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作者：Alex（榮令金），北京大學(xué)碩士，研究方向無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)
郵箱：alexrong@pku.edu.cn
出處：蜂鳥(niǎo)無(wú)人機(jī) humbird_drone
1 RFID工作原理
射頻識(shí)別（Radio Frequency IDentification，RFID）是一種無(wú)線通信技術(shù)，可以通過(guò)無(wú)線電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫(xiě)相關(guān)數(shù)據(jù)，而無(wú)需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或者光學(xué)接觸。
無(wú)線電的信號(hào)是通過(guò)調(diào)成無(wú)線電頻率的電磁場(chǎng)，把數(shù)據(jù)從附著在物品上的標(biāo)簽上傳送出去，以自動(dòng)辨識(shí)與追蹤該物品。
某些標(biāo)簽在識(shí)別時(shí)從識(shí)別器發(fā)出的電磁場(chǎng)中就可以得到能量，并不需要電池；也有標(biāo)簽本身?yè)碛须娫?，并可以主?dòng)發(fā)出無(wú)線電波。
注：Endpoints是貼有RFID標(biāo)簽的物品；Reader是讀取RFID標(biāo)簽的讀寫(xiě)器；Software是RFID相對(duì)應(yīng)的軟件。
標(biāo)簽包含了電子儲(chǔ)存的信息，數(shù)米之內(nèi)都可以識(shí)別。與條形碼不同的是，射頻標(biāo)簽不需要處在識(shí)別器視線之內(nèi)，也可以嵌入被追蹤物體之內(nèi)。
射頻識(shí)別標(biāo)簽的應(yīng)用，被普遍認(rèn)為給供應(yīng)鏈管理領(lǐng)域帶來(lái)了革命性變化。
廉價(jià)的無(wú)源RFID標(biāo)簽（以下簡(jiǎn)稱(chēng)"標(biāo)簽"）進(jìn)入磁場(chǎng)后，接收RFID讀寫(xiě)器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)"讀寫(xiě)器"）發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的識(shí)別信息，使得倉(cāng)庫(kù)管理員能夠記錄倉(cāng)儲(chǔ)信息，這比使用肉眼觀看箱子號(hào)碼再手動(dòng)記下來(lái)記錄要高效的多。
2 RFID中繼無(wú)人機(jī)研發(fā)原由
現(xiàn)代零售業(yè)務(wù)的規(guī)模巨大，使得射頻識(shí)別（RFID）掃描的效率也顯得很低。
例如，沃爾瑪報(bào)告顯示，由于庫(kù)存記錄與庫(kù)存不匹配導(dǎo)致其2013年收入損失了30億美元。即使使用RFID技術(shù)，一個(gè)大型零售店要進(jìn)行全面的庫(kù)存盤(pán)點(diǎn)也需要三個(gè)月，這意味著這種不匹配通常直到被客戶(hù)投訴才會(huì)暴露出來(lái)。
MIT研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一種能夠在大型倉(cāng)庫(kù)使用小型、安全的無(wú)人機(jī)在數(shù)米距離內(nèi)讀取RFID標(biāo)簽的系統(tǒng)，通過(guò)識(shí)別標(biāo)簽可以對(duì)物品進(jìn)行定位，平均定位誤差為19厘米。
研究人員預(yù)計(jì)，該系統(tǒng)可用于大型倉(cāng)庫(kù)，既用于連續(xù)監(jiān)控防止庫(kù)存不匹配，又可以對(duì)單個(gè)物品進(jìn)行定位，使員工能夠快速、準(zhǔn)確地滿(mǎn)足客戶(hù)要求。
