防碰撞系统（共9篇）
防碰撞系统 篇1
现代建筑施工对塔机的依赖程度越来越大, 为提高施工效率, 施工单位常将多台塔机布置在同一现场, 而多台塔机协同工作面临的一个必须重视的问题就是干涉作业问题, 如何避免干涉塔机间的碰撞成为一个不能忽视的问题。
1 无线传输网络的搭建
目前近距离无线通讯主要采用433模块和Zig Bee模块。433MHz技术虽然具有穿透性强、传播距离远的特点, 但数据传输速率低, 最高只能达到9600bps, 因此适用于数据传输量较少的应用场合;433MHz技术只支持星型网络拓扑结构, 可靠性和稳定性较差;433MHz网络中一般采用数据透明传输协议, 网络安全可靠性也较差。
Zig Bee数据传输速度快, 最高可达250kbps;支持星型网、网状网、树状网等网络拓扑结构, 网络稳定;Zig Bee通过设置中继路由和通信节点接力方式可增加传输距离, 最远可达l~3km;Zig Bee通信技术具备三级安全模式, 同时提供了数据完整性检查与鉴权功能, 采用AES-128加密算法, 数据传输网络安全可靠。
综合考虑后系统采用Zig Bee模块搭建无线通讯网络, 使用过程中设置一个中心节点, 其余在设置成中继路由, 组成一个多跳网络, 增加整个网络的数据传输距离。中心节点根据上报上来的信息判断塔机的运行状态, 在避让过程中遵循轻载让重载、动塔让静态、慢塔让快塔的原则。
2 防碰撞算法分析
为避免干涉塔机之间相互碰撞, GB 5144-2006《塔式起重机安全规程》中规定:2台塔机之间的最小架设距离应保证处于低位塔机的起重臂臂端部分与另一台塔机的塔身之间至少保持2m的距离;高位塔机最低位置的部件 (吊钩升至最高点或平衡重的最低部位) 与低位塔机中处于最高位置部件之间的垂直距离不应小于2m。我们选取一台塔机作为参考点建立坐标系, 坐标系以地面作为XOY平面, 以塔机架设方向为Z轴方向, 坐标系如图1所示。测量区域内其它塔机与参考塔机的相对距离, 并将测量距离和塔机的基本参数信息录入系统, 系统根据录入的参数信息和塔机实时运行信息, 分析计算干涉区域内塔机是否发生碰撞。
现场实际使用中, 当两台塔机高度差等于一个标准节时, 考虑到吊载塔机臂端因吊载下沉, 我们认为高度差等于一个标准节高度的两个塔机为等高塔机, 在碰撞分析时只分析塔臂与塔臂碰撞;高度差大于一个标准节高度认为塔臂不可能发生碰撞, 只判断高塔吊钩与低塔机构的碰撞。在碰撞分析时, 首先要判断塔机机构是否运转到交叉区域内, 当机构运转到交叉区域内后再判断塔机机构之间的安全距离。为方便计算, 我们将塔机机构简化成空间线段, 即计算代表塔机机构的空间线段间的最小距离, 若最小距离大于定义的安全距离则干涉塔机不会发生碰撞, 否则认为干涉塔机发生碰撞。
将要判断的塔机机构简化成任意空间线段如图2所示, 设图中A点的坐标为 (x1, y1, z1) , B点的坐标为 (x2, y2, z2) , C点的坐标为 (x3, y3, z3) , D点的坐标为 (x4, y4, z4) 。点P为线段AB上一点, 点Q为线段CD上一点。
P点坐标 (X, Y, Z) 可表示为
Q点坐标 (U, V, W) 可表示为
则两点间距离的平方
若点P在线段AB上, 点Q在线段CD上则空间线段AB、线段CD的最小距离为|PQ|, 求取空间线段间的最小距离流程图如图3所示。
3 小结
采用上述算法并结合现场应用情况, 该算法能够准确计算出干涉作业塔机部件的最小距离, 当该距离小于定义的安全距离时, 认为碰撞发生, 控制中心下发控制指令, 终端接收到指令后以声光报警形式提醒驾驶员, 同时切断塔机向危险方运行的控制信号, 有效抑制施工现场安全事故的发生。
防碰撞系统 篇2
塔吊防碰撞措施
通辽铁路检察院与通 辽铁路法院塔吊 防 碰 撞 措 施 编制人： 白莹 职务（称）： 技术负责人 审核人： 张小军 职务（称）： 生产经理 批准人： 杨华 职务（称）： 项目经理
批准部门（章）：通辽市永信建设工程监理有限责任公司 日期：
2017.7.2 通辽铁路检察院、法院
塔吊防碰撞措施
目录
一、工程概况.....................................................2
二、塔吊布置情况.................................................2
三、塔吊的顶升、附着.............................................2
四、塔吊交叉作业概况.............................................2
五、塔吊防碰撞的具体措施.........................................4
六、塔吊交叉作业安全措施.........................................4
七、塔吊指挥人员安全措施.........................................4
八、安全措施.....................................................5
九、塔吊机组安全施工措施.........................................6
十、应急预案.....................................................6
通辽铁路检察院、法院
塔吊防碰撞措施
一、工程概况
该工程建设包括通辽铁路运输检察院与通辽铁路法院2个工程项目，均位于通辽市红光大街以北，结构形式均为框架—剪力墙结构，2个项目的±0.000均为180.800.二、塔吊布置情况
根据现场实际情况，共布置2台塔吊，通辽检察院塔吊采用QTZ80，塔吊臂长为56米，通辽法院塔吊采用QTZ63，塔吊性能详见塔式起重机使用说明书。
2台塔吊位置（详见施工现场平面布置图及塔吊基础定位详图）。
根据本工程塔吊使用实际情况以及建筑物总平面布置，同时考虑到2塔作业协调工作及防碰撞，现将2台塔吊的顶升高度暂定如下：
通辽检察院1#塔吊：目前独立高度为：22.5m 第一次塔吊顶升高度为：32.5m 第一道的附着高度为：四层顶板标高处，板顶标高为+18.170 第二道的附着高度为：八层顶板标高处，板顶标高为+33.770 通辽法院2#塔吊： 目前独立高度为：28m 第一道的附着高度为：六层顶板标高处，板顶标高为+23.80 第二道的附着高度为：八层顶板标高处，板顶标高为+36.30
三、塔吊的顶升、附着
1、塔吊的顶升、附着,各塔锚固高度与吊钩高度关系技术要求详见塔吊使用说明书。具体操作可根据实际施工进度随时进行塔吊的附着。
2、塔吊施工作业时，2台塔吊合理安排安全交差。处于高位塔吊的最低位置的部件与低位塔吊处于高位置部件之间的垂直距离不得小于一个标准节，保证塔吊安全运转。
四、塔吊交叉作业概况
1、塔吊交叉作业：
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塔吊作业时，1#塔吊、2#塔吊之间存在交叉作业。其中2#塔吊大臂旋转半径范围内有高压电线，并已做高压防护措施。
五、塔吊防碰撞的具体措施
1.塔机布置应严格按照《塔机定位方案》、及施工现场平面布置图中塔吊的相应位置布置,必须保证覆盖范围交叉作业的塔机吊臂在垂直方位高差5米的间距,以免吊臂发生碰撞。
2.在相邻塔机吊臂立体交叉作业范围内,应加强塔吊司机与信号工,塔司与塔司,信号工与信号工的交流合作,以便随时了解周围塔机的运行状况,从而避免发生两塔机起重臂、钢丝绳发生碰撞事故。
3．塔机在运转过程中,不准中途改用未经约定的指挥信号种类,在需要更换时,必须是塔机先停止运转,指挥人员与塔吊司机取得联系,并经过双方认可后方能更换。
5．塔吊司机要掌握所操作塔机的各种安全保护装置机构,发生故障时,必须立即排除,不得在安全装置有故障或失灵后进行吊装作业。
6．塔机施工运行前,必须向有关工种及操作人员进行详细的安全技术交底,塔机施工运转中,必须由现场指挥人员进行施工全过程安全监控,每台塔机必须配备两名信号工和足够的对讲机。
7．在两塔机交叉区域作业时,后进入工作区域的塔机让先进入工作区域的塔机。8．塔机停止工作时,吊钩应拉回吊臂根部并升到最高处,吊臂旋转至交叉区域以外,如有特殊原因可将吊臂固定（可制做固定地锚）。
9．两塔机有吊载同时进入交叉区域时,高塔避让低塔。10.运行的塔机避让静止的塔机。
11．两塔同时进入交叉区域时,无吊载的塔机避让有吊载的塔机。
12．塔吊在顶升过程中严禁回转起重臂，并在使用过程中严禁塔吊间及塔吊与建筑物之间发生碰撞。
13．塔吊应由专职人员操作和管理，严禁违章作业和超载使用，机械出现故障或运转不正常时应立即停止使用，并及时予以解决。
14．塔臂前端设置明显标志，塔吊在使用过程中塔与塔之间回转方向必须错开，严格
