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关键词： UWB   RFID   TDOA算法   卡尔曼滤波算法   CATIA V5  

摘要： 随着当今社会人工智能的迅速发展,各行业对无线定位技术的需求不断增加。目前飞机机翼的装配复杂,尺寸较大,在实际的装配过程中定位难、在装配时需要大量工人协作装配,工人仅根据经验或纸张看板装配,会出现错装、漏装等情况。为了满足工人对装配资源的定位以及装配信息可视化的需求,采用基于RFID技术和UWB(超宽带)技术的复合定位方案实现状态信息的获取,以建立实时更新的、现场感强的“真实”飞机机翼模型,利用真实的数据和虚拟机翼模型相结合分析。定位技术作为智能感知技术的研究重点,本文首先对UWB的定位方法进行比较,分析影响定位精度的原因,对TOA、TDOA、AOA、RSSI进行了理论研究,本文选择了基于TDOA方法对装配零件进行测距,在TDOA测距方法中时钟同步问题一直影响着定位精度,为解决这一问题,本文对到达时间差算法(Time Difference of Arrival,TDOA)进行改进,并在此基础上使用了卡尔曼滤波的时钟漂移算法,使得主从基站之间的时钟偏移得到更好的校正。然后通过Chan算法求解非线性方程,由于定位目标的最终解有着较大的不确定性,在此基础上使用最大似然的方法确定最终解,消除定位模糊,获取待测物体的坐标。最后将RFID与UWB获取的装配信息显示在上位机界面,实现了装配车间物理实体与信息世界的深度融合;信息平台主要是由Visual Studio 2019和CATIA V5结合而设计,这一信息平台可以对装配资源进行精准把控,对飞机机翼的装配过程进行实时有效地管理。本文的实验在可视的环境下测试,通过数次实验对所得数据进行对比分析,UWB在良好的室内环境中使用时定位精度可达到厘米级,验证了硬件平台的可用性以及理论的可行性。将两项技术获取的数据通过串口上传到上位机软件界面,在上位机上显示出装配资源的装配信息、装配零件的位置坐标以及装配过程的模型等。实验表明,本文所提出的改进算法提高了定位精度,减小了定位误差。UWB定位技术满足了装配过程的定位要求,两项技术的结合也满足了实际的需要,上位机信息平台的可行性高,易于维护,实现了装配车间对装配过程的智能感知以及装配模型的可视化需求,为车间工人的装配提供了参考。

关键词： 多传感器   组合定位   北斗定位   射频识别   惯性导航  

摘要： 随着计算机技术的蓬勃发展,人类社会正在进行着由工业化到高度信息化的过渡。定位信息作为一种十分关键且敏感的信息,随着其应用的场景逐渐增多,各种定位技术孕育而生。不同的定位系统有其独特的优势,通过将具有不同特性的定位子系统组合在一起,形成一个组合系统。他们可以充分利用不同的信息源相互协同来得到高精度和高可靠性的多功能系统。本文提出并设计了一种基于多种传感器的室内外组合定位方法。该方法将北斗定位技术、射频识别与惯性导航技术相结合,通过硬件控制终端整合定位数据,并通过上位机软件端对数据进行处理与应用。以此实现适应室内外多场景的组合式定位。本系统分为定位硬件终端和上位机软件端两个组成部分。硬件端主要实现了采用卡尔曼滤波法的北斗+惯导组合室外定位设计;以及采用基于射频信号强度的场景分析法,用于实现室内定位设计;并且依照射频天线特点采用不同的测距定位模型用以提高室内定位精度;采用惯导辅助定位的方式实现信号盲区的定位工作。硬件核心控制单元采用TI公司的TM4C1294核心处理器,在Keil 5开发环境中进行程序设计,完成对各个定位模块的控制。上位机软件部分的设计采用微软的Microsoft Visual Studio开发工具。通过自主设计的位置信息软件,其得到硬件端传输的信息后在界面展示目标当前相应的经纬度信息,并且通过离线地图的模式对目标移动进行轨迹记录。通过自主设计的巡航软件控制智能小车做固定路线的循迹,探究定位装置在低速、中速移动状态下的定位精度和稳定性问题。通过实验结果表明,该系统的定位响应时间、定位精度、定位模式转换速率等设计要素均符合设计预期,可用于巡逻、监控、物流等场景。

