基于RFID的高速公路車輛測(cè)速及定位方法

基于RFID的高速公路車輛測(cè)速及定位方法1概述

射頻識(shí)別〔RadioFrequencyIdentification,RFID〕是一項(xiàng)非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，具有信息量大、抗干擾強(qiáng)、操作快捷等許多優(yōu)點(diǎn)。特別是RFID技術(shù)在高速運(yùn)動(dòng)物體識(shí)別、多目標(biāo)識(shí)別和非接觸識(shí)別等方面的優(yōu)勢(shì)，使其在很多領(lǐng)域都具有巨大的開展?jié)摿蛷V泛的應(yīng)用前景。

高速公路作為國(guó)家的重要戰(zhàn)略資源，不僅提高運(yùn)輸效率，而且還能減少車輛損耗，其優(yōu)越性十分突出。但在平安方面，我國(guó)的高速公路卻表現(xiàn)出了較高的事故率和傷亡率。相關(guān)研究說明，通過合理控制機(jī)動(dòng)車輛的車速及平安車距，可以有效保障高速公路的交通平安和暢通，預(yù)防和減少交通事故。

但我國(guó)高速公路管理系統(tǒng)中現(xiàn)有的一些交通檢測(cè)技術(shù)，其主要作用是檢測(cè)道路流量以及為超速罰款提供參考依據(jù)，而目前被推廣的GPS定位系統(tǒng)，無法對(duì)速度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，且其定位精度有限，亦不能實(shí)時(shí)跟蹤車輛。因此，我國(guó)在高速公路平安管理及監(jiān)控這一領(lǐng)域還存在較大的空白。多普勒效應(yīng)在近代科學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用。它可用于測(cè)量飛機(jī)時(shí)速、觀測(cè)人造衛(wèi)星運(yùn)行情況、確定星體運(yùn)行速度、測(cè)量視網(wǎng)膜血管內(nèi)血流速度等。最大多普勒頻移還是無線通信中用于優(yōu)化自適應(yīng)接收機(jī)的重要參數(shù)，導(dǎo)頻信道測(cè)量、切換判決和功率控制等自適應(yīng)優(yōu)化算法都依賴于對(duì)它的有效估計(jì)。

本文基于RFID技術(shù)，通過對(duì)由車輛移動(dòng)所產(chǎn)生的多普勒頻移進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)，提出一種高速公路車輛實(shí)時(shí)測(cè)速及定位方法。2算法模型

結(jié)合高速公路的實(shí)際情況，本模型采用無源、只讀射頻卡，由于本身不需要電源和電池，解決了高速公路無電源問題。同時(shí)，無源射頻卡不需要維護(hù)，且使用壽命很長(zhǎng)，節(jié)省了大量的人力資源。車載閱讀器通過發(fā)射激活信號(hào)并從無源應(yīng)答器中接收射頻信息來確定當(dāng)前位置。為取得較遠(yuǎn)的感應(yīng)距離，車載閱讀器應(yīng)工作在UHF頻段內(nèi)，其識(shí)別距離可以到達(dá)十幾米，足以滿足當(dāng)前高速公路的設(shè)計(jì)要求。2.1射頻卡識(shí)別碼設(shè)置

將射頻卡等距設(shè)置在高速公路的隔離帶或左、右路肩處。每個(gè)無源射頻卡應(yīng)具有唯一的射頻識(shí)別碼，該射頻識(shí)別碼包括高速公路的識(shí)別號(hào)碼、車道數(shù)目以及路帶標(biāo)識(shí)〔即說明所處位置為左右路肩或隔離帶〕，并依次設(shè)置順序號(hào)碼，以便能夠表征其地理位置及相應(yīng)順序。此外，在ID號(hào)碼中還可以包含高速公路的相應(yīng)標(biāo)號(hào)、高速公路的車道數(shù)目等編碼。具體設(shè)置如圖1所示。

圖1射頻標(biāo)識(shí)碼設(shè)置2.2數(shù)學(xué)模型

由于定向天線通信距離遠(yuǎn)，覆蓋范圍小，目標(biāo)密度大，頻率利用率高且所受干擾小，因此將閱讀器天線設(shè)定為定向天線，只能接收來自路肩或隔離帶一側(cè)的射頻信號(hào)。圖2給出了閱讀器接收來自路肩一側(cè)射頻卡信息的模型。車道及路肩之間用實(shí)線隔開，圓形代表車載閱讀器，矩形代表在路肩等距鋪設(shè)的射頻卡。設(shè)一車載閱讀器正沿著車道2正向行駛。

