RFID-basierte Navigation für autonome Fahrzeuge

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1 RFID-basierte Navigation für autonome Fahrzeuge Vom Promotionsausschuss der Technischen Universität Hamburg-Harburg zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur genehmigte Dissertation von Arne Bosien aus Henstedt-Ulzburg 2012

2 1 Einleitung 1 2 Stand der Technik Allgegenwärtiges Rechnen Einsatz von RFID Leitsysteme Spurführung Navigationssysteme, freie Navigation Navigationssysteme mit RFID/Transpondern Transpondernavigation in Container Terminals RFID-Tags in Teppichen Spur in Tags hinterlassen, Virtuelle Tags Positionen in der Spur speichern Navigation für Blinde Pheromonbasierter Ansatz Einordnung geeigneter Systeme für FTS Vorteile von Transpondernavigation RFID im Hochgeschwindigkeitsbereich Verwandte RFID-Projekte 23 3 Grundlagen der RFID-Technologie Funktionsprinzip Datenübertragung vom Transponder zum Lesegerät Datenübertragung vom Lesegerät zum Transponder Klassifikation von RFID-Systemen Reichweite, Frequenz und Kopplung Energieversorgung Tag-Zustände Tag-Identifikation Inventory ALOHA (zustandslos) Binärbaum-Suche (zustandsbehaftet) Query-Tree (zustandslos) 40 I

3 3.6 Wichtige Standards: ISO und ISO Antikollisionsalgorithmen mit Query-Tree Basistechnologie Datenübertragung/Manchester-Kodierung Anwendung beim Inventory Identifizierende Masken Rekursiver Standard-Algorithmus (Algorithmus 1: stdrec) Identifizierung von zwei Tags bei einer Kollision (Algorithmus 2: twoatonce) Tag-ID-Design mit Paritätsbit Wiederholtes Inventory, Masken erinnern (Algorithmus 3: remm) 49 4 Navigation mittels wiederbeschreibbarer RFID-Tags Idee und Möglichkeiten Beschreibung des Systems Anforderungen an das Navigations-System Identifikation relevanter Parameter Einrichtung des Fahrzeugs und des RFID-Lesesystems Umgebung Anforderungen an das Navigationssystem Informationen, die dem Algorithmus zur Verfügung stehen Testumgebung Hardware Software Allgemeiner Ansatz für ein Navigationsverfahren Pfad-Folgen Inventory-/Leseprozess Folgeprozess Steuerungsprozess Allgemeiner Ansatz zum Pfad-Schreiben Inventory-Prozess Teach-Prozess Teach- und Follow-Algorithmen für zwei Reader und Kompass Ansatz Teaching Folgen Praktischer Test Weitere Möglichkeiten Benutzung von Odometrie 78 II

4 4.6.2 Rückwärts-Schreiben Benutzung von Antennen-Arrays 79 Inventory für Navigationssysteme Anforderungen an das RFID-System für eine schnelle Tag- Detektion Beispiel: Die Ermittlung eines einzelnen Tags Ermittlung vieler Tags Ermittlung von Tags in Randbereichen Verbesserung bestehender Algorithmen Leere Zweige auslassen Zur Position der Kollision springen (Algorithmus 6: JTC) Nicht mit leerer Maske starten (Algorithmus 7: Q2 bzw. Qx) Tag-IDs/Distribution berücksichtigen Speicherung von Teil-IDs für Pfadverläufe Identifizierende Maske Weitere Möglichkeiten Herausforderungen Algorithmus Vorüberlegungen Mask-storing Algorithmus (Algorithmus 8: MS) Evaluation der Algorithmen für sequentielles Inventory Tag-ID-Verteilung Balancierte Bäume mit dem Gilbert-Modell Modell für unbalancierte Bäume Detektionswahrscheinlichkeit für Tags bei inkrementierten IDs Detektion eines Tags bei synchronem Start Wiederholte Inventorys Vollständiges Inventory (2 ti nv <t R ) Vollständiges oder teilweises Inventory (tlnv <t R <2-tlnv) Teilweises Inventory (t m i < irt < tinv) Kein Inventory (t R < «min) Ш Graphische Darstellung bei einer Gleichverteilung Simulation Geschwindigkeitssimulation für verschiedene Antikollisionsalgorithmen Unbalancierte Bäume 119

5 6.3.3 Maskenspeicherung Geschwindigkeit Einfluss der Reichweite des Lesegerätes Möglichkeiten der Skalierung Wechselwirkungen zwischen Geschwindigkeit, Reichweite und Dichte Robustheit Ergebnisse Zusammenfassung Fazit Ausblick 142 A Anhang 145 Abkürzungsverzeichnis 145 Symbolverzeichnis 145 Abbildungsverzeichnis 147 IV