UHF RFID标签在铺装与非铺装道路车辆导航中的安装方法

《Sensors》：UHF RFID Tags Installation Methods for Vehicle Navigation on Paved and Unpaved Roads

　　

该研究探讨了在恶劣道路条件下嵌入式射频识别（RFID）系统的通信性能。表面贴装RFID标签可用于车辆引导，但在多雪地区易受除雪作业损坏。为此，研究人员将RFID标签埋设于路面下方，并评估了30°安装角对通信性能的影响。在沥青埋设采用适宜安装角的基础上，研究人员进一步针对非铺装道路展开研究，此类路面上标签稳定性受水流与土壤位移影响。为提升耐久性，研究人员将RFID标签通过聚氯乙烯（PVC）管支架固定于土工格室（geocell）加筋结构上，其通信性能与沥青埋设方案相当。为进一步简化安装，研究人员探究了基于混凝土砌块的埋设方案。结果表明，砾石混凝土与砂浆混凝土砌块产生显著电磁衰减，导致通信距离下降；因此研究人员开发了在市售混凝土砌块内嵌PVC管、孔洞填筑碎石的混合设计。该设计在简化安装的同时，实现了可靠车辆导航所需的通信距离，并可应用于无土工格室加筋的自然土非铺装道路。

研究背景与问题提出

在北海道等多雪山区，自动驾驶与辅助驾驶面临重 snowfall、whiteout 与复杂地形挑战，全球导航卫星系统（GNSS）受遮挡与多径效应影响，激光雷达（LiDAR）与相机在雪片干扰下性能退化。既有电磁诱导与磁标记系统精度高但依赖专用设施且多用于铺装路。前期研究证实被动式超高频（UHF）RFID标签埋于铺装路下、车载天线检测可实现车道级定位，且30°倾角可提供足够通信距离；四天线系统已在积雪环境验证。然而将技术扩展至非铺装路时，降雨、水流、冻融与车载循环荷载引起路基变形，导致埋设标签位姿漂移，而被动UHF RFID通信高度依赖安装几何。前期PVC管支架+土工格室方案虽可行，但需专用加筋、绑扎对齐，施工复杂。研究人员因此探索以混凝土砌块集成埋设，简化安装并保持通信与力学稳定。

主要关键技术方法

研究沿用G2-Stick 1Holl M4QT被动UHF RFID标签（EPC C1 Gen2，860–960 MHz，IP67），车载四枚Times-7 A5010圆极化天线横向间距0.40 m、倾角30°、距地0.40 m，接Impinj Speedway R420读写器（916.8–920.4 MHz）。标签埋深车道中心、间距2.0 m、倾角30°。通信距离采用带网格 plywood 平台逐点移动天线框测得，重复4–5次；几何分析以天线高0.40 m、标签30°倾角作三角推算；实车试验在50 m自然非铺装路（无土工格室）埋设25块半尺寸市售混凝土砌块（间距约2 m），由四名驾驶员自左/中/右起步各3次，对比前期PVC支架方案，季节覆盖冬（积雪约0.2 m、?4 ℃）、春（8 ℃晴）、夏（阴有小雨）条件。

研究结果

1. 3.
   系统概述：保留铺装路验证过的硬件、天线几何、30°倾角与目标侧向通信距离0.75–0.85 m，作为后续嵌入结构独立评估基线；积雪0.2 m层下通信距离无变化。
2. 4.
   非铺装路RFID通信维持挑战：地理格室+PVC支架可维持30°但依赖加筋；砂浆混凝土砌块（水泥+砂+水，内嵌同径PVC管）与砾石混凝土砌块（加粗骨料）虽取消支架，但密实胶凝材料衰减严重。
3. 5.
   通信距离测量结果：砂浆块在30 dBm下通信范围最小，砾石块略增但仍低于导航阈值；全尺寸市售块（空心填5号碎石）27 dBm、半尺寸块24 dBm方达近目标范围（半尺寸纵向略小但够用），说明空心结构+碎石降低衰减，且可用降功率抑制过大多重探测。
4. 6.
   通信距离几何分析：以天线0.40 m高、标签30°作三角计算，全尺寸纵向距离大于半尺寸，横向两者同宽且几何通路全程在砌块内不经周围土体；测算值与研究实测吻合，证明自然土环境侧向波导主要受砌块控制。
5. 7.
   驾驶实验结果：半尺寸市售块在无土工格室自然非铺装路冬/春/夏均完成引导，最大横向轨迹偏差约0.21 m、平均偏差高于PVC支架但仍在车道内；偏差主因手动埋设标签中线偏移而非系统失效；通信表现与PVC支架相当。
6. 8.
   讨论：密实砂浆衰减最强，砾石仅微改善，市售空心块最接近理想范围；天线输出功率须协同嵌入结构调节以防过大范围损及定位精度；半尺寸块省去PVC支架与格室、利于临时林道等场景；积水介电损耗为限，后续需防水封装；20 km/h下半尺寸块通信窗约129.6 ms可支撑约142次读写，四天线切换75 ms内可全覆盖。
7. 9.
   结论（译）：本研究针对非铺装路车辆导航评估多种RFID埋设法。砂浆块衰减大、砾石块仍不足；市售混凝土块（尤其半尺寸）通信距离近理想值且几何推算与实测一致；半尺寸块兼顾通信与施工简便，实车在积雪非铺装路无偏出车道，可拓展至无土工格室自然土路，为临时路、林道提供耐久简化方案。

该文发表于《Sensors》，意义在于将铺装路UHF RFID导航实证推进至非铺装、积雪、无加筋环境，给出可采购砌块+PVC管+碎石孔腔的低成本埋设标准，免去专用格室与绑扎工序，并以降功率匹配30°倾角标签，解决被动RFID在胶凝材料中衰减的核心矛盾。