本发明属于室内定位，具体涉及一种基于超高频rfid技术的室内复杂环境无源定位系统及方法。
背景技术：
1、随着智慧城市和智能家居概念的兴起，室内定位方法在现代社会中的重要性日益显著，尤其是在仓储物流、图书馆管理、零售和医疗等行业。这些方法从根本上改变了我们的生活方式。虽然室外定位方法已经相当成熟，但对于室内复杂环境的精确可靠的室内定位方法的需求仍在持续增长。目前，室内定位方法面临许多挑战。例如，红外定位方法受限于短距离和需要无强光干扰的视距环境(los)。超宽带(uwb)方法提供高精度定位，但设备成本和功耗高。wi-fi和蓝牙定位方法可以利用现有网络进行部署，但它们通常缺乏足够的精度。由于高昂的部署成本，这些方法难以大量部署在需要广泛使用和成本控制的行业(如仓储物流和零售)。
2、射频识别(rfid，radio frequency identification)方法是现有的无线通信识别方法，它能够实现非视距的通信，广泛应用于智能物流、交通、多目标识别、方位追踪等领域。相比之下，rfid系统通常价格低廉，因其被动无线通信方式且轻便而侵入性小，具有通信和定位一体化、安全性高、使用寿命长和部署成本低等优点，因此常常是室内定位领域研究的对象。
3、基于rfid的室内定位方法通常涉及无源rfid标签通过反向散射通信向读写器发送信号。然后读写器使用返回信号的能量、传输时间和相位信息来确定rfid标签的位置。无源rfid定位方法大多是基于(toa，time of arrival)、到达时间差(tdoa，time differenceof arrival)、接收信号强度(rssi，received signal strength indicator)和空间域到达相位差(sd-pdoa，space domain phase difference of arrival)等测量信息的双曲定位方法和三角定位方法。尽管这些方法在室外视距环境中表现良好，然而相比于室外，室内信道环境更加复杂，由于建筑物自身结构特点以及室内物体遮挡影响，电磁波信号在传播过程中会发生折射、反射、绕射等现象，此时直接利用传统方法进行定位会产生非视距误差，同时也会受到多径效应的干扰，导致定位精度下降甚至失效。无源rfid定位方法中sd-pdoa双曲定位方法和rssi三角定位方法较为常见。
4、针对上述rfid返回测量信号还有基于指纹数据库的定位算法，通过使用参考标签的指纹与常见的无源rfid定位技术建立数据库可以提高准确性，但这些数据库需要定期更新，增加了复杂度和劳动成本。使用机器学习和人工智能技术分析和处理定位数据可以提高准确性和可靠性，但需要高昂的设备和大量的能耗，且需要针对不同的环境提取重新大量数据集进行训练。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于超高频rfid技术的室内复杂环境无源定位系统及方法，聚焦于探索多径和非视距环境中的无源定位方法，在非视距环境下，提出非视距避障型无源定位方法实现rfid定位，在多径效应复杂的环境下，提出二维置信抗多径无源rfid定位方法实现抗多径干扰定位，配合读写器与上位机搭建复杂环境下rfid无源室内定位系统，实现复杂室内环境下的rfid低成本、低功耗和高精度定位。
2、本发明采用的技术方案为：一种基于超高频rfid技术的室内复杂环境无源定位系统，包括：若干无源rfid标签、一个rfid读写器、若干天线、一个路由器以及一个上位机。
3、所述上位机与路由器连接；路由器与rfid读写器一端口连接；rfid读写器另外的端口分别与不同天线连接；所述无源rfid标签通过天线接收rfid读写器发送的射频信号，且通过反向散射的方式利用天线将信号回传至rfid读写器。
4、其中，所述rfid读写器使用的是通用超高频rfid读写器，且对超高频rfid读写器进行自定义开发，实现对信号数据、幅值和相位的获取功能。
5、进一步地，所述无源定位系统中，所述rfid读写器和无源rfid标签的工作状态和通信协议按照iso/iec 18000-6type c standard所规定，所述rfid标签根据iso/iec18000-6type cstandard协议中的防碰撞算法进行rfid标签防碰撞处理。
6、本发明还提供了一种基于超高频rfid技术的室内复杂环境无源定位方法，具体步骤如下：
