本發(fā)明屬于超高頻無源rfid，具體涉及一種超高頻無源rfid標(biāo)簽空間姿態(tài)追蹤感知方法及相關(guān)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、超高頻無源rfid標(biāo)簽空間姿態(tài)追蹤感知是利用讀寫器發(fā)射射頻信號(hào)激活電子標(biāo)簽，被激活后的電子標(biāo)簽將存儲(chǔ)在其中的數(shù)據(jù)通過天線以射頻信號(hào)的形式發(fā)送回讀寫器。其中反射信號(hào)中的相位特征值是與傳輸距離和信號(hào)的載波波長有關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)。

2、目前rfid移動(dòng)標(biāo)簽估計(jì)主要集中在定位及軌跡跟蹤，即標(biāo)簽在靜止或連續(xù)時(shí)間的位置變化，但當(dāng)場(chǎng)景中需要知道標(biāo)簽的空間方向時(shí)，該結(jié)果將無法滿足該應(yīng)用場(chǎng)景。此外，姿態(tài)感知過程中采用標(biāo)簽陣列定位，在采集移動(dòng)標(biāo)簽過程中的相位信息伴隨一些固有問題，如模糊性和硬件物理特性以及標(biāo)簽陣列間耦合效應(yīng)所產(chǎn)生的相位變化，考慮以上因素重構(gòu)相位特征值模型提升相位信息精度的同時(shí)，可以滿足提升定位以及姿態(tài)角的精準(zhǔn)度。

3、現(xiàn)有技術(shù)中，發(fā)明專利申請(qǐng)《一種基于改進(jìn)雙曲線模型的rfid定位方法》(申請(qǐng)?zhí)?02110544161.7)在權(quán)利要求書中提出了一種利用線性近似方法求解雙曲線模型獲得標(biāo)簽位置的定位方法，過程中輔以泰勒級(jí)數(shù)方法修正線性近似的誤差提升定位精度。然而線性近似可能引入較大誤差，使用泰勒級(jí)數(shù)修正計(jì)算復(fù)雜度較高，且場(chǎng)景中標(biāo)簽位置固定，對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景變化靈活度不高。

4、發(fā)明專利申請(qǐng)《一種基于相位差的多天線rfid標(biāo)簽定位方法與系統(tǒng)》(申請(qǐng)?zhí)枺?02310854029.5)在權(quán)利要求書中提出了一種通過多天線獲取相位差，生成完整波長數(shù)進(jìn)而構(gòu)建代價(jià)函數(shù)獲取標(biāo)簽最佳位置的方法。其必須要使用三個(gè)天線來進(jìn)行定位，且對(duì)天線陣列的布局和校準(zhǔn)精度要求較高，增加了部署和維護(hù)成本，工作量較大。

5、發(fā)明專利申請(qǐng)《一種基于相位差校正的rfid定位方法和裝置》(申請(qǐng)?zhí)枺?01910263830.6)在權(quán)利要求書中提出了一種依據(jù)干擾角的相位差校正模型來減少標(biāo)簽間相位干擾的方法。其需要至少配備兩個(gè)閱讀器獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，相較于單一閱讀器的系統(tǒng)在硬件配置上成本大大增加，同時(shí)為確保多個(gè)閱讀器之間的同步和協(xié)調(diào)工作，可能還需要額外軟件或硬件支持，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度與成本。

6、發(fā)明專利申請(qǐng)《一種基于雙標(biāo)簽陣列相位差的rfid室內(nèi)定位算法》(申請(qǐng)?zhí)枺?01810966075.3)在權(quán)利要求書中提出了一種利用雙標(biāo)簽陣列獲取相位差，經(jīng)處理消除模糊后，利用相位-距離關(guān)系計(jì)算距離差構(gòu)建雙曲線進(jìn)行定位的方法。其并未考慮標(biāo)簽陣列間的耦合干擾影響，且結(jié)果僅聚焦在靜態(tài)目標(biāo)定位，不能滿足動(dòng)態(tài)變化場(chǎng)景的需求，應(yīng)用場(chǎng)景靈活度不高。

7、綜上，rfid標(biāo)簽空間姿態(tài)追蹤感知有對(duì)移動(dòng)物體感知和降低系統(tǒng)復(fù)雜度和成本的必要性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種超高頻無源rfid標(biāo)簽空間姿態(tài)追蹤感知方法及相關(guān)系統(tǒng)，通過單讀寫器雙天線系統(tǒng)讀取標(biāo)簽陣列相位特征實(shí)現(xiàn)移動(dòng)物體姿態(tài)追蹤感知，并結(jié)合重構(gòu)后的標(biāo)簽相位特征值顯著提升標(biāo)簽測(cè)量相位準(zhǔn)確度，從而提升系統(tǒng)精確度與場(chǎng)景適用性。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、第一方面，本發(fā)明提供一種超高頻無源rfid標(biāo)簽空間姿態(tài)追蹤感知方法，包括以下步驟：

