專利名稱：一種基于多激光雷達(dá)的行人目標(biāo)跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種行人目標(biāo)跟蹤方法，尤其是涉及一種基于多激光雷達(dá)的行人目標(biāo)跟蹤方法。本發(fā)明涉及一種基于多激光雷達(dá)的行人目標(biāo)跟蹤方法，適用于在各種公共場(chǎng)合中實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)行人在站立，步行，慢跑等運(yùn)動(dòng)模式下的跟蹤。
背景技術(shù)：
在地鐵，車站，百貨大樓等人流密集的公共場(chǎng)合中，行人流量、運(yùn)動(dòng)方向等統(tǒng)計(jì)信息能夠幫助工程設(shè)計(jì)方進(jìn)行更合理的出入口布局，設(shè)計(jì)合理的安全緊急預(yù)案等，具有巨大的商業(yè)價(jià)值。想要自動(dòng)獲得這些實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)信息，就需要對(duì)場(chǎng)景中所有行人目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的跟蹤。目前的目標(biāo)跟蹤技術(shù)主要基于攝像機(jī)等視覺(jué)傳感器，通過(guò)一定的圖像處理算法對(duì)圖像中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。然而基于圖像處理算法的跟蹤技術(shù)都對(duì)環(huán)境光照的變化比較敏感，無(wú)法適應(yīng)全天候跟蹤的要求。同時(shí)一個(gè)攝像機(jī)覆蓋的視野有限，雖然可以靠多個(gè)攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)大范圍覆蓋，但跨相機(jī)的目標(biāo)跟蹤實(shí)現(xiàn)困難，尚處于實(shí)驗(yàn)階段。相比之下，激光雷達(dá)能直接獲取目標(biāo)的距離信息，而且不受光照變化的影響。隨著應(yīng)用的逐漸廣泛，價(jià)格也逐步降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于多激光雷達(dá)的行人目標(biāo)跟蹤方法，不但跟蹤范圍大，準(zhǔn)確度高，算法速度快，而且能兼容行人的各種運(yùn)動(dòng)模式，包括站立，步行和慢跑等，能十分有效地檢測(cè)出行人的位置并實(shí)時(shí)跟蹤行人的運(yùn)動(dòng)軌跡。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是包括以下步驟(1)雷達(dá)位置的設(shè)置和系統(tǒng)標(biāo)定；(2)數(shù)據(jù)采集和融合；(3)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的聚類和腳步點(diǎn)的配對(duì)；(4)基于人體模型和卡爾曼濾波的目標(biāo)跟蹤。所述步驟(1)雷達(dá)位置的設(shè)置和系統(tǒng)標(biāo)定即將多個(gè)雷達(dá)設(shè)置在場(chǎng)景的不同位置，設(shè)置位置的選擇原則是(a)使目標(biāo)在場(chǎng)景中的任何位置都不容易被遮擋；(b)在場(chǎng)景邊緣均勻布置激光雷達(dá)，以提高目標(biāo)被檢測(cè)到的可能性，雷達(dá)掃描平面距離地面高度23 25cm，此高度保證雷達(dá)在大多數(shù)情況下都能檢測(cè)并獲得行人兩只腳的距離數(shù)據(jù)；對(duì)多個(gè)雷達(dá)的標(biāo)定是通過(guò)如下方法實(shí)現(xiàn)的在場(chǎng)景中設(shè)置一些棒狀物體，設(shè)從N個(gè)雷達(dá)中得到的第i 個(gè)棒狀物體的坐標(biāo)為
權(quán)利要求
1.一種基于多激光雷達(dá)的行人目標(biāo)跟蹤方法，其特征在于，包括以下步驟(1)雷達(dá)位置的設(shè)置和系統(tǒng)標(biāo)定；(2)數(shù)據(jù)采集和融合；(3)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的聚類和腳步點(diǎn)的配對(duì)；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多激光雷達(dá)的行人目標(biāo)跟蹤方法，其特征在于，所述步驟(1)雷達(dá)位置的設(shè)置和系統(tǒng)標(biāo)定即將多個(gè)雷達(dá)設(shè)置在場(chǎng)景的不同位置，設(shè)置位置的選擇原則是(a)使目標(biāo)在場(chǎng)景中的任何位置都不容易被遮擋；(b)在場(chǎng)景邊緣均勻布置激光雷達(dá)，以提高目標(biāo)被檢測(cè)到的可能性，雷達(dá)掃描平面距離地面高度23 25cm，此高度保證雷達(dá)在大多數(shù)情況下都能檢測(cè)并獲得行人兩只腳的距離數(shù)據(jù)；對(duì)多個(gè)雷達(dá)的標(biāo)定是通過(guò)如下方法實(shí)現(xiàn)的在場(chǎng)景中設(shè)置一些棒狀物體，設(shè)從N個(gè)雷達(dá)中得到的第i個(gè)棒狀物體的坐標(biāo)為并假設(shè)以第1個(gè)雷達(dá)的坐標(biāo)為參照坐標(biāo)，在二維平面上設(shè)第η個(gè)雷達(dá)坐標(biāo)到第1個(gè)雷達(dá)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)移矩陣&和平移量Tn為
