射頻識(shí)別技術(shù)的車(chē)輛主動(dòng)定位方法

　　引言

　　智能交通在執(zhí)行控制命令、完成預(yù)定任務(wù)時(shí)首先要解決定位問(wèn)題。目前已經(jīng)有多種解決辦法，主要包括：

　?、俸轿煌扑惴?DR)。它利用表征方向和速度的矢量，根據(jù)車(chē)輛在某一時(shí)刻的位置推算出另一時(shí)刻位置的導(dǎo)航方法。該方法有累積誤差，在估計(jì)車(chē)輛方向角時(shí)誤差會(huì)逐漸趨向無(wú)窮大。

　?、谌蚨ㄎ幌到y(tǒng)(GPS)。它容易因建筑物、樹(shù)木等阻擋，使得在不少街道、高架橋、立交橋等處的信號(hào)強(qiáng)度不夠甚至丟失，而導(dǎo)致定位誤差較大甚至錯(cuò)誤定位，并且因其成本等原因限制了其在車(chē)輛定位中的應(yīng)用。

　　③地圖匹配它是一種基于軟件技術(shù)的定位誤差修正方法，其基本思想是將車(chē)輛定位信息與數(shù)字地圖中的道路網(wǎng)信息聯(lián)系起來(lái)，車(chē)輛在行駛過(guò)程中不斷比較，由此確定車(chē)輛在地圖中的位置。此方法要求建立高精度的數(shù)字地面模型。

　　本文提出了一種基于RFID技術(shù)的車(chē)輛定位方法。與其他傳統(tǒng)定位方法比較，用RFID技術(shù)定位的主要優(yōu)勢(shì)有：

　?、倏梢詼?zhǔn)確定位到車(chē)道，而傳統(tǒng)的各種定位方法都還無(wú)法實(shí)現(xiàn)具體車(chē)道的定位。

　?、趥鹘y(tǒng)的定位方法在高架橋和橋梁上會(huì)存在定位層出錯(cuò)的問(wèn)題，例如行駛在橋上的車(chē)輛被定位到河里，高架橋第二層錯(cuò)定位為第一層，RFID定位技術(shù)解決了這一問(wèn)題。

　　1 車(chē)載RFID主動(dòng)定位方法

　　1.1 RFID工作原理

　　RFID(Radio Frequency IdentifICation，射頻識(shí)別)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體，并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)電子標(biāo)簽。按工作頻率的不同分為低頻(LF)、高頻(HF)、超高頻(UHF)、微波(MW)。RFID是一種簡(jiǎn)單的無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由閱讀器和標(biāo)簽組成。

　　閱讀器是對(duì)RFID標(biāo)簽進(jìn)行讀/寫(xiě)操作的設(shè)備，主要包括射頻模塊和數(shù)字信號(hào)處理單元曲部分。閱讀器是RFID系統(tǒng)中最重要的基礎(chǔ)設(shè)施，一方面，RFID標(biāo)簽返回的微弱電磁信號(hào)通過(guò)天線(xiàn)進(jìn)入閱讀器的射頻模塊中轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)閱讀器的數(shù)字信號(hào)處理單元對(duì)其進(jìn)行必要的加工整形，最后從中解調(diào)出返回的信息，完成對(duì)RFID標(biāo)簽的識(shí)別或讀/寫(xiě)操作;另一方面，上層中間件及應(yīng)用軟件與閱讀器進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)操作指令的執(zhí)行和數(shù)據(jù)匯總上傳。電子標(biāo)簽中存儲(chǔ)著需要被識(shí)別的位置信息，被安裝在路面，其存儲(chǔ)的信息可以被閱讀器通過(guò)非接觸方式讀/寫(xiě)。

　　RFID的基本交互原理如圖1所示。工作流程如下：

　　①閱讀器通過(guò)發(fā)射天線(xiàn)發(fā)送一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)射天線(xiàn)工作區(qū)域時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而獲得能量被激活;

　　②標(biāo)簽將自身編碼等信息通過(guò)其內(nèi)置發(fā)射天線(xiàn)發(fā)送出去;

　?、巯到y(tǒng)接收天線(xiàn)接收到從標(biāo)簽發(fā)送來(lái)的載波信號(hào)，經(jīng)天線(xiàn)調(diào)節(jié)器傳送到閱瀆器，閱讀器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)解碼然后送到后臺(tái)主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理;

　?、苤飨到y(tǒng)進(jìn)行邏輯運(yùn)算判斷該卡的合法性，然后針對(duì)不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，發(fā)出指令信號(hào)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。