4、獲取單個(gè)物理天線在固定頻率下，附著在移動(dòng)物體上的雙標(biāo)簽陣列返回的兩個(gè)相位特征值，對(duì)兩個(gè)相位特征值作差，得到相位差；

5、根據(jù)相位差構(gòu)建虛擬天線，根據(jù)物理天線和虛擬天線構(gòu)建雙曲線方程；

6、獲取平行于物理天線的其他物理天線所對(duì)應(yīng)的雙曲線方程，得到移動(dòng)物體在二維平面內(nèi)的坐標(biāo)；

7、根據(jù)移動(dòng)物體在二維平面內(nèi)的坐標(biāo)，結(jié)合標(biāo)簽陣列的相位變化規(guī)律，計(jì)算移動(dòng)物體相對(duì)于物理天線的姿態(tài)角；

8、重復(fù)上述步驟，持續(xù)計(jì)算移動(dòng)物體相對(duì)于物理天線的坐標(biāo)信息和姿態(tài)角，完成對(duì)移動(dòng)物體空間姿態(tài)的實(shí)時(shí)追蹤感知。

9、本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，獲取單個(gè)物理天線在固定頻率下，附著在移動(dòng)物體上的雙標(biāo)簽陣列返回的兩個(gè)相位特征值的具體方法如下：

10、對(duì)單個(gè)物理天線在預(yù)定的超高頻頻段內(nèi)向移動(dòng)物體上附著的雙標(biāo)簽陣列發(fā)送射頻信號(hào)；

11、雙標(biāo)簽陣列中的每個(gè)標(biāo)簽接收到射頻信號(hào)后，根據(jù)每個(gè)標(biāo)簽與物理天線之間的相對(duì)距離和相對(duì)角度，每個(gè)標(biāo)簽將反射不同的相位信號(hào)特征值。

12、本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，根據(jù)物理天線和虛擬天線構(gòu)建雙曲線方程的具體方法如下：

13、采用雙標(biāo)簽陣列相對(duì)于天線的幾何布局，通過數(shù)學(xué)模型構(gòu)造虛擬天線，利用物理天線與虛擬天線構(gòu)造雙曲線方程。

14、本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，獲取平行于物理天線的其他物理天線所對(duì)應(yīng)的雙曲線方程，得到移動(dòng)物體在二維平面內(nèi)坐標(biāo)的具體方法如下：

15、獲取平行于物理天線的另一條物理天線所對(duì)應(yīng)的雙曲線方程；

16、采用優(yōu)化算法計(jì)算兩條雙曲線方程的交點(diǎn)，將該交點(diǎn)作為標(biāo)簽陣列在二維平面內(nèi)的坐標(biāo)；

17、根據(jù)標(biāo)簽陣列在二維平面內(nèi)的坐標(biāo)，采用加權(quán)平均算法得到移動(dòng)物體的二維平面內(nèi)坐標(biāo)。

18、本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，根據(jù)移動(dòng)物體在二維平面內(nèi)的坐標(biāo)，結(jié)合標(biāo)簽陣列的相位變化規(guī)律，計(jì)算移動(dòng)物體相對(duì)于物理天線的姿態(tài)角的具體方法如下：

19、獲取標(biāo)簽陣列中每個(gè)標(biāo)簽的相位信息；

20、根據(jù)標(biāo)簽的相位信息，建立標(biāo)簽相位變化與旋轉(zhuǎn)角度之間的映射關(guān)系；

21、根據(jù)標(biāo)簽相位變化與旋轉(zhuǎn)角度之間的映射關(guān)系，將標(biāo)簽相位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)角度值，得到標(biāo)簽陣列的旋轉(zhuǎn)角度值；

22、根據(jù)標(biāo)簽陣列的旋轉(zhuǎn)角度值，采用優(yōu)化算法獲得移動(dòng)物體的姿態(tài)角。

23、本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，持續(xù)計(jì)算移動(dòng)物體相對(duì)于物理天線的坐標(biāo)信息和姿態(tài)角，完成對(duì)移動(dòng)物體空間姿態(tài)的實(shí)時(shí)追蹤感知的具體方法如下：

24、獲取下一時(shí)刻移動(dòng)物體在二維平面內(nèi)的坐標(biāo)，結(jié)合標(biāo)簽陣列的相位變化規(guī)律，得到下一時(shí)刻移動(dòng)物體相對(duì)于物理天線的姿態(tài)角；