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控制楼和楼之间的操作高度和作业时间。
15．从施工流水段上考虑两塔作业时间尽量错开，避免在同一时间、同一地点两塔同时使用时发生碰撞。
16．塔吊在起吊过程中尽量使小车回位，当塔吊运转到施工需要地点时，再将材料运到施工地点时。
17．塔吊达到起升高度之前，1、2号塔吊应相差两节塔身的高度。
18．塔吊同时作业必须照顾相邻塔吊作业情况，其吊运方向、塔臂转动位置、起吊高度、塔臂作业半径内的交叉作业，并由专业信号工设立限位哨，以控制塔臂的转动位置及角度，同时控制器具的水平吊运。
19．禁止相邻塔吊同时向同一方向吊运作业，严防吊运物体及吊绳相碰，确保交叉作业安全。
六、塔吊交叉作业安全措施
1、施工过程中各台塔吊的安全高差不得小于6m。
2、相互交叉的塔吊运转时吊钩绳与大臂的安全距离不得小于5m。
3、吊装发生矛盾时各塔塔司和哨工要做到安全礼让，原则上轻钩躲让，低塔让高塔，后运转让先运转，轻塔让重塔等，不得有意阻碍其它塔吊运转。
4、严禁2台塔吊同时在交叉区域内吊装作业。
5、各台塔吊的大臂回转时，小车的安全幅度为20m，严禁在此幅度外转臂。
6、各塔吊的起重臂或平衡臂进入交叉区域时，塔司、指挥人员及监护人员都要精力集中，回转不得使用高速，要做到一慢、二看、三通过。
7、塔司机在做每一个动作之前都要先鸣笛。
七、塔吊指挥人员安全措施
1、施工单位为每台塔吊配备专职指挥人员。指挥、监护哨、塔机司机均配备对讲机，保持通线联络畅通。塔吊指挥人员必须持证上岗，定期复验，定期体格检查，并将上岗证及查验结果报项目技术安全部门备案。未经技术安全部门负责人同意不得变动。通辽铁路检察院、法院
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2、施工单位在各塔吊交叉区域内设立监护人员，每栋楼的作业层面只设立一名指挥，防止令出多人，造成混乱碰撞。
3、监护人员负责交叉作业塔吊的安全运转，监督各塔吊指挥人员的动作指令，发现指挥错误或存在碰撞隐患时及时向塔吊指挥和塔司发出停止信号。
4、监护人员要专人负责，佩带明显标志，站在明显位置，发出的信号要区别于指挥人员的信号。
5、指挥人员和塔司要服从指挥监护人员的指挥监护信号。
6、指挥人员和监护人员必须持证上岗，严禁酒后作业。指挥人员与监护人员严禁私自串频聊天。
7、指挥人员和指挥信号必须旗语、哨音同时进行。
8、任何非塔吊指挥人员不得指挥塔吊运转。
9、各塔吊的指挥人员应从佩带的袖标或安全帽上明显区别开，不得混合指挥其它塔吊。
10、塔吊指挥人员应严格遵守“塔吊十不吊”的规范，严禁违章指挥。
11、塔吊指挥人员合理安装吊装，避免施工班组之间发生纠纷。塔吊指挥人员、挂钩人员必须固定，上班前、交接班时及班后要严格检查钢丝绳及各种吊具等。若已达到报废标准，必须及时更换，并做好记录。
八、安全措施
1、合理设置各台塔吊的吊物区，严禁在交叉区域内设置塔吊吊物区。
2、根据塔吊的安全高差合理安排施工进度，提前安排塔吊顶升附着计划。
3、夜间施工时提供足够的照明条件。尽量避开夜间施工，项目部吊装作业安排在光线好的白天作业。
4、保证塔吊机组有足够的正常维修、保养时间。
5、协调好塔吊的安全高差。通辽铁路检察院、法院
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九、塔吊机组安全施工措施
1、机组人员应严格遵守《塔式起重机安全操作规程》。
2、机组人员应严格遵守《塔式起重机“十不吊”规定》，严禁违章操作。
3、塔吊司机必须持证上岗，严禁酒后上塔作业。
4、塔吊司机要明确本塔吊指挥人员佩带的标志。
5、塔司要服从哨工的指挥信号，不得擅自操作。
6、对错误的指挥信号和非指挥人员发出的指挥信号有权拒绝操作。
7、严禁非塔吊司机上塔操作。
8、塔吊每次运转前，机组人员必须进行空运转，确保塔吊正常运转。
9、起升、回转、变幅应分别进行操作，严禁多项操作同时进行。
10、塔吊运转完毕要将大钩提升到最高限度，小车拉回起重臂根部，起重臂顺向风源；如其它塔吊仍在运转，起重臂停放位置不得影响其它塔吊的正常运转。
11、各塔吊应分别安装警示灯和警示旗，塔司做每个动作之前应先观察周围塔吊起重臂位置，确保安全后再进行操作。
12、项目部定期召开塔吊安全工作会议，对塔吊司机、指挥人员及指挥监护人员作特殊的安全交底，与塔吊分包及塔司签订安全协议书，责任落实到人。
十、应急预案
在施工过程中，可能发生塔吊施工事故主要体现在： 高空坠落、物体打击、塔吊坍塌事件。
1、高空坠落事故应急求援措施
①、去除伤员身上的用具和口袋中的硬物。
②、在搬运和转送过程中，颈部和躯干不能前屈或扭转，而应使脊柱伸直，绝对禁止一个抬肩一个抬腿的搬法，以免发生或加重截瘫。
③、创伤局部妥善包扎，但对疑颅底骨折和脑脊液漏患者切忌作填塞，以免导致颅内感染。
④、颌面部伤员首先应保持呼吸道畅通，撤除假牙，清除移位的组织碎片、血凝块、通辽铁路检察院、法院
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口腔分泌物等，同时松懈伤员的颈、胸部钮扣。若舌已后坠或口腔内异物无法清除时，可用12号粗针穿刺环甲膜，维持呼吸、尽可能早作气管切开。
⑤、复合伤要求平仰卧位，保持呼吸道畅通，解开衣领扣。
⑥、周围血管伤，压迫伤部以上动脉干至骨骼。直接在伤口上放置厚敷料，绷带加压包扎以不出血和不影响肢体血循环为宜，常有效。当上述方法无效时慎用止血带，原则上尽量缩短使用时间，一般以不超过1小时为宜，做好标记，注明上止血带时间。
⑦、有条件时迅给予静脉补液，补充血容量。⑧、快速平稳地送医院救治。
⑨、对事故现场要注意保护，以便调查组调查。
⑩、配合上级主管部门和调查组处理，并做好伤员及家属的善后工作。
2、物体打击事故应急求援措施
①、发生物体打击事故，要迅速启动项目求援小组，及时停止阻断事故源的工作和作业，防止事故的扩大，并根据伤害的性质和程度，利用现场的一切条件，实施相应的救护措施。
②、及时速报上级预案指挥部，伤势严重的应及时拨打120 求救。
③、出血性外伤应及时采取应急止血措施，避免伤员因失血过多造成生命危险。④、骨折性伤员，在挪动伤员时冷静小心，采取正确的方法救护避免伤势扩大。⑤、脊椎骨折伤员要保证伤员平稳卧姿式，严禁采用抱、拉、抬、背、搭腿等方法处理，以防脊髓受伤导致伤情加重，以致造成瘫痪。
⑥、对事故现场要注意保护，以便调查组调查。
⑦、配合上级主管部门和调查组，开展调查处理，并做好伤员及家属的善后工作。
3、塔吊坍塌事故的应急措施
①、抢救人员和组长一起查明险情：确定是否还有危险源。碰断的高、低压电线是否带电；塔吊构件、其他构件是否有继续倒塌的危险；确定有无人员伤亡情况；商定抢救方案后，副组长向项目总工请示汇报批准，然后组织实施。
②、抢险人员负责把出事地点附近的作业人员疏散到安全地带，并进行警戒不准闲人靠近，对外注意礼貌语。
③、工地值班电工负责切断有危险的低压电气线路的电源。如果在夜间，接通必要的照明灯光。通辽铁路检察院、法院
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④、抢救人员在排除继续倒塌或触电危险的情况下，立即救护伤员：边联系救护车，边及时进行止血包扎，用担架将伤员抬到车上送往医院。
⑤、对倾翻变形塔吊的拆卸、修复工作应请塔吊厂家来人指导下进行。
振动落砂机系统的拟周期碰撞设计 篇3
摘要：首先建立了落砂机系统周期运动的Poincaré映射，考虑到在设计过程中经典的Neimark_Sacker分岔临界准则需要直接计算特征值带来的局限性，利用不直接依赖于特征值计算的显式临界准则，获得了系统发生Neimark-Sacker分岔的两参数区域图，所获得的参数区域图有助于主动设计系统的拟周期碰撞运动。然后应用中心流形正则形方法进一步分析了拟周期碰撞运动的稳定性。最后数值仿真表明在选定的系统参数处能产生稳定的拟周期碰撞运动。
关键词：落砂机；冲击振动；Neimark-Sacker分岔；拟周期碰撞运动；稳定性
中图分类号：0322；TB123 文献标识码：A
碰撞振动在实际工程领域中普遍存在，由于碰撞和冲击过程中固有的不连续性造成的强非线性，使得系统的动力学响应十分复杂多变，产生丰富的非线性现象，如分岔和混沌现象等。
振动落砂机是一种利用碰撞振动原理对砂箱进行落砂的机械设备。这种周期碰撞的机械设备工作频率单一，导致生产效率低、能耗高。而拟周期碰撞是典型的非线性振动，与简单的周期碰撞相比，拟周期碰撞具有多频性，以及振动加振荡之复式激振品质，可提高系统的功能和效率，同时又没有混沌运动的不可预测性和初始条件敏感性，该特性在实际工程领域具有应用潜力，能有效解决上述存在的一些缺陷。
