CN105404908B - 基于线元几何的高精度rfid路径追踪分拣装置及其算法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于线元几何的高精度RFID路径追踪算法的分拣装置，包括定向天线、UHF高频阅读器和工业控制计算机；在传送带的前端部署一对定向天线用以读取货物标签ID；在分拣传送带的两侧各部署一个定向天线，用以获取货物位置数据；如果传送带长度大于10m则再部署一对天线；UHF高频阅读器与工业控制计算机相连，将采集到的位置数据传送到工业控制计算机进行处理。通过上述方式，本发明能够提高机场行李或者货物自动分拣***的自动化程度和分拣准确性，减少分拣人员工作强度，提高整体运行效率。

Description

基于线元几何的高精度RFID路径追踪分拣装置及其算法
技术领域
本发明涉及RFID定位领域，特别是涉及一种基于线元几何的高精度RFID路径追踪分拣装置及其算法。
背景技术
在商用级别的行李或者货物自动分拣***设备上实现高精度轨迹追踪时，依赖于高性能设备获取到精确数据，并且通过数据点位置数据拟合、还原物体运动过程中某一时刻的位置与运动轨迹。天线以及阅读器等设备受到环境影响，会导致采集数据的误差，这导致获得的路径无法达到毫米级的精度；整个***受到温度、设备误差等噪声的干扰，很难在精确度与鲁棒性之间找到一个良好的平衡。传统的设备其精度只能保持在10cm级别，这会导致行李有可能被错派到相邻的传送带上，导致行李丢失。受到读写设备频率的限制，如果目标移动过快，会导致采样点缺失从而影响轨迹追踪精度，甚至无法获取路径；有的***为了提高精确度和扫描速度，需要更换昂贵的设备，或者更改整套***的物理布局。
RFID(Radio Frequency Identification)：射频识别。线元几何：是直线几何的扩展，直线几何时以直线为基本元素的几何学，属于射影几何范畴，线元几何将三维空间中的数据映射到7维空间，可以在高纬的微分流形上分析其上特征。UHF(Ultra HighFrequency)：超高频，是指频率为300～3000MHz，波长在1m～1dm的无线电波。线性丛：具有某类统一特征的线元的集合。微分流形(differentiable manifold)：也称为光滑流形(smooth manifold)，是拓扑学和几何学中一类重要的空间，是带有微分结构的拓扑流形；微分流形是微分几何与微分拓扑的主要研究对象，是三维欧式空间中曲线和曲面概念的推广，可以有更高的维数，而不必有距离和度量的概念。TagID：RFID标签的唯一识别号。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种基于线元几何的高精度RFID路径追踪分拣装置及其算法。在轨迹上运动的任何物体，都符合一种统一的运动模式，即使原始采样数据存在丢失、或者误差，也不会改变物体运动的模式。利用这点，使用线元几何提取物体的运动特征，从而复原被追踪物体的运动轨迹。可以有效地抵抗噪声、提高精度、并且可以提前预判物体的运动方向，从而提高行李或货物分拣精度，同时能在第一时间预知并发现向错误方向运动的行李或货物。本发明能够在具有误差的商用设备上实现毫米级别精度的RFID物体跟踪；在被追踪物体移动速度过快时依然能够追踪到物体的运动轨迹；在被追踪物体向错误方向移动时提前发现并预知；在目前已有的行李或者货物追踪***上，不更改硬件只需升级算法即可提高分拣精度，降低出错率。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于线元几何的高精度RFID路径追踪算法，通过商用RFID设备，采集具有误差的原始数据集，商用RFID设备可以直接采集得到从RFID标签反射回来的反射波的相位差数据，反射波信号强度以及标签号；使用基于相位差的虚拟天线阵列方法或者基于信号到达角度方法估算得到标签在某一时刻，具有误差的位置数据集T＝{Tagt1,Tagt2,...Tagtn}，数据集的位置样本点与RFID标签号以及采样时间相关；通过TagID将数据按照RFID标签号分类，对于每一个TagID对应的位置数据点，组织成一个属于某一特定标签的轨迹数据点集，记为p＝{pt1,pt2...ptn}；通过位置点数据以及采样时间间隔Δt可以通过式(1)估算出每一个采样时间点上标签的大致速度：
从而得到由各个采样时间点速度矢量组成的速度矢量集V＝{v1,v2...vn}；通过式(2)将笛卡尔坐标系中的速度矢量映射到线元空间,称之为一个线元；
通过式(2)可以将速度矢量集V映射到线元空间，得到速度矢量集合
在欧式几何空间中，刚体运动可以表示成如式(4)所示：
p(t)＝α(t)A(t)·p+α(t) (4)
这里，A(t)是旋转矩阵，α(t)是缩放因子；我们将其表示为线元形式，可以得到式(5)；
使用速度矢量集合中的数据，拟合刚体运动方程(5)，使用PCA即主成分分析方法来提取运动特征，即求满足方程(6)达到最小值的特征根
对于直线轨道其直线轨迹可以用式(7)表示：
对于圆周型轨道式(7)表示其中心轴的位置，将特征代回方程(5)，能够在原始采样数据对应的线元集中剔除误差点，得到精确点集圆半径可以由点ci到直线向量的平均距离表示
采用以上算法的一种基于线元几何的高精度RFID路径追踪的分拣装置，包括定向天线、UHF高频阅读器和工业控制计算机；在传送带的前端部署UHF高频阅读器用以读取货物标签ID；在分拣传送带的两侧各部署一个定向天线，用以获取货物位置数据；如果传送带长度大于10m则再部署一对定向天线；UHF高频阅读器与工业控制计算机相连，将采集到的位置数据传送到工业控制计算机进行处理。
