CN112101051A - 一种基于超高频rfid的车辆定位方法和*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超高频RFID的车辆定位方法和***,所述方法包括:利用搭载在车辆上的车载阅读器发射多频率连续波,获取道路上部署的多个标签的位置信息;获取多频率下所述车载阅读器与不同标签通信时的相位信息;根据所述相位信息获得车辆与不同标签之间的距离差数据;根据所述距离差以及标签的位置信息,获得车辆位置信息。所述***中,车载控制后台与路测单元通信,路侧单元对车载阅读器获得的车辆位置、速度等信息进行统计分析,并通过中心云平台进行车道级的数据分析,得到车道路况信息。该车辆定位方法利用相位测量过程,能够实现较高精度的定位效果,且采用多频连续波能够解决相位测量中的整周期模糊问题。
Description
技术领域
本发明属于车辆定位技术领域,具体涉及一种基于超高频RFID的车辆定位方法和***。
背景技术
如今越来越多的新兴车辆应用和服务需要更为精确的车载定位信息,并且定位技术是车联网的关键技术之一,是实现车辆安全通行的重要保障。GNSS(Global NavigationSatellite System,全球导航卫星***)或其RTK(Real-time kinematic,实时动态差分)方法是最基本的定位方法,在室外空旷无遮挡环境下可以达到厘米级的定位精度。
然而,在城市密集高楼区以及隧道、高架桥、地下停车场等遮挡场景中,GNSS会出现不稳定甚至不可用的情况,无法满足车辆在所有场景下的长时间、连续性、稳定性定位的需求。另外,利用传感器进行定位或是融合惯导、雷达等技术测得的数据实现高精度定位,成本又较高,这些都阻碍了定位技术的广泛应用和快速普及。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题,本发明提供了一种基于超高频RFID的车辆定位方法和***。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现:
本发明的一个方面提供了一种基于超高频RFID的车辆定位方法,包括:
S1:利用搭载在车辆上的车载阅读器发射多频率连续波,获取道路上部署的多个标签的真实位置信息;
S2:获取多频率下所述车载阅读器与不同标签通信时的相位信息;
S3:根据所述相位信息获得车辆与不同标签之间的距离差数据;
S4:根据所述距离差以及标签的位置信息,获得车辆位置信息。
在本发明的一个实施例中,所述S2包括:
所述车载阅读器通过发送多频率连续波与所述标签进行通信,得到每个频率信号下与标签进行通信的相位信息:
在本发明的一个实施例中,所述S3包括:
S31:根据所述相位信息获得在不同频率信号下车辆与所述多个标签的距离;
S32:根据车辆与所述多个标签的距离以及车载阅读器最大信号接收范围,计算不同频率信号下从不同标签到车载阅读器接收天线经过的整周期数;
S33:在所述多个标签中选择参考标签,并得到所述车载阅读器到所述剩余标签的距离与到所述参考标签的距离之间的距离差。
在本发明的一个实施例中,所述S31包括:
获得在不同频率信号下每个标签与车辆的距离dki:
其中,di表示车载阅读器接收天线与标签之间的实际距离,θki为车载阅读器发送的第k个频率信号与第i个标签进行通信获得的相位,λk为第k个频率信号的波长,为在没有多径干扰时车载阅读器发送的第k个频率信号与第i个标签进行通信获得的理想相位,为车载阅读器发送的第k个频率信号与第i个标签进行通信获得的相位与理想相位存在的相位误差值,mki为第k个频率信号下从第i个标签到车载阅读器接收天线经过的整数倍波长数,mki∈Z+,Z+为整数集。
在本发明的一个实施例中,所述S32包括:
S321:获得不同频率信号下同一标签与车载阅读器接收天线的距离关系:
S322:获得不同频率信号下从标签到阅读器接收天线经过的整周期数mi=(m1i,m2i,…mki,…,mKi)与车载阅读器最大信号接收范围R的关系:
