一种车辆定位射频识别系统及其快速巡检定位方法与流程

本发明涉及车辆自动驾驶技术领域，尤其涉及一种基于激励绕组二分法的车辆定位射频识别系统及其快速巡检定位方法。

背景技术：

车辆自动驾驶技术是当前研究和产业化的热点，特地场景的车辆自动驾驶，比如港口的集装箱转运车辆的无人自动驾驶，已经进入应用阶段。车辆自动定位是实现自动驾驶的核心基础技术之一。目前使用超宽带无线通信的区域网格定位、激光雷达环境特征识别和匹配、微机械陀螺仪/加速度仪惯性定位导航、以及卫星定位等技术都在自动驾驶技术上有相应的技术和产品。除此之外，还有一种采用车载射频识别阅读器和道路预埋无源射频识别标签的技术。该技术与超宽带无线通信的区域网格定位、激光雷达环境特征识别和匹配等技术不同，基于无源射频识别的车辆定位技术采用成熟的射频识别标签，预埋在道路中的无源射频标签成本低廉、寿命长、环境影响小，通过在车辆上配置特定的无源射频识别阅读器，通过细分的网格阅读器天线识别预埋的具有唯一编码的射频识别标签对运动或静止的车辆进行定位，因此基于无源射频识别的车辆定位技术具有运营成本相对较低、环境适应能力强、可靠性高、易于部署等优点，在港口集装箱转运车辆的自动驾驶领域已经有一定规模的运用。

德国公司基于当前的125.134khz(低频段)和13.56mhz(rfid)无源射频识别技术开发了车辆自动驾驶应用的定位系统。其中，预埋道路的无源射频识别标签的尺寸为直径74.5mm，高度35mm，车载阅读器天线尺寸1560mm×653mm×81mm，能够实现25公里/小时车速下±10mm的定位精度。与普通的无源射频识别标签相比，用于车辆定位的预埋式无源射频识别标签主要在封装上存在一定的差异，但是车载阅读器与常用的射频识别阅读器之间存在很大的不同，这种车载阅读器需要实现较远距离的访问，同时需要在一定的车速下实现符合预期定位精度的访问。尤其是实现符合预期定位精度的访问，其是通过特殊设计的网格天线来实现的，即通过细分网格的天线，根据实现通信的网格来获得车辆相对于预埋标签的位置。由于无源射频识别访问的距离和天线的尺度密切相关，因此天线的细分网格又直接影响了访问距离。目前，德国公司的标签和阅读器及网格天线在典型的环境下可实现35cm的最大访问距离。

参见图1，图1示出了现有的基于磁耦合射频识技术的车辆定位系统，车辆10在道路上行驶，车辆10上安装有射频识别阅读器20和射频识别阅读器天线30。当车辆10和射频识别阅读器天线30通过预埋在道路上的无源射频识别标签40时，车载阅读器20可以获得无源射频识别标签40的信息，并根据预埋的无源射频识别标签40的地理信息和无源射频识别标签40与车辆10的相对关系，即可以实现车辆10的定位。

参见图2，图2示出了现有的基于磁耦合射频识技术的射频识别阅读器天线与无源射频识别标签的能量传输和通信原理。当射频识别阅读器天线30的天线线圈31内部有电流通过时，会产生感生交变磁场31a，无源射频识别标签40的天线线圈会产生感生电动势，无源射频识别标签40的芯片电路能够将天线线圈产生的感生交流电动势变换成芯片工作所需要的电源，从耦合的信号提取出来自射频识别阅读器20的指令，执行指令并作出相应的应答，完成射频识别阅读器20和无源射频识别标签40之间的通信。对于磁耦合射频识别技术，射频识别标签载近场，也就是所用电磁波波长的1.10或者1/8的距离内工作。比如13.56mhz的载频，波长为22.1米，理论上，该波长下的磁耦合射频识别最大访问距离为2.2米。但是在近场条件下，与射频识别阅读器天线30之间的垂直每增加10倍，能量衰减为1/1000，也就是说，能量按照无源射频识别标签40与射频识别阅读器天线30之间距离倒数的三次方衰减。此外，由于数据通信的带宽需要，射频识别阅读器20和无源射频识别标签40的天线线圈的网络品质因素要远低于线圈天线的本征品质因素。比如铜导线线圈的品质因素可能高达50，但是为了保证数据通信的带宽，射频识别的阅读器天线和标签天线网络的品质因素可能只有8。这些因素导致了磁耦合射频识别技术可能实现的有效访问距离远低于理论的近场范围。参见图2，13.56mhz系统，沿射频识别阅读器天线30的天线线圈31垂直方向的访问距离可能只有50～60厘米。此外，更大尺寸的射频识别阅读器天线30还意味着天线线圈的电感大，载波频率越高，则调谐越困难；采用低的电磁波频率，则意味着低的数据速率。