本发明的有益效果是：本发明能够还原更高精度的轨迹路径，在基于几何特征的还原上，对于行李分拣***这样具有显著几何特征轨道上，能够达到极高的精确度；通过重建轨迹，可以预判货物的走向是否正确，如果错误，能够提前报警，并且预知错误走向的货物最终到达的位置。
附图说明
图1是本发明基于线元几何的高精度RFID路径追踪的分拣装置结构示意图；
图2是所示为原始采集的不精确数据点；
图3所示为在不精确数据点集合的基础上提取线元并建立速度矢量场；
附图中各部件的标记如下：1、定向天线；2、UHF高频阅读器；3、传送带；4、带有RFID标签的货物。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1至图3，本发明实施例包括：
在图1中，基于线元几何的高精度RFID路径追踪的分拣装置包括定向天线1、UHF高频阅读器2和工业控制计算机；在传送带3的前端部署UHF高频阅读器2用以读取带有RFID标签的货物4上标签的ID；在分拣传送带3的两侧各部署一个定向天线1，用以获取带有RFID标签的货物4的位置数据；如果传送带3长度大于10m则再部署一对定向天线1；UHF高频阅读器与工业控制计算机相连，将采集到的位置数据传送到工业控制计算机进行处理。
在采集到的具有误差的位置数据集T＝{Tagt1,Tagt2,...Tagtn}中，数据集的位置样本点与RFID标签号以及采样时间相关，如图2中所示；首先通过TagID将数据按照RFID标签号分类，对于每一个TagID对应的位置数据点，组织成一个属于某一特定标签的轨迹数据点集，记为p＝{pt1,pt2...ptn}；通过位置点数据以及采样时间间隔Δt可以通过式(1)估算出每一个采样时间点上标签的大致速度：
从而得到由各个采样时间点速度矢量组成的速度矢量集V＝{v1,v2...vn}；通过式(2)将笛卡尔坐标系中的速度矢量映射到线元空间,称之为一个线元；
通过式(2)可以将速度矢量集V映射到线元空间，得到速度矢量集合其在三维空间中的表示如图3所示，线条部分为根据几何特征重建的运动轨迹；
在欧式几何空间中，刚体运动可以表示成如式(4)所示：
p(t)＝α(t)A(t)·p+α(t) (4)
这里，A(t)是旋转矩阵，α(t)是缩放因子；我们将其表示为线元形式，可以得到式(5)；
对于直线轨道其直线轨迹可以用式(7)表示：
对于圆周型轨道式(7)表示其中心轴的位置，将特征代回方程(5)，能够在原始采样数据对应的线元集中剔除误差点，得到精确点集圆半径可以由点ci到直线向量的平均距离表示见图3所示，A1表示为复原的直线轨迹，它是一个矢量，包括运动的方向信息；R代表复原运动轨迹转弯处的圆角半径；A2代表圆心位置，它是一个矢量，表示为垂直于轨迹平面的一条直线。
本发明无须对已有***进行硬件改造，在数据处理端增加本算法，即可提高分拣货物轨迹追踪精度；在第一时间预测货物是否偏离正确轨道，并可以估算出偏离轨道物体的最终位置；可以对高速移动的RFID标签轨迹进行跟踪，从而允许货物以较高的速度在传送带上运行。本发明能够提高机场行李或者货物自动分拣***的自动化程度和分拣准确性，减少分拣人员工作强度，提高整体运行效率，使用RFID标签对大量的行李与货物进行分拣。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于线元几何的高精度RFID路径追踪算法，其特征在于：通过分拣装置中的商用RFID设备，采集具有误差的原始数据集，商用RFID设备可以直接采集得到从RFID标签反射回来的反射波的相位差数据，反射波信号强度以及标签号；使用基于相位差的虚拟天线阵列方法或者基于信号到达角度方法估算得到标签在某一时刻，具有误差的位置数据集T＝{Tagt1,Tagt2,...Tagtn}，数据集的位置样本点与RFID标签号以及采样时间相关；
通过TagID将数据按照RFID标签号分类，对于每一个TagID对应的位置数据点，组织成一个属于某一特定标签的轨迹数据点集，记为p＝{pt1,pt2...ptn}；根据位置点数据以及采样时间间隔Δt可以通过式(1)估算出每一个采样时间点上标签的大致速度：
从而得到由各个采样时间点速度矢量组成的速度矢量集V＝{v1,v2...vn}；通过式(2)将笛卡尔坐标系中的速度矢量映射到线元空间,称之为一个线元；
通过式(2)可以将速度矢量集V映射到线元空间，得到速度矢量集合l；
在欧式几何空间中，刚体运动可以表示成如式(4)所示：
p(t)＝α(t)A(t)·p+α(t) (4)
这里，A(t)是旋转矩阵，α(t)是缩放因子；我们将其表示为线元形式，可以得到式(5)；
使用速度矢量集合l中的数据，拟合刚体运动方程(5)，使用PCA即主成分分析方法来提取运动特征，即求满足方程(6)达到最小值的特征根
对于直线轨道其直线轨迹可以用式(7)表示：
对于圆周型轨道式(7)表示其中心轴的位置，将特征代回方程(5)，能够在原始采样数据对应的线元集l中剔除误差点，得到精确点集l'＝{c1,c2...cn}；圆半径可以由点ci到直线向量的平均距离表示
2.根据权利要求1所述的一种基于线元几何的高精度RFID路径追踪算法，其特征在于，所述分拣装置包括：定向天线、UHF高频阅读器和工业控制计算机；在传送带的前端部署UHF高频阅读器用以读取货物标签ID；在分拣传送带的两侧各部署一个定向天线，用以获取货物位置数据；如果传送带长度大于10m则再部署一对定向天线；UHF高频阅读器与工业控制计算机相连，将采集到的位置数据传送到工业控制计算机进行处理。
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