一种基于非线性优化方法的RFID定位方法技术

本发明专利技术涉及一种基于非线性优化方法的RFID定位方法，包括下列步骤：第一步建立RFID相位模型；第二步代价函数设计：标签位置固定且未知，阅读器天线以确定的轨迹和速度运动形成合成孔径；利用相位差与距离差的关系，构建代价函数，将定位问题转化为求解优化问题，代价函数的最小值对应的解即为目标位置；第三步求解上述优化问题的最优解，得到待定位目标的位置。位置。位置。

【技术实现步骤摘要】
一种基于非线性优化方法的RFID定位方法


[0001]本专利技术涉及一种RFID定位方法。

技术介绍

[0002]无源超高频RFID技术以其独特的优势(低功耗、电子标签的唯一性、标签数据的批量盘点)已经成为了物联网技术在工业上成功应用的典范。基于射频(RF)的定位技术在移动计算、资源管理和人机交互领域具有广阔的发展潜力，引起了业界极大的研究兴趣，并且部分理论已经转化为先进的应用系统。
[0003]合成孔径雷达(SAR)是一种高分辨的雷达成像技术，其通过目标与雷达间的相对运动形成虚拟的天线阵列，可以取代大尺寸的阵列天线而达到理想的方位分辨率的效果。近年来，许多研究将SAR概念应用于RFID定位技术，利用射频标签与阅读器天线之间的相对运动来获取更多的采样信息，从而实现高精度的定位效果。