S323:根据S321和S322中的关系式获得不同频率信号下从不同标签到车载阅读器接收天线经过的整周期数mi=(m1i,m2i,…mki,…,mKi)。
在本发明的一个实施例中,所述S33包括:
选取第1个标签为参考标签,计算车载阅读器到第i个标签之间的距离di与车载阅读器到第1个标签之间的距离d1的距离差:
其中,n=i-1,i=2,…,N,dki为车载阅读器到第i个标签的距离,dk1为车载阅读器到第1个标签的距离,mki为第k个频率信号下从第i个标签到车载阅读器接收天线经过的整周期数,θki为第k个频率信号下车载阅读器与第i个标签通信时的测得相位,mk1为第k个频率信号下从第1个标签到车载阅读器接收天线经过的整周期数,θk1为第k个频率信号下车载阅读器与第1个标签通信时的测得相位。
在本发明的一个实施例中,所述S4包括:
S41:获取车辆相对于三个标签的相对位置坐标;
S42:根据所述相对位置信息和所述三个标签的位置坐标获得车辆的真实位置坐标。
在本发明的一个实施例中,所述S41包括:
S411:以三个标签A、B、C所在平面为站基平面构建坐标系,其中,以标签A所在位置为原点,标签A与标签B的连线方向为X轴;
S412:获得在当前坐标系下的三个标签A、B、C的相对位置坐标;
S413:获得车辆与所述三个标签A、B、C的相对位置坐标的关系式;
S414:根据车辆与所述三个标签A、B、C的相对位置坐标的关系式计算获得车辆在当前坐标系下的相对位置坐标(x,y)。
在本发明的一个实施例中,所述S42包括:
根据车辆在当前坐标系下的相对位置坐标(x,y)和所述三个标签的真实位置信息Ar(x1,y1),Br(x2,y2),Cr(x3,y3)获得车辆的真实位置坐标:
其中,T为过度矩阵,表达式为:
其中,b为标签A、B之间的距离。
本发明的另一方面提供了一种基于超高频RFID的车辆定位***,包括搭载在车辆上的车载阅读器以及部署在道路上的多个标签,所述车辆定位***用于执行上述实施例中任一项所述的车辆定位方法。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
1、本发明的基于超高频RFID的车辆定位方法和***,在GNSS定位效果较差的场景下,依旧能实现对车辆的精确定位,并且相对于融合惯导和雷达等技术,具有较低的成本和功耗。
2、本发明的基于超高频RFID的车辆定位方法和***,采用多频连续波进行车载阅读器与标签之间的通信,解决了相位测量中的整周期模糊问题。
3、本发明的基于超高频RFID的车辆定位方法采用三边测量方法,利用双曲面几何性质和几何解析方法求解相对坐标,避免了运用迭代方法解决双曲面定位的算法冗余和收敛问题。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于超高频RFID的车辆定位方法的流程图;
图2是本发明实施例提供的一种车载阅读器与道路部署标签进行通信的场景示意图;
图3是利用本发明实施例提供的车辆定位方法得到的测距误差与测相误差的关系图;
图4是本发明实施例提供的一种站基平面示意图;
图5是本发明实施例提供的车载控制软件与路边MEC及中心云进行通信的示意图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及具体实施方式,对依据本发明提出的一种基于超高频RFID的车辆定位方法和***进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效,在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明,可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解,然而所附附图仅是提供参考与说明之用,并非用来对本发明的技术方案加以限制。