近来，国内外一些学者对振动落砂机系统非线性特性开展了理论和数值模拟分析。罗冠炜等通过理论分析和数值仿真揭示了振动落砂机周期运动经概周期分岔和倍周期分岔通向混沌的演化过程。丁旺才等使用中心流形范式方法研究了振动落砂机系统在强共振下的两参数开折的局部动力学行为并通过数值仿真进一步揭示了系统共振点附近的Hopf分岔不变环面和次谐分岔4-4周期运动。
随着分岔理论和非线性动力学设计方法的发展，人们开始关注如何主动利用分岔特性来提高系统的功能与效率，通过主动选择系统的参数来设计出具有所期望特性的分岔解。然而上述文献中对振动落砂机系统的非线性现象的研究大部分是基于特征值的特性来描述的传统的分岔准则。对于一个四维多参数的落砂机碰撞振动系统，如果按照传统的Hopf分岔临界准则，逐点试算特征值是否满足分岔的存在条件，这对于通过设计来主动实现分岔解具有一定的局限性。针对传统分岔准则的不足，文桂林等提出了新的离散系统Hopf分岔准则，建立的Hopf分岔准则是由一些系统参数构成的代数等式和不等式组成的显式分岔临界准则，并不依赖于特征值的计算，这更适合分岔参数机理分析和设计。
本文以振动落砂机系统为研究对象，针对传统的映射Hopf分岔临界准则在主动设计方面存在的局限性，基于Neimark-Sacker分岔（二次Hopf分岔）理论，使用不直接依赖于特征值计算的显式临界准则来设计系统的参数，使其产生拟周期碰撞运动。然后，应用中心流形一正则形方法来分析拟周期碰撞运动的稳定性。最后，通过选取适当的系统参数，数值实现了系统稳定的拟周期碰撞运动。
1 力学模型及其运动方程
对于振动落砂机系统的设计，仅考虑垂直方向振动，将振动落砂机系统简化为图1所示的两自由度的质量弹簧阻尼器系统。其中，质量块M，m分别表示质量为M的振动基座和质量为m的砂箱（包括型砂和铸件），振动基座和基础之间用刚度为K的线性弹簧和阻尼系数为C的阻尼器连接，振动基座受到简谐力Fsin（ωt+δ）的作用。图中X，Y分别表示基座和砂箱的位移。砂箱和基座不发生碰撞时，砂箱只受重力作用，当基座和砂箱位移相同即X=y，并且相对速度不为零时，它们会发生垂直方向的正碰。为了方便计算，振动落砂机系统采用文献中的无量纲运动微分方程来描述：
无量纲方程中的“·”表示对无量纲θ求导数，R表示碰撞恢复系数。
2 振动落砂机系统周期运动的Poincaré映射
由无量纲方程（1）和（2）可知，在系统未发生碰撞时，基座和砂箱会遵循方程（1）做连续运动。当发生碰撞时，基座和砂箱的速度会遵循冲击方程（2）发生突变，得到下一次做连续运动的初始值，因此系统会进行碰撞、连续运动、再碰撞的循环运动。为了使系统产生Neimark-Sacker分岔，求得一个周期冲击运动。其无碰撞部分的解析表达式如下：
3 振动落砂机系统的拟周期碰撞运动
3.1 振动落砂机系统Neimark-Sacker分岔的显式临界条件
为了设计出振动落砂机系统拟周期碰撞运动，主要任务就是确定适当的系统参数，使系统（11）发生Neimark-Sacker分岔。如果采用传统的分岔临界准则，需要在参数空间内通过逐点取值来计算和验证系统的特征值是否满足Neimark-Sacker分岔的临界准则，这种数值搜寻的方法具有一定的盲目性和不确定性，非常耗时。另外，虽然可以采用极点配置方法找到满足特征值分布条件的系统参数点，但该方法也是先确定特征值后再确定参数，确定的参数对于系统仍存在机理不明确问题。特别是对于横截条件，由于需要求特征值对分岔参数的导数，极点配置方法无法解决。因此为了克服传统分岔临界准则的局限性，本文采用不直接依赖于特征值计算的映射Neimark-Sacker分岔的显式临界条件来获得系统参数。
设映射（11）的一个不动点为X*=（x*，x*，y*，τ*）T，在不动点处映射（11）的线性化矩阵的特征多项式为：
这里选取μ=（ρ，β），ai=ai（ρ，β）是与分岔参数ρ和β有关的实数，i=1，…，4。针对建立的振动落砂机系统周期运动的Poincaré映射（11），有如下的引理。其中条件（Ⅰ）保证有一对复共轭特征值位于单位圆上；条件（Ⅱ）保证其它的特征值位于单位圆内；条件（Ⅲ）保证映射不动点是合理存在的；条件（Ⅳ）保证在参数扰动下，位于单位圆上的特征值穿越单位圆的速度不为零；条件（Ⅴ）保证Neimark-Sacker分岔是非共振的。
3.2 振动落砂机系统Neimark-Sacker分岔的存在性
选取落砂机系统的参数ζ=0.2，R=0.85，z=2.8，以ρ和β为分岔参数（即μ=（ρ，β））。在（ρ，β）张成的一个二维的参数空间内，根据引理1中的显式条件，利用Maple软件得到如图2所示的两参数分岔图。
图2中白色区域Ⅰ和Ⅱ内的点都满足引理1的条件（Ⅱ）-（Ⅲ）中的不等式，但在灰色区域Ⅲ和Ⅳ中至少有一个条件（Ⅱ）和（Ⅲ）中的不等式不成立。由曲线EA，AB，BC，CD和DE围成的白色区域工除了满足条件（Ⅱ）-（Ⅲ）还满足△>0，因此白色区域工为系统周期运动的稳定参数区域。曲线DE是由临界条件（Ⅰ）中的△=0得到，曲线DE上由条件（Ⅴ）得到的点R3和R4分别为系统出现3阶和4阶强共振点。点划线l和m由横截条件（Ⅳ）不等式左边的表达式取等号得到的，这样两曲线l和m和曲线DE的交点T1和T2不满足Neimark-Sacker分岔的横截条件（Ⅳ）。由此在选取系统参数临界点时应该避开这些强共振点和非横截点。在由曲线DE，EF，FG和GD围成的白色区域Ⅱ内，在曲线DE的附近是出现系统拟周期碰撞运动的潜在区域。为了分析分岔解的稳定性，在分岔图的白色区域内的Neimark-Sacker分岔临界曲线DE上任取一点μ0=（ρ0，β0）=（0.6，0.95441）作为临界分岔值。
3.3 振动落砂机系统拟周期碰撞运动的稳定性
振动落砂机系统出现的拟周期碰撞运动的稳定性，也即Neimark-Sacker分岔解（不变圈）的稳定性取决于映射（11）的非线性项。采用中心流形范式方法或者频域方法都可以分析Neimark-Sacker分岔的稳定性。本文使用投影法来分析分岔的稳定性。
取坐标变换（13）式中的X*为映射（11）的不动点，μ0为临界分岔参数值。
映射（11）经过坐标变换（13）变换成
则通过变量变换后的新映射（14）的不动点和分岔点都转化为了零点。这样映射（11）发生Neimark-Sacker分岔后产生的拟周期碰撞运动的稳定性可由引理2来确定。
引理2 如果在临界分岔值μ=μ0处，映射（14）的雅克比矩阵在分岔点v=0处有一对复共轭特征值λ1（v）和λ2（v）满足|λ1（0）|=|λ2（0）|=1和横截条件λn1（0）≠1，N=3，4，并且d|λ1（N）|/dv|v=0≠0，而其它的特征值|λj（0）|<1，j=3，4，那么在v=0，当α（0）<0（或α（0）>0）时，从X*（po）分岔出稳定的（不稳定的）Hopf不变圈。其中，α（0）参见下列表达式：
根据（15）和（16），在μ=μ0计算得到
α（0）=-0.089<0。
因此，根据引理2可判断系统会产生一个稳定的Neimark-Sacker分岔解，即系统稳定的拟周期碰撞运动。
3.4 数值实验
为了验证上述理论分析和研究振动落砂机系统在分岔点附近的动力学行为，其它三个参数不变，临界参数100不变，变化分岔参数β，在落砂机的分岔临界点附近设置了6组参数扰动值，并做了相应的数值仿真，文中的数值仿真都采用4000次碰撞。在Poincaré映射分岔图的白色区域Ⅰ内的分岔临界曲线DE附近取一组分岔参数μ=μ0+△μ=（ρ0，β0-0.02），其中△μ是临界参数扰动量，设置映射初始值X=X*+△X，其中△X=（0，0，0，0.001）T为不动点扰动量，在该参数点处系统处于稳定的周期运动，即Poincaré映射上一个不动点，如图3（a）所示。在Poincaré映射分岔图的白色区域Ⅱ内并且充分接近曲线DE的参数区域内取分岔参数μ=（ρ0，β0+00004），在该参数点处系统处于稳定的拟周期碰撞运动，即Poincaré映射上一个不变圈，如图3（b）所示。继续变化分岔参数值，当取分岔参数μ=（ρ0，β0+0.0456）时，拟周期运动失稳，产生锁相运动，如图3（c）所示。当取参数μ=（ρ0，β0+0.046）时系统退出锁相运动，又产生拟周期吸引不变圈，如图3（d）所示。当取控制参数μ=（ρ0，β0+001）时系统产生拟周期吸引不变圈，不变圈幅值更大，如图3（e）所示。当继续扰动参数值至μ=（ρ0，β0+0.22）时系统经锁相转迁为混沌运动，如图3（f）所示。通过以上仿真分析，振动落砂机系统展示出了丰富的动力学行为，在Hopf分岔临界点附近作参数扰动，当参数扰动量足够小的时候由Hopf分岔所产生的不变圈在形状上类似于一个椭圆。随着参数扰动量的增大，不变圈不断增大，其形状也变得越来越不规则。仿真显示只有当系统的扰动参数很大时才发生混沌，说明系统的拟周期碰撞运动具有强的鲁棒性和较大的稳定域。因此，在设计系统参数时，在白色区域Ⅱ邻域内靠近分岔临界曲线DE处取系统参数可以产生稳定的拟周期碰撞运动。
4 结论
1）基于主动利用Neimark-Sacker分岔解特性的思想，通过选定合适的系统参数，设计出了稳定的拟周期碰撞的振动落砂机系统。