技术实现思路

[0004]本专利提供一种基于非线性优化方法的RFID定位方法，旨在利用现有的RFID设备，对贴有射频标签的物体实现精确定位。针对传统的基于时间测量的定位方法，如信号到达时间(TOA)、到达时间差(TDOA)等并不适用与带宽窄的RFID系统，本专利技术利用射频标签反向散射信号的相位信息，建立包含位置参数的代价函数，进而采用非线性优化的方法对其求解，最终给出待定位物体的位置信息。技术方案如下：
[0005]一种基于非线性优化方法的RFID定位方法，包括下列步骤：
[0006]第一步 建立RFID相位模型
[0007]阅读器控制天线向空间辐射射频信号，被选中标签的射频前端从电磁场中获得能量从而被激活，标签通过变换输入阻抗对反向散射信号进行调制进而将所储存的数据发送回阅读器，阅读器对反向散射信号进行解调后获得相位信息；设阅读器天线与标签间的距离为d，相位值为φ，为与硬件因素有关的相位偏移。
[0008]第二步 代价函数设计
[0009]标签位置固定且未知，阅读器天线以确定的轨迹和速度运动形成合成孔径；在运动过程中，阅读器随机访问标签，记录每个访问时刻t＝{t0,t1,...,t
i
,...,t
N
}和相位值阅读器天线初始位置z0＝[x0,y0]已知，设阅读器沿着x轴运动，速度为v，则t
i
时刻阅读器的位置表示为z
i
＝[x
i
,y
i
]＝[x0+v(t
i
‑
t0),0]，阅读器与标签的距离为d
i
＝||z
i
‑
z
t
||2，其中z
t
＝[x
t
,y
t
]表示标签坐标；
[0010]将相位值φ重写成：
[0011][0012]其中，k代表模糊的相位周期数；
[0013]为了消除与硬件有关的相位偏移以相邻两次的相位值作差，第i个相位差表
示为：
[0014][0015]Δφ
i
＝φ
i+1
‑
φ
i
[0016]Δk
i
＝k
i+1
‑
k
i
[0017]Δd
i
＝d
i+1
‑
d
i
,i＝1,2,3,...,N
‑1[0018]限制天线的采样间隔小于λ/4，以π为标准，得到如下确定Δk
i
的方法：
[0019][0020]利用相位差与距离差的关系，构建代价函数如下：
[0021][0022]其中Δd
i
＝||z
i+1
‑
z
t
||2‑
||z
i
‑
z
t
||2[0023]将定位问题转化为求解优化问题，上述代价函数的最小值对应的解即为目标位置；
[0024]第三步求解上述优化问题的最优解，得到待定位目标的位置。
[0025]第一步中，相位值φ可由下式表示：
[0026][0027]其中λ表示波长，包括三部分：分别为阅读器发送单元、标签单元、阅读器接收单元带来的相位偏移。
[0028]第三步 求解上述优化问题的最优解，得到待定位目标的位置。
[0029]第三步中，可使用高斯—牛顿方法求解优化问题。
[0030]本专利技术为室内定位问题提供了新的解决方案。总的来说，该方法具有如下方面特点：1、将SAR方法引入RFID定位问题，利用阅读器天线与射频标签之间的相对运动，获得了更充分的测量结果。2、建立基于反向散射机制的RFID相位—距离模型，利用电磁波传播带来的相位变化，获得了比能量值更可靠的距离度量。3、利用相位差与距离差之间的对应关系建立凸优化目标函数，从而将定位问题转化为容易解决的优化问题。4、本专利技术所提出的方法基于现有的RFID系统，因此具有较高的实用价值。本专利技术所提方法的有效性经过了一系列的仿真和实验验证。
附图说明
[0031]图1 RFID反向散射耦合通信机制
[0032]图2非线性优化迭代过程
[0033]图3对比其它定位方法的累计误差效果(CDF)曲线图
[0034]图4对比其它定位方法的计算效率图
具体实施方式
[0035]本专利技术基于RFID反向散射耦合机制，利用阅读器天线与射频标签之间的相对移动，使得二者之间的距离产生连续变化，与此同时，与距离直接相关的电磁波的相位也发生相应改变，通过测量相位的改变，从而实现对目标物体的定位。总的来说，本专利技术拟采取的技术方案如下：首先，从RFID的通信机制出发，建立距离与相位之间的联系，为定位方案的设计提供理论支撑。其次，设计包含目标位置信息的代价函数，将定位问题转化为寻找代价函数的最优解问题。最后，通过非线性优化方法求取使代价函数最小化的最优解，给出定位结果。
[0036]技术路线如下：
[0037]1、将阅读器天线固定在移动平台上，形成天线与射频标签间的相对运动。阅读器在运动过程中不断盘询射频标签并接收其反向散射信号。对接收信号进行解调，获得反映电磁波传播距离的相位信息。
[0038]2、为了消除硬件因素引入的相位偏移，以相位差的形式代替直接使用相位来定位，根据相位差与距离差的对应关系设计包含目标位置信息的代价函数，使代价函数达到最小化的解即为待定位的目标位置。
[0039]3、通过非线性优化方法，如最小二乘方法(LMS)，迭代求解代价函数的最优解，从而给出定位结果。
[0040]具体包括如下的步骤：
[0041]1.RFID相位模型
[0042]无源RFID系统使用反向散射无线电进行通信。标签不配备电池，依靠从阅读器发射的信号中获取能量。工作的基本过程为：阅读器控制天线向空间辐射一个射频信号，被选中标签的射频前端从电磁场中获得能量从而被激活，标签通过变换输入阻抗对反向散射信号进行调本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于非线性优化方法的RFID定位方法，包括下列步骤：第一步 建立RFID相位模型阅读器控制天线向空间辐射射频信号，被选中标签的射频前端从电磁场中获得能量从而被激活，标签通过变换输入阻抗对反向散射信号进行调制进而将所储存的数据发送回阅读器，阅读器对反向散射信号进行解调后获得相位信息；设阅读器天线与标签间的距离为d，相位值为φ，为与硬件因素有关的相位偏移。第二步 代价函数设计标签位置固定且未知，阅读器天线以确定的轨迹和速度运动形成合成孔径；在运动过程中，阅读器随机访问标签，记录每个访问时刻t＝{t0,t1,...,t
i
,...,t
N
}和相位值阅读器天线初始位置z0＝[x0,y0]已知，设阅读器沿着x轴运动，速度为v，则t
i
时刻阅读器的位置表示为z
i
＝[x
i
,y
i
]＝[x0+v(t
i
‑
t0),0]，阅读器与标签的距离为d
i
＝||z
i
‑
z
t
||2，其中z
t
＝[x
t
,y
t
]表示标签坐标；将相位值φ重写成：其中，k代表模糊的相位周期数；为了消除与硬件有关的相位偏移以相邻两次的相位值作差...

【专利技术属性】
技术研发人员：马永涛，付艳喜，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：