一种基于标签耦合作用的超高频RFID标签精确定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于标签耦合作用的超高频RFID标签精确定位方法，本发明专利技术基于现有的商业协议，无需提前训练建立数据库，利用商业RFID设备和单天线即可进行目标标签的精确定位。本发明专利技术研究RFID标签的天线设计模式后，建立其等效电路并对标签的耦合效应建模，在理论支撑下设计得到合理的干扰标签对。RFID阅读器工作在定频模式下，移动干扰标签对，追踪其对目标标签RSS带来的影响，并通过信号处理和迭代定位，实现对目标标签的精确定位。本发明专利技术仅需要一个RFID天线和一组RFID标签，即可完成精确定位，包括绝对定位和相对定位，是一种成本低、精度高的定位方法。

An ultra high frequency RFID tag location method based on tag coupling

The invention discloses an ultra-high frequency RFID tag precise positioning method based on tag coupling. The method can accurately locate the target tag by using commercial RFID equipment and single antenna without prior training and establishing a database based on existing commercial protocols. After studying the antenna design mode of RFID tag, the invention establishes its equivalent circuit and models the coupling effect of the tag, and designs a reasonable interference tag pair under the theoretical support. RFID reader works in fixed frequency mode, moving interference tag pairs, tracking its impact on the target tag RSS, and through signal processing and iterative positioning, to achieve the accurate positioning of the target tag. The invention only needs an RFID antenna and a set of RFID tags to complete accurate positioning, including absolute positioning and relative positioning, and is a low cost and high precision positioning method.

【技术实现步骤摘要】
一种基于标签耦合作用的超高频RFID标签精确定位方法
本专利技术属于无线射频识别领域，具体涉及一种基于标签耦合作用的超高频RFID标签精确定位方法。
技术介绍
目前目标定位在很多领域被广泛应用，尤其是精确定位尤为重要。它在很多应用中作用突出，比如工业系统中的机器人手臂在工作期间需要执行精确的运动，包括抓取、提升等动作，只有精确确定操作目标的位置才能成功执行任务。现有的定位方法主要有三类：基于计算机视觉，基于GPS，基于无线射频信号等。基于计算机视觉的技术，主要通过相机或红外传感器来获取目标对象的高分辨率位置信息，利用规划和控制算法来确定目标。此技术最明显的缺点是，对环境要求苛刻，仅能视距传播，且需要良好的照明条件，更严重的问题是无法检测和识别具有相似颜色或形状的对象，且侵犯用户的隐私，发展受限。基于GPS的技术，是目前应用最为广泛的定位技术。GPS接收机利用接收到的GPS信号计算目标的位置，充分利用了卫星覆盖范围大、导航信号免费等优点。此技术的主要缺点是：GPS信号在室内会因建筑物的影响而衰减，导致定位精度低，而且定位器的设备成本很昂贵。基于无线射频信号的技术，成本低廉，可以克服环境和视距约束。