关键词： 射频识别   氧化锌薄膜晶体管   专用芯片   认证加密   旁路攻击  

摘要： 射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)是一种广泛使用的无线通信技术。传统硅基RFID标签在日常生活中渗透度较广,但因其不具备光学透明性,在许多新型物联网场景中应用较为不便;同时,现有RFID标签在轻量级应用领域的安全性发展不够完善,通信安全易受威胁。本论文针对上述现存问题开展了如下工作:第一,针对传统硅基RFID标签芯片缺乏光学透明性的不足,研发了一套实验室条件下仅需5层掩膜版的透明氧化锌薄膜晶体管(Thin-Film Transistor,TFT)工艺流程。为改善氧化锌TFT暂时不具备P型器件,难以形成互补电路的短板,基于氧化锌本征缺陷与氘离子掺杂对其电学特性的影响,提出了氘离子掺杂的工艺步骤。在同一晶圆上制备出了光学透明、性能良好的增强型和耗尽型器件。第二,针对氧化锌TFT缺乏大规模透明集成电路应用的现状,基于自研氧化锌TFT新工艺进行了高频无源RFID标签中必要的模拟电路、数字电路和只读存储器模块设计与验证,实现了一款新型氧化锌TFT高频无源透明RFID标签芯片并测试成功。第三,针对国内外氧化物TFT基RFID标签研究缺乏多标签识别功能的不足,设计了氧化锌TFT工艺下的RFID ISO-14443-A协议二进制树搜索防冲突算法电路并与标签芯片成功集成,进行了成功的裸片测试与无线交互测试。在国内外众多氧化物TFT研究工作中首次以氧化锌TFT实现了可多标签识别的高频无源透明RFID标签芯片。第四,针对RFID标签在轻量级应用场景下通信安全防护不足的问题,以轻量级认证加密算法ASCON为原型,基于主从状态机嵌套和轮函数复用的架构优化思想对其进行了电路设计与低功耗设计。针对其硬件实现的旁路攻击隐患,基于隐藏技术提出了“逆向分组填充”和“随机附加延时”两种低成本防护方案,实现了低功耗、高吞吐量、小面积的RFID通信安全芯片。

关键词： Antennas   Metals   Middleware   Impedance   Resonant frequency   Metasurfaces   Substrates   UHF-RFID system   platform tolerant   AMC metasurface   middleware  

摘要： Effective site management and access control are useful aspects to implement at the construction industry. In particular, monitoring personnel, construction materials, and equipment is considered predominant elements at these sites as they constitute more than half of the total project cost. Thus, to provide accurate and timely information of man/materials, UHF-RFID technology integrated with Middleware acts as a pioneering solution for real-time data monitoring. This work develops a new approach to implement the Automatic Identification and Data Capture (AIDC) solution through Middleware integrated with the UHF-RFID system. To design a UHF RFID tag, we propose a new platform tolerant Artificial Magnetic Surface (AMC) meta surface integrated tag for tracking man/material at the construction site. The novelties of the proposed tag lie in its improved radiation characteristics and stable high read range performance on different items. The designed tag was fabricated and tested experimentally in a real outdoor scenario by placing it on different items such as personnel and metal objects. At the same time, we developed UHF-RFID system integrated Web application through Middleware to provide digital worksite visibility for access control and on/off-site management. Thus, the developed system will act as an automated tool to remotely fetch the information from different working zones at the construction site.

关键词： 物联网   射频识别   项目式教学  

摘要： 物联网工程是一个涉及计算机、自动化及电子信息等多门学科领域的专业。在教学实践中，存在专业课程之间联系不够紧密、学生专业兴趣和自信不足、教学效果一般等问题。为解决以上问题，提出在射频识别原理与应用课程中运用项目式实践教学模式，采用项目开发的方式贯穿整个课程的实验教学实践。同时为加强不同课程间的联系，将多门专业课程的知识点与实验项目进行融合。经初步教学实践表明，项目式教学实践可以取得较好的教学效果。

关键词： Radiofrequency identification   Antennas   Location awareness   Robots   Antenna measurements   Phase measurement   Mobile antennas   Gazebo   phase unwrapping   RFID   ROS   RSSI   simulator   tag localization  

