射頻識別技術(shù)的車輛主動(dòng)定位方法

摘要：傳統(tǒng)的車輛定位方法只能獲得車輛的具體坐標(biāo)信息，無法確定車輛位于道路的第幾車道。本文提出基于射頻識別技術(shù)對車輛進(jìn)行主動(dòng)定位的定位方法。該方法將RFID閱讀器的3組天線的閱讀距離設(shè)計(jì)為特定值，根據(jù)閱讀器3組天線是否讀到標(biāo)簽的不同情況，判定車輛位于第幾車道，進(jìn)而計(jì)算出車輛的位置。通過對該方法進(jìn)行誤差分析，結(jié)果證明該方法能夠完成對車輛在具體車道上的主動(dòng)定位。
關(guān)鍵詞：射頻識別技術(shù)；車輛主動(dòng)定位；車道

引言
    智能交通在執(zhí)行控制命令、完成預(yù)定任務(wù)時(shí)首先要解決定位問題。目前已經(jīng)有多種解決辦法，主要包括：
    ①航位推算法(DR)。它利用表征方向和速度的矢量，根據(jù)車輛在某一時(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)車輛方向角時(shí)誤差會(huì)逐漸趨向無窮大。
    ②全球定位系統(tǒng)(GPS)。它容易因建筑物、樹木等阻擋，使得在不少街道、高架橋、立交橋等處的信號強(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，其基本思想是將車輛定位信息與數(shù)字地圖中的道路網(wǎng)信息聯(lián)系起來，車輛在行駛過程中不斷比較，由此確定車輛在地圖中的位置。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)勢有：
    ①可以準(zhǔn)確定位到車道，而傳統(tǒng)的各種定位方法都還無法實(shí)現(xiàn)具體車道的定位。
    ②傳統(tǒng)的定位方法在高架橋和橋梁上會(huì)存在定位層出錯(cuò)的問題，例如行駛在橋上的車輛被定位到河里，高架橋第二層錯(cuò)定位為第一層，RFID定位技術(shù)解決了這一問題。

1 車載RFID主動(dòng)定位方法
1．1 RFID工作原理
    RFID(Radio Frequency Identification，射頻識別)是一種非接觸式的自動(dòng)識別技術(shù)，可識別高速運(yùn)動(dòng)物體，并可同時(shí)識別多個(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是一種簡單的無線系統(tǒng)，該系統(tǒng)由閱讀器和標(biāo)簽組成。
    閱讀器是對RFID標(biāo)簽進(jìn)行讀／寫操作的設(shè)備，主要包括射頻模塊和數(shù)字信號處理單元曲部分。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通過天線進(jìn)入閱讀器的射頻模塊中轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再經(jīng)過閱讀器的數(shù)字信號處理單元對其進(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RFID標(biāo)簽的識別或讀／寫操作；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)簽中存儲著需要被識別的位置信息，被安裝在路面，其存儲的信息可以被閱讀器通過非接觸方式讀／寫。

    RFID的基本交互原理如圖1所示。工作流程如下：
    ①閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)射天線工作區(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其內(nèi)置發(fā)射天線發(fā)送出去；
    ③系統(tǒng)接收天線接收到從標(biāo)簽發(fā)送來的載波信號，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到閱瀆器，閱讀器對接收到的信號進(jìn)行解調(diào)解碼然后送到后臺主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理；
    ④主系統(tǒng)進(jìn)行邏輯運(yùn)算判斷該卡的合法性，然后針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，發(fā)出指令信號，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
    國內(nèi)最寬的公路為2011年投入運(yùn)營的深圳水官雙向10車道高速公路。本論文將針對雙向4、6、8、10車道的情況進(jìn)行討論，介紹車載RFID主動(dòng)定位的定位方法。
    與電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)中閱讀器和標(biāo)簽的安裝不同，在車載RFID主動(dòng)定位方法中，閱讀器安裝在車輛上，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，1組全向天線，2組定向天線，通過3組天線讀取標(biāo)簽中的信息。全向天線的閱讀距離設(shè)置保證了在不同車道數(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)庫中含有標(biāo)簽的位置坐標(biāo)信息和此段高速公路的車道數(shù)目N，當(dāng)閱讀器讀取到標(biāo)簽的信息后，會(huì)根據(jù)車道數(shù)目和讀到標(biāo)簽的各種情況判斷車輛位于第幾車道。
1．3 定位車道方法
    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)定義車道依次為1～5車道。設(shè)車道寬度為W，令lO為全向天線的閱讀距離，lD1為車輛右側(cè)定向天線的閱讀距離，lD2為車輛左側(cè)定向天線的閱讀距離。其中l(wèi)D1=lD2=W，lO=2W。

