MIT成功研发库管用途RFID中继无人机

本文主要介绍RFID的基础知识和MIT成功研发的库管用途RFID中继无人机技术分析。


导读

MIT(麻省理工学院)研究人员已经开发出了一种能够在大型仓库使用小型、安全的无人机在数米距离内读取RFID标签的系统,通过识别标签可以对物品进行定位,平均定位误差为19厘米。

该系统可以通过进一步健全库存记录替零售商减少数十亿的损失。


1 RFID工作原理

射频识别(Radio Frequency IDentification,RFID)是一种无线通信技术,可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据,而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。

无线电的信号是通过调成无线电频率的电磁场,把数据从附着在物品上的标签上传送出去,以自动辨识与追踪该物品。某些标签在识别时从识别器发出的电磁场中就可以得到能量,并不需要电池;也有标签本身拥有电源,并可以主动发出无线电波。

什么是RFID?



注:Endpoints是贴有RFID标签的物品;Reader是读取RFID标签的读写器;Software是RFID相对应的软件。

标签包含了电子储存的信息,数米之内都可以识别。与条形码不同的是,射频标签不需要处在识别器视线之内,也可以嵌入被追踪物体之内。

射频识别标签的应用,被普遍认为给供应链管理领域带来了革命性变化。

RFID标签


廉价的无源RFID标签(以下简称"标签")进入磁场后,接收RFID读写器(以下简称"读写器")发出的射频信号,凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的识别信息,使得仓库管理员能够记录仓储信息,这比使用肉眼观看箱子号码再手动记下来记录要高效的多。

RFID工作流程示意


2 RFID中继无人机研发原由

现代零售业务的规模巨大,使得射频识别(RFID)扫描的效率也显得很低。例如,沃尔玛报告显示,由于库存记录与库存不匹配导致其2013年收入损失了30亿美元。

即使使用RFID技术,一个大型零售店要进行全面的库存盘点也需要三个月,这意味着这种不匹配通常直到被客户投诉才会暴露出来。


MIT研究人员已经开发出了一种能够在大型仓库使用小型、安全的无人机在数米距离内读取RFID标签的系统,通过识别标签可以对物品进行定位,平均定位误差为19厘米。

研究人员预计,该系统可用于大型仓库,既用于连续监控防止库存不匹配,又可以对单个物品进行定位,使员工能够快速、准确地满足客户要求。

设计该系统的主要挑战是,在当前自主导航发展现状下,唯一足够安全的是那些具有塑料旋翼,在人类的近距离范围内飞行的小而轻的无人机,因为这些无人机即使在坠毁的情况下也不会造成人身伤害。

但是这些无人机太小,甚至无法携带尺寸超过几厘米的RFID读写器。

轻小型无人机


研究人员通过使用无人机来转发标准RFID读取器发射的信号来应对这一挑战。由此不仅解决了安全问题,而且意味着无人机可以与现有的RFID库存系统结合使用,从而不需要新的标签、读写器或读写器软件。

索尼公司职业发展助理教授,媒体艺术与科学部门的Fadel Adib说:“2003年至2011年间,美国陆军在其仓库与仓库间失去了价值58亿美元的补给。”

美军仓库



正是Adib的团队在麻省理工学院媒体实验室开发了这套新的系统。“2016年,美国零售业联合会报表明,零售商店的物品的损失在下降,每年平均约为452亿美元。通过使用无人机能够找到和定位物品和设备,这项研究将从根本上为解决这些问题提供先进的技术支持。”

该系统工作流程如下:

1、无人机上电启动后,RFID中继模块同时上电工作;


2、无人机自主巡航,并通过RFID中继模块对标签进行定位;




3、无人机持续运动过程中多次同标签通信,最终计算出标签准确位置。



 

麻省理工学院研究人员本周在国际计算机协会(ACM)数据通信专业组(SIGCOMM, Special Interest Group on Data Communications) 年会上发表的论文中描述了他们的系统,并称之为RFly。

ACM SIGCOMM



3 相移

对RFID信号进行中继操作,并使用中继信号对标签进行定位造成了一些棘手的信号处理问题。

问题之一是,因为RFID标签是由读写器通过无线供电驱动工作的,读写器和标签在相同的频率进行同时传输。

中继系统增加了另外一对同时传输链路,传统RFID系统中只有读写器同标签之间的链路,现在变成了无人机中继器和标签之间的双向传输链路和无人机中继器同传统读写器之间的双向传输。也就是说在同一频段上,有4个传输链路,且彼此会互相干扰。

该问题又由于系统需要确定RFID标签位置的要求而更加复杂。所谓位置检测或“定位”就是系统在称为天线阵列的设备上使用的一种变体。

战斗民族某VHF机动防空雷达(阵列天线)



多根天线聚集在一起,则以一定角度向它们发射的信号将在稍微不同的时间点到达每个天线。这意味着由天线检测到的信号将会存在相位差:其电磁波的波谷和波峰将不完全一致。

相位差示意图


根据这些相位差,软件可以推导出发射角度,从而推导发射机也就是标签的位置。

无人机太小,不足以携带天线阵列,但它是持续移动的,所以它可以在不同时间的不同位置读取标签信息,这模拟了阵列天线的多根天线。

也就是无人机在不同位置接收到的标签广播的信号在稍微不同的时间有微小的相位差,同理,根据这些相位差,软件可以推导出标签发射角度,从而推导出标签的位置。

通常,为了抗干扰,无人机会将从标签接收到的数据进行数字解码然后再编码传输到RFID读写器。但是这样的话,由解码和编码处理造成的延迟将改变信号的相对相位,使得不可能精确地进行位置测量。

所有无线电系统都是通过调制基带传输频率来编码信息,通常通过稍微上下偏移来传输信号。但是由于RFID标签没有独立的电源,因此其调制范围比读写器小。

通信信号调制示意图


因此,麻省理工学院的研究人员设计了一种模拟滤波器,它将从到达读写器的信号中减去基带传输频率,然后分离出低频和高频分量。最后将来自标签的低频分量信号重新调制到基频上。


4 参照系

与此同时存在另一个问题。由于无人机在移动,到达读写器的信号的相移,是无人机相对标签及无人机相对读写器的相移叠加。单是从接收到的信号考虑,读写器无法确定这两个因素中的每一个对总相移的权重。

移动中的无人机



所以MIT的研究人员也为每个无人机配备了自己的RFID标签。

无人机一边作为中继将读写器的信号传递到物品上的标签,一边将自身的标签信息发送到到读写器,使得读写器可以估计无人机移动对总相移的成分并将其去除。

在MIT媒体实验室涉及有RFID标签物品的实验中,为了模拟实际仓库堆积的状况,许多物品被故意隐藏起来,该系统能够以19厘米的精度定位标签,同时可以全向10倍的拓展读写器的工作范围,总体可能上百倍的提升工作范围。研究人员目前正在马萨诸塞州主要零售商的仓库进行第二批实验。

中继在通信领域应用示意图



卡内基梅隆大学电气和计算机工程助理教授Swarun Kumar表示:“长时间以来,中继被应用在通信领域,甚至将网络延伸到农村地区。“不同的是,这里的标签是无电池的,他们想要定位跟踪无电池的设备,这需要相位一致的测量。以上这些使问题颇具挑战性。这就是我在这个工作中的概念新颖之处。”


5 RFly

RFly -- 寻找使用无源RFID标签物品的无人机



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