实际的访问距离还进一步受到射频识别阅读器天线30的天线线圈31的有效尺寸限制，一般来讲此类系统地访问距离大概在阅读器天线尺寸的0.7倍左右。射频识别阅读器天线30越小，访问距离越短。这些特点导致使用标准的磁耦合射频识别技术作为车辆定位会存在以下不足：为了获得一定的定位精度，需要尽可能小的射频识别阅读器天线30的天线线圈31，但是射频识别阅读器天线30的天线线圈31越小，意味着有效访问距离越短，对于车辆自动驾驶定位，可能需要至少20～30厘米以上的有效访问距离。如果采用40厘米以上的天线会导致能获得的定位精度大大降低。

为了克服以上基于磁耦合射频识别技术的车辆定位系统存在的不足，专利号为de202013101196u1的德国发明专利公开了以下内容：使用低频载波，也就是125khz/134khz的频段；同时射频识别阅读器天线覆盖区域采用网格细分的方法，如图3所示,细分为单个的访问单元31，从而提高定位的精度。

参见图4，图4示出了专利号为de202013101196u1的德国发明专利公开所采用的天线网格细分结构，激励绕组eq1-eq2和激励绕组el1-el2将整个射频识别阅读器天线的区域分为16个网格，激励绕组re为接收绕组并覆盖整个天线访问区域，当其中的一个网格信号为正常激励时，周边的网格信号相互抵消，从而不能激活对应网格位置的标签。通过电子扫描的方式，实现整个射频识别阅读器天线覆盖区域的分时访问。该技术方案的射频识别阅读器天线的激励绕组很长，天线线圈的电感量大，因此采用低频频段，从而便于天下网络的调谐实现。

为了实现合适的通信距离，可通过加大射频识别阅读器的发射功率来实现，因此需要在无源射频识别标签的天线端增加二极管或者类似的结构来限制标签天线两端的电压，如图5所示。无源射频识别标签芯片41的天线端ac0、ac1分别与线圈天线lant连接，这是基本的射频识别标签的结构。在大动态范围的场强下，为了保护无源射频识别标签芯片41不被可能的高压击穿，在射频识别标签芯片41的天线端ac0、ac1之间增加了由二极管d1、d2构成的保护结构，在高场强下，确保无源射频识别标签芯片41的天线端ac0、ac1的电压不超过无源射频识别标签芯片41的承受范围。此外，在这个对于工作距离要求严格的场景下，无源射频识别标签40可能还需要额外的无源射频识别标签芯片41外接电容c1、c2和电阻r1、r2，以调节标签的工作性能。

现有的车辆定位系统相对于对应频段射频识别系统，无论是标签，还是射频识别阅读器和射频识别阅读器天线都要复杂很多，但是受性能限制，目前主要用于25公里/小时或者以下的自动驾驶定位。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题之一在于：针对现有技术的不足而提供一种可实现远距离访问、降低系统复杂性和成本、提高系统可靠性的车辆定位射频识别系统。

本发明所要解决的技术问题之二在于：提供一种上述的车辆定位射频识别系统的快速巡检定位方法。

作为本发明第一方面的一种车辆定位射频识别系统，包括：

若干间隔预埋在道路地面内的无源射频识别标签，每一无源射频识别标签包括射频识别标签芯片、标签天线线圈以及辅助天线线圈，所述射频识别标签芯片的第一、第二天线连接端分别与所述标签天线线圈的两端连接，其第一、第二交流耦合信号端分别与所述辅助天线线圈的两端连接；以及