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多激光雷達(dá)的行人目標(biāo)跟蹤方法，其特征在于，所述步驟( 數(shù)據(jù)采集和融合即通過(guò)網(wǎng)絡(luò)集線器將多個(gè)雷達(dá)采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€(gè)計(jì)算機(jī)主機(jī)上，同時(shí)記錄采集的時(shí)間；多個(gè)雷達(dá)之間的數(shù)據(jù)采集由統(tǒng)一的外同步觸發(fā)，通過(guò)采集 50幀以上幀數(shù)的數(shù)據(jù)先自動(dòng)提取出每個(gè)雷達(dá)的背景數(shù)據(jù)，背景數(shù)據(jù)的提取方法采用了直方圖法，即統(tǒng)計(jì)所采集幀中每個(gè)方向上數(shù)據(jù)點(diǎn)的距離信息，并做直方圖統(tǒng)計(jì)，出現(xiàn)頻率最高的即為該方向上的背景點(diǎn)數(shù)據(jù)，保存該背景數(shù)據(jù)，然后將同一時(shí)間采集到的各個(gè)方向上的距離數(shù)據(jù)與背景數(shù)據(jù)比較，若距離差值小于所設(shè)定的閾值量則認(rèn)為是背景點(diǎn)而去除，剩下的即是場(chǎng)景中的前景點(diǎn)即運(yùn)動(dòng)點(diǎn)；將同一時(shí)刻各個(gè)雷達(dá)獲得的前景點(diǎn)通過(guò)標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，即得到在統(tǒng)一全局坐標(biāo)系下該時(shí)刻采集到的融合后的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多激光雷達(dá)的行人目標(biāo)跟蹤方法，其特征在于，所述步驟(3)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的聚類和腳步點(diǎn)的配對(duì)即對(duì)融合得到的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)點(diǎn)，對(duì)相互距離小于第一距離閾值的點(diǎn)進(jìn)行聚類，并用類內(nèi)點(diǎn)的中心作為候選腳步的位置，然后對(duì)腳步候選點(diǎn)進(jìn)行時(shí)域和空域上的匹配，以確定某兩個(gè)候選腳步點(diǎn)是否屬于同一個(gè)行人，有兩種情況 (a)在卡爾曼濾波獲得的已有目標(biāo)的兩個(gè)腳步點(diǎn)預(yù)測(cè)位置附近搜索匹配，若本幀中的兩個(gè)候選腳步點(diǎn)分別和兩個(gè)預(yù)測(cè)位置小于第二距離閾值，則判斷兩個(gè)候選腳步點(diǎn)為已有目標(biāo)的觀測(cè)點(diǎn)；(b)若當(dāng)前候選腳步點(diǎn)未能在已有目標(biāo)中找到匹配，則屬于新目標(biāo)或者噪聲干擾點(diǎn)；然后在當(dāng)前幀中用第三距離閾值搜索未匹配的腳步候選點(diǎn)，若找到則將找到的匹配點(diǎn)聯(lián)合一起成為屬于同一個(gè)新目標(biāo)的兩個(gè)腳步點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多激光雷達(dá)的行人目標(biāo)跟蹤方法，其特征在于，所述步驟(4)基于人體運(yùn)動(dòng)模型和卡爾曼濾波的目標(biāo)跟蹤即對(duì)行人建立了運(yùn)動(dòng)模型，并根據(jù)這個(gè)模型采用卡爾曼濾波進(jìn)行目標(biāo)跟蹤 5. 1)行人模型的建立研究表明，行人的狀態(tài)分為站立、步行、慢跑，行人在步行和慢跑的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中總是有一個(gè)支撐腳，一個(gè)擺動(dòng)腳，并且兩者周期性互換，所不同的是步行時(shí)支撐腳總是不離地，并且處于靜止?fàn)顟B(tài)；而慢跑時(shí)支撐腳會(huì)離地并且會(huì)在周期內(nèi)有運(yùn)動(dòng)距離，基于以上提到的站立、步行、慢跑三種行人狀態(tài)的建模分別如下站立模式?jīng)]有生理作用力的驅(qū)動(dòng)，左右腳的速度為零，加速度也為零；force = 0,vL,k =0，vEjk = 0，aLjk = 0，aEjk = 0，(1)步行和慢跑運(yùn)動(dòng)模式支撐腳具有一個(gè)恒定不變的速度，擺動(dòng)腳具有一個(gè)恒定不變的生理作用力，分別在前半周期和后半周期產(chǎn)生一個(gè)正向和負(fù)向的大小恒定不變的生理作用力，從而對(duì)運(yùn)動(dòng)腳形成加速度；以T為兩幀之間的時(shí)間間隔，右腳為支撐腳的前半周期內(nèi) force = F, vL,k = v^^+A^t, vEjk = V, aL,k = A, aEjk = 0, (2) 右腳為支