7、s1、所述rfid读写器根据上位机的配置信息进行初始化，然后通过参考标签消除平台固定相位误差；
8、s2、针对不同的复杂环境使用对应的算法，接收观测样本计算得到测距结果及其方差值并判断当前环境是否为非视距环境，若是则进入步骤s3，若否则进入步骤s4；
9、s3、针对非视距环境，采用非视距避障型无源定位方法实现rfid无源室内定位；
10、s4、针对多径环境下，采用二维置信抗多径无源定位方法实现多径环境下抗多径干扰定位；
11、s5、对进行的定位结果进行评估，若多次定位结果均相似，则输出结果，进入步骤s6，若多次定位结果之间有较大偏差，则判定为环境改变或者当前环境判定错误，回到步骤s2；
12、s6、上位机控制rfid读写器停止，结束rfid无源定位。
13、进一步地，所述无源定位系统工作流程具体如下：
14、所述路由器连接上位机与rfid读写器，rfid读写器受到上位机的控制工作，向无源rfid标签群发送射频信号，该射频信号包含射频能量与命令，以无线的方式为无源rfid标签充电并将其激活，并控制激活后的标签按上位机设定的方式进行反向散射回传信号至rfid读写器，rfid读写器接收到无源rfid标签回传的信号并从中提取信息数据，rfid读写器将这些定位数据传输给上位机进行rfid无源定位。
15、所述无源rfid标签被放置在复杂室内环境中，通过天线接收rfid读写器发送的射频信号并将其转化为可供自身工作的直流电能并储存，当储存的直流电能足够无源rfid标签正常工作，无源rfid标签即被供电，待rfid读写器发送命令激活，按照上位机设定的工作模式，通过反向散射的方式将信号回传至读写器，直到本次存储的直流电能被耗尽，标签断电停止工作，直到下一次读写器发送的射频信号使标签再次上电并激活。
16、进一步地，所述rfid读写器中，软件流程具体如下：
17、a1、配置rfid读写器基本参数，等待rfid读写器读写；
18、其中，所述基本参数包括：ip的设置、发射信号功率、信号频率选择、天线端口号、读写器型号。
19、a2、启动rfid读写器读写，采集一定数量样本信号，再判断所述无源定位系统是否稳定，若不稳定，重新执行步骤a2，若稳定，进入步骤a3；
20、启动rfid读写器读写，先对参考无源rfid标签测量n次数据，rfid读写器接收无源rfid标签返回的信号并进行处理得到定位所需数据，将数据返回上位机，上位机分析数据是否符合统计特性，若测试平台不稳定，则需调整测试平台并重新执行步骤a2，若测试平台稳定，数据可靠，则进入步骤a3。
21、其中，处理无源rfid标签返回的信号得到定位所需数据包括：epc码，天线端口号，rssi值，接收信号相位值，多普勒频移以及读取次数；无源rfid标签测量次数n根据实际情况设定。
22、a3、根据参考无源rfid标签消除平台固定相位误差；
23、其中，rfid读写器测量的接收信号相位值中包含多种相位误差，包括：收发本振初始相位差，收发链路相位差，rfid标签调制相位偏移，不同接收天线的接收相位差；所述平台即所述无源定位系统。
24、a4、启动rfid读写器读写，将处理无源rfid标签返回的信号得到定位所需数据上传到上位机进行无源rfid定位；
25、a5、判断上位机是否发送停止命令，若否，则接收到上位机的启动rfid读写器读写指令，回到步骤a4，若是，则接收到上位机停止命令，暂停读写并进行清除数据，结束rfid标签定位。
26、进一步地，所述步骤s3中，所述非视距避障型无源定位方法具体如下：
27、s31、初始化兼容型定位滤波算法，接收观测样本计算得到测距结果及其方差值；
28、所述兼容型定位滤波算法即兼容标准卡尔曼滤波和有偏卡尔曼滤波的算法。
29、所述卡尔曼滤波算法的核心方程表达式如下：
30、xk＝fkxk-1+wk (1)
31、zk＝hkxk+vk (2)
32、其中，k表示离散时间变量测试次数，xk表示第k次状态向量，hk表示观测矩阵，wk表示第k次状态更新中的过程噪声，vk表示观测噪声，fk表示状态转移矩阵，zk表示第k次观测值。卡尔曼滤波器表达式如下：
33、
34、
35、其中，表示k时刻的状态先验估计值，表示k时刻的最优状态估计，pk和pk-分别表示估计误差协方程矩阵和预测误差协方程矩阵，qk表示过程噪声的协方差矩阵，()t表示矩阵的转置操作；则根据预测误差协方程矩阵得到卡尔曼增益，表达式如下：