应当说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
实施例一
请参见图1,图1是本发明实施例提供的一种基于超高频RFID的车辆定位方法的流程图。本实施例的车辆定位方法包括如下步骤:
S1:利用搭载在车辆上的车载阅读器发射多频率连续波,获取道路上部署的多个标签的真实位置信息。
具体地,在待定位的车辆上部署有车载阅读器,能够与道路上部署的标签进行通信,本实施例的标签为RFID标签。
在车辆行驶过程中,车载阅读器能够与车辆附近的标签进行通信,即与车载阅读器最大信号接收范围内的标签进行通信,获得标签内部存储的标签的真实位置信息P,其中,P={pi},pi为车辆检测到的第i个标签的坐标信息,i=1,2,…,N,(N≥3),N为车辆检测到的总标签数目。
请参见图2,图2是本发明实施例提供的一种车载阅读器与道路部署标签进行通信的场景示意图。在本实施例中,车载阅读器至少需要与三个标签进行通信,获得其位置坐标。
S2:获取多频率下所述车载阅读器与不同标签通信时的相位信息。
具体地,所述车载阅读器通过发送多频率连续波与所述标签进行通信,得到每个频率信号下与标签进行通信的相位信息:
示例性地,车载阅读器与信号接收范围内的三个标签进行通信,则可以获得与第一个标签在K个不同频率信号下的相位信息获得与第二个标签在K个不同频率信号下的相位信息获得与第三个标签在K个不同频率信号下的相位信息
S3:根据所述相位信息获得车辆与不同标签之间的距离差数据。
进一步地,所述S3包括:
S31:根据所述相位信息获得在不同频率信号下车辆与所述多个标签的距离。
由于空间中除了标签本身,还有诸如墙体、其他车辆等的反射体,导致连续波信号在标签与阅读器接收天线之间产生多径传输,并且由于设备工作性能等的影响,实际测得相位中将会存在相位误差,而相位误差会对测距结果造成影响。
需要说明的是,相位误差阈值是根据选取的频率组合具体值以及阅读器最大工作距离提前确定的。
则θki为第k个频率信号下车载阅读器与第i个标签通信时的实际测得相位θki为:
由此,可以获得在不同频率信号下每个标签与车辆的距离dki:
其中,di表示车载阅读器接收天线与标签之间的实际距离,θki为车载阅读器发送的第k个频率信号与第i个标签进行通信获得的相位,λk为第k个频率信号的波长,为在没有多径干扰时车载阅读器发送的第k个频率信号与第i个标签进行通信获得的理想相位,为车载阅读器发送的第k个频率信号与第i个标签进行通信获得的相位与理想相位存在的相位误差值,mki为第k个频率信号下从第i个标签到车载阅读器接收天线经过的整数倍波长数,mki∈Z+,Z+为整数集。
S32:根据车辆与所述多个标签的距离以及车载阅读器最大信号接收范围,计算不同频率信号下从不同标签到车载阅读器接收天线经过的整周期数。
具体地,S321:获得不同频率信号下同一标签与车载阅读器接收天线的距离关系:
S322:获得不同频率信号下从标签到阅读器接收天线经过的整周期数mi=(m1i,m2i,…mki,…,mKi)与车载阅读器最大信号接收范围R的关系:
S323:根据S321和S322中的关系式获得不同频率信号下从不同标签到车载阅读器接收天线经过的整周期数mi=(m1i,m2i,…mki,…,mKi)。
S33:在所述多个标签中选择参考标签,并得到所述车载阅读器到所述剩余标签的距离与到所述参考标签的距离之间的距离差。
具体地,选取第1个标签为参考标签,计算车载阅读器到第i个标签之间的距离di与车载阅读器到第1个标签之间的距离d1的距离差:
其中,n=i-1,i=2,…,N,dki为车载阅读器到第i个标签的距离,dk1为车载阅读器到第1个标签的距离,mki为第k个频率信号下从第i个标签到车载阅读器接收天线经过的整周期数,θki为第k个频率信号下车载阅读器与第i个标签通信时的测得相位,mk1为第k个频率信号下从第1个标签到车载阅读器接收天线经过的整周期数,θk1为第k个频率信号下车载阅读器与第1个标签通信时的测得相位。