　　標(biāo)簽與閱讀器之間的耦合方式采用遠(yuǎn)距離系統(tǒng)，即利用輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的電磁耦合(電磁波的發(fā)射與反射)構(gòu)成射頻通道。這種耦合方式的作用區(qū)域范同為1～10 m，適用于高速移動(dòng)物體遠(yuǎn)距離識(shí)別，此系統(tǒng)也是目前發(fā)展最快的RFID系統(tǒng)。

　　1.2 閱讀器及標(biāo)簽的部署方法

　　國(guó)內(nèi)最寬的公路為2011年投入運(yùn)營(yíng)的深圳水官雙向10車(chē)道高速公路。本論文將針對(duì)雙向4、6、8、10車(chē)道的情況進(jìn)行討論，介紹車(chē)載RFID主動(dòng)定位的定位方法。

　　與電子不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)中閱讀器和標(biāo)簽的安裝不同，在車(chē)載RFID主動(dòng)定位方法中，閱讀器安裝在車(chē)輛上，標(biāo)簽安裝在路邊和公路的中央隔離帶。閱讀器配有3組天線(xiàn)，1組全向天線(xiàn)，2組定向天線(xiàn)，通過(guò)3組天線(xiàn)讀取標(biāo)簽中的信息。全向天線(xiàn)的閱讀距離設(shè)置保證了在不同車(chē)道數(shù)目的高速公路間轉(zhuǎn)換時(shí)都可以讀到兩側(cè)的標(biāo)簽。標(biāo)簽中或者數(shù)據(jù)庫(kù)中含有標(biāo)簽的位置坐標(biāo)信息和此段高速公路的車(chē)道數(shù)目N，當(dāng)閱讀器讀取到標(biāo)簽的信息后，會(huì)根據(jù)車(chē)道數(shù)目和讀到標(biāo)簽的各種情況判斷車(chē)輛位于第幾車(chē)道。

　　1.3 定位車(chē)道方法

　　以雙向道路的一側(cè)為例，RFID標(biāo)簽安裝示意圖如圖2所示。車(chē)輛自左向右行駛，標(biāo)簽以一定間距安裝于路肩和中央隔離帶。從靠近路肩的一側(cè)定義車(chē)道依次為1～5車(chē)道。設(shè)車(chē)道寬度為W，令lO為全向天線(xiàn)的閱讀距離，lD1為車(chē)輛右側(cè)定向天線(xiàn)的閱讀距離，lD2為車(chē)輛左側(cè)定向天線(xiàn)的閱讀距離。其中l(wèi)D1=lD2=W，lO=2W。

　　根據(jù)道路的總車(chē)道數(shù)目N的不同，定位車(chē)道的判定方法分別為：

　　N=4：當(dāng)右側(cè)定向天線(xiàn)和全向天線(xiàn)讀到標(biāo)簽信息后，判定車(chē)輛位于1車(chē)道(lane=1);當(dāng)左側(cè)定向天線(xiàn)和全向天線(xiàn)讀到標(biāo)簽信息后.判定車(chē)輛位于2車(chē)道(lane=2)。

　　N=6：當(dāng)右側(cè)定向天線(xiàn)和全向天線(xiàn)讀到標(biāo)簽信息，判定lane=1;當(dāng)左側(cè)定向天線(xiàn)和全向天線(xiàn)讀到標(biāo)簽信息，判定lane=3;當(dāng)只有全向天線(xiàn)讀到標(biāo)簽信息，判定lane=2。

　　N=8：如果閱讀器有側(cè)天線(xiàn)和全向天線(xiàn)讀到標(biāo)簽信息，判斷l(xiāng)ane=1;如果閱讀器左側(cè)天線(xiàn)和全向天線(xiàn)讀到標(biāo)簽信息，判定lane=4;如果只有全向天線(xiàn)讀到路邊一側(cè)的標(biāo)簽信息，判定lane=2;如果只有全向天線(xiàn)讀到中央隔離帶一側(cè)的標(biāo)簽信息，判定lane=3。