它主要利用无线信号(如WIFI信号，RF信号)来进行导航和定位，现有的解决方案主要通过使用特殊的硬件设备和复杂的部署场景，利用合成孔径雷达或软件无线电来实现定位。此方案的主要缺点是，对信号的处理过于复杂，设备成本较高，部署难度增加等。综上，目前通常使用的定位技术要么对环境有严苛要求，要么需要依赖特殊设备或复杂算法。因此，一种无需特别专业设备、成本低、精度高的定位技术，被迫切需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述不足，提供一种基于标签耦合作用的超高频RFID标签精确定位方法，通过分析评估干扰标签移动导致的目标标签RSS的变化情况，达到对目标标签精确定位的目的，只需要单个天线和一组RFID标签即可完成高精度的精确定位。为了达到上述目的，本专利技术包括以下步骤：步骤一，对标签耦合作用建模：分析RFID标签天线的设计和辐射方式，对标签的耦合作用进行建模，通过标签之间的耦合效应带来的射频干扰，能够对目标标签进行定位；步骤二，设计干扰标签对，采集RSS信号：在理论的支持下，设计一组RFID干扰标签对，基于阅读器与标签的后向散射通信过程，通过移动这组干扰标签对，监测目标标签的RSS变化情况，分析得到目标标签RSS变化情况与其自身所在位置间的关系；步骤三，信号处理：对采集到的目标标签RSS信号进行信号处理，消除由于设备和多径效应带来的RSS测量误差，并进一步提取RSS信号特征，设计迭代定位算法用于定位；步骤四，目标精确定位：移动步骤二中得到的干扰标签对，通过所述步骤三中的信号处理和迭代定位算法，即可对目标标签精确定位。步骤一中，通过对市场中多种不同的RFID标签的天线设计方式进行调研，并建立标签的等效电路，证明理论具有普适性。步骤一中，对标签的耦合作用进行建模时，以标签的互阻抗变化为分析依据。步骤二中，阅读器为超高频RFID阅读器，具有16个信道，采用定频模式，工作频率为922.38MHz。步骤二中，通过改变干扰标签对的标签类型、间距和排列方向，比较目标标签的RSS变化情况，设计得到参数合理的干扰标签对。步骤三中，用三角移动平均滤波器能够处理由于阅读器设备和多径效应带来的随机信号干扰，减小RSS测量误差。步骤三中，提取RSS信号特征时利用基于自动多尺度的峰值检测算法，能够避免RSS信号局部最小值的出现。步骤三中，迭代定位算法的具体步骤如下：第一步，规定干扰标签对的每一组动作为一次迭代，每一组动作包括水平和垂直运动；第二步，在一次迭代中，先沿某一维度进行水平或垂直运动，得到该维度的标签候选位置，然后保持该维度的坐标不变，沿另一维度移动干扰标签，得到一个候选的二维区域；第三步，重复第二步，得到多个新的候选二维区域；第四步，统计所有的候选二维区域，算法规定将区域重叠部分的中心视作目标标签的位置。步骤四中，对一组目标标签的精确定位，通过将该组标签放置在二维平面上，移动干扰标签对并监测组内各标签的EPC和RSS变化情况，提取其信号特征后，确定标签在该平面内的排列顺序来实现。与现有技术相比，本专利技术基于现有的商业协议，无需提前训练建立数据库，利用商业RFID设备和单天线即可进行目标标签的精确定位。本专利技术研究RFID标签的天线设计模式后，建立其等效电路并对标签的耦合效应建模，在理论支撑下设计得到合理的干扰标签对。RFID阅读器工作在定频模式下，移动干扰标签对，追踪其对目标标签RSS带来的影响，并通过信号处理和迭代定位，实现对目标标签的精确定位。本专利技术仅需要一个RFID天线和一组RFID标签，即可完成精确定位，包括绝对定位和相对定位，是一种成本低、精度高的定位方法，本专利技术对标签的耦合作用进行了完整的理论分析和建模，并通过实施例对比相关参数，设计出合理的干扰标签对用于目标定位。进一步，本专利技术采用三角移动平均滤波器对RSS信号进行预处理，平滑性和去噪性比其他传统滤波器好，可以解决由设备和多径等环境因素带来的随机误差。进一步，本专利技术中采用的自动多尺度的峰值检测算法，解决了RSS测量结果中出现的局部最小值问题，结合迭代算法和时间信息进行精确定位，提高了定位精度和效率。附图说明图1是本专利技术的方法流程图；图2是天线曲折结构的分段电流辐射图；图3中(a)是标签的等效电路示意图，(b)是共轭匹配示意图；图4是两个标签耦合作用建模的示意图；图5是耦合作用下目标标签的等效电路修正图；图6是干扰标签定位方案的坐标系说明图；图7中(a)、(b)、(c)、(d)和(e)分别是干扰标签距目标标签0.01波长、0.25波长、0.5波长、0.75波长和1个波长远时的功率谱图；图8是不同场景下目标标签的RSS曲线图；图9是标签阵列的相对定位示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步说明。