一固定安装在车辆上的车载阅读器,所述车载阅读器包括射频识别阅读器、射频驱动电路、阅读器天线线圈、标签激励阵列单元、激励阵列单元驱动电路以及激励阵列单元控制器，所述射频识别阅读器的第一信号交互端通过所述射频驱动电路分别与所述阅读器天线线圈的两端连接，其第二信号交互端与车载定位系统连接，所述标签激励阵列单元设置在所述阅读器天线线圈内，所述标签激励阵列单元由若干呈矩阵式排列的激励线圈绕组构成，每一激励线圈绕组的一端并接在一起后与所述激励阵列单元驱动电路连接，其另一端采用多路开关分别与所述激励阵列单元驱动电路连接，所述激励阵列单元控制器的第一信号交互端与所述激励阵列单元驱动电路连接，其第二信号交互端与车载定位系统连接。

作为本发明第二方面的一种上述的车辆定位射频识别系统的快速巡检定位方法，所述标签激励阵列单元由2ⁿ个呈矩阵式排列的激励线圈绕组构成，其中n≥3且n为整数，将2ⁿ个激励线圈绕组划分为两个一级区域且每一个一级区域具有2^n-1个激励线圈绕组，再将每一个一级区域中的2^n-1个激励线圈绕组划分为两个二级区域且每一个二级区域具有2^n-2个激励线圈绕组，按照这样的规则直至划分为2ⁿ个n级区域且每一个n级区域对应一个激励线圈绕组；然后通过二分搜索巡检方法检索所述标签激励阵列单元中对应的激励线圈绕组，再根据标签激励阵列单元中的激励线圈绕组和车辆的关系计算出车辆的当前位置信息。例如：对于具有局部地理坐标的(x0,y0)的地下标签，当第n个巡检的激励绕组线圈对应的地下标签有应答或者标签状态置位，第第n个巡检的激励绕组线圈相对于车辆中心的偏移量是(deltax,deltay),则车辆中心的坐标是(x0+deltax,y0+deltay)。

由于采用了如上的技术方案，本发明的有益效果在于：本发明在采用相同的无源射频识别磁耦合信号频率下，可以使用大尺寸的激励和数据通信天线，从而实现更远的访问距离；同时，通过标签激励阵列单元的二分法快速巡检控制，实现对无源射频识别标签的快速定位，提高了访问速度，同时也简化了阅读器天线线圈及其驱动的设计，降低了系统的复杂性，提高了系统的可靠性，以更低的成本实现更高性能的车辆定位功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有的基于磁耦合射频识技术的车辆定位系统的结构示意图。

图2是现有的基于磁耦合射频识别技术的射频识别阅读器天线与无源射频识别标签的能量传输和通信原理图。

图3是现有的射频识别阅读器的天线网格细分结构图。

图4是专利号为de202013101196u1的德国发明所公开的射频识别阅读器的天线网格细分的结构示意图。

图5是现有的无源射频识别标签的电路示意图。

图6是本发明的车辆定位射频识别系统结构示意图。

图7是本发明的阅读器天线线圈和标签激励阵列单元的结构示意图。

图8是本发明的由8个激励线圈绕组所构成的标签激励阵列单元的三级二分搜索组合的示意图。

图9是本发明的二分搜索巡检过程。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参见图6，图中给出的是一种车辆定位射频识别系统，包括若干无源射频识别标签100以及车载阅读器200。

若干无源射频识别标签100封装在玻璃或者环氧树脂等材料的支撑结构中,再通过预埋或者打孔的方式按照一定规律间隔设置在沥青、混凝土等道路地面内。每一无源射频识别标签100包括射频识别标签芯片110、标签天线线圈120以及辅助天线线圈130。射频识别标签芯片110的天线连接端ac0、ac1分别与标签天线线圈120的两端连接，其交流耦合信号端k1、k2分别与辅助天线线圈130的两端连接。