2）利用显式的Neimark-Sacker分岔临界准则获得了落砂机系统产生拟周期碰撞运动的两参数区域图，此参数区域具有较大的分岔可行域范围，可保障所产生的拟周期碰撞运动具有较大的稳定域和较强的鲁棒性。
井下人员定位系统防碰撞算法改进 篇4
我国是世界上矿难事故最多的国家之一,在发生矿难事故时快速、准确、实时地确定井下人员的信息,从而提高抢险救灾、安全救护的效率,是矿井人员管理的主要目标。目前国内煤矿普遍采用基于RFID技术的矿井人员定位系统实现对井下人员的准确定位[1,2]。AQ6210—2007 《煤矿井下作业人员管理系统通用技术条件》中明确要求井下人员定位系统的并发识别数量不得小于80,最大位移速度不得小于5 m/s,而漏卡率不得大于10-4,因此,在人员定位系统的设计中必须考虑标签与读卡器之间的防碰撞算法[3]。
在RFID系统中,防碰撞算法主要有空分多路法(SDMA)、频分多路法(FDMA)、时分多路法(TDMA) 3种。SPWM天线系统复杂,费用高,应用不是很广泛。FDMA读卡器费用较高,应用也受到了限制。目前煤矿应用最为广泛的防碰撞算法是TDMA中最具代表性的ALOHA(Additive Link On-link Hawaii Algorithm)。该算法的主要特点是各标签发射时间完全随机,不需要同步,当标签数量不多时RFID系统可以很好地工作,其缺点是数据在发送过程中发生冲突的概率大[4]。本文针对煤矿井下工作环境的特殊性, 基于碰撞退避思想,对二进制指数退避(Binary Exponential Backoff, BEB)算法进行分析,并提出相应的改进算法,从而进一步减小了井下人员定位系统的漏卡率。
1碰撞退避原理
碰撞退避算法即发生数据碰撞后标签暂时退出竞争,延迟一段时间后再次尝试发送,采用碰撞避免机制而不是碰撞检测。实行退避的目的是为了降低重发时再次发生碰撞的可能性。退避时间的长短与标签内部的随机数相关,可用式(1)确定:
BackoffTime=Random()×aSlotTime (1)
式中:Random()是均匀分布在0～CW之间的随机数,CW为退避发生器的值,由退避算法确定;aSlotTime是物理层的时隙时间。
退避算法是维护退避发生器的算法,退避时间长短可通过改变退避发生器值的大小来控制。当退避发生器值较大时,产生的随机时间一般较长;当退避发生器值较小时,产生的随机时间一般较短。显然,退避发生器的值越小,数据抢占信道的能力越强,退避发生器的值反映了标签接入信道的能力。退避算法的目标是正确反映标签的信道争用状况,赋予标签适当抢占信道的能力,以更加充分地利用信道资源,避免争用碰撞和信道资源浪费。
2BEB算法及其改进
2.1 BEB算法
BEB算法首先给定最小碰撞窗口和最大碰撞窗口,每次发生碰撞时,认为网络中标签之间对信道的竞争程度加剧。标签将当前的CW值增大,直至达到最大门限值CWmax;每次交互成功时,退避发生器的值降到最小。该算法可用式(2)描述:
BEB算法的主要不足:(1) 不能正确反映信道的争用情况。一次成功发送不能认为信道竞争程度降低了,但退避发生器的值却降到了最小。(2) 标签访问信道会带来不公平现象。一次成功发送后,标签退避发生器的值降为最小值,而其它交互不成功标签的退避发生器的值都较大,在后续的竞争中,退避发生器值较小的标签获胜的几率很大。这就使得获胜的标签优势越来越明显,而其它标签更加不容易抢占到信道,造成严重的不公平现象。
2.2 算法改进
针对BEB算法的不定,提出一种改进算法,根据当前碰撞窗口CW值和信道忙闲程度来改善CW更新规则,使其具有一定的自适应性。改进的二进制碰撞退避算法采用乘法增加、线性减小的碰撞窗口调整方式,设置退避的低流量阈值CW1和高流量阈值CW2,根据网络流量大小对碰撞窗口采取不同的更新规则并同步更新优化窗口值,使标签能够自适应快速接入信道。算法规定:CW≥CW2时,网络流量较大;CW≤CW1时,网络流量较小。在低流量下设置较小的CWmin值,使节点能够快速接入,减少信道空闲浪费;在大流量下使CW平滑变化,以避免节点间的碰撞窗口值相差较大,造成短程不公平现象。
改进算法具体描述如下:
(1) 初始化,取较小的CWmin。
(2) 当CWmin≤CW
(3) 当CW1≤CW
(4) 当CW2≤CW≤CWmax时,认为网络流量大,采用乘法增加、乘法减小的方式调整CW。当信道忙碌时,CW增加为原来的α倍(取α=1.3),此时CW自身值较大;若标签发送成功,CW减小为原来的β倍(取β=0.8)。
(5) 标签连续3次发送成功时,认为CW为粗略优化值,在1跳范围内同步更新CW。
3改进的BEB算法性能测试及分析
3.1 性能测试方法
AQ6210—2007明确规定了人员定位系统主要技术指标的测试方法。其中“最大并发识别数量”指标测试方法:多张识别卡以最大位移速度同时通过读卡器识别区,测量读卡器正确识别的识别卡最大数量。“最大位移速度”指标测试方法:以最大并发数量的识别卡同时通过读卡器识别区,测量读卡器能够正确识别的最大速度。 但在实际测试过程中,位移速度很难精确控制。因此本文对该方法进行了改进,将位移速度换为识别时间。AQ 6210—2007规定识别卡与读卡器之间的无线传输距离不小于10 m,而在实际应用中也大多控制在10 m左右,所以识别卡能够被读卡器识别的范围为20 m。如果要求位移速度为5 m/s,则相当于识别卡能够被读卡器识别的时间为4 s,可以通过程序将读卡器的收卡时间控制为4 s。由于时间可以精确控制,而位移速度与识别时间是严格对应的,因此改进后的测试方法较易实现。下面利用该测试方法对BEB算法和改进算法进行性能分析对比。
3.2 最大并发识别数量比较
AQ6210—2007规定的“漏卡率”指标测试方法:并发数为M的识别卡以最大位移速度通过读卡器识别区,共通过不低于104/M次,识别总数为L,将每次漏读的个数相加得N,则漏卡率为N/L。设识别卡固定位移速度为5 m/s(即识别时间为4 s),L=10 000。分别用标签数为40、60、80、100、150、200的识别卡,通过识别区L/M次,采用BEB算法和改进后的BEB算法进行测试,得到相应的漏卡统计结果,见表1。
从表1可看出,BEB算法的最大并发识别数量为60;而改进算法的最大并发识别数量为150,远远超过AQ6210—2007中规定的80。同时,随着标签数的增加,BEB算法的漏卡数急剧上升。可见,改进算法在最大并发识别数量上要优于经典BEB算法,在一定程度上降低了冲突概率,有效地减少了数据的碰撞。
3.3 最大位移速度比较
设标签数M=60,识别总数L=10 020,通过识别区167次,位移速度分别为5、6、7、8、9、10 m/s(即识别时间分别为4、3.3、2.9、2.5、2.2、2 s),采用BEB算法和改进后的算法进行测试,得到相应的漏卡统计结果,见表2。
从表2可以看出,BEB算法的最小识别时间为3.3 s,即最大位移速度为6 m/s,而改进算法的最小识别时间为2 s,即最大位移速度为10 m/s。可见改进算法在最大位移速度上也优于经典BEB算法。
4结语
通过设定两个阈值,根据不同网络流量制定不同的CW更新规则,并同步更新优化窗口值,对BEB算法进行了改进,在设计和实现上兼顾了阅读器和射频标签通信的速度和可靠性,加快了碰撞窗口值的优化速度,提高了数据传输速度,减少了标签漏卡率。测试表明,改进算法的最大并发识别数量为150,最大位移速度为10 m/s,均优于经典BEB算法。因此,改进算法能够有效解决井下多目标识别的防碰撞问题,增强煤矿生产的安全性,具有广阔的应用前景。
摘要：为解决井下人员定位系统中多个标签向接收器发送信息时产生的数据碰撞问题,提出了一种改进的二进制指数退避算法。该算法采用乘法增加、线性减小的碰撞窗口调整方式,设定了两个阈值,并根据不同网络流量制定了不同的退避发生器值更新规则,同时同步更新优化窗口值,使标签能够自适应快速接入信道。测试表明,改进后的算法最大并发识别数量为150,最大位移速度为10m/s,均优于经典的二进制指数退避算法。该算法提高了数据传输率,减少了漏卡率,有效地解决了井下多目标识别的防碰撞问题。
关键词：矿井,人员定位,防碰撞算法,二进制指数退避算法
参考文献
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[3]张志荣,张龙江,杜鹏.基于RFID煤矿井下人员定位防碰撞研究[J].辽宁工程技术大学学报:自然科学版,2010,29(3):490-493.
[4]WANT R.Enabling Ubiquitous Sensing with RFID[J].Computer,2004,37(4):84-86.
[5]李凡甲,徐钊,颜丙磊,等.基于WSN的煤矿井下人员定位系统防碰撞算法的研究[J].工矿自动化,2009(1):9-12.
