一种基于RFID的手写轨迹追踪方法技术

一种基于射频识别RFID的手写轨迹追踪方法，采用阅读器、小型微带天线以及商用无源RFID标签的组合，用于特定区域中手写轨迹的追踪，具体包括系统构建与数据采、建立轨迹追踪模型和生成最终轨迹结果，利用RFID技术获取标签在平面中的坐标位置和3D空间中的方向关系，得到手写笔的笔尖在手写板上的运动轨迹。本方法利用天线阵列收集标签对在三维运动过程中的相位变化，来恢复二维平面中的手写轨迹，构建了小型化的手写轨迹追踪系统，能达到厘米级的轨迹追踪效果，并能实时的获得手写轨迹结果。果。果。

A handwriting track tracking method based on RFID

【技术实现步骤摘要】
一种基于RFID的手写轨迹追踪方法


[0001]本专利技术涉及高精度的射频定位
，具体涉及一种基于RFID的手写轨迹追踪方法。

技术介绍

[0002]近年来，无线定位与跟踪技术引起了学术界的广泛关注。大多数现有的工作利用不同的信号特征来进行轨迹追踪，比如到达角(Angle of Arrival，AOA)、信道状态信息(Channel State Information，CSI)、飞行时间(Time of Flight，TOF)或者它们的组合，将精度提升至亚厘米级。然而，这些方法通常需要大型的相控阵天线、比较大的频谱带宽、专门的部署区域以及干扰相对少的环境才能实现良好的性能。这将导致系统的部署成本增加、布置区域具有局限性等问题。
[0003]随着射频识别技术的发展，RFID标签作为一种轻量级的无源定位传感器得到了广泛认可。在RFID系统中，无源RFID标签能够反向散射来自阅读器天线的无线信号，因此，通常将标签贴在被追踪的物体上。通过阅读器读取到的反向散射信号，可以精确跟踪目标物体的运动轨迹。如：使用贴有RFID标签的物体实现在虚拟平面上书写和绘图。早期的关于RFID定位的工作都是基于接收信号强度(Received Signal Strength，RSS)的方法，但是RSS并非是一个可靠的位置指示器，尤其对于超高频的RFID标签来说。它与标签的方向和天线增益高度相关，然而在移动的环境中，标签方向往往是未知的。近年来人们对利用相位信息定位标签越来越感兴趣，相位信息在定位和移动检测等方面都显示出了良好的性能。尽管一些方案对标签定位已经可以达到厘米级精度，但它们通常需要复杂的部署或缺乏实时定位功能，这在现实生活的应用场景中是不实际的。
[0004]因此，基于以上问题，使用小型化的RFID设备实现手写跟踪，对于基于RFID的传感技术推广到智能家庭、教室和办公室至关重要。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种利用RFID相位值进行手写轨迹追踪的方法，可以进行动态实时的定位，适用于平面上手写轨迹的跟踪和识别。该方法利用双标签四天线阵列进行RF相位采集，并从时间和空间两方面建立2D轨迹和3D方向与RF相位之间的关系模型，旨在准确跟踪RFID标签的实时运动轨迹，该系统具有部署简单，实时性强等优点。
[0006]一种基于RFID的手写轨迹追踪方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
[0007]步骤1：系统构建与数据采集：系统包括以多个定向增益RFID天线组成天线阵列构建的手写板，和以无源RFID标签为核心构建的手写笔；在手写板区域内执笔进行书写；阅读器通过天线阵列持续采集手写笔运动过程中RFID标签的实时相位数据；
[0008]步骤2：数据预处理：包括降噪和统一采样率；
[0009]步骤3：建立轨迹追踪模型：该模型分为2D轨迹追踪和3D方向估计两个部分，其中，2D轨迹指手写笔的笔尖在书写平面上的运动轨迹，3D方向指手写笔在运动过程中相对于书
写平面的方向；
[0010]步骤4：生成最终轨迹结果：结合两标签在平面中的坐标位置和3D空间中的方向关系，进一步扩展到笔尖坐标的确定，最终输出笔尖在手写板上的运动轨迹。
[0011]进一步地，步骤1中，以无源RFID标签为核心构建手写笔；将双标签贴于笔身表面，其中第一张标签位于相对笔尖的近端，第二张标签位于相对笔尾的近端；两张RFID标签对贴于笔身的两侧，即标签以朝向相对的方向摆放，使其分散接收来自各个方向的RFID信号。
[0012]进一步地，在设置两张RFID标签时需确定标签对的最佳位置；在保证标签被所有天线都能读到的情况下，使第一张标签距笔尖的距离尽可能的小；在标签距离不超过手写笔长度的情况下，使得标签之间的距离尽可能的大，以此来确定标签对之间的距离，使标签之间由于电磁反向散射耦合而引起的相互干扰达到最小。
[0013]进一步地，步骤1中，以RFID天线阵列构建手写板；所述RFID天线阵列由小型微带天线构成，采集RFID标签运动过程中的实时相位信息；所述手写板的追踪区域为天线阵列中预设的一块矩形平面。