换句话说,以第1个标签为参考标签,得出车载阅读器接收天线到其余标签与参考标签的距离差ΔD可以表示为:
ΔD={Δdn|Δdn=di-d1,n=1,2…,N-1}
其中,Δdn为车载阅读器接收天线到第i个标签的距离di与车载阅读器接收天线到第1个标签的距离d1的距离差,即di-d1,i=2,…,N。
以下通过实验进一步说明本实施例中采用多频连续波相位差测距的效果:
在该仿真实验中总共采用9个频率,具体的频率组合为:841MHz、842MHz、845MHz、921MHz、923MHz、924MHz、2402MHz、2418MHz、2449MHz,仿真误差阈值为8°,设定车载阅读器到两个标签之间的距离差为2m,设定车载阅读器的读写距离分别为4m、6m、8m、10m、12m。请参见图3,图3是利用本发明实施例提供的车辆定位方法得到的测距误差与测相误差的关系图。从图3中可以看出,利用多频连续波进行相位差测距,测距结果会随着测得值相位误差的增加而增加,表明实际测得相位与理论相位之间的相位偏差会使得实际测距结果准确性降低,但在相位误差小于误差阈值时,由于相位误差造成的测距误差值较小,仍能获得准确的测距结果。对于相位误差超出误差阈值时的情况,测距精度会迅速降低。但也看出,当实际使用场景下,对测距精度要求较低时,采用多频连续波方法,实际测得相位中可以存在有较大的相位误差。
S4:根据所述距离差以及标签的位置信息,获得车辆位置信息。
本步骤结合三边测量定位和读取到的标签实际位置信息,完成车辆定位。通过测得距离差,可以利用双曲面的几何性质计算车辆的相对坐标,为了简化解析方法计算过程,采用坐标转换方法。
所述S4包括:
S41:获取车辆相对于三个标签的相对位置坐标;
具体地,请参见图4,图4是本发明实施例提供的一种站基平面示意图。以三个标签A、B、C所在平面为站基平面构建坐标系,其中,以标签A所在位置为原点,标签A与标签B的连线方向为X轴;获得在当前坐标系下的三个标签A、B、C的相对位置坐标A(0,0),B(b,0),C(xc,yc);
获得车辆与所述三个标签A、B、C的相对位置坐标的关系式;
假设目标车辆的相对位置坐标为(x,y),目标车辆到A、B两标签的距离差为Rab,到A、C两标签的距离差为Rac,Rab和Rac均可以通过步骤S3获得。由几何关系可以得到如下关系式:
其中,b为标签A、B之间的距离,可以容易的获得。
根据车辆与所述三个标签A、B、C的相对位置坐标的关系式计算获得车辆在当前坐标系下的相对位置坐标(x,y)。具体地,由解析处理方法,可以得到车辆在由标签A、B、C构成的空间内的相对位置坐标如下:
y=gx+h
S42:根据所述相对位置信息和所述三个标签的位置坐标获得车辆的真实位置坐标。
具体地,根据车辆在当前坐标系下的相对位置坐标(x,y)和所述三个标签的真实位置信息Ar(x1,y1),Br(x2,y2),Cr(x3,y3),以及根据线性空间的坐标系与坐标变换间的关系,获得车辆的真实位置坐标:
其中,T为过度矩阵,表达式为:
其中,b为标签A、B之间的距离。
需要说明的是,通过如上过程,将得到两个真实坐标位置解算值,根据车辆历史轨迹信息以及车辆当前运行状态,如正常行驶或倒车等,即可筛选出车辆当前真实位置点。
进一步地,在步骤S4之后还包括:
S5:车载控制后台从车载阅读器获得车辆的真实位置坐标、速度等信息传送到云平台进行统计分析,得到车道路况信息后反馈到用户。
具体地,请参见图5,图5是本发明实施例提供的车载控制软件与路边MEC及中心云进行通信的示意图。步骤S5包括:
S51:车载阅读器获得车辆的当前真实位置信息,并将该信息传输到上位机的软件控制平台,软件控制平台将车辆当前位置、速度以及时间信息等通过通信协议上报到MEC(Multi-access Edge Computing,多接入边缘计算)单元,MEC对当前车辆所在车道数据信息进行统计分析,获得当前的道路拥堵状况、车流量等路况信息;