防碰撞系统 篇5
随着现在交通事业的不断发展, 交通事故已成为全球范围内日益严重的公共安全问题。相关统计信息表明, 驾驶员的主观因素导致的交通事故在所有交通事故中占有最高比率。若在交通事故发生前的1.5s给驾驶员发出预警, 可避免90%的碰撞事故[1]。汽车防碰撞安全控制系统通过各种传感器, 比如摄像头、雷达等, 实时检测车辆周围的物体, 并对物体进行识别与跟踪, 测量出目标车辆距离本车的距离, 从而预计出相撞时间。当该时间小于安全阈值时, 发出警报提示驾驶员潜在的危险, 从而提高了驾驶的安全性, 有效降低了交通事故的发生频率。对汽车防碰撞系统的研究在国际上始于20世纪60年代, 主要以德国、美国和日本为代表。我国在这方面的研究起步较晚[2], 但是我国与国际水平的差距正在因国家的重视以及科研人员的努力而逐步缩小。
本文总结了目前国内外一些关于汽车防碰撞安全控制系统的车辆检测与识别、跟踪和安全距离模型的应用研究概况, 为进一步研究提供了基础。
2 汽车防碰撞安全控制系统
汽车防碰撞安全控制系统的实现方式虽多, 但基本的工作流程大致一样。汽车防碰撞安全控制系统的基本原理如图1所示。车辆的检测与识别、汽车跟踪和安全距离模型是该系统的重要组成部分。
3 车辆的检测与识别
车辆的检测属于背景运动的目标识别。要做到在视频图像中很好地识别出车辆, 首先必须在单帧图像中将车辆识别出来, 然后才能进行多帧序列的车辆识别。
3.1 基于梯度的阴影检测方法
路面像素值由近及远灰度分布变化是连续的, 而在车辆底部处像素的灰度值明显会低于其周围的像素, 因此像素灰度分布会产生较大变化。利用图像灰度及梯度分布特征, 通过阴影检测完成车辆的初步定位, 是一种可行的车辆检测方法。张建明等人提出的算法可以有效检测出路面行驶车辆[4]。该算法也有不足之处, 得到的阴影区可能会包含一些路面杂质和其他路边阴影区域, 从而使车辆检测受到干扰。因此排除非车辆阴影区也是一项重要任务。一般车辆区域的灰度变化复杂、纹理特征强, 可以通过计算粗糙度来有效剔除杂质。N.Sarkar等提出了差分盒子维 (Differential Box Counting) 算法[5], 可以有效、精确地排除非车辆区域。
3.2 基于模式识别的方法
首先从单帧图像中实现车辆的识别。在单帧图像中产生车辆感兴趣区域, 为减少计算量, 根据图像中的汽车某些特征设计一个基于边缘特征的滤波器。该滤波器根据汽车的一些鲜明特征将单帧图像中的缺少明显汽车特征的区域滤除。然后将感兴趣区域挑选出来进行基于区域的车辆判别。在单帧图像中的感兴趣区域中, 运用一个相应的车辆分别识别算法将感兴趣区域中的不符合车辆的障碍物做进一步滤除。具体地可以根据最近邻域的局部特征[6]或根据支持向量机 (SVM) 建立一个层联的分类器。最后, 利用视频序列多帧图像的附加信息进行修复验证。因为光线的强弱变换、其他障碍物的遮挡以及阴影等干扰原因, 可能会造成一些“伪车辆”的错误判断, 这将导致后续的防碰撞错误预警, 因此要根据视频序列中的附加信息对检测出的车辆进行修正。
4 车辆的跟踪
汽车防碰撞系统中对目标车辆的跟踪主要有两个目的:一是通过对车辆进行跟踪缩小视频序列中的车辆的搜索范围, 减小计算量提高汽车防碰撞系统的实时性;二是解决目标车辆的突然更替;三是通过预测下一帧图像中车辆的位置解决信号突然中断和车辆遮挡等情况。
4.1 基于Kalman的跟踪方法
Kalman滤波器是一种最优化自回归数据处理算法。它根据上一状态的估计值和当前状态的观测值推出当前状态的估计值, 对信号的平稳性和时不变性要求不高。
Kalman滤波跟踪过程为:根据跟踪目标的当前状态向量利用Kalman滤波器预测新的位置和高度。据此产生预测车辆的区域, 计算该区域的归一化转动惯量NMI (Normalized Momentof Inertia) 特征值, 与以前序列图像中该车辆目标的NMI特征值进行比较验证。验证通过, 则在原预测区域的基础上高宽同时扩充1.2倍, 在此放大区域内重新界定车辆区域, 形成新的观测值, 否则放弃对此目标车辆的跟踪。该算法的优点是能够自动地适应检测过程当中采样周期的变化, 对于目标运动较快在前后帧之间的距离较大时能够很好地适应。
4.2 基于Meanshift的跟踪方法
Meanshift算法的框架最早是Fukunaga和Hosteler于1975年提出的一种无参数算法[10]。它利用梯度上升方向作为求最值的方法来减少特征搜索匹配的时间, 实现目标的快速定位。在当前帧的候选目标中找到真正目标位置的一般过程为:假设一个目标模型, 该模型有特征z具有密度函数q (z) , 且中心在y的候选目标具有特征分布p (z) 。接下来就是找到一个位置Y, 使得此处候选目标的密度函数和真正目标模板的密度函数最相近。这样目标跟踪问题就可以转换为目标模块与候选模块的特征分布函数相似对比的问题。
该算法的优点是平均迭代次数少, 收敛性好, 运算相对简单, 能够满足实时性需要, 能够处理部分目标遮挡或者重叠问题。缺点是该算法对目标的大小不能自适应。
5 安全距离模型
汽车防碰撞安全控制系统功能实现的基础是安全距离模型, 国内外学者进行了相关的研究并提出了几种模型。该模型应满足以下要求:安全距离模型适用的道路情况能够涵盖一般道路交通的大多数路况;安全距离模型所使用的行车信息能够在实时条件下获得。
5.1 基于前车运动状态并引入附着系数的模型
设自车行驶速度为v, 前车速度为v0, 两车相对速度vr=vv0, 自车的制动减速度为a, 驾驶员做出判断并采取措施所造成的迟滞时间为t1。
当前车以匀速v0行驶时, 最小安全距离为:
当前车以匀加速a0行驶时, 自车实施制动是只需将调节至与前车速度相等即可, 最小安全距离为:
当前车以匀减速a0行驶时, 此时碰撞风险较大, 需将自车v值减至0为止, 最小安全距离为:
该安全距离模型的优点是根据不同的道路和天气情况, 在保证安全的前提下可以有效地改变安全距离, 提高对道路交通的利用率, 符合汽车的真实运行情况。
5.2 基于智能控制的模型
设自车制动距离为X1, 两车间距d和前车运动距离X2, 保证行车安全则需要使X1+d0<X2+d, 其中d0是两车之间最小距离, 一般取2-5米。自车的制动过程分为三个阶段:匀速运动阶段S1、减速度增长阶段S2和持续制动阶段S3。
匀速运动阶段, 在制动协调时间ta没有产生制动力, 以初速度行驶va, 将速度由km/h换算成m/s, 则:
在减速度增长阶段, 设减速度线性增长时间为ts, 自车最大减速度值为a, 则:
持续制动阶段分两部分:正常制动阶段, 时间为t1, 自车以最大加速度制动, 初速为v1;加速度调整阶段, 时间为t2, 逐步调整加速度与前车加速度at一致, 则:
该安全距离模型的优点是采用智能控制, 完全自动刹车, 降低了对驾驶员的要求, 提高了制动效果, 并对车间距进行了优化, 提高了公路利用率。
6 未来发展方向
目前, 已有大量技术应用于智能交通中, 特别需要指出的是传感器信息融合技术。为了提高系统的准确性, 往往需要多种传感器对目标进行测量, 迫使人们要对各种传感器和不同信息源进行有效的集成, 以提高数据处理的自动化程度。在汽车防碰撞安全控制系统中的应用中, 需要摄像机、雷达、红外传感器等多种检测装置, 信息融合技术就显得尤为重要。
随着人工智能、视觉计算理论以及测距技术等相关支撑学科的不断完善, 汽车防碰撞安全控制系统也必将朝更好的实时性和准确性方向前进。具体的发展目标有: (1) 考虑侧面目标和行人目标, 提出更高效的目标识别和跟踪算法, 增强目标识别的鲁棒性; (2) 完善安全距离模型和自动刹车控制系统, 减少驾驶员误操作的风险; (3) 基于传感器信息融合技术实现汽车防碰撞控制。
7 总结
随着汽车在全球的普及以及智能控制的迅猛发展, 21世纪的汽车必将走向智能化, 而集合了先进的信息处理技术、通信技术、自动控制技术以及信息融合技术的汽车防碰撞安全控制系统将会成为未来汽车发展的重心。优化设计, 提高系统可靠性和人机交互性, 使驾驶员轻松、安全地驾驶车辆, 并对各种紧急情况作出正确应对, 减少碰撞事故的发生, 是汽车防碰撞安全控制系统的使命。
摘要：近年来随着汽车数量的增加和驾驶员的大众化与非职业化, 汽车碰撞引起的交通事故与日俱增。因此, 汽车防碰撞系统的研究成为世界各国当前的一个热点课题。本文对国内外汽车防碰撞安全控制系统的研究现状进行了总结, 并对该领域的未来研究方向进行了展望。
关键词：汽车防碰撞,车辆检测与识别,信息融合,防碰撞安全控制系统
参考文献
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[3]檀柏红, 任立肖, 张丽等.基于视频图像处理技术的汽车防撞系统的研究现状[J].北华航天工业学院学报, 2008.18 (5) :7-10.