25、將下一時(shí)刻移動(dòng)物體相對(duì)于物理天線的坐標(biāo)信息和姿態(tài)角與上一時(shí)刻的移動(dòng)物體相對(duì)于物理天線的坐標(biāo)信息和姿態(tài)角進(jìn)行對(duì)比，若發(fā)生變化，則更新移動(dòng)物體的空間姿態(tài)信息；否則，不更新空間姿態(tài)信息。

26、第二方面，本發(fā)明提供一種超高頻無源rfid標(biāo)簽空間姿態(tài)追蹤感知系統(tǒng)，包括：

27、相位差獲取模塊，用于獲取單個(gè)物理天線在固定頻率下，附著在移動(dòng)物體上的雙標(biāo)簽陣列返回的兩個(gè)相位特征值，對(duì)兩個(gè)相位特征值作差，得到相位差；

28、雙曲線方程建立模塊，用于根據(jù)相位差構(gòu)建虛擬天線，根據(jù)物理天線和虛擬天線構(gòu)建雙曲線方程；

29、坐標(biāo)獲取模塊，用于獲取平行于物理天線的其他物理天線所對(duì)應(yīng)的雙曲線方程，采用優(yōu)化算法求得多條雙曲線的交點(diǎn)，得到移動(dòng)物體在二維平面內(nèi)的坐標(biāo)；

30、姿態(tài)角獲取模塊，用于根據(jù)移動(dòng)物體在二維平面內(nèi)的坐標(biāo)，結(jié)合標(biāo)簽陣列的相位變化規(guī)律，計(jì)算移動(dòng)物體相對(duì)于物理天線的姿態(tài)角；

31、姿態(tài)追蹤感知模塊，用于重復(fù)上述步驟，持續(xù)計(jì)算移動(dòng)物體相對(duì)于物理天線的坐標(biāo)信息和姿態(tài)角，完成對(duì)移動(dòng)物體空間姿態(tài)的實(shí)時(shí)追蹤感知。

32、本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，物理天線采用讀寫器在預(yù)定的超高頻頻段內(nèi)向移動(dòng)物體上附著的雙標(biāo)簽陣列發(fā)送射頻信號(hào)，并接收移動(dòng)物體上的雙標(biāo)簽陣列返回的兩個(gè)相位特征值。

33、第三方面，本發(fā)明提供一種電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)器和處理器，所述存儲(chǔ)器存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)實(shí)現(xiàn)一種超高頻無源rfid標(biāo)簽空間姿態(tài)追蹤感知方法的步驟。

34、第四方面，本發(fā)明提供一種存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)一種超高頻無源rfid標(biāo)簽空間姿態(tài)追蹤感知方法的步驟。

35、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

36、本發(fā)明對(duì)移動(dòng)物體的二維姿態(tài)估計(jì)利用移動(dòng)標(biāo)簽陣列的相位特征值，首先通過根據(jù)標(biāo)簽與讀寫器天線之間的相對(duì)距離和相對(duì)角度，標(biāo)簽間耦合效應(yīng)以及標(biāo)簽本身的物理特性，重構(gòu)相位信號(hào)信息，然后以重構(gòu)后的相位特征值為基礎(chǔ)，通過雙天線采集的標(biāo)簽陣列相位差特征構(gòu)建雙曲線，計(jì)算雙天線構(gòu)建的雙曲線方程組交點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)簽位置估計(jì)，結(jié)合標(biāo)簽陣列的相位變化模式，計(jì)算旋轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)物體在二維平面內(nèi)的姿態(tài)追蹤。本發(fā)明通過持續(xù)計(jì)算移動(dòng)物體相對(duì)于物理天線的坐標(biāo)信息和姿態(tài)角，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)物體空間姿態(tài)的實(shí)時(shí)追蹤感知，適合動(dòng)態(tài)跟蹤的應(yīng)用場(chǎng)景，在復(fù)雜環(huán)境下(如多路徑效應(yīng)和環(huán)境噪聲影響較大的場(chǎng)所)，通過雙標(biāo)簽陣列和相位特征的重構(gòu)，該方法能夠顯著提高姿態(tài)追蹤的魯棒性和準(zhǔn)確性，本發(fā)明能夠靈活地適應(yīng)不同的物體形狀和移動(dòng)模式，只需調(diào)整標(biāo)簽陣列的配置，即可應(yīng)用于不同的追蹤需求。綜上所述，本發(fā)明不僅能夠提升測(cè)量精度，還具備成本低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性好、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)，使其在各種需要姿態(tài)追蹤的場(chǎng)景中具有廣泛的應(yīng)用潛力。