　　N=10：車(chē)輛進(jìn)入高速公路，此時(shí)lO為2W，在1、2、4、5車(chē)道時(shí)，可以讀到標(biāo)簽信息，確定是雙向10車(chē)道，立即將lO調(diào)整為3W。當(dāng)車(chē)輛位于3車(chē)道時(shí)，無(wú)法讀到任何標(biāo)簽信息，等待一定時(shí)間，如果仍然讀不到任何標(biāo)簽，控制單元立即將lO調(diào)整為3W。此時(shí)的判斷方法是：如果閱讀器右側(cè)天線(xiàn)和全向天線(xiàn)都讀到路邊一側(cè)的標(biāo)簽信息，判定lane=1;如果閱讀器左側(cè)天線(xiàn)和全向天線(xiàn)讀到中央隔離帶一側(cè)的標(biāo)簽信息，判定lane=5;如果只有全向天線(xiàn)讀到路邊一側(cè)的標(biāo)簽信息，判定lane=2;如果只有全向天線(xiàn)讀到中央隔離帶一側(cè)的標(biāo)簽信息，判定lane=4;如果全向天線(xiàn)讀到路兩側(cè)的標(biāo)簽，判定lane=3。當(dāng)某一時(shí)刻天線(xiàn)讀到標(biāo)簽的信息N≠10，將lO重新調(diào)整為2W。

　　1.4 車(chē)輛位置的確定方法

　　定位到車(chē)道之后，可以根據(jù)下述方法計(jì)算出車(chē)輛的位置坐標(biāo)。全向天線(xiàn)讀到右側(cè)標(biāo)簽、讀到左側(cè)標(biāo)簽如圖3和圖4所示。

　　P為車(chē)輛的位置，v代表車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)方向，兩個(gè)標(biāo)簽所在的直線(xiàn)與X軸的夾角記為θ，(x1，y1)為tag1的坐標(biāo)。

　　當(dāng)車(chē)載閱讀器全向天線(xiàn)能夠讀到路肩的標(biāo)簽時(shí)的位置計(jì)算方法為公式(1)、(2);當(dāng)車(chē)載閱讀器全向天線(xiàn)只能讀到中央隔離帶一側(cè)的標(biāo)簽時(shí)的位置計(jì)算方法為公式(3)、(4)。

　　2 定位誤差分析

　　以雙向4車(chē)道道路的第一車(chē)道為例。圖5表示車(chē)輛位于第一車(chē)道時(shí)與標(biāo)簽T1的位置關(guān)系，R為閱讀器全向天線(xiàn)的閱讀半徑，V(x，y)為車(chē)輛定位坐標(biāo)，distance為車(chē)輛與標(biāo)簽的距離，α為車(chē)輛相對(duì)于標(biāo)簽的位置角度，error為定位誤差。

　　按車(chē)道寬度為3.5 m分析汁算，車(chē)輛在雙向4、6、8和10車(chē)道道路中各個(gè)車(chē)道的定位誤差情況如圖6、圖7所示。

　　車(chē)載RFID主動(dòng)定位方法中車(chē)輛在道路的不同位置的定位誤差情況如圖6、圖7所示。圖6(a)為雙向6車(chē)道道路的第2車(chē)道和雙向8車(chē)道道路的第2、3車(chē)道的定位誤差，(b)為雙向4、6、8、車(chē)道道路的其余車(chē)道的定位誤差。圖7為雙向10車(chē)道道路各車(chē)道的定位誤差，第1車(chē)道和第5車(chē)道及第2車(chē)道和第4車(chē)道的定位誤差相同。

　　由圖6、圖7分析得到，對(duì)于所有車(chē)道，越靠近路肩和中央隔離帶的車(chē)道上的車(chē)輛平均定位誤差越大，在同一車(chē)道上，越靠近車(chē)道中央行駛的車(chē)輛定位誤差越小。

　　結(jié)語(yǔ)

　　根據(jù)實(shí)際淵查統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，車(chē)輛在一條道路上不同車(chē)道的分布和車(chē)輛在同一車(chē)道上的位置分布服從高斯分布。因此本論文提出的基于RFID車(chē)輛主動(dòng)定位方法對(duì)實(shí)際行駛過(guò)程中的車(chē)輛具有較高的定位精度，并可以將車(chē)輛定位到具體車(chē)道，車(chē)輛的具體車(chē)道位置信息對(duì)智能交通中車(chē)輛防碰撞的研究具有重要意義。RFID可以與其他定位技術(shù)結(jié)合，組成新的組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)。車(chē)載RFID的年輛主動(dòng)定何擺脫了傳統(tǒng)定化對(duì)GPS定位系統(tǒng)的依賴(lài)，不會(huì)因?yàn)樾盘?hào)丟失導(dǎo)致無(wú)法定位或定位不準(zhǔn)確。鑒于RFID具有信息處理精確度高、速度快，使用不受環(huán)境因素影響，成本低，可以重復(fù)利用多次讀寫(xiě)等諸多優(yōu)點(diǎn)，RFID技術(shù)將在智能交通領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。