某一時(shí)刻，接收到來自射頻卡1,2,…，N的信號(hào)。圖中v表示車輛行駛速度，12,,,Nθθ??θ為車輛相對(duì)射頻卡1,2,…，N的徑向方向與車輛行駛方向的夾角，m為兩射頻卡間的距離，m1,m2,…，mN為射頻卡1,2,…，N同車輛行駛方向法線間的距離，d為車輛到射頻卡垂直距離，dr為車道寬度，dl為路肩寬度，12d,d,,dNff??f為車輛相對(duì)射頻卡1,2,…，N的多普勒頻移。

圖2數(shù)學(xué)模型

根據(jù)幾何關(guān)系，可以得到：

同時(shí)，在RFID系統(tǒng)中，射頻卡本身不發(fā)射電磁波，只對(duì)來自閱讀器的電磁波進(jìn)行反射。因此，根據(jù)接收信號(hào)相對(duì)于發(fā)射信號(hào)的多普勒頻偏fd關(guān)系，還可得到：

聯(lián)立式〔1〕、式〔2〕，可以得到2N個(gè)方程，而未知數(shù)個(gè)數(shù)為2N+2個(gè)。實(shí)際上，當(dāng)2個(gè)射頻卡位于車輛行駛方向法線兩側(cè)時(shí)，其頻偏值必然為一正一負(fù)，因此，當(dāng)檢測(cè)到2個(gè)標(biāo)識(shí)碼相鄰的射頻卡p和射頻卡p+1、fdp和fd〔p+1〕符號(hào)相反時(shí)，可知有：

此外，假設(shè)設(shè)在閱讀器接收到第N個(gè)射頻卡時(shí)開始執(zhí)行定位算法，那么可近似認(rèn)為閱讀器與射頻卡N之間的距離為最大通信距離R,有：

聯(lián)立式〔1〕、式〔2〕，那么可求得車輛行駛速度以及與N個(gè)射頻卡的相對(duì)位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛當(dāng)前位置的測(cè)定。在量中，m、R是系統(tǒng)設(shè)定的，而N個(gè)fd值那么需要進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)。因此，對(duì)fd估計(jì)的準(zhǔn)確程度是實(shí)現(xiàn)精確定位的關(guān)鍵。3多普勒頻移fd的估計(jì)近年來，已有多種fd估計(jì)算法被提出，如在時(shí)域中利用電平通過率進(jìn)行直接測(cè)量[3]、或采用時(shí)頻分析方法[4]、或利用一些特殊性質(zhì)如OFDM導(dǎo)頻信號(hào)來估計(jì)最大多普勒頻移[5].

這些方法要么測(cè)量精度過低，要么運(yùn)算量過大，均不適合在RFID系統(tǒng)中應(yīng)用。本文結(jié)合RFID系統(tǒng)特點(diǎn)，采用功率譜估計(jì)的方法，在頻域?qū)崿F(xiàn)對(duì)fd的估計(jì)。

由于在車輛移動(dòng)過程中，車載閱讀器與標(biāo)簽之間的相對(duì)位置是不斷變化的，因此時(shí)域采樣點(diǎn)數(shù)應(yīng)盡量少，以保證fd值的相對(duì)穩(wěn)定?，F(xiàn)代譜估計(jì)方法在短數(shù)據(jù)記錄的情況下，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于經(jīng)典譜估計(jì)方法。其中，Burg算法不需要估計(jì)自相關(guān)函數(shù)，具有較高的譜估計(jì)質(zhì)量且計(jì)算不太復(fù)雜，是較為通用的方法，亦適合在RFID系統(tǒng)中使用。

對(duì)將接收信號(hào)進(jìn)行下變頻并等間隔時(shí)域采樣，得到信號(hào)序列x〔1〕，x〔2〕，……,x〔n〕.采用Burg算法進(jìn)行譜估計(jì)，并利用反射系數(shù)公式中的遞推關(guān)系減小運(yùn)算量，同時(shí)使用信息論準(zhǔn)那么法判定AR模型階數(shù)P.

算法根本步驟為：

〔1〕設(shè)定初始條件。令第0階前向、后向預(yù)測(cè)誤差序列為時(shí)域采樣序列。

〔2〕設(shè)定階數(shù)m=1,那么得到反射系數(shù)k1、模型參數(shù)a1〔1〕及最小預(yù)測(cè)誤差功率ρ1.

