[發明專利]一種基于雙標簽陣列相位差的RFID室內定位算法

有效

• 申請號: 201810966075.3
• 申請日: 2018-08-23
• 公開（公告）號: CN109246612B
• 公開（公告）日: 2020-09-15
• 發明（設計）人: 譚洪舟;陳熙衡;曾衍瀚;王嘉奇;方魏;談磊
• 申請（專利權）人: 佛山市順德區中山大學研究院;廣東順德中山大學卡內基梅隆大學國際聯合研究院;中山大學
• 主分類號: H04W4/021
• 分類號: H04W4/021;H04W4/33;H04W4/80;H04W64/00;G01S5/06
• 代理公司: 廣州嘉權專利商標事務所有限公司 44205
• 代理人: 左恒峰

1.一種基于雙標簽陣列相位差的RFID室內定位算法，其特征在于，包括以下幾個步驟：

S1:采用雙標簽陣列獲取相位差；

S2:消除相位模糊；

S3:根據相位信息與距離的關系，計算標簽陣列到多根天線的距離差，獲取多條雙曲線實現，首先構建某個真實天線對應的虛擬天線，并讓虛擬天線VA產生同樣的偏移，使其到待測點標簽的距離等于輔助標簽T2到真實天線的距離，待測標簽T1到真實物理A和虛擬天線VA的距離差等于標簽陣列到真實天線A的距離差：

其中：

待測標簽T1到虛擬天線VA的距離；

待測標簽T1到真實物理A的距離；

輔助標簽T2到真實物理A的距離；

因此，可以根據距離差為每個物理天線構建雙曲線，

虛擬天線VA的坐標滿足(x_VA,y_VA)＝(x_A-D cosθ,y_A-D sinθ)，則VA和A連線的中點的坐標滿足：

其中：

x_A：真實天線A的橫坐標；

y_A：真實天線A的縱坐標；

D：待測標簽T1到輔助標簽T2的間距；

對坐標系逆時針旋轉角度θ，則在原坐標系上的點(x,y)映射到新坐標系上為(x',y')＝(x cosθ+y sinθ,-x sinθ+y cosθ)，讓虛擬天線VA和真實物理天線A作為雙曲線的焦點，中心點為VA和A連線的中點(x_o,y_o)，在旋轉坐標系中的雙曲線方程：

根據點在原坐標和旋轉坐標系的映射關系，得到雙曲線方程在原坐標中的表示形式：

其中：

D：待測標簽T1到輔助標簽T2的間距；

x′₀：真實天線A和虛擬天線VA的中點的映射到新坐標系的橫坐標；

y′₀：真實天線A和虛擬天線VA的中點映射到新坐標系的縱坐標；

λ：載波波長；

△θ：待測標簽T1和輔助標簽T2分別反射回來的載波信號的相位信息的相位差；

n：自然數；

在場景中放置多根天線，并為每條天線構建雙曲線；

S4:基于雙標簽陣列可能存在的偏轉角問題，構建目標函數并采用遺傳算法找到最優解從而實現定位，獲取多條雙曲線后，最后一步是找到它們的共同交點；將問題描述為尋找到某個偏轉角θ下的某個坐標點(x,y)，該點到在該偏轉角下得到的雙曲線組的距離的和最小，該點即為目標標簽的位置；根據雙曲線的性質，將(x,y)到每組雙曲線焦點的距離差，和對應的雙曲線的實軸長的差值之和作為目標函數：

其中：

n：自然數；

a_i：第i條雙曲線的實半軸長；

x_ri：第i條雙曲線的焦點的橫坐標；

y_ri：第i條雙曲線的焦點的縱坐標；

D：待測標簽T1到輔助標簽T2的間距；

目標是找到最優的(x，y,θ)使得該函數取得最小值；

由于偏轉角未知，標簽到真實天線的距離d₁和到虛擬天線的距離d₂的大小關系也未知；因此，標簽位置有可能位于每條雙曲線的左側分支或右側分支上，導致位置模糊；因此，對于每個(x，y,θ)組合，計算它們到天線和對應虛擬天線的距離并計算得到距離差，根據距離差求得理論相位差：

對比理論相位差和實測相位差的符號，若符號相反，說明當前點可能產生位置模糊；因此可將當前點的適應度設置為一個很大的值，一定程度上排除位置模糊帶來的影響；基于以上的目標函數，采用優化算法進行最優值的求解，使用的優化算法為遺傳算法；

算法流程如下：

P1:初始化

設置種群中個體的數目，最大遺傳代數，染色體的長度，限制尋優的范圍，創建隨機初始種群，染色體編碼方式為二進制編碼，即把x，y和θ轉化為二進制并編碼到染色體上，根據目標函數計算出種群中每個個體的目標函數值；

P2：分配適應度值

根據目標函數值的大小對種群進行排序，進行適應度值分配，對于線性排序，其適應度值由下式計算：

其中p為個體在排序種群中的位置，N為種群中個體總數，sp為壓差；

P3：選擇操作

選擇種群中的一些染色體來產生下一代，根據代溝參數確定需要從上一代種群中選擇保留下來的個體數量，然后基于輪盤賭的原理，讓個體被選擇的概率與其適應度值成正比，根據概率進行選擇并生成一個新種群；

P4：交叉操作

被選擇后的染色體種群按照序號的奇偶進行互相組合，形成染色體對，并根據交叉概率確定是否需要進行交叉，交叉方式為單點交叉，染色體對隨機確定一個位置，對該點之后的基因序列進行互換；

P5：變異操作

根據變異概率確定種群中需要發生變異的染色體編碼位置，將該位置上的基因進行取反操作；

P6：重插入

將變異后的子種群重插入到種群中，得到這一代最終的種群；計算新種群中每個個體的目標函數值，并找出這一代的最優個體；

P7：迭代

若當前迭代次數小于最大迭代次數，返回P2繼續進行迭代，否則退出循環；迭代結束后，找出迭代過程中產生的最優的個體并進行解碼，即可得到目標標簽的位置，從而實現最終的定位。