一种基于RFID的室内定位算法

86 . 0923 44 . 9504 51 . 5297 102 . 5509 113 . 6128 82 . 9829 56 . 8793 64 . 6473
0 0 20 40 40 40 60 60
103 . 9230 34 . 6410 69 . 2820 103 . 9230 103 . 9230 103 . 9230 69 . 2820 69 . 2820
一种基于 RFID 的室内定位算法
王 勇 , 胡旭东
( 浙江理工大学机械与自动控制学院 , 杭州 310018)
摘 要 : 针对目前的定位技术不能完全满足室内定位的问题 ,提出了一种基于 RFID 技术的定位方法 。该方法 利用室内平均布置的参考标签及读写器的读取范围 ,读取参考标签的坐标信息 。根据读取到的 3 个或 3 个以下的标 签坐标 ,采用等边三角形的质心算法计算出读写器的坐标位置 。通过计算仿真及实验对比表明该定位方法比较精 确 ,能很好的反映读写器的实际位置 。 关键词 : 射频识别 ; 室内定位 ; 等边三角形质心法 中图分类号 : TP181 文献标识码 : A
y2 ) , 则以这两个坐标的中点 x1 + x 2 y1 + y2 , 为此读写
2
2
器的坐标 。 如果有三个坐标 ( x 1 , y1 ) , ( x 2 , y2 ) , ( x 3 , y3 ) , 则 以这三个坐标组成的三角形的质心为读写器的坐标 。 得 到了读写器的坐标位置 , 即可进行误差分析 。 计算读写器 只读取到一个标签也就是落于区域 a 时的误差 , 读写器的 落点到中心的距离为 r , 区域 a 的半径为 R , 则最大误差距
( 7) ( 8)
3 仿真与实验
为验证此算法的可靠性 ,利用 Matlab 进行仿真 。表 1 为各个数据的对照 ,其中仿真坐标为随机选择的 读写器的分布坐标 ; 计算得到的坐标则根据质心法仿真计算得出 。 表1 各个坐标数据表
仿真坐标
X Y X
单位 :cm 计算得到的坐标
X Y
理想状态下读写器范围内的标签坐标 标签 1 标签 2 标签 3
3 2 1 2 x x × 4 2
( 2)
1 2 3 3x x + 4 4
πL 2 ×2arcco s x ( 3) 60 x 1 2 - 2Sb 2 L x 360 2 4 通过计算 S a 、 Sb 、 S c 的面积得到曲线如图 3 所示 。 从图 3 中可以看出 , 三条曲线的交点接近于 40 cm , 这里 就取 40 cm 为等边三角形的边长 。 2 . 2 定位算法及误差分析 S c = 2 得到标签之间的距离之后 , 按照这个距离给每个标签确定一个坐标 , 并把坐标信息写入标签内 。 根据等 边三角形的质心法求得读写器的坐标位置 。 其算法步骤如下 。 a ) 初始化标签网络 。 b) 读写器发射能量并接收标签发过来的信息 。
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浙 江 理 工 大 学 学 报
2009 年 第 26 卷
RFID 设备工作频率为 13. 56 M Hz ,读写器长宽尺寸为 14. 5 cm ×8. 5 cm ,读取范围设为 30 cm 。
图1 标签的布置简图
2 定位算法
三角形的质心法就可以算出读写器的坐标位置 。 2 . 1 基于误差分布平均的标签布置 所谓误差分布平均 , 就是指阅读器落入各个区域的概率相当 。 按照图 1 所示的方式布置标签 , 假如把标签之间的距离设为读写器的读取范围的话 , 由于实际情况中存在各种干扰 , 不可能精确达到 , 则会产生很大的误差 , 所 以有必要计算出在各点误差分布平均的情况下标签之间的距离 。 下面以其 中一部分来分析 , 如图 2 所示 。 由图中所知 , 大圆表示读写器的最大读取范围 , 即 AB = L 。 小圆则表示 读写器只读取到一个标签的范围 , 定为区域 a 。 区域 b 则为读取 3 个标签时的 范围 , 区域 c 为读取两个标签时的范围 。 A C 则为标签之间的距离 。 设 AC =
∫
- ∞
+∞
x f ( x) d x =
r ・ dr = ∫ R
0 2
R
2r
20 ≈ 6 . 67 3
( 6)
则读写器的落点到中心的平均距离即平均误差 ea ≈ 6 . 67 cm 。 同理在区域 b 或区域 c 中时 , 可得平均误差 : eb ≈ 6 . 68 cm ec ≈ 6 . 92 cm
[4] 统通过引入参考定位标签 ,并根据不同标签之间的残差加权算法 ,可以获得较高的定位精度 。 本文探讨利用 RFID 技术 ,设定读写器的读取范围 ,通过已知位置上布置的参考标签 ,利用等边三角形的质 心法求出读写器与参考标签的相对坐标位置 ,实现自身定位。读写器可以放置在移动小车或机器人身上。