本专利技术通过以下四步完成：步骤1)对标签耦合作用建模；本专利技术为了解释RFID标签间因耦合作用造成的干扰现象，研究了标签天线的设计和天线的等效电路，并针对该现象进行建模，分析标签对的散射功率。超高频无源标签的天线设计与标签工作的频率、标签与阅读器间通信的方式有关。标签利用后向散射技术将能量返回给阅读器天线，并将ID等信息调制在信号中。通常，标签都采用半波偶极子天线的设计方式，由于超高频标签工作的波长约为32厘米，所以半波偶极子天线的长度为16厘米，而该长度在实际应用中很不方便。因此，天线的导线被设计成弯曲的，即曲折偶极子。此时在弯曲的导线中，电流以相反方向在相邻的导线臂流动，导致该段导线臂中的电流彼此抵消而且没有辐射能力，只剩沿偶极子原始方向的片段产生辐射功率，如图2所示。基于该现象，本专利技术将弯曲的导线段等效看作中心驱动的线性偶极子的近似值。在标签天线中，存储有电容、电感变化以及电阻，可以将标签天线看作简化的电路，如图3(a)所示。在该等效电路中，电压源VO连接一个由辐射电阻Rrad、由电感和电容产生的电抗Xant组成的复阻抗，可以将集成电路近似视为线性和复数阻抗之和，ZIC＝Rload+jXIC。另外，VO是开路电压，即由阅读器输入的RF信号产生的直流分量，该值根据Frris函数可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于标签耦合作用的超高频RFID标签精确定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，对标签耦合作用建模：分析RFID标签天线的设计和辐射方式，对标签的耦合作用进行建模，通过标签之间的耦合效应带来的射频干扰，能够对目标标签进行定位；步骤二，设计干扰标签对，采集RSS信号：在理论的支持下，设计一组RFID干扰标签对，基于阅读器与标签的后向散射通信过程，通过移动这组干扰标签对，监测目标标签的RSS变化情况，分析得到目标标签RSS变化情况与其自身所在位置间的关系；步骤三，信号处理：对采集到的目标标签RSS信号进行信号处理，消除由于设备和多径效应带来的RSS测量误差，并进一步提取RSS信号特征，设计迭代定位算法用于定位；步骤四，目标精确定位：移动步骤二中得到的干扰标签对，通过所述步骤三中的信号处理和迭代定位算法，即可对目标标签精确定位。

【技术特征摘要】
1.一种基于标签耦合作用的超高频RFID标签精确定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，对标签耦合作用建模：分析RFID标签天线的设计和辐射方式，对标签的耦合作用进行建模，通过标签之间的耦合效应带来的射频干扰，能够对目标标签进行定位；步骤二，设计干扰标签对，采集RSS信号：在理论的支持下，设计一组RFID干扰标签对，基于阅读器与标签的后向散射通信过程，通过移动这组干扰标签对，监测目标标签的RSS变化情况，分析得到目标标签RSS变化情况与其自身所在位置间的关系；步骤三，信号处理：对采集到的目标标签RSS信号进行信号处理，消除由于设备和多径效应带来的RSS测量误差，并进一步提取RSS信号特征，设计迭代定位算法用于定位；步骤四，目标精确定位：移动步骤二中得到的干扰标签对，通过所述步骤三中的信号处理和迭代定位算法，即可对目标标签精确定位。2.根据权利要求1所述的一种基于标签耦合作用的超高频RFID标签精确定位方法，其特征在于，步骤一中，通过对市场中多种不同的RFID标签的天线设计方式进行调研，并建立标签的等效电路，证明理论具有普适性。3.根据权利要求1所述的一种基于标签耦合作用的超高频RFID标签精确定位方法，其特征在于，步骤一中，对标签的耦合作用进行建模时，以标签的互阻抗变化为分析依据。4.根据权利要求1所述的一种基于标签耦合作用的超高频RFID标签精确定位方法，其特征在于，步骤二中，阅读器为超高频RFID阅读器，具有16个信道，采用定频模式，工作频率为922.38MH...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁涵，梁帆，崔凯燕，王鸽，惠维，韩劲松，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61