[发明专利]一种基于双标签阵列相位差的RFID室内定位算法

权利要求书

1.一种基于双标签阵列相位差的RFID室内定位算法，其特征在于，包括以下几个步骤：

S1:采用双标签阵列获取相位差；

S2:消除相位模糊；

S3:根据相位信息与距离的关系，计算标签阵列到多根天线的距离差，获取多条双曲线实现，首先构建某个真实天线对应的虚拟天线，并让虚拟天线VA产生同样的偏移，使其到待测点标签的距离等于辅助标签T2到真实天线的距离，待测标签T1到真实物理A和虚拟天线VA的距离差等于标签阵列到真实天线A的距离差：

其中：

待测标签T1到虚拟天线VA的距离；

待测标签T1到真实物理A的距离；

辅助标签T2到真实物理A的距离；

因此，可以根据距离差为每个物理天线构建双曲线，

虚拟天线VA的坐标满足(x_VA,y_VA)＝(x_A-D cosθ,y_A-D sinθ)，则VA和A连线的中点的坐标满足：

其中：

x_A：真实天线A的横坐标；

y_A：真实天线A的纵坐标；

D：待测标签T1到辅助标签T2的间距；

对坐标系逆时针旋转角度θ，则在原坐标系上的点(x,y)映射到新坐标系上为(x',y')＝(x cosθ+y sinθ,-x sinθ+y cosθ)，让虚拟天线VA和真实物理天线A作为双曲线的焦点，中心点为VA和A连线的中点(x_o,y_o)，在旋转坐标系中的双曲线方程：

根据点在原坐标和旋转坐标系的映射关系，得到双曲线方程在原坐标中的表示形式：

其中：

D：待测标签T1到辅助标签T2的间距；

x′₀：真实天线A和虚拟天线VA的中点的映射到新坐标系的横坐标；

y′₀：真实天线A和虚拟天线VA的中点映射到新坐标系的纵坐标；

λ：载波波长；

△θ：待测标签T1和辅助标签T2分别反射回来的载波信号的相位信息的相位差；

n：自然数；

在场景中放置多根天线，并为每条天线构建双曲线；

S4:基于双标签阵列可能存在的偏转角问题，构建目标函数并采用遗传算法找到最优解从而实现定位，获取多条双曲线后，最后一步是找到它们的共同交点；将问题描述为寻找到某个偏转角θ下的某个坐标点(x,y)，该点到在该偏转角下得到的双曲线组的距离的和最小，该点即为目标标签的位置；根据双曲线的性质，将(x,y)到每组双曲线焦点的距离差，和对应的双曲线的实轴长的差值之和作为目标函数：

其中：

n：自然数；

a_i：第i条双曲线的实半轴长；

x_ri：第i条双曲线的焦点的横坐标；

y_ri：第i条双曲线的焦点的纵坐标；

D：待测标签T1到辅助标签T2的间距；

目标是找到最优的(x，y,θ)使得该函数取得最小值；

由于偏转角未知，标签到真实天线的距离d₁和到虚拟天线的距离d₂的大小关系也未知；因此，标签位置有可能位于每条双曲线的左侧分支或右侧分支上，导致位置模糊；因此，对于每个(x，y,θ)组合，计算它们到天线和对应虚拟天线的距离并计算得到距离差，根据距离差求得理论相位差：

对比理论相位差和实测相位差的符号，若符号相反，说明当前点可能产生位置模糊；因此可将当前点的适应度设置为一个很大的值，一定程度上排除位置模糊带来的影响；基于以上的目标函数，采用优化算法进行最优值的求解，使用的优化算法为遗传算法；

算法流程如下：

P1:初始化

设置种群中个体的数目，最大遗传代数，染色体的长度，限制寻优的范围，创建随机初始种群，染色体编码方式为二进制编码，即把x，y和θ转化为二进制并编码到染色体上，根据目标函数计算出种群中每个个体的目标函数值；

P2：分配适应度值

根据目标函数值的大小对种群进行排序，进行适应度值分配，对于线性排序，其适应度值由下式计算：

其中p为个体在排序种群中的位置，N为种群中个体总数，sp为压差；

P3：选择操作

选择种群中的一些染色体来产生下一代，根据代沟参数确定需要从上一代种群中选择保留下来的个体数量，然后基于轮盘赌的原理，让个体被选择的概率与其适应度值成正比，根据概率进行选择并生成一个新种群；

P4：交叉操作

被选择后的染色体种群按照序号的奇偶进行互相组合，形成染色体对，并根据交叉概率确定是否需要进行交叉，交叉方式为单点交叉，染色体对随机确定一个位置，对该点之后的基因序列进行互换；

P5：变异操作

根据变异概率确定种群中需要发生变异的染色体编码位置，将该位置上的基因进行取反操作；

P6：重插入

将变异后的子种群重插入到种群中，得到这一代最终的种群；计算新种群中每个个体的目标函数值，并找出这一代的最优个体；

P7：迭代

若当前迭代次数小于最大迭代次数，返回P2继续进行迭代，否则退出循环；迭代结束后，找出迭代过程中产生的最优的个体并进行解码，即可得到目标标签的位置，从而实现最终的定位。