R
2
,
0 < r < R
( 5)
0,
其他
随机变量的数学期望与实际进行的试验中所得随机变量的观测值的算术平均值 ( 样本平均值 ) 有密切 的联系 。 当试验次数很大时 , 随机变量 X 的样本平均值将在随机变量 X 的数学期望 E ( X ) 的附近摆动 。 所以 读写器的落点到中心的距离 r 的数学期望为 : E ( X ) =
浙江理工大学学报 ,第 26 卷 ,第 2 期 ,2009 年 3 月 J o urnal of Zhejiang Sci2 Tech U niver sit y Vol . 26 , No . 2 , Mar . 2009
文章编号 : 16732 3851 ( 2009) 022 02282 04
1 3L 2 - x 4 3L 2 3L - x 120 1 2
L 2
( 1)
3 2 1 2 x x 4 2 3L2 -
9 L2 - 1 x2 3 x2 3 + x 4 4 16 4 1 2
3L2 -
3 2 x 4
+
πL2 × arcsin 30
3 2 1 2 x x 4 2
-
3L2 - xຫໍສະໝຸດ 3L2 -c) 读写器接收到标签信息后 , 把标签的坐标记录在
集合 Locatio n{ ( x 1 , y1 ) , ( x 2 , y2 ) …( x m , y m ) } 中 。 d) 在集合 Locatio n 中去除超过读写器读取范围的点 形成集合 Triangle{ ( x 1 , y1 ) , ( x 2 , y2 ) …( x n , y n ) } 。 e) 如果 Triangle 中只有一个坐标 ( x 1 , y1 ) , 则以这个 坐标为未知读写器的坐标 , 如果有两个坐标 ( x1 , y1 ) , ( x 2 ,
收稿日期 : 2008 - 06 - 16 基金项目 : 国家 863 计划项目 (2006AA10Z257)
) ,男 ,浙江宁波人 ,硕士研究生 ,主要从事机电一体化方面的研究 。 作者简介 : 王 勇 (1983 -
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0 引 言
移动计算器件的发展和无线局域网技术的进步促进了移动定位技术的突飞猛进 ,三角定位 、 图像分析和
[1 ] 信标定位是三大主要自动定位技术 。 定位系统按照定位环境的不同可分为室外定位系统和室内定位系统 。
近年来 , GPS 、 蜂窝网定位技术发展十分迅速 ,逐渐成为构成室外定位系统的主要技术 。由于室内环境中有 [2 ] 大量的遮挡 ,传统的定位方法定位精度不够 ,因此需要采用新的方法与技术 。 目前 ,常用的室内定位系统主要有红外线 、 IEEE802. 11 、 超声波和 RFID 。除了以上这些 ,还有许多系统 采用其他定位技术 ,如 U WB , Bluetoot h 等 。但是由于射频识别 ( radio f requency identificatio n , RFID ) 技术 利用射频方式进行非接触双向通信 ,以达到自动识别目标对象并获取相关数据 ,具有精度高 、 适应环境能力 强、 抗干扰强 、 操作快捷 、 可识别高速运动的物体 ,且可同时识别多个标签等许多优点 , [ 3 ] 因此备受关注 。 采用 RFID 技术的典型代表是 SpotON 。该系统基于信号强度分析 ,发展了一种聚合算法对三维空间进 行定位 。Spot ON 系统中硬件标签成网络状分布 ,无需中央控制单元 ,通过标签测试到的信号强弱来表征标 签之间的几何距离 。但是 ,完整的 Spot ON 系统到目前为止还没有建成 。值得一提的是 ,L ANDMA RC 系
x , 则 CE = x/ 2 , A E =
待标签布置好以后 , 将它的坐标信息写入标签内 , 读写器读到标签后 , 根据标签里的坐标信息 , 采用等边
3 x。 由此可知 , 读写器落在以区域 a 的中心为中心 , 2
图 2 读写器读取标签示意图
落点到中心的距离为半径的圆内的概率与区域 a 的面积成正比 。 则读写器落在区域 b 及区域 c 时的情况与此 类似 。 因此 , 当区域 a 和区域 b 及区域 c 的面积相等的时候 , 读写器落入这 3 个区域的概率相当 。 则: 2 S a = π( x - L ) S b =
20 20 40 60 60 80 80
69 . 2820 69 . 2820 34 . 6410 138 . 5640 69 . 2820 34 . 6410 34 . 6410
40 80 100
34 . 6410 103 . 9230 69 . 2820