防碰撞系统 篇6
RFID技术是一种非接触式、利用无线信道来实现双向通信自动识别技术, 是当前IT业研究的热点之一。RFID系统由两部分组成:射频标签和阅读器。所有的标签和阅读器都在一个有限的空间内进行通信, 为了覆盖整个供应链的空间从而识别该范围内所有的标签, 阅读器Ri (i=1, …, K) 的网络必然会在空间中产生多个阅读器读写范围的交叉。这些读写范围交叉的阅读器之间就可能发生碰撞。即使读写范围不发生交叉的阅读器之间也可能发生碰撞, 这是因为使用无线射频通信会有干扰范围的原因。这种由于阅读器操作引起的碰撞称为阅读器碰撞。为了提高标签的正确识别率和读写速度, 所设计的射频识别系统必须最小化这种阅读器的碰撞。
1阅读器碰撞的分类
根据阅读器碰撞的定义来看, 阅读器的碰撞可以分为两种情况。第一种为阅读器和阅读器的碰撞。如图1所示, 以两个阅读器Ri和Rj为例, 设D (Ri, Rj) 为Ri和Rj (i≠j) 之间的距离, Di则表示相对应的阅读器的读写距离的最大值。两阅读器的读写范围没有交叉, 即D (Ri, Rj) >Di+Dj, 但是当两阅读器的距离较近且同时在相同的频率上进行通信时, 一个阅读器输出的信号足够强时, 第二个阅读器接收到该信号, 这样就可能干扰甚至屏蔽了第二个阅读器与它读写范围内的标签的正常通信。这种情况被称作为读写器与读写器之间的碰撞。定义d为两阅读器不产生碰撞的最小距离, f (Ri, t) 表示在时间t按照规律f分配给阅读器的连续频率。如果以下两式均成立:
那么阅读器Ri和Rj就会发生碰撞。这种现象的出现主要是由于阅读器使用的射频通信, 不仅仅有读写范围而且存在有比读写范围更大的干扰范围, 所以当两阅读器虽然没有读写范围上的交叉, 但是如果一个阅读器处在另一阅读器的干扰范围之内的时候, 这种阅读器发出的比较强的信号会严重干扰标签返回的微弱信号。
第二种为阅读器和标签之间的碰撞。这种情况下阅读器的读写范围有交叉, 如果有标签同时处于两个或多个阅读器的读写范围内时, 并且在同一时间有超过一个阅读器试图与这个标签通信时, 就产生了阅读器与标签之间的碰撞。如图2所示, 以两个阅读器为例:Ri和Rj两阅读器的读写范围有交叉, 即D (Ri, Rj) <Di+Dj, 就可能出现阅读器与标签之间的碰撞。在这种碰撞中, 每个阅读器都认为自己是唯一一个与标签通信的阅读器, 而实际上标签正与多个阅读器通信, 这样就会使标签以不期望的方式运行和通信, 导致读写器读取信号的失败。在这个交叉区域内的标签会没有一个阅读器能与它们通信成功。读写器对标签的干扰还有一种情况是两阅读器的读写范围没有交叉, 两阅读器也互相不在干扰范围之内, 但是其中一个阅读器读写范围之内的标签处于另一阅读器的干扰范围之内。如图3所示, 阅读器Rj发射的信号在标签T处产生干扰, 这种干扰将使得射频识别网络中载波侦听无效。
2 阅读器碰撞的主要特点
综述来看阅读器的碰撞就有以下的特点:
(1) 多个阅读器询问/发射的信号在某射频标签处碰撞时, 该点的信号会被干扰, 且该标签也不能再接收任何阅读器的询问/发射的信号;
(2) 一个阅读器所发射的信号被另一个阅读器所接收, 从而干扰或者屏蔽了该读写器与它读写范围内标签的正常通信;
(3) 两阅读器不在互相侦听范围, 但是阅读器所发射的信号在标签处产生干扰, 从而使得射频识别网络中正常的载波侦听无法工作;
(4) 一般所用的射频标签是被动式的居多, 标签是在被阅读器的询问信号激活后才能通信, 因此标签本身既不能调整也不能主动与阅读器通信以避免碰撞。
3 阅读器碰撞解决方法研究
从阅读器的碰撞特点来看, 要解决这些问题只能从阅读器上来设计。
3.1 阅读器与阅读器之间碰撞的解决方法
阅读器与阅读器之间的碰撞是由于D (Ri, Rj) <d, 且f (Ri, t) =f (Rj, t) 。那就可以考虑同频道的频率分配问题, 但是阅读器网络要是工作在单个频率信道 (例如13.56 MHz实际应用中通常只被划分为单个信道) , 那解决碰撞的方法就只能给阅读器合理的分配时间。采用所有的阅读器同步的方法来消除个阅读器之间碰撞的问题。主要工作流程如下:
(1) 初始化阅读器网络中多个阅读器中最长发射命令的时间, 定义该时间为tmax;
(2) 各阅读器同时接收外同步器提供的同步信号, 并开始以同步信号为基准计时;
(3) 各阅读器分别计算向标签发射命令所需的时间, 该时间记为tcmd, 不同的阅读器发射命令所需的时间也会有差异;
(4) 各阅读器分别计算t=tmax-tcmd, 并在时间段
由于各阅读器所计算出来的时间t的差异, 也就避免了阅读器与阅读器之间的碰撞问题。这种同步协调的方法需要为系统中每个阅读器置有同步处理模块, 同时阅读器还要能够接收和处理外同步信号, 并编写相应的软件。但是采用了此方法的射频识别系统的性能得到了很好的改善, 相比较没有采用此方法或者采用对阅读器分组的方法阅读器在读取速率和读取的准确率上都有了明显的提高, 特别是在读写范围内标签的数量越大的时候表现越明显。以13.56 MHz的阅读器测试表明, 当标签数量超过30个, 则阅读器的读取速率和准确率的提高都在10%以上。采用该方法改进前后不同标签数量的读取准确率见图5。
3.2 阅读器与标签之间碰撞解决方法
阅读器与标签之间的碰撞是由于多个阅读器与同一个标签通信而使得读取失败。考虑到阅读器能够检测碰撞并且阅读器之间能够相互通信, 那么这个时候可采用“先侦听再通信”的方法, 即在一个阅读器试图与它周围的标签通信之前, 阅读器必须先确定它所使用的信道是空闲状态, 确定信道为空闲状态之后阅读器才能发起对标签的查询, 否则必须等待信道空闲。为了实现这种侦听在阅读器和阅读器之间设置控制通道, 控制通道被用作阅读器与阅读器之间的通信。控制通道具有以下特点:
(1) 控制通道区别于阅读器与标签之间通信的数据通道, 它采用射频网络中除用作阅读器与标签之间通信的频谱外的子频谱;
(2) 控制通道中发送的信号比数据通道的信号功率要高一些;
(3) 两阅读器在数据通道相互干扰的情况下, 它们的控制通道能够正确的通信;
(4) 控制通道上信号的传播不影响在数据通道上正进行的任何通信。
控制通道能够具有上面的特点主要是由于在控制通道上发射的功率较高的原因, 况且它使用的是数据通道之外的子频道。假定读写器能够同时接收控制通道和数据通道上的信号, 那么当一个读写器正在与射频标签通信时, 它将周期性的在控制通道里发送信息, 以广播的形式把它的通信状态告知其它的读写器。那么周围的读写器接收到这些信号就能够做出合适的判断, 从而避免造成阅读器和标签之间的碰撞问题。
通过设置控制通道, 并在控制通道上周期性的发送信号来检测周围的情况, 能够较好的降低阅读器碰撞的发生, 同时对阅读器的读写速度有很大的提高。这种方式与载波侦听多路访问机制相比较, 它能降低碰撞率2%, 提高阅读器的读写速率高达50%以上。
4 结论
对于多阅读器的防碰撞设置, 所列举的两种方式上都只需要的读写器上有较少的花费, 而数量很大的标签则完全不用参与, 这样在经济上是可行的。通过改进在性能上也有比较明显的改善, 降低了碰撞率, 从而使得读取速率和读取准确性都有了非常可观的提高。传统的阅读器碰撞解决方法常常只对其中的一种情况进行了解决, 本文从两个方面都提出了解决方法, 对于一些大的仓储中心, 读写器的数量较多, 如果能进行这样的改进的话, 对信号的读取速度, 可靠性都能得到很好的改善。
参考文献
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防碰撞系统 篇7
1 高速路防撞预警系统的总体概述
设计的高速公路防碰撞预警系统示意图如图1所示, 高速公路汽车防碰撞系统包括高速路路边装置、车载装置、高速路出入口装置, 频率设置装置, 出口装置。针对高速公路汽车行驶的每个方向设置1个通信频率, 安装一组监测汽车行驶状态的高速路装置。高速路装置应用Zigbee进行组网。每辆汽车配置一个车载装置。高速路路边装置负责接收车载装置传送过来的车辆不正常行驶信息 (主要包括事故, 故障停车、低速等信息) , 并把道路交通异常的信息通过无线方式发送至后面的高速路路边装置, 后面的路边装置能够对该方向行驶的车辆发送前方道路交通异常的信息, 达到预警作用。车载装置检测本车的行驶情况, 与路边装置有着统一的通信接口和通信机制, 可以接收和回应高速路路边装置的信息询问或预警信息。高速路出入口装置负责开启、关闭车载装置, 安装在每个辅道边的频率设置装置对车载装置进行频率设定, 达到区分两个行驶方向的车辆不会相互干扰的作用。
2 无线通信的功能要求
无线通信在整个预警系统中的作用有以下几点:
(1) 承担整个预警系统的信息传递的协调统一。涉及到车载装置、路边装置、入口和出口装置, 频率设置装置。
(1) 入口装置与车载装置的通信;入口装置用来启动车载装置的预警功能, 以达到进入高速公路时开启预警功能, 同时检测车载装置是否正常。
(2) 出口装置与车载装置的通信;出口装置用来关闭车载装置的预警功能, 以达到驶离高速公路时关闭预警功能, 从而不影响到其他路段的驾驶。
(3) 频率设置装置与车载装置的通信;在汽车驶进高速公路的时候必须根据行驶方向的不同而设定不同的通信频率, 以达到两个行驶方向的车辆内的通信互不干扰。
(4) 车载装置与路边装置的通信;当车载装置检测到自身车辆行驶不正常 (车速过低或者超速) 的时候车载装置就将车辆的异常信息发送到路边装置。
(5) 路边装置与路边装置的通信;当路边装置接收到来自于车载装置的异常信息的时候, 通过判断是低速或者超速异常后决定往预警信号是前方或者后方进行继续转发。
(2) 承担高速公路汽车防碰撞预警系统信息传递的可靠性。高速公路汽车防碰撞预警系统主要针对是行驶在高速路上的车辆, 防止汽车碰撞事故的发生, 而整个系统的设计是以通信内容的标准来衡量和判断其他车辆是否有行驶异常信息, 这样就必须涉及到数据内容以及数据格式的问题, 数据内容以及格式必须要满足必要的要求而又不能浪费, 传输的数据必须包含该有的信息包括装置类型、故障类型、节点地址。
3 无线网络拓扑通信协议
3.1 通信通道的选择与设计
IEEE802.15.4-2006指定16个通道, 它们位于2.4GHz频段之内, 步长为5 MHz, 编号为11~26。CC2530芯片的RF内核支载波频率范围是2394MHz到2507MHz。频率载波可以通过编程来设定, 位于FREQCTRL.FREQ[6:0]的7位频率字设置。
