论文研究-基于RFID的室内智能导航系统 .pdf

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基于RFID的室内智能导航系统,涂锦辉,孟崇,室内定位与导航技术以其在公共服务、商业应用和安防等方面良好的应用前景而备受人们重视.本文设计并实现了用于大规模室内环境的��
印国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 识信息。在射频信息发送的同吋,路标会发射个超声脉冲,为了减少能量消耗和保持硬件 结构简洁,超声信号不携带任何数据。由于射频的速度远远大于超卢的速度,所以在两个信 号传播过程中超声信号落后于射频信号。当探测装置先后接收到射频信息和超声信号时,它 可以计算RF信息和超声信号到达探测节点的时间差,设为O。则 D/-D/ 其中D为要测量的距离,在正常室温和湿度下,声音的速度Vm约为344ms,光的速度 V约为3×10ms。由于V远远大于V,所以有 D≈6nV 超声信号之所以选择与射频信息同时开始发射而不是与射频信号同时开始发射,这是因 为射频接收器在探测有效开端时所消耗的时间是随杋的,也就是说探测装貿计算的时间差 δ是射频信息的开始和探测到超声信号的时间差值。由公式(2)可以看出距离测量的准确性 取决于两个方面:时间差测量的准确性和声吝速度估计的准确性。n的准确性取决」射 频的比特牽、超声传感器、电路和计吋策咯等系统参数,而声速和温度有关。 13系统硬件结构 为缩短设计周期,提高系统的容错性与通用性,本文采用模块化的设计思想,使探测裝 置与路标具有相同的硬件电跻结构。图2是节点的实物图。图3是路标电路原理和结构框 图,总体包括五个部分,分别是微处理器及外围电路单元、RS232串行通信单元、射频信息 收发单元、超声发射单元和超声接收单元,其中微处理器外围电路单元包括微控制器、复 位电路及晶振电路,即图3中的模垬1、2和3;RS232串行通信单元包括异步串行通信接 口及RS232电平转换单元即图3中的模块6、15和18;射频信息收发单元包括同步串行接 口、通用输入/输岀接口、数据编码单元、射频控制单元及调制解调单元,即图3中的模块4 5、7、8和9,其屮7、8、9由射频芯片CCl000完成;超声发射单元包括超声发射控制单 元及超声发射驱动单元,即图3屮的模块10和11;超声接收单元包括超声接收处理单元、 超声接收控制单元及基准电压单元,即图3中的模块12、13和14。实际测距过程如下:在 实验过程中,路标首先通过射频通信与探测装置建立时间同步状态,然后路标开始发送超声 信号,进入射频和超声同时发射状态;而探测装置通过接收超声信号,验证射频信息正确与 合,发出信息正确应答信号:路标若接收不到正确应答,便随机延时一段时间后开始发射射 频冉次建立时间冋步,若接收到正确应答,立刻开始发射射频建立冋步;而探测节点测量射 频和超声时间差,从而计算出此探测节点同投放路标的距离。测距精度可达3cm。 印国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn Ny IIPO Ti J @ 图2节 数据 复位( 昌折 编码 同步 单元 串行 接L 异步 周伺 解调 微控制器 信K转换 单兀 接冂 单丌 射频 (6 (15 控制 通 毕兀 输入/输出接匚(2 超声接收控制 基准电压单 单元(13 元(14 超声发射驱动 超声发射控钊 单兀(11 单元(1C 超声接收处理 单兀(12 图3节点电路原理和结构框图 14系统软件结构 软件系统在 Microsoft visual studio2008上,用C#开发。软件采用分层的结构,每层分 别有一个独立的线程,各层之问通过线程通信机制相互联系,底层数据就绪后会给上层的线 程发送信息,通知上层开始运算。一方面多线程机制提高了程序的效率;另一方面,分层的 结构减少了定位、导航和显示三者之间的相互影响,使程序更加稳定可靠 系统的软件结构如图4所示。数据采集模块`要负责采集两和数据信息,一方面通过串 口采集的RFID网络信息,即探测装置到路标的距离和路标的I信息:另一方面采集用户 通过人机交互模块输入的目的地信息。数据过滤模块把通过数据釆集模块采集来的数据进行 筛选,淘汰错误的薮据,并将数据传给上层模玦,即定位模块和眳径规划模块。定位模块利 用三点定位技术和最小二乘原理实现对探测装置的精确定位。路径规划模块利用A*搜索算 法实现从当前位置到目的地的髙效的路径规划。人机交互模垬方面将定位和眳径规划结果 通过图像和数据两种方式显示给用户,另一方面提供用户输入目的地的功能 印国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 人机交互模块 图像显 数值显示用户输入目的地 定位模块“路径规划模块 数据筛选 数据 数 前 串口通讯 月的地 图4系统软件结构示意图 2定位与导航算法 从探测装置读取到距离数据后,如何推算岀探测装置的坐标位置关系到一个定位算法问 题。而得到当前探测裝置的坐标位置后,如何实现智能、高效的导航则是一个路径规划算法 问题 2.1定位算法 通常跻标安装在室内环境的天花板或墙壁上,不失一般性,本文将室内天花板所在:平面 作为坐标系的XOY平面,并以天花板一角作为原点,向下为Z轴正方向,建立坐标系,并 以B(x,y,z;)表示路标的坐标值,L(x,y,z)表示探测装置的坐标值。 