极化变换，首先是在反射阶段由金属反射物体变换，其次是在反向散射阶段由RFID标签变换。因此，本发明建立了一个极化模型来量化反射信号能量与转轴旋转角度之间的极化关系，该模型考虑了反射物体和RFID标签的极化效应。通过使用极化模型计算理论反射信号能量，可以根据从原始信号中提取的实测反射信号强度推导出反射物体的旋转角度。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于无源RFID的非接触式角度追踪系统，其特征在于，包括：无源角度感知器、角度感知一体机和数据处理平台；其中，

无源角度感知器，包括粘贴有RFID标签的通信模块和用于反射旋转特征的金属反射物体，RFID标签被角度感知一体机发出的无线射频信号激活，并响应于接收到经由金属反射物体产生的反射信号发送无线射频信号；

角度感知一体机，实时采集无源角度感知器发出的无线射频信号，获取相位和RSSI特征数据，并将数据发送至数据处理平台；

数据处理平台，实时获取角度感知一体机发送的信号特征数据，提取出金属反射物体产生的反射信号，并根据极化模型计算出每个时刻的旋转角度，从而实现角度追踪。

2.根据权利要求1所述的基于无源RFID的非接触式角度追踪系统，其特征在于，所述无源角度感知器的通信模块包括RFID标签和标签固定支架，所述标签固定支架被设置为双RFID标签能够间隔指定角度粘贴在支架提供的载体上，RFID标签及标签固定支架放置在金属反射物体前方；所述金属反射物体为条形金属反射物体，在转轴的带动下随转轴一起旋转。

3.根据权利要求1所述的基于无源RFID的非接触式角度追踪系统，其特征在于，所述的角度感知一体机包含RFID阅读器和线性极化天线，线性极化天线持续发出线性的无线射频信号，无线射频信号到达无源角度感知器的金属反射物体后，被金属反射物体反射，该反射信号被RFID标签接收；RFID阅读器实时采集周边的无源角度感知器发出的无线射频信号，获取RSSI和相位信号特征数据，并将数据发送至数据处理平台。

4.根据权利要求1所述的基于无源RFID的非接触式角度追踪系统，其特征在于，所述RFID阅读器及其RFID标签为超高频规格，频率为860-960MHz，RFID阅读器通过EPC GlobalC1 G2协议读写RFID标签。

5.根据权利要求1所述的基于无源RFID的非接触式角度追踪系统，其特征在于，所述数据处理平台包括：

信号接收模块，获得每个标签i在整个时间序列下的信号，包括相位和RSSI数据，记为s_i(t)，t为时间戳；

反射信号强度计算模块，基于得到的信号数据s_i(t)，根据反射模型提取出无源角度感知器产生的反射信号S_reflect，i，并计算出反射信号强度P_reflect，i；

理论反射信号能量计算模块，根据预先收集的校准数据，对极化模型进行校准，估算出其中的物理参数C_i的近似值，并根据C_i计算出理论反射信号能量P_i，reader；

旋转方向确定模块，根据反射信号强度P_reflect，i中的指定角度，即峰值和谷值对应的角度，推断出转轴的旋转方向；

旋转角度计算模块，结合旋转方向和理论反射信号能量P_i，reader，估算出每个时刻下使得P_reflect，i和P_i，reader最接近的角度

从而实现转轴旋转角度的实时追踪。

6.根据权利要求5所述的基于无源RFID的非接触式角度追踪系统，其特征在于，所述

根据下式求得：

式中N表示标签总数。

7.根据权利要求5所述的基于无源RFID的非接触式角度追踪系统，其特征在于，所述信号接收模块还对接收的信号进行预处理，所述预处理包括：

获得标签在整个时间序列下的RSSI数据和相位数据，分别记为R(t)和β(t)，其中，t表示采样的时间戳；

对于某个时间戳t_j下缺失的数据，R(t_j)和β(t_j)，采用插值的方式进行补充，利用其它时刻的数据来计算出缺失值：

采用移动平均滤波器对插值后的数据进行平滑处理，消除高频噪声；

利用滑动窗口对平滑后的信号进行分段，根据每个时间窗口下信号的方差变化提取出不同旋转方向的数据信号。

8.根据权利要求5所述的基于无源RFID的非接触式角度追踪系统，其特征在于，所述反射信号强度计算模块根据以下方法计算反射信号强度：

预先获取每个标签i在自由空间下的信号，所述自由空间下的信号为去除无源角度感知器中的金属反射物体后，收集的标签i此时反馈的无线射频信号S_free，i；

用获取的实际信号S_actual，i，减去自由空间信号S_free，i，提取出反射信号S_reflect，i，即S_reflect，i＝S_actual，i-S_free，i，其中S_free，i和S_actual，i的取值根据获取的信号特征计算得到，

其中R代表信号强度RSSI，β代表相位信息；

利用提取出的反射信号S_reflect，i，计算得到反射信号强度P_reflect，i＝|S_reflect，i|²。

9.根据权利要求5所述的基于无源RFID的非接触式角度追踪系统，其特征在于，所述极化模型如下：

式中θ为转轴的旋转角度，γ_i表示标签i的偶极子天线的极化方向和z轴的夹角，r₁、r₂、r₃分别表示金属反射物体和阅读器天线之间的距离，金属反射物体和标签之间的距离，以及标签和阅读器天线之间的距离；C_i表示所有和物理因素相关的固定增益，其根据预先完成的校准操作使用最小二乘法拟合估算得到，所述校准操作为使转轴旋转一圈，所述C_i＝arg min∑_{θ∈[0°，180°]}(P_reflect，i-P_i，reader)²。

10.一种基于无源RFID的非接触式角度追踪方法，基于权利要求1所述的角度追踪系统，其特征在于，包括如下步骤：

无源角度感知器的RFID标签接收经由金属反射物体产生的反射信号，并发送无线射频信号；

角度感知一体机实时采集无源角度感知器发出的无线射频信号，获取相位和RSSI特征数据，并将数据发送至数据处理平台；

数据处理平台实时获取角度感知一体机发送的信号特征数据，提取出金属反射物体产生的反射信号，并根据极化模型计算出每个时刻的旋转角度，从而实现角度追踪。

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