基于RFID的高速公路車輛測速及定位方法

? ? ? ? 1 概述

　　射頻識別（Radio Frequency Identification， RFID）是一項非接觸式自動識別技術，具有信息量大、抗干擾強、操作快捷等許多優(yōu)點。特別是RFID 技術在高速運動物體識別、多目標識別和非接觸識別等方面的優(yōu)勢，使其在很多領域都具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V泛的應用前景。

　　高速公路作為國家的重要戰(zhàn)略資源，不僅提高運輸效率，而且還能減少車輛損耗，其優(yōu)越性十分突出。但在安全方面，我國的高速公路卻表現(xiàn)出了較高的事故率和傷亡率。相關研究表明，通過合理控制機動車輛的車速及安全車距，可以有效保障高速公路的交通安全和暢通，預防和減少交通事故。

　　但我國高速公路管理系統(tǒng)中現(xiàn)有的一些交通檢測技術，其主要作用是檢測道路流量以及為超速罰款提供參考依據(jù)，而目前被推廣的GPS 定位系統(tǒng)，無法對速度進行實時測量，且其定位精度有限，亦不能實時跟蹤車輛。因此，我國在高速公路安全管理及監(jiān)控這一領域還存在較大的空白。多普勒效應在近代科學中有著廣泛的應用。它可用于測量飛機時速、觀測人造衛(wèi)星運行情況、確定星體運行速度、測量視網(wǎng)膜血管內血流速度等。最大多普勒頻移還是無線通信中用于優(yōu)化自適應接收機的重要參數(shù)，導頻信道測量、切換判決和功率控制等自適應優(yōu)化算法都依賴于對它的有效估計。

　　本文基于RFID 技術，通過對由車輛移動所產生的多普勒頻移進行實時估計，提出一種高速公路車輛實時測速及定位方法。

　　2 算法模型

　　結合高速公路的實際情況，本模型采用無源、只讀射頻卡，由于本身不需要電源和電池，解決了高速公路無電源問題。同時，無源射頻卡不需要維護，且使用壽命很長，節(jié)省了大量的人力資源。車載閱讀器通過發(fā)射激活信號并從無源應答器中接收射頻信息來確定當前位置。為取得較遠的感應距離，車載閱讀器應工作在UHF 頻段內，其識別距離可以達到十幾米，足以滿足當前高速公路的設計要求。

　　2.1 射頻卡識別碼設置

　　將射頻卡等距設置在高速公路的隔離帶或左、右路肩處。每個無源射頻卡應具有唯一的射頻識別碼，該射頻識別碼包括高速公路的識別號碼、車道數(shù)目以及路帶標識（即表明所處位置為左右路肩或隔離帶），并依次設置順序號碼，以便能夠表征其地理位置及相應順序。此外，在ID 號碼中還可以包含高速公路的相應標號、高速公路的車道數(shù)目等編碼。具體設置如圖1 所示。

　　圖1 射頻標識碼設置

　　2.2 數(shù)學模型

　　由于定向天線通信距離遠，覆蓋范圍小，目標密度大，頻率利用率高且所受干擾小，因此將閱讀器天線設定為定向天線，只能接收來自路肩或隔離帶一側的射頻信號。圖2 給出了閱讀器接收來自路肩一側射頻卡信息的模型。車道及路肩之間用實線隔開，圓形代表車載閱讀器，矩形代表在路肩等距鋪設的射頻卡。設一車載閱讀器正沿著車道2 正向行駛。

　　某一時刻，接收到來自射頻卡1，2，…，N 的信號。圖中v 表示車輛行駛速度， 1 2 ， ， ， N θ θ ？？θ 為車輛相對射頻卡1，2，…，N 的徑向方向與車輛行駛方向的夾角，m 為兩射頻卡間的距離，m1，m2，…，mN 為射頻卡1，2，…，N 同車輛行駛方向法線間的距離，d 為車輛到射頻卡垂直距離，dr 為車道寬度，dl 為路肩寬度， 1 2 d ， d ， ， dN f f ？？ f 為車輛相對射頻卡1，2，…，N 的多普勒頻移。

　　圖2 數(shù)學模型

　　根據(jù)幾何關系，可以得到：

　　同時，在RFID 系統(tǒng)中，射頻卡本身不發(fā)射電磁波，只對來自閱讀器的電磁波進行反射。因此，根據(jù)接收信號相對于發(fā)射信號的多普勒頻偏fd 關系，還可得到：

　　聯(lián)立式（1）、式（2），可以得到2N 個方程，而未知數(shù)個數(shù)為2N+2 個。實際上，當2 個射頻卡位于車輛行駛方向法線兩側時，其頻偏值必然為一正一負，因此，當檢測到2 個標識碼相鄰的射頻卡p 和射頻卡p+1、fdp 和fd（p+1）符號相反時，可知有：

　　此外，若設在閱讀器接收到第N 個射頻卡時開始執(zhí)行定位算法，則可近似認為閱讀器與射頻卡N 之間的距離為最大通信距離R，有：

　　聯(lián)立式（1）、式（2），則可求得車輛行駛速度以及與N 個射頻卡的相對位置，進而實現(xiàn)對車輛當前位置的測定。在已知量中，m、R 是系統(tǒng)設定的，而N 個fd 值則需要進行實時估計。因此，對fd 估計的準確程度是實現(xiàn)精確定位的關鍵。