〔3〕由反射系數(shù)k1得到第一階前、后向預(yù)測(cè)誤差序列e1f〔n〕，e1b〔n〕。

〔4〕令m=m+1,采用遞推分母DENm求出該階反射系數(shù)km及最小預(yù)測(cè)誤差功率。

〔5〕采用信息論準(zhǔn)那么法判定階數(shù)P.令A(yù)ICm=Nln〔ρm〕+2m,其中，N為數(shù)據(jù)x〔n〕的長(zhǎng)度。當(dāng)階次m由1增加時(shí)，AICm應(yīng)在某一m處到達(dá)最小值。因此，假設(shè)測(cè)得在m階有1AICm<AICm-1,那么說明尚未到達(dá)AR模型的正確階次。否那么，轉(zhuǎn)到〔7〕。

〔6〕計(jì)算m階前、后向預(yù)測(cè)誤差序列emf〔n〕、emb〔n〕及所有模型參數(shù)am〔i〕，i=1,2,……,m,返回〔4〕。

〔7〕當(dāng)AICm≥AICm-1時(shí)，說明m-1即為AR模型的正確階次，至此，已求出所有階次時(shí)的AR參數(shù)，可對(duì)AR模型的功率譜進(jìn)行估計(jì)。

〔8〕得到功率譜后，找到其幅值最大值所對(duì)應(yīng)的頻率值，即為fd值，算法結(jié)束。

算法流程如圖3所示。

圖3Burg算法流程

4算法求解4.1牛頓迭代法將式〔1〕~式〔4〕聯(lián)立并化簡(jiǎn)，可得到如下方程：

將式〔5〕寫成矩陣形式：

采用牛頓迭代法，設(shè)已得到第k次近似解Xk,那么可得：

式〔7〕即為式〔6〕的牛頓迭代公式，采用Gauss-Jordan方法求解Jacobi矩陣DF〔Xk〕的逆，那么可求得X,確定車輛的實(shí)時(shí)位置。再將結(jié)果代入式〔5〕，即可得到車輛速度v.4.2初值設(shè)定由于牛頓迭代法是局部收斂的，因此選定的初值要接近方程的解，否那么有可能得不到收斂的結(jié)果。因此，合理地選取初值，不僅能確保求解過程不發(fā)散，而且還能減少迭代次數(shù)，進(jìn)而減少算法運(yùn)算量。

根據(jù)式〔3〕可知，相鄰射頻卡p、p+1分別在車載閱讀器行駛方向的法線兩側(cè)。因此，可設(shè)：

依次可設(shè)：

此外，由圖2還可知2dr+dl>d>dl.5仿真實(shí)驗(yàn)

仿真模型見圖2,設(shè)路肩寬度dl=2m,車道寬度dr=5m,每2個(gè)射頻卡之間距離m=5m,RFID系統(tǒng)工作頻率f=915MHz,閱讀器和射頻卡的最大通信距離R=14m,采樣頻率fs=1600Hz,采樣點(diǎn)數(shù)N=128.考慮到高速公路環(huán)境較為空曠，忽略多徑干擾的影響，但由于閱讀器的接收信號(hào)十分微弱，因此干擾噪聲對(duì)其影響較大，設(shè)置信噪比SNB=-5dB。

針對(duì)不同多普勒頻移隨機(jī)實(shí)驗(yàn)500次，其結(jié)果如表1所示〔限于篇幅，選取局部數(shù)據(jù)羅列〕?？梢钥闯?，本文所采用的譜估計(jì)方法具有較高的估計(jì)精度，誤差在0.8Hz以下，且隨著fd值不斷增大，誤差值呈減小的趨勢(shì)。

分別設(shè)定v為30km/h、60km/h、90km/h、120km/h、150km/h,針對(duì)不同位置對(duì)車輛速度進(jìn)行反復(fù)測(cè)量，其平均誤差如表2所示。當(dāng)車輛接近靜止時(shí)，由于不存在多普勒頻移或多普勒頻移十分微小，由系統(tǒng)設(shè)定v=0.隨著車輛移動(dòng)速度的提高，由于多普勒頻移在夾角一定的情況下同速度呈正比，因此速度誤差會(huì)隨著fd測(cè)量誤差的減小略呈下降趨勢(shì)。圖4給出了400次定位結(jié)果誤差分布?？梢钥吹?，節(jié)點(diǎn)位置誤差根本上在0.3m之內(nèi)，平均誤差為0.1m左右。

圖4定位結(jié)果誤差分布6結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)我國(guó)現(xiàn)有高速公路管理系統(tǒng)無法對(duì)車輛進(jìn)行實(shí)