    根據(jù)道路的總車道數(shù)目N的不同，定位車道的判定方法分別為：
    N=4：當(dāng)右側(cè)定向天線和全向天線讀到標(biāo)簽信息后，判定車輛位于1車道(lane=1)；當(dāng)左側(cè)定向天線和全向天線讀到標(biāo)簽信息后．判定車輛位于2車道(lane=2)。
    N=6：當(dāng)右側(cè)定向天線和全向天線讀到標(biāo)簽信息，判定lane=1；當(dāng)左側(cè)定向天線和全向天線讀到標(biāo)簽信息，判定lane=3；當(dāng)只有全向天線讀到標(biāo)簽信息，判定lane=2。
    N=8：如果閱讀器有側(cè)天線和全向天線讀到標(biāo)簽信息，判斷l(xiāng)ane=1；如果閱讀器左側(cè)天線和全向天線讀到標(biāo)簽信息，判定lane=4；如果只有全向天線讀到路邊一側(cè)的標(biāo)簽信息，判定lane=2；如果只有全向天線讀到中央隔離帶一側(cè)的標(biāo)簽信息，判定lane=3。
    N=10：車輛進(jìn)入高速公路，此時(shí)lO為2W，在1、2、4、5車道時(shí)，可以讀到標(biāo)簽信息，確定是雙向10車道，立即將lO調(diào)整為3W。當(dāng)車輛位于3車道時(shí)，無法讀到任何標(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)天線和全向天線都讀到路邊一側(cè)的標(biāo)簽信息，判定lane=1；如果閱讀器左側(cè)天線和全向天線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；如果全向天線讀到路兩側(cè)的標(biāo)簽，判定lane=3。當(dāng)某一時(shí)刻天線讀到標(biāo)簽的信息N≠10，將lO重新調(diào)整為2W。
1．4 車輛位置的確定方法
    定位到車道之后，可以根據(jù)下述方法計(jì)算出車輛的位置坐標(biāo)。全向天線讀到右側(cè)標(biāo)簽、讀到左側(cè)標(biāo)簽如圖3和圖4所示。

    P為車輛的位置，v代表車輛的運(yùn)動(dòng)方向，兩個(gè)標(biāo)簽所在的直線與X軸的夾角記為θ，(x1，y1)為tag1的坐標(biāo)。
   
    當(dāng)車載閱讀器全向天線能夠讀到路肩的標(biāo)簽時(shí)的位置計(jì)算方法為公式(1)、(2)；當(dāng)車載閱讀器全向天線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車道道路的第一車道為例。圖5表示車輛位于第一車道時(shí)與標(biāo)簽T1的位置關(guān)系，R為閱讀器全向天線的閱讀半徑，V(x，y)為車輛定位坐標(biāo)，distance為車輛與標(biāo)簽的距離，α為車輛相對于標(biāo)簽的位置角度，error為定位誤差。

    按車道寬度為3．5 m分析汁算，車輛在雙向4、6、8和10車道道路中各個(gè)車道的定位誤差情況如圖6、圖7所示。

    車載RFID主動(dòng)定位方法中車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車道道路的第2車道和雙向8車道道路的第2、3車道的定位誤差，(b)為雙向4、6、8、車道道路的其余車道的定位誤差。圖7為雙向10車道道路各車道的定位誤差，第1車道和第5車道及第2車道和第4車道的定位誤差相同。

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

結(jié)語
    根據(jù)實(shí)際淵查統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，車輛在一條道路上不同車道的分布和車輛在同一車道上的位置分布服從高斯分布。因此本論文提出的基于RFID車輛主動(dòng)定位方法對實(shí)際行駛過程中的車輛具有較高的定位精度，并可以將車輛定位到具體車道，車輛的具體車道位置信息對智能交通中車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)。車載RFID的年輛主動(dòng)定何擺脫了傳統(tǒng)定化對GPS定位系統(tǒng)的依賴，不會(huì)因?yàn)樾盘杹G失導(dǎo)致無法定位或定位不準(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。