对于操作在通道k, FREQCTRL.FREQ寄存器因此设置为FREQCTRL.FREQ=11+5 (k–11) , 这些设置都是在软件中完成设置的。
针对于文章中的系统, 在高速公路上有左右两个方向行驶的车辆, 而当往左方向行驶的车辆出现故障的时候, 只是需要预警给往同方向 (左方向) 的车辆而已, 而往右方向行驶的车辆不需要预警。所以就针对往左和往右分别设置两个不一样的信道, 左边的路边装置和往左的车载装置的通信通道为A, 右边的路边装置和往→的车载装置的通信通道为B, 本系统中A设置为25通道, 即载波频率为fc1=2405+5 (25-11) =2475MHz, B设置为12通道, 即载波频率为fc1=2405+5 (12-11) =2410MHz, 这样就能达到两个方向的通信互不干扰了。
3.2 数据格式的设计
自定义数据格式如表1所述, 具体含义如下。
字节1-字节2:用于存放本节点的地址, 数据包的来源节点地址, 其中字节1存放高八位地址, 字节2存放第八位地址, 如地址0x7d2a, 则byte1=0x7d, byte2=0x2a;
字节3:规范装置的类型, 询问与应答, 故障等级和速度异常类型的信息。
Bit7-Bit5:区分此数据包是来自哪种装置类型;000:入口装置;001:出口装置;010:车载装置;011:路边装置;100:频率设置装置。
Bit4-Bit3:确定信息是询问还是应答, 或主动发送。00:询问信息;01:应答信息;10:主动发送。
Bit2-Bit0:故障等级、速度异常类型的编码, 用于车载装置向路边装置发送的信息, 以及路边装置向其它路边装置发送信息, 该信息负载主要目的是提高故障信息传输的实时性。000:车速低于安全速度;001:车速高于安全速度;010:车速低速运行时间超过设置的时间;011:车辆故障但停在辅道;100:车辆故障在一条行车道停车;101:车辆故障占用了两条行车道停车;111:车辆碰撞占用行车道。
高速公路入口处:车载装置接收到人口装置发送的字节3的内容后, 自检之后发送一个字节的信息, Bit7-Bit5, Bit4-Bit3的定义与表1的自定义数据基本格式相同, Bit2-Bit0:000:车载装置工作正常;001:车载装置工作不正常。
频率设置装置:属于向车载装置主动发送信息, 但对表1字节3的数据基本格式的Bit4-Bit3和Bit2-Bit0进行了新的定义, Bit4-Bit0定义为频率设置值。
车载装置与路边装置之间的通信, 路边装置相互之间的通信按照表1规范的格式通信。
高速公路出口装置:出口装置的通信格式只有表1字节3的数据基本格式的Bit7-Bit5为有效信息, 车载装置接收到信息, 判断是出口装置发来的信息, 自动关闭通信功能, 提醒驾驶员断开车载装置的电源。
4 软件设计
图2为车载装置主流程图, 当车载装置接收到来自于路边装置的预警信号后, 根据数据格式的编码解析出预警信号的重要信息, 是前面的低速预警或者是后方的超速预警, 而做出相应的声光预警。同时车载装置一直在检测自身车辆存不存在行驶异常的状况, 一旦异常存在则按照规定的数据格式往路边装置发送预警信息, 如果接收不到路边装置的应答信号, 继续发送。
图3为路边装置主流程图, 当路边装置接收到来自于车载装置的预警信号后, 根据数据格式的编码解析出预警信号的重要信息, 并且再次发送询问信号确认车载装置是否真的是异常行驶, 如果获得了确认, 再根据接收到的数据格式解析出必要信息, 从而对此预警信号进行转发给其他装置。
5 结束语
文章在分析自主设计的高速公路汽车防碰撞预警系统的通信要求基础之上, 应用Zigbee构建无线网络, 设计无线通信协议, 规范了该防碰撞预警系统各功能模块之间的通信格式和方式, 设计了程序流程图, 经过实验室和道路车辆运行的初步测试满足高速公路汽车防碰撞预警系统的应用要求。
摘要：文章根据自主设计的一种高速公路汽车防碰撞预警系统, 车载装置检测车辆运行状况, 判断车辆运行是否异常或有故障, 自动或手动发送信息预警, 高速公路路边装置接收车载装置的信息, 根据信息类型向该车辆行驶方向后面的路边装置发送信息, 后面的路边装置将车辆前方的交通异常状况发送给车载装置。文章中构建Zigbee无线网络, 设计无线通信协议, 规范了车载装置与路边装置, 路边装置相互之间, 车载装置与入口测试启动装置, 出口关闭装置, 通信频率设置的通信协议, 给出了程序流程图, 经过测试满足高速公路汽车防碰撞预警系统的应用要求。
关键词：高速公路,汽车防撞,Zigbee,CC2530
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防碰撞系统 篇8
射频识别技术(RFID)是一项利用无线电频率资源通过电磁耦合实现非接触自动识别技术。 射频识别系统通常由电子标签和阅读器组成,识别信息存放在电子标签中,电子标签中存放的识别信息由阅读器读出。在一些应用中,阅读器不仅可以读出存放的信息,而且还可以对应答电子标签写入数据。电子标签和阅读器之间采用双向数据交换,电子标签存储的数据信息使用对载波的负载调制方式向阅读器传送,阅读器给电子标签的命令和数据则采用载波间隙、脉冲位置调制、编码调制方法实现传送。当两个或两个以上电子标签向阅读器查询,返回信息之间会产生相互干扰,随着标签数增加,碰撞概率也随之增加,从而导致识别效率降低。
目前广泛应用于射频识别技术的防碰撞算法一般分为两类,一种是基于二进制树的搜索算法,另一种就是基于时隙随机分配的ALOHA算法。很多算法都是基于这两种算法的改进,包括自适应多叉树算法[1]、自适应动态时隙ALOHA算法[2]和标签估计算法[3]。但是针对现如今不同的RFID标准而言,由于标签数在识别过程中是未知和变化的,动态帧时隙ALOHA算法必须预先要对标签数目进行估算,然后根据估算的结果动态地调整帧长度,然而该算法对标签数估算的好坏决定了是否需要额外的存储器存储大量的数据查找表,继而增加阅读器的硬件成本,因此这里选择节约成本,同样具有较好识别效率的帧时隙ALOHA算法。
1帧时隙ALOHA的RFID防碰撞算法
帧时隙ALOHA算法FSA(Framed Slotted ALOHA)是一种随机时分多址方式的用户信息通信交互的算法。帧时隙ALOHA算法把阅读时间段分为一系列帧,而帧被分成许多时隙。每个标签会随机选一个时隙来发送自己的识别码信息。在整个帧时间内每个标签只响应一次,如图1所示。
在帧时隙ALOHA算法中,当阅读器的标签没有收到确认指令,那么这个标签会在下一个随机时间发送数据。因为时隙是随机分配的,有些针对RFID防碰撞算法的研究[4]主要通过实际的成功、空闲、碰撞时隙数与理论的成功、空闲、碰撞时隙数得出误差最小的结果来估算未知标签数。然而在RFID系统中,这种算法实际提高识别效率并不明显。大多FSA算法都是通过预设帧的时间间隔来发送数据,但是由于不同RFID标准环境下,时隙持续时间各不相同,对时隙进行优化的算法可能并不能有效地减少识别时间。考虑到上述几个问题,该文提出一种基于RFID系统的改进防碰撞算法,为解决这些问题提供了一种新途径。
2最佳帧长度
帧时隙ALOHA算法中,阅读器在向其范围内的标签发出询问信号,标签收到信息后,在一个帧周期内随机选择一个时隙向阅读器返回信息,阅读器将对成功识别的标签进行读写操作。文献[5]采用成功发送信息的时隙数与总时隙数的比值作为RFID系统的吞吐量,同样也是基于优化时隙数做出的改进。而在射频识别系统中,采取防碰撞算法的目的是为了实现多标签的读取和提高标签识别效率,所以识别延时也是算法性能的主要指标。这里引入时间吞吐量来衡量系统识别延迟。假设有在阅读器范围内的标签数为n,帧长度为F。
定义1某一帧时间吞吐量ST为成功发送信息的时隙持续时间TS与该帧总持续时间TF的比值:
对式(1)求倒数得到:
当D的值越小,时间吞吐率的ST就越大,识别效率随之越高,则根据二项式分布原理,某一个传输时隙t内选中的i个标签的概率:
只有1个标签选中时隙t的概率为:
没有任何标签选中时隙t的概率为:
两个或两个以上标签选中的概率为:
Pcollide=1-Psucceed-Pidle
那么该帧内成功发送信息时隙持续时间:
TS=T1·F·Psucceed (3)
该帧的总持续时间为:
其中Tor为阅读器发送Query指令传输时间和帧内开销时间,T0、T1、Tc分别为空闲时隙、成功时隙和碰撞时隙的持续时间,将式(3)、式(4)代入式(2)中得到:
从总体识别时间中来看,在整个标签识别过程中可以通过减少每帧中标签识别延时来实现优化目的,识别延迟越小,系统识别速度就越快。为了获得最小的识别延迟,可以对式(5)求n的导数,并令其等于零,这样可以得到在最小识别延迟条件下,帧长L与时隙时间T0,Tc和标签数n 的数学关系:
设Tor = kTc T0=λTc,代入式(6)中整理可得:
其中,w(x)是朗伯W函数w(x)=x·ex的反函数,从式(7)中可以得到最佳帧长F大小与(λ-1)/(k+1)和标签数n数学关系式。
3 标签数目估算方法
在自适应帧时隙ALOHA算法中,由于在识别过程中标签数是未知的,系统必须先估算标签数,然后对标签分组并调整帧长度。所以必须对标签数进行快速有效地估算。
3.1 FRES估计法
文献[6]中提出的FRES估算法是一种快速可靠的标签估算方法。假设读卡器发送查询指令让其作用范围内标签随机选择一个[1,L]的随机数,如果某个时隙中没有标签应答,这个时隙为空时隙;如果只有一个标签应答,则标签将被识别,称为识别时隙;如果有两个或两个以上的标签应答,则发生标签碰撞,标签无法被识别,称为碰撞时隙。设发生空时隙i事件为Xi=1,反之Xi=0,同理,设识别时隙事件为Yi,碰撞时隙事件为Zi,那么空时隙数为Nidle=∑
3.2e-Pcollide估计法
文献[7]利用碰撞时隙与未识别标签nu的关系来估算nu。首先统计上一帧的碰撞时隙数,建立了pcollide与每个时隙平均标签数
然后根据表达式计算出碰撞时隙中的平均标签数e,最终得出未识别标签nu。这种估算方法在帧产生率
3.3判决因子
设η为标签数目估算的判决因子,令
如果判决因子η小于等于45.7287时,按照e-Pcollide估计法对标签数进行估计;如果判决因子η大于45.7287时,按照碰撞估计法估算标签数。
4实验仿真与性能分析