[0014]进一步地，本专利技术将RFID微带天线集成进手写板中，贴有标签的笔将在位于天线上方的平面上进行书写，由于标签与天线之间的距离过近会导致相位数据采集的成功率和精度都会受到影响，因此标签和笔尖之间存在一定的距离，这将会导致实际书写时标签的运动轨迹和笔尖的运动轨迹会有差异。使用双标签阵列可将获得的标签坐标扩展到笔尖坐标位置，以此来确定手写轨迹的过程。
[0015]进一步地，步骤2中，将步骤1中采集到的相位数据进行重采样，对齐不同天线采集到的相位数据；然后对每个标签的时序RF相位进行相位展开去除相位的2π跳变的影响；最后对相位数据平滑滤波，去除环境噪声以及干扰。
[0016]进一步地，步骤3中，所述2D轨迹追踪模型的输入是天线阵列中两两天线对采集到的同一张标签的相位数据的差值，对于天线对中的两张标签，利用基于双曲线的差分全息图定位方法，分别确定它们在坐标系中的位置。
[0017]进一步地，基于双曲线的差分全息图定位方法；将所述定位区域根据定位精度的需求划分成一定大小的网格点，利用两两天线对到每一个网格点距离求得的理论相位差与测量值之间的差值作为输入，根据双曲线上的点到焦点的距离差为常数这一特征，选择天线阵列中的两两天线生成一对双曲线，再利用合适参数的概率密度函数，将多对双曲线的交点作为差分结果以全息图的形式映射出来。
[0018]进一步地，步骤3中，所述3D方向估计模型的输入为在2D轨迹追踪模型中得到所述标签的坐标，以手写笔在书写平面上的投影和已知的坐标位置关系建立空间中的几何模型，最终获得空间中的仰角和方位角。
[0019]进一步地，步骤4中，利用所述标签位置与所述标签在3D空间的仰角和方位角，在已知标签与笔尖距离和标签之间距离的情况下，将对标签位置的追踪扩展到笔尖在书写平面上的实时位置，最终获得手写轨迹。
[0020]本专利技术达到的有益效果为：提供了一种基于RFID的手写轨迹追踪方法，该方法和系统可以同时提供手写笔的2D轨迹和3D方向信息，可以达到实时跟踪用户书写轨迹的目的。与现有技术相比，本专利技术具有部署方便、实时性强以及能达到高精度的手写轨迹追踪效果。
附图说明
[0021]图1是本专利技术实施实例中的手写识别轨迹追踪方法的流程示意图。
[0022]图2是本专利技术实施实例中的手写笔设计实物图。
[0023]图3是本专利技术实施实例中手写板设计实物图。
[0024]图4是本专利技术实施实例中生成的轨迹图。
具体实施方式
[0025]下面结合说明书附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明。
[0026]参阅图1，一种基于RFID的手写轨迹追踪方法流程图，该方法首先将阅读器读取到的贴在手写笔表面的双标签在运动过程中的时序射频RF信号的相位作为输入。然后进行数据预处理，对时序RF相位进行重采样以解决在RFID系统中基于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于RFID的手写轨迹追踪方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1：系统构建与数据采集：系统包括以多个定向增益RFID天线组成天线阵列构建的手写板，和以无源RFID标签为核心构建的手写笔；在手写板区域内执笔进行书写；阅读器通过天线阵列持续采集手写笔运动过程中RFID标签的实时相位数据；步骤2：数据预处理：包括降噪和统一采样率；步骤3：建立轨迹追踪模型：该模型分为2D轨迹追踪和3D方向估计两个部分，其中，2D轨迹指手写笔的笔尖在书写平面上的运动轨迹，3D方向指手写笔在运动过程中相对于书写平面的方向；步骤4：生成最终轨迹结果：结合两标签在平面中的坐标位置和3D空间中的方向关系，进一步扩展到笔尖坐标的确定，最终输出笔尖在手写板上的运动轨迹。2.根据权利要求1所述的一种基于RFID的手写轨迹追踪系统,其特征在于：步骤1中，以无源RFID标签为核心构建手写笔；将双标签贴于笔身表面，其中第一张标签位于相对笔尖的近端，第二张标签位于相对笔尾的近端；两张RFID标签对贴于笔身的两侧，即标签以朝向相对的方向摆放，使其分散接收来自各个方向的RFID信号。3.根据权利要求2所述的一种基于RFID的手写轨迹追踪系统,其特征在于：在设置两张RFID标签时需确定标签对的最佳位置；在保证标签被所有天线都能读到的情况下，使第一张标签距笔尖的距离尽可能的小；在标签距离不超过手写笔长度的情况下，使得标签之间的距离尽可能的大，以此来确定标签对之间的距离，使标签之间由于电磁反向散射耦合而引起的相互干扰达到最小。4.根据权利要求1所述的一种基于RFID的手写轨迹追踪系统,其特征在于：步骤1中，以RFID天线阵列构建手写板；所述RFID天线阵列由小型微带天线构成，采集RFID标签运动过程中的实时相位信息；所述手写板的追踪区域为天线阵列中预设的一块矩形平面。5.根据权利要求3或权利要求4所述的一种基于RFID的手写轨迹追踪系...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖甫，汪玉洁，张卿云，郭政鑫，周剑，桂林卿，盛碧云，蔡惠，黄海平，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：