設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)是，在當(dāng)前自主導(dǎo)航發(fā)展現(xiàn)狀下，唯一足夠安全的是那些具有塑料旋翼，在人類(lèi)的近距離范圍內(nèi)飛行的小而輕的無(wú)人機(jī)，因?yàn)檫@些無(wú)人機(jī)即使在墜毀的情況下也不會(huì)造成人身傷害。但是這些無(wú)人機(jī)太小，甚至無(wú)法攜帶尺寸超過(guò)幾厘米的RFID讀寫(xiě)器。
研究人員通過(guò)使用無(wú)人機(jī)來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)RFID讀取器發(fā)射的信號(hào)來(lái)應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。由此不僅解決了安全問(wèn)題，而且意味著無(wú)人機(jī)可以與現(xiàn)有的RFID庫(kù)存系統(tǒng)結(jié)合使用，從而不需要新的標(biāo)簽、讀寫(xiě)器或讀寫(xiě)器軟件。
索尼公司職業(yè)發(fā)展助理教授，媒體藝術(shù)與科學(xué)部門(mén)的Fadel Adib說(shuō)：“2003年至2011年間，美國(guó)陸軍在其倉(cāng)庫(kù)與倉(cāng)庫(kù)間失去了價(jià)值58億美元的補(bǔ)給?！?/p>
正是Adib的團(tuán)隊(duì)在麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了這套新的系統(tǒng)?！?016年，美國(guó)零售業(yè)聯(lián)合會(huì)報(bào)表明，零售商店的物品的損失在下降，每年平均約為452億美元。通過(guò)使用無(wú)人機(jī)能夠找到和定位物品和設(shè)備，這項(xiàng)研究將從根本上為解決這些問(wèn)題提供先進(jìn)的技術(shù)支持?！?br>
該系統(tǒng)工作流程如下：
1、無(wú)人機(jī)上電啟動(dòng)后，RFID中繼模塊同時(shí)上電工作；
2、無(wú)人機(jī)自主巡航，并通過(guò)RFID中繼模塊對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行定位；
3、無(wú)人機(jī)持續(xù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中多次同標(biāo)簽通信，最終計(jì)算出標(biāo)簽準(zhǔn)確位置。
麻省理工學(xué)院研究人員本周在國(guó)際計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)（ACM）數(shù)據(jù)通信專(zhuān)業(yè)組（SIGCOMM, Special Interest Group on Data Communications） 年會(huì)上發(fā)表的論文中描述了他們的系統(tǒng)，并稱(chēng)之為RFly。
3 相移
對(duì)RFID信號(hào)進(jìn)行中繼操作，并使用中繼信號(hào)對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行定位造成了一些棘手的信號(hào)處理問(wèn)題。
問(wèn)題之一是，因?yàn)镽FID標(biāo)簽是由讀寫(xiě)器通過(guò)無(wú)線供電驅(qū)動(dòng)工作的，讀寫(xiě)器和標(biāo)簽在相同的頻率進(jìn)行同時(shí)傳輸。中繼系統(tǒng)增加了另外一對(duì)同時(shí)傳輸鏈路，傳統(tǒng)RFID系統(tǒng)中只有讀寫(xiě)器同標(biāo)簽之間的鏈路，現(xiàn)在變成了無(wú)人機(jī)中繼器和標(biāo)簽之間的雙向傳輸鏈路和無(wú)人機(jī)中繼器同傳統(tǒng)讀寫(xiě)器之間的雙向傳輸。也就是說(shuō)在同一頻段上，有4個(gè)傳輸鏈路，且彼此會(huì)互相干擾。
該問(wèn)題又由于系統(tǒng)需要確定RFID標(biāo)簽位置的要求而更加復(fù)雜。所謂位置檢測(cè)或“定位”就是系統(tǒng)在稱(chēng)為天線陣列的設(shè)備上使用的一種變體。