下面通过计算机对以下四种算法进行仿真,经过推导分析所得出的时间优化时隙ALOHA算法(AOFSA),动态帧时隙ALOHA算法(DFSA),Vogt算法[8],自适应动态时隙ALOHA[2]算法(ADFSA)。ISO/IEC 18000-6[9]和ISO/IEC 15693[10]标准是目前应用较为广泛的两种RFID标准,因此采用这两种环境来比较识别延迟时间。
标签在ISO/IEC 18000-6标准和ISO/IEC 15693标准环境下平均识别延时如图3(a)和(b)所示,在ISO/IEC 18000-6标准环境下AOFSA算法随着标签数增加,标签识别延时逐渐缩短,并且在整个识别过程中都要优于其它算法。在ISO/IEC 15693标准环境下,AOFSA算法仍然在所有算法中识别延时最小,但是,当AOFSA算法在标签数大于250的时候,识别延迟呈上升趋势,进一步的分析研究表明,这主要是因为在ISO/IEC 15693标准环境下系统的最大帧长F为256。相比于Vogt 算法,如图3(a)所示,在ISO/IEC 18000-6标准环境下,随着标签数增加,VOGT算法的标签延时也逐渐增大,当标签数大于400,识别延迟要高于其它算法,因此得出VOGT算法只适用于ISO/IEC 15693标准环境下。另外,如图3(b)所示,在这两种标准的环境下,AOFSA算法都要优于ADFSA算法,并且ADFSA算法也没有考虑阅读器Query传输时间和帧内开销时间。
图4(a)和(b)分别为在ISO/IEC18000-6标准环境下,识别标签数n=500时,四种算法所需的总时隙数和碰撞时隙数比较。ADFSA算法所需总时隙数最少,AOFSA算法相对比其它算法在总时隙数相对较多,这主要是因为AOFSA算法产生空闲时隙数多于其它算法。但是如图4(b)所示,AOFSA产生碰撞时隙数是四种算法中最少的。从表1分析得出,在识别标签数相同的情况下,ISO/IEC 18000-6标准环境的碰撞时隙所需时间是空闲时隙时间三倍,ISO/IEC 15693标准环境的碰撞时隙所需时间是空闲时隙时间十倍。因此通过式(4)计算分析得出,识别相同标签数,AOFSA算法在识别所需总时间上要少于其它算法。
5结语
针对其它时隙优化防碰撞算法在ISO/IEC15693标准和ISO/IEC18000-6标准环境下存在的问题,本文提出了一种基于RFID系统的改进防碰撞算法。该算法首先通过对帧时隙ALOHA算法的分析,建立识别延迟的数学表达式,通过误差判决因子G=3.087选择e-Pcollide估算法或者碰撞估算法,提高了标签估算的效率,再对标签分组并调整帧长度。通过性能分析证明该算法能够有效缩短识别延时时间,减少了碰撞时隙,均衡地分配时隙数,达到减小整个识别过程所需时间的目的,并且还可以应用于其它基于帧时隙ALOHA协议的RFID标准。
摘要：为提高RFID电子标签被识别的效率,研究和提出一种用于RFID在识别过程中防碰撞的改进算法。通过对识别时间吞吐量的数学分析建立识别时的最佳帧长度表达式,根据误差判决因子选择合理有效的标签数估算值,并调整帧长度。通过Matlab仿真过程,表明该改进算法能够有效缩短识别延迟时间、减少了碰撞时隙和均衡分配时隙数,达到减少整个识别过程所需时间的目的,提高识别效率。研究的改进算法也能应用于其它基于帧时隙ALOHA协议的RFID标准,具有一定的参考性。
关键词：防碰撞算法,时间吞吐量,判决因子,帧时隙ALOHA算法,射频识别
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防碰撞系统 篇9
相对于计算机网络、无线电通信冲突问题, RFID系统存在一些特殊的限制:
一是标签内存和计算能力有限, 不能进行复杂的计算;
二是由于通信频率的限制, 需要尽量减少读写器与标签之间传送的信息比特数目;
三是标签间不能互相通信, 标签的发送和静止状态只能由读写器控制。
这些特殊性限制了传统网络中的许多防冲突算法在RFID系统中应用, 例如, 空分多路法、频分多路法、码分多路法在技术实施上比较困难, 对读写器和标签的要求很高, 需要支付相当的成本, 只限制在少数的特殊应用场合。在诸多防冲突算法中, 只有TDMA应用得非常广泛。时分多址技术中有两种主要的算法:二进制搜索算法和ALOHA算法。
1 二进制搜索算法
二进制碰撞算法的基本思想是将处于冲突的标签分成左右两个子集0和1, 先查询子集0, 若没有冲突, 则正确识别标签, 若仍有冲突则再分裂, 把子集0分成00和01两个子集, 依次类推, 直到识别出子集0中的所有标签, 再按此步骤查询子集1。
二进制搜索算法识别率较高, 不会出现错误判决的问题, 但时延长, 泄露的信息较多, 安全性差。
2 ALOHA算法
ALOHA (Additive Link On-line Hawaii Al gorithm) 算法最早是一种为交互计算机传输而设计的时分多路法。1968年开始研究, 最初由美国夏威夷大学应用于地面网路, 后来被设计用来建立分组无线电系统的孤立节点之间的通信, 1973年应用于卫星通信系统。
应用于RFID防碰撞的ALOHA算法是一种随机接入算法, 这种算法多采取“标签先发言”的方式, 即标签一进入读写器的阅读区域就自动向读写器发送其自身的ID, 随即标签和读写器间开始通信。
2.1 纯ALOHA算法
纯ALOHA算法的标签通过循环序列传输数据。标签数据的传输时间仅仅为循环时间的一个小片段。在第一次传输数据完成后, 标签将等待一个相对较长的时间后再次传输数据。每个标签的等待时间很小。在标签发送数据的过程中, 若有其他标签也在发送数据, 那么发生信号重叠从而导致完全冲突或部分冲突。
纯ALOHA算法发送冲突的概率很大, 因此人们对纯ALOHA算法进行了多种改进。
2.2 时隙ALOHA算法
第一种改进方法是时隙ALOHA算法 (Slotted ALOHA算法) 。这种算法在ALOHA算法的基础上把时间分成多个离散时隙, 标签只能在每个时隙的开始处才能发送数据。用于传输数据的时隙数由读写器控制, 只有当读写器分配所有的时隙后, 标签才能利用这些时隙传输数据。因此与纯ALOHA算法不同, 时隙ALOHA算法是随机的询问驱动的TDMA防冲撞算法。这样标签或成功发送或完全冲突, 避免了原ALOHA算法中的部分冲突, 使冲突期减少一半, 提高了信道的利用率。但是这种方法需要一个同步时钟以使读写器阅读区域内的所有标签的时隙同步。
2.3 帧时隙算法
虽然时隙ALOHA算法提高系统的吞吐量, 但是当大量标签进入系统时, 该算法的效率并不高, 因此又提出了帧时隙算法 (FrameSlotted ALOHA算法) 。帧时隙算法是将多个时隙打包成为一帧, 标签必须选择一帧中的某个时隙向读写器传输数据。同时隙ALOHA算法一样, 帧时隙算法也需要一个同步时钟。在此算法中, 每一帧中的时隙数是相同的且是固定的。由于读写器并不知道标签数量, 当标签数量远大于一帧中时隙数时, 一帧中的所有时隙都会发生碰撞, 读写器不能读取标签信息;当标签数远小于一帧中时隙数时, 识别过程中将有许多时隙被浪费掉。
2.4 动态帧时隙算法
鉴于以上特点, 人们又提出了动态帧时隙算法 (自适应F-S-ALOHA算法) 。动态帧时隙算法中读写器能动态增加或减少下一次阅读循环中的帧的时隙个数N, 一个帧内的时隙的数目N能随阅读区域中的标签的数目而动态改变, 或通过增加时隙数以减少帧中的冲突数目, 或通过减少空时隙数来减小N以节省时间。一般用“冲突的数目”、“成功响应的数目”和“空时隙的数目”这三个因素来决定下一次阅读循环中最佳帧的大小, 使其和未识别的标签的数量接近, 使系统的标签识别率达到最大。
2.5 ALOHA算法总结
使用纯ALOHA算法的读写器设计较简单, 适于标签数量不定的环境应用, 但这种算法存在永远无法完成识别的可能, 并且理论上信道最大利用率只有18.4%。时隙ALOHA冲突概率比纯ALOHA小, 信道利用率是它的两倍, 但是需要同步信号, 并且要求标签能计算时隙。Frame-Slotted ALOHA算法减少了每帧中标签的重复率, 但是也需要同步信号, 并且需要知道帧的大小。
3 无线门卫汽车身份识别系统防碰撞算法设计
本系统的防碰撞算法是基于标签随机延时设计的。系统的无线射频芯片采用全集成、单晶片、低功耗、多频道的FSK收发器——IA4421。
本系统的防碰撞算法如下:
3.1当多个标签进入阅读器范围的时候, 阅读器首先发言, 向所有标签发送唤醒命令, 标签被唤醒, 并且向阅读器发送确认消息。阅读器根据收到的确认消息判断是否发生冲突。
3.2若未发送冲突 (即只有一个标签处于阅读器范围内) , 则阅读器与此标签建立连接, 完成一次信息传送, 成功传送信息后, 阅读器发送灭活指令, 使该标签进入休眠状态;如果发生冲突, 阅读器向范围内的所有标签发送延时命令。
3.3标签在收到延时命令后, 立即产生一个随机延时。
3.4当延时时间到, 标签根据IA4421的数据有效性模块 (RSSI) 提供的状态来判断信道是否为空闲。
3.5若信道处于非空闲状态, 则标签再次进入随机延时状态, 并且将预先设定的延时次数计数位置“1”, 如此反复直到信道处于空闲状态;当信道处于空闲状态时, 标签首先查询延时次数计数位, 如果该位为“0”, 说明在此之前还没有其他标签与阅读器发送过信息传送, 则标签立即发送信息, 与阅读器建立连接, 完成信息传送, 成功传送信息后, 阅读器发送灭活指令, 使该标签进入休眠状态;如果延时次数计数位的值为“1”, 则说明在此之前已经有其它标签与阅读器发生过数据通信, 为了防止本标签在阅读器与其他标签通信的间隙向阅读器发送消息, 本标签将再次自动延时一个固定时长, 保证阅读器与上一标签通信完成。此次延时后判断信道状态, 若信道依旧为空, 则标签与阅读器建立连接, 完成数据通信, 但若此时信道状态为忙碌, 标签将再次进入随机延时状态。
本系统防碰撞算法流程图如图1、2。
摘要：无线门卫汽车身份识别系统采用有源RFID技术, 实现快速准确的汽车身份识别。同其它RFID系统一样, 本系统的实现重点也在于RFID防碰撞算法的实现。在此首先简单介绍了几种通信系统中常用的防碰撞算法, 然后根据RFID系统的特殊性, 总结了RFID系统经常使用的防碰撞算法的实现方法, 最后提出了本系统防碰撞算法的实现过程。
关键词：射频通信,RFID,有源标签,防碰撞
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