摘要： Radio Frequency Identification (RFID) technology is becoming very popular in the new era of Industry 4.0, especially for warehouse management, retails, and logistics. RFID systems can be used for objects identification, localization, and tracking, facilitating everyday operators' efforts. However, the deployment of RFID tags and reader antennas in real-world application scenarios is crucial and takes time. Indeed, deciding where to place tags and/or readers' requires examining many conditions. If some weaknesses appear in the design, the arrangement must be reconsidered. The proposed work presents a novel open-source RFID simulator that allows modeling environments and testing the deployment of RFID tags and antennas apriori. In such a way, validating the performance of the localization or tracking algorithms in simulation, possible weaknesses that could arise may be fixed before facilities are applied on the field. Any number of tags and antennas can be placed in any position in the created scenario, and the simulator provides the phase and the RSSI signals for each tag. Every reader antenna is parametrized so that different antennas of different vendors can be reproduced. The simulator is implemented as a plugin of Gazebo, a widely used robotic framework integrated with the Robot Operating System (ROS), to reach a broad audience. In order to validate the simulator, a warehouse scenario is modeled, and a tag localization algorithm that uses the phase unwrapping technique and hyperbolae intersection method employing a reader antenna mounted on a mobile robot is used to estimate the position of the tags deployed in the scenario. The outcomes of the experiments showed realistic results.

关键词： Additive manufactured antenna   miniaturized RFID tag   slow-wave structures  

摘要： Radio-frequency identification (RFID) is becoming important with emerging applications for smart cities. RFID Tags are required to be small in size, low in cost and must exhibit as long read range as possible. There is a direct tradeoff between Tag antenna size and its read range. In this work, we study this tradeoff through the use of a relatively higher dielectric constant substrate, volumetric folding, and slow-wave structures (SWS). A 3D antenna design is chosen due to two reasons, 1) it can be folded on a 3D structure, 2), the 3D structure can be used as a package for electronics (in case of active RFID implementation). To enable a low-cost realization, the antenna substrate (package) has been 3D printed with filaments of epsilon(r) = 5.3. A dipole antenna has been folded on this 3D substrate, in a way that the electromagnetic fields radiating from various segments of the antenna do not cancel with each other. Finally, the antenna is loaded with specially designed SWS, whose values have been estimated using artificial transmission line theory. The final antenna design, operating at 866.9 MHz, has a ka of 0.26 and demonstrates a radiation efficiency of 32%. The antenna is integrated with a commercial RFID chip (Monza R6) through a silver paste and the measured read range is 2.73 m, while the corrected read range is 4.05 m when the impedance mismatch is considered. Despite being one of the smallest and the lowest cost design (involving 3D printing), the Tag demonstrates one of the highest read range.

关键词： RFID   超高频   阅读器天线   宽带   小型化  

摘要： 物联网(Internet of Things,IoT)是对事物进行识别、跟踪、管理与定位的网络系统,引起了国内外各界学者的广泛关注并得到了快速发展。作为IoT的关键核心技术-射频识别技术(Ratio Frequency Identification,RFID),是在当下无线通信行业主宰的时代下催生的一种非常先进热门的自动识别技术。RFID技术根据工作频段的不同被使用于不同的应用场景,其中超高频(Ultra High Frequency,UHF)频段的RFID系统具有高安全性、快的读取速度、远的阅读距离等优点成为当前的研究热点。RFID天线是RFID系统与外界相联系的媒介,负责接收和发射信号,本文重点研究适用于超高频RFID的阅读器天线,旨在实现天线的小型化、宽带化与圆极化,主要研究内容如下:首先,本论文设计了一款工作于全球UHF RFID频段具有宽带特性的矩形缝隙天线,利用矩形缝隙结构融合多工作模式以实现宽频带覆盖的特性,天线使用易集成、高可行性的共面波导(Coplanar Waveguide,CPW)馈电。另外,通过在矩形槽的对角处嵌入一对简并结构实现圆极化,为了实现宽带化,采用扩宽馈电微带线宽度的方式实现。天线的总体尺寸为116×116×1.6mm,测得的阻抗带宽(Impedance Bandwidth,IBW)为0.71-1.96GHz,测得的轴比带宽(Axial Ratio Bandwidth,AR BW)为0.84-1.02GHz。除此之外又设计了一款宽带圆极化阅读器天线,在矩形缝隙天线结构中加入弧形及倒L形接地枝节,使天线在宽的频带范围产生圆极化波,通过弯折的馈电枝节改善阻抗匹配特性,引入垂直调谐枝节扩宽天线的轴比带宽,从而达到宽带化特性的目的。将加工后的天线进行测试,实测的阻抗匹配带宽为0.65-1.27GHz,轴比带宽为0.84-1.16GHz,增益在4.6d Bi左右。两款天线工作带宽均覆盖了整个超高频RFID频段(840-960MHz)。其次,为使设计的阅读器天线具有便携性的特点,因此提出了一款采用闵可夫斯基(Minkowski)分形缝隙环结构实现小尺寸特性的阅读器天线,在Babibet原理的基础上,提出在单层基板一侧加入长度差为四分之一波长的两路分支微带线,并分别对基板另一侧Minkowski分形缝隙环的水平中心及垂直中心进行馈电,从而实现了圆极化辐射。天线整体尺寸为80×80×1.6mm,具有良好的尺寸缩减特性,3d B轴比波束宽度为-63.2°～61.39°,阻抗带宽和轴比带宽分别为0.912-0.936GHz和0.918-0.931GHz。最后,为了实现天线的小型化和宽带化,本论文设计了一款以铁氧体材料为基板的宽带小型化阅读器天线,通过在圆环缝隙中增加似U形的缝隙结构,从而实现了圆极化辐射特性并缩减了天线的尺寸,微带线上引入垂直调谐带扩宽天线的带宽,最终天线的工作带宽覆盖了从920MHz至925MHz的UHF RFID频段范围。天线的增益、带宽和尺寸均介于设计的两款矩形缝隙天线与Minkowski分形缝隙环天线之间。