36、
37、其中，kk表示卡尔曼增益，rk表示观测噪声协方差矩阵。
38、根据卡尔曼增益更新估计误差协方程矩阵，表达式如下：
39、
40、其中，i表示单位矩阵。最后根据式(7)得到最优估计表达式如下：
41、
42、所述兼容型定位滤波算法对滤波器参数进行调整，在进行最优估计时，通过减掉非视距造成的噪声偏差σnlos来降低非视距误差对最优估计带来的误差，表达式如下：
43、
44、
45、
46、其中，λ表示协方差矩阵rk的权值因子，且λ＞1；同时根据加权调整过后的过程噪声协方差矩阵得到观测值。
47、s32、根据步骤s31得到的观测样本测距结果的方差值，判断观测样本是否为非视距信号，若是则进入步骤s33，若否则进入步骤s34；
48、其中，所述判断即判断观测样本测距结果的局部方差是否符合3k原则来区别是否为非视距信号。
49、s33、调整卡尔曼滤波参数，迭代根据sd-pdoa双曲定位得到的定位数据，采用有偏卡尔曼滤波器进行估计，判断迭代是否完毕，若是则进入步骤s35，若否则继续迭代双曲定位的定位数据；
50、s34、迭代sd-pdoa双曲定位得到的定位数据，使用标准卡尔曼滤波器进行估计，判断迭代是否完毕，若是则进入步骤s35，若否则继续迭代双曲定位的定位数据；
51、s35、输出结果，得到非视距环境下的rfid无源室内定位结果。
52、进一步地，所述步骤s4中，所述二维置信抗多径无源定位方法具体如下：
53、s41、rfid读写器接收到无源rfid标签反向散射的信号，从中提取rssi值和sd-pdoa值，将rssi值输入步骤s42，将sd-pdoa值输入步骤s43；
54、s42、将步骤s41中读取到的无源rfid标签的rssi值代入对数路径衰减模型计算测距值，通过rssi多边定位构建定位集合，再通过卡尔曼滤波得到更为稳定的定位集合，根据定位集合建立一个二维置信区域；
55、s43、根据步骤s41中读取到的sd-pdoa值构建双曲线方程组估算坐标位置，解出定位估算值，判断是否满足步骤s42根据定位集合生成的置信区域，若是，进入步骤s44，若否，则判断该值为多径干扰产生的干扰信号，予以丢弃；
56、s44、得到定位结果，完成多径环境下的快速精准定位。
57、本发明的有益效果：本发明所述系统包括：若干无源rfid标签、一个rfid读写器、若干天线、一个路由器以及一个上位机。本发明解决了现有室内定位的设备成本高，功耗高，精度低等问题，同时解决了现有无源rfid室内定位方法受多径环境，非视距环境干扰严重导致定位精度下降甚至失效的问题，所述系统基于无源rfid标签进行无源室内定位，实现在复杂环境下的高精度，低成本，低功耗的无源室内定位，且维护方便，在复杂室内环境下能够抗环境干扰实现高精度的无源室内定位，感测范围大，在众多领域可实现应用，特别适合于仓储物流、图书馆管理、零售和医疗行业对物品的盘存和定位，商业应用前景广阔。
1.一种基于超高频rfid技术的室内复杂环境无源定位系统，包括：若干无源rfid标签、一个rfid读写器、若干天线、一个路由器以及一个上位机；
2.根据权利要求1所述的一种基于超高频rfid技术的室内复杂环境无源定位系统，其特征在于，所述无源定位系统中，所述rfid读写器和无源rfid标签的工作状态和通信协议按照iso/iec 18000-6type c standard所规定，所述rfid标签根据iso/iec 18000-6typec standard协议中的防碰撞算法进行rfid标签防碰撞处理。
3.一种基于超高频rfid技术的室内复杂环境无源定位方法，具体步骤如下：
4.根据权利要求3所述的一种基于超高频rfid技术的室内复杂环境无源定位方法，其特征在于，所述无源定位系统工作流程具体如下：
5.根据权利要求3所述的一种基于超高频rfid技术的室内复杂环境无源定位方法，其特征在于，所述rfid读写器中，软件流程具体如下：
6.根据权利要求3所述的一种基于超高频rfid技术的室内复杂环境无源定位方法，其特征在于，所述步骤s3中，所述非视距避障型无源定位方法具体如下：
7.根据权利要求3所述的一种基于超高频rfid技术的室内复杂环境无源定位方法，其特征在于，所述步骤s4中，所述二维置信抗多径无源定位方法具体如下：