车载阅读器200固定安装在车辆上,其包括射频识别阅读器210、射频驱动电路220、阅读器天线线圈230、标签激励阵列单元240、激励阵列单元驱动电路250以及激励阵列单元控制器260。射频识别阅读器210的信号交互端211通过射频驱动电路220分别与阅读器天线线圈230的两端连接，其信号交互端212与车载定位系统1连接，阅读器天线线圈230既是发射天线也是接收天线，对于典型的一个1000mm×500mm的天线线圈，可以实现50cm～60cm的通信距离，该阅读器天线线圈230的驱动为载波频率fc的射频信号。标签激励阵列单元240设置在阅读器天线线圈230内。参见图7并结合图6，在实施例中，标签激励阵列单元240由3×8共24个呈矩阵式排列的激励线圈绕组241构成，每一激励线圈绕组241的一端并接在一起后共用一个线圈接头lc1与激励阵列单元驱动电路250连接，其另一端采用多路开关和线圈接头lc2分别与激励阵列单元驱动电路250连接，线圈接头lc1、lc2由频率为fa的激励信号驱动。激励阵列单元控制器260的信号交互端261与激励阵列单元驱动电路250连接，其信号交互端262与车载定位系统1连接。

当无源射频识别标签100处于车载阅读器200有效访问的范围内，标签天线线圈120可以为射频识别标签芯片110提供电能并为通信提供通道；当无源射频识别标签100处于标签激励阵列单元240中的某个激励线圈绕组241的有效作用范围内，辅助天线线圈130接收到有效信号，并允许无源射频识别标签100和射频识别阅读器210进行通信，或者设置无源射频识别标签100约定的状态，则通过标签激励阵列单元240的巡检，可以实现细分的定位。

射频识别阅读器210通过射频驱动电路220驱动阅读器天线线圈230，射频驱动电路220包括调制、解调和功率放大器等电路，通过阅读器天线线圈230为无源射频识别标签100提供电能和数据，并接收无源射频识别标签100的返回信号。激励阵列单元控制器260通过激励阵列单元驱动电路250控制标签激励阵列单元240，为无源射频识别标签100提供激励信号。无源射频识别标签100通过激励接收辅助天线线圈130，实现标签天线线圈120回路控制，或者设置无源射频识别标签100的状态。

参见图7，标签激励阵列单元240的有效访问区间被分为24个单元格，每个单元格设置一个激励线圈绕组241。阅读器天线线圈230由载频fc的交流信号驱动，标签激励阵列单元240由频率为fa的交流信号驱动，激励线圈绕组241通过开关控制，接入或者断开激励信号fa。

本发明的车辆定位射频识别系统的快速巡检定位方法，将标签激励阵列单元240由2ⁿ个呈矩阵式排列的激励线圈绕组241构成，其中n≥3且n为整数，将2ⁿ个激励线圈绕组划分为两个一级区域且每一个一级区域具有2^n-1个激励线圈绕组，再将每一个一级区域中的2^n-1个激励线圈绕组划分为两个二级区域且每一个二级区域具有2^n-2个激励线圈绕组，按照这样的规则直至划分为2ⁿ个n级区域且每一个n级区域对应一个激励线圈绕组。然后通过二分搜索巡检方法检索所述标签激励阵列单元中对应的激励线圈绕组，再根据标签激励阵列单元中的激励线圈绕组和车辆的关系计算出车辆的当前位置信息。例如：对于具有局部地理坐标的(x0,y0)的地下标签，当第n个巡检的激励绕组线圈对应的地下标签有应答或者标签状态置位，第第n个巡检的激励绕组线圈相对于车辆中心的偏移量是(deltax,deltay),则车辆中心的坐标是(x0+deltax,y0+deltay)。

具体地，参见图8，图8示出了由8个激励线圈绕组构成的标签激励阵列单元的三级二分搜索的组合。阅读器天线线圈的有效访问区域分为两个一级区域n1、n2，两个一级区域n1、n2包含相同数量的激励线圈绕组；一级区域n1、n2又分别按照激励阵列单元的分布分为二级区域n3、n4和二级区域n5、n6；二级区域n3又分为三级区域n7和n8，二级区域n4又分为三级区域n9和n10，二级区域n5又分为三级区域n11和n12，二级区域n6又分为三级区域n13和n14。每一级最大包含2ⁿ个激励线圈绕组。

参见图9，图9示出了二分搜索巡检过程，结合二元树的搜索过程，对于具有m个激励线圈绕组的设计来说，检索到对应激励线圈绕组的次数最大为log2m，可以实现比m个激励线圈绕组逐个巡检快得多的速度。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。