假设已知p个节点的距离(通常p>4),根据最小二乘原理,定义定位误差的平方和为: E、=∑(x-x)2+(y-y)2+2)2-D] 定位结果应为使得E最小的一个坐标值(其中D为探测距离。)。为求出该坐标值, 对E分别求关于x,y,z的偏导并令其为0,得到如下p个方程 (x-x)2+(y-y)2+z2)y2-D)x-x) (x-x)2+(y-y)2+z2) E (x-x1)2+(y-y)2+2)2-D)(y-y (x-x)2+(y-y)2+z2)2 (5) E (x-x)2+(y-y)2y2Dy=0 (x-x)2+(y-y)+ 木文采用牛顿迭代法求解上述定位方程。考虑到牛顿法无论是在精确性还是在收敛速度 上,对初值依赖都很大,为此,下面先求解岀一个较好的初值 由两点间的距离公式可以得到 印国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn (x-x)2+(y-y)2+z=D2(=0,1,2,3…) 两两相减消去z得到一个超定方程: D2-D2+x2-x2+y02 (x1-x2)(y-y2)x y1-y2 (8) X D-D-1÷22,-xn+yp-1-yp 对应的最小二乘解为: /=(A)8 (x-x)(y-y1) (x-x2)(y1-y2) 式中A=2 B D2-D2+x2-x2+y2-y2 D2-D2,+x2 Yp-l-yp 式(9)代入方程组()中任一个方程求得Z。最后,将(X,Y,Z)作为初值,利用牛顷选代 求解方程(4)(6)。其中牛顿迭代公式为 (10 其中x为第k次的达代解,F(x)为原来的定位方程组,F(x)为F(x)的雅克比矩阵。 22导航算法 在解决探测装置的精确定位冋题之后,导航的主要仼务即为路径规划。路径规划的目标 是找到一条从用户当前位置到目标点的最优或最短路径,考虑到室内坏境的结构化特性及动 态可变因素的在,本文选取实吋性很高的A*搜索算法为移动终端规划近似最优路径。 在算法的实现过程中,采用棚格方法ξ示环境模型。A*算法的估价函数为 f(m)=g(m)+h(m),式屮,g(m)取从出发点沿着产生的路径移动到栅格图上指定格的 移动耗费;h(n)取从栅格上的仟意方格移动到目标位置Q的预估移动耗费。(h(n)=0时 即为 Dijkstra算法)。h(m)的估价这里采月 Manhattan法,忽略对角线方向,取 h(n)={x-x+yn-y,其中(x,y),(xa,y)分别为当前位置和目标位置的坐标, 可以在·定程度上减小运算量,并且对精度影响不大。这里忽略了切障碍物,仅是对剩余 距离的估算,而非实际值。 A算法对前一次搜索中估价最小点的相邻点进行搜索,且只在处理当前点和其相邻接 点时保存路径与路径长度,其余点均不保存。为满足A*算法运行结果无误,任一时刻的h(n) 决不会超过实际值(n)的佔计,其屮(n)为从网格上的方格移动到终点的实际移动耗费。 因此考虑改变估价函数中的h(n)在f(m)中的权重,减少h(m)在估价函数中所占的比例, 这里令f(n)=g(1n)+mh(n)(m为小于1的正数)A*算法中g(m)与h(n)的权重是均等的, 印国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 两者为1:1的关系; Dijkstra算法中h(mn)的权重为0(m=0)。因此,当逐步加大h(n)的权 重时,即增大m时,计算时间被缩短,路径却发生了变化。本文的目标是找到平衡点,在保 证路径最优的情况下,实现计算时间最短,本文将其称之为加权A*算法。 选取教室或阋览室作为仿真环境,在进行路径规划之前,将地图离散化,大大减小了运 算量。 图5为m=0时实际程序运行的结果。规划结果为一条从左上方起始点到右下方日标的一条 路径。 冒 图5运行路径规划结果 由丁加权Δ*算法的权值n不同会影响规划结果,木文对不同的m值分别进行了测试,使 用之前离散化后的地图进行规划,实验采用的计算札为HP6510b,CPU为Ine的Core2 T7100,内存为1G,得到表1中结果 表1不同权值运行时间比较 规划所需时间 规划路径步数 1.0 260ms 108 0).8 322ms l08 0.5 358ms 08 0.2 462ms 108 444ms 108 观察数据可知,随着m的堿小,所需的规划时间呈增加趋势,m取不同偵对规划路径有 定影响,但是所得路径的长度都相同,有多条最优路径结果,基于程序效率方面的考虑, 我们选取m=1.0。 3实验 选取教室作为实环境,环境规模为8.8m×6.4m,在上述环塇中配寳了12个路标,路 标被固定在电灯上,如图6所示。实验以室内天花板所在平面作为丛标系的XOY平面,并 以天花板一角作为原点,向下为Z轴正方向,建立坐标系,并测量了路标的坐标,以书桌 作为障碍物绘制地图,进行定位与导航实验 印国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn (a)空间路标布置 (b)实验环境 图6实验环境照片 实验屮路标和探测装置均采用南开大学自主研制的可收发的节点 NKU IIP,固定在灯上 的路标置于发送状态,每隔一个随机时间发送一次超声和射频信号。于持设备置于接收状态。 接收路标信息并通过串口传送给笔记本电脑,而上要的计算都在笔记本电脑中完成。在将来 的版本中,将把运算处理功能集成在于持设备中,从而不需要使用笔记本电脑,使设备更加 轻便。 基于以上描述的实验环境,本文首先做了定位实验。