多根天線聚集在一起，則以一定角度向它們發(fā)射的信號(hào)將在稍微不同的時(shí)間點(diǎn)到達(dá)每個(gè)天線。這意味著由天線檢測(cè)到的信號(hào)將會(huì)存在相位差：其電磁波的波谷和波峰將不完全一致。
根據(jù)這些相位差，軟件可以推導(dǎo)出發(fā)射角度，從而推導(dǎo)發(fā)射機(jī)也就是標(biāo)簽的位置。
無(wú)人機(jī)太小，不足以攜帶天線陣列，但它是持續(xù)移動(dòng)的，所以它可以在不同時(shí)間的不同位置讀取標(biāo)簽信息，這模擬了陣列天線的多根天線。
也就是無(wú)人機(jī)在不同位置接收到的標(biāo)簽廣播的信號(hào)在稍微不同的時(shí)間有微小的相位差，同理，根據(jù)這些相位差，軟件可以推導(dǎo)出標(biāo)簽發(fā)射角度，從而推導(dǎo)出標(biāo)簽的位置。
通常，為了抗干擾，無(wú)人機(jī)會(huì)將從標(biāo)簽接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字解碼然后再編碼傳輸?shù)絉FID讀寫(xiě)器。但是這樣的話，由解碼和編碼處理造成的延遲將改變信號(hào)的相對(duì)相位，使得不可能精確地進(jìn)行位置測(cè)量。
所有無(wú)線電系統(tǒng)都是通過(guò)調(diào)制基帶傳輸頻率來(lái)編碼信息，通常通過(guò)稍微上下偏移來(lái)傳輸信號(hào)。但是由于RFID標(biāo)簽沒(méi)有獨(dú)立的電源，因此其調(diào)制范圍比讀寫(xiě)器小。
因此，麻省理工學(xué)院的研究人員設(shè)計(jì)了一種模擬濾波器，它將從到達(dá)讀寫(xiě)器的信號(hào)中減去基帶傳輸頻率，然后分離出低頻和高頻分量。最后將來(lái)自標(biāo)簽的低頻分量信號(hào)重新調(diào)制到基頻上。
4 參照系
與此同時(shí)存在另一個(gè)問(wèn)題。由于無(wú)人機(jī)在移動(dòng)，到達(dá)讀寫(xiě)器的信號(hào)的相移，是無(wú)人機(jī)相對(duì)標(biāo)簽及無(wú)人機(jī)相對(duì)讀寫(xiě)器的相移疊加。單是從接收到的信號(hào)考慮，讀寫(xiě)器無(wú)法確定這兩個(gè)因素中的每一個(gè)對(duì)總相移的權(quán)重。
所以MIT的研究人員也為每個(gè)無(wú)人機(jī)配備了自己的RFID標(biāo)簽。
無(wú)人機(jī)一邊作為中繼將讀寫(xiě)器的信號(hào)傳遞到物品上的標(biāo)簽，一邊將自身的標(biāo)簽信息發(fā)送到到讀寫(xiě)器，使得讀寫(xiě)器可以估計(jì)無(wú)人機(jī)移動(dòng)對(duì)總相移的成分并將其去除。
在MIT媒體實(shí)驗(yàn)室涉及有RFID標(biāo)簽物品的實(shí)驗(yàn)中，為了模擬實(shí)際倉(cāng)庫(kù)堆積的狀況，許多物品被故意隱藏起來(lái)，該系統(tǒng)能夠以19厘米的精度定位標(biāo)簽，同時(shí)可以全向10倍的拓展讀寫(xiě)器的工作范圍，總體可能上百倍的提升工作范圍。
研究人員目前正在馬薩諸塞州主要零售商的倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行第二批實(shí)驗(yàn)。
卡內(nèi)基梅隆大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程助理教授Swarun Kumar表示：“長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，中繼被應(yīng)用在通信領(lǐng)域，甚至將網(wǎng)絡(luò)延伸到農(nóng)村地區(qū)?！安煌氖牵@里的標(biāo)簽是無(wú)電池的，他們想要定位跟蹤無(wú)電池的設(shè)備，這需要相位一致的測(cè)量。以上這些使問(wèn)題頗具挑戰(zhàn)性。這就是我在這個(gè)工作中的概念新穎之處?！?br>
5 RFly
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