S52:在MEC中完成数据分析后将分析结果通过外网连接传输到中心云平台,云平台对所有传输到该平台的信息进行统计汇总,并进行统计分析,根据不同车道上车辆传输的数据信息和速度信息,得出不同车道的车流量、车道拥堵状况,并预估车道交通状态变化趋势;
S53:云平台通过通信协议与车载软件平台实现通信,用户通过车载软件平台获取不同车道路况信息。
此外,在上述实施例的基础上,本发明实施例还提供了一种基于超高频RFID的车辆定位***,包括搭载在车辆上的车载阅读器以及部署在道路上的多个标签,所述车辆定位***用于执行上述实施例中所述的车辆定位方法。
具体地,在待定位的车辆上部署有车载阅读器,能够与道路上部署的标签进行通信,本实施例的标签为RFID标签。
在车辆行驶过程中,车载阅读器能够与车辆附近的标签进行通信,即与车载阅读器最大信号接收范围内的标签进行通信,获得标签内部存储的标签的真实位置信息。
此外,所述车载阅读器通过发送多频率连续波与所述标签进行通信,得到每个频率信号下与标签进行通信的相位信息。
随后,所述车载阅读器中的处理器能够利用标签的真实位置信息以及每个频率信号下与标签进行通信的相位信息,获得车辆的真实位置信息。具体数据计算和处理过程,请参见上述车辆定位方法中的相关描述,这里不再赘述。
此外,在该***中,车载控制后台与路测单元(例如,MEC单元)通信,路侧单元能够对车载阅读器获得的车辆位置、速度等信息进行统计分析,并通过中心云平台进行车道级的数据分析,得到车道路况信息。
综上,本发明实施例的基于超高频RFID的车辆定位方法和***,在GNSS定位效果较差的场景下,依旧能实现对车辆的精确定位,并且相对于融合惯导和雷达等技术,具有较低的成本和功耗。该车辆定位方法和***,进行车载阅读器与标签之间的通信,解决了相位测量中的整周期模糊问题。该车辆定位方法采用三边测量方法,利用双曲面几何性质和几何解析方法求解相对坐标,避免了运用迭代方法解决双曲面定位的算法冗余和收敛问题。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于超高频RFID的车辆定位方法,其特征在于,包括:
S1:利用搭载在车辆上的车载阅读器发射多频率连续波,获取道路上部署的多个标签的真实位置信息;
S2:获取多频率下所述车载阅读器与不同标签通信时的相位信息;
S3:根据所述相位信息获得车辆与不同标签之间的距离差数据;
S4:根据所述距离差以及标签的位置信息,获得车辆位置信息。
3.根据权利要求2所述的基于超高频RFID的车辆定位方法,其特征在于,所述S3包括:
S31:根据所述相位信息获得在不同频率信号下车辆与所述多个标签的距离;
S32:根据车辆与所述多个标签的距离以及车载阅读器最大信号接收范围,计算不同频率信号下从不同标签到车载阅读器接收天线经过的整周期数;
S33:在所述多个标签中选择参考标签,并得到所述车载阅读器到所述剩余标签的距离与到所述参考标签的距离之间的距离差。
7.根据权利要求1所述的基于超高频RFID的车辆定位方法,其特征在于,所述S4包括:
S41:获取车辆相对于三个标签的相对位置坐标;
S42:根据所述相对位置信息和所述三个标签的位置坐标获得车辆的真实位置坐标。
8.根据权利要求4所述的基于超高频RFID的车辆定位方法,其特征在于,所述S41包括:
S411:以三个标签A、B、C所在平面为站基平面构建坐标系,其中,以标签A所在位置为原点,标签A与标签B的连线方向为X轴;
S412:获得在当前坐标系下的三个标签A、B、C的相对位置坐标;
S413:获得车辆与所述三个标签A、B、C的相对位置坐标的关系式;
S414:根据车辆与所述三个标签A、B、C的相对位置坐标的关系式计算获得车辆在当前坐标系下的相对位置坐标(x,y)。
10.一种基于超高频RFID的车辆定位***,其特征在于,包括搭载在车辆上的车载阅读器以及部署在道路上的多个标签,所述车辆定位***用于执行权利要求1至9中任一项所述的车辆定位方法。
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