在教室内随机选取四个位置,在4 个不同位置分别进行了定位实验,得到下表 表2定位数据 定位结果(cn 实际测量的位置(cm 偏差(cm) (359,517) (353,515) 6.32 (385,471) (383,470) 2.24 (91,527) (105,528) 14.03 (395,350) (410,357) 16.55 由表2可知,1、2组数据误差较小而3、4组数据误差较大,但定位精度通常能够满足 室内定位与导航的要求;对第3、4组数据进行∫路径规划实验,目标点的坐标为(100,120), 规划结果如图7所小 目目 (a)对第3组数据的规划结果 b)对第4组数据的规划结果 图7路径规划实验 -8 印国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 4结束语 本文基于RFD技术和超声测距技术,通过引入三点定位技术以及有效的路径规划算法, 改计并灾现了用于大规模室内环境的移动终端定位与智能导航系统。实验表明该系统具有较 高的室内定位精度,冋时设备廉价、尺寸小、重量轻,使之便于安放和携带,能够满足绝大 多数的室内定位的要求。旦然目前它还是一个原型系统,但是相信随着技术和制造工艺的成 熟,本系统会更加完善,成本也会下降,这些,都使得本系统具有不错的应用潜能。 参考文献 l Roy Want, Andy I lopper, Veronica Falcio, et al. The active badge location system [. ACM Transactions on Information Systems, 1992, 10(1):91-102 [2 Bahl P, Padmanabhan VN. RADAR: An in-building RF-based user location and tracking system [c] Proceedings of the l9th Annual Joint Conference of the iEEE Computer and Communications Societies, Tel aviv israel. Ieee press 2000: 775-784 3Ni L M, Liu Yun-Hao, Lau Yiu Cho, et al. LANDMARC: Indoor location sensing using active RFID U]. Wireless Nctworks, 2004, 10(6): 701-710 [4] Jay Wcrb, Colin Lanzl. Dcsigning a positioning systcm for finding things and pcoplc indoors[]. Spcctrum, 1998,35(9):71 RFID-based Indoor Intelligent Navigation System Tu Jinhui, Meng Chong, Zhou Yingjun, Shen Hu, Yuan Jing Department of Automation, Nankai University, Tianjin(300071) Abstract Accurate indoor localization and navigation techniques are important and novel emerging techniques for public service, commercial applications and security. This paper presents a mobile terminal localization and intelligent navigation system for the large-scale indoor environment. This system is based on the rfid technology and the tDoa(Time Difference of Arrival) between radiofrequency and ultrasonic signals to estimate distance, and employs the three-point localization technology to achieve accurate position estimation of the hand-held mobile terminals. Then A* search algorithm is introduced to realize accurate and efficient navigation. As the experiment proves, this system can provide the average 3cm distance estimation precision, which is able to meet the requirements of indoor localization Keywords: RFID; indoor localization; TDoA principle: A* search algorithm; navigation 作者简介:涂锦辉(1988-),男,广东人,本科生

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