关键词： 室内定位   射频识别   门控循环单元   注意力机制   遗传算法  

摘要： 射频识别技术(RFID)凭借其高稳定性,低功耗和价格优势,备受大众青睐,同时,在室内人员位置感知方面广受研究。然而,传统的RFID室内定位技术的精度大幅受到信号波动和缺失的影响。虽然引入机器学习的方法可以进一步提升定位精度。但是该方法需要多个阅读器采集信号,具有较高的成本代价,并且仍具有一定的瓶颈。为了解决现有研究的信号波动、缺失和整体成本代价高的问题,进一步提高室内定位精度和稳定性,本文深入研究单个阅读器和深度学习的定位方法,为实现室内高精度定位提供理论基础和技术参考。 本文提出单个移动的阅读器天线收集信号,形成时序特征,并针对数据的缺失性和波动性,采用近邻填充和高斯滤波进行前置数据处理。然后采用时序深度神经网络定位模型进行数据学习。其中,门控循环单元GRU定位模型依赖其低复杂性以及对时序信号敏感的优势,达到了 0.316m的平均绝对误差。本文所提出的双阶门控循环单元定位模型能够在不丢失原阶信息的前提下,加入一阶差分时序信息来拓宽模型结构,使模型可以学习到更多的信息,进一步将定位精度提高至 0.296m。 为了让模型关注到对定位真正有用的时序部分,本文引入了注意力机制,用于学习时序信号在高维空间中的相互关系,并将一维信息映射至高维空间中。经实验表明,注意力机制对于提升定位模型的预测稳定性和定位精度均具有一定的增益。在GRU定位的基础上,注意力机制和GRU相结合的定位精度提升了 9.2%,达到0.287m的平均绝对误差,并且0.2m误差内的预测结果占比45%。文中还采用一种改进的遗传算法对超参数进行搜索,耗时仅占网格搜索的31.3%,大幅提升了模型训练效率。 最后,本文通过所研究的定位算法,应用于室内导航实际应用中,验证了算法的先进性和有效性。

关键词： Robots   Phase measurement   Simultaneous localization and mapping   Wheels   RFID tags   Location awareness   Antennas   RFID localization   robust Kalman filtering   UHF-RFID   SLAM   resilient sensor fusion  

摘要： We consider a mobile robot equipped with wheel encoders and a RFID reader, which measures the phase of the signal backscattered by a set of passive UHF-RFID tags, deployed in unknown position on the ceiling of the environment. We deal with a Simultaneous Localization And Mapping (SLAM) problem, where the position of the tags must be estimated to create a reference map, within which the robot will be localized. One of the contributions of the paper is the use of a special kind of tag, the TriLateration Tag (TLT), including three antennas close one each other. The solution is based on the range and bearing estimation of all TLT detected, performed through a set of Multi-Hypothesis Extended Kalman Filters (MHEKF), one for each TLT. Then, the range and the bearing information of the responding TLTs is used in an EKF-SLAM algorithm which solves the SLAM problem. The proposed approach is more robust and computationally efficient with respect to other approaches available in the literature and is particularly suited for large warehouses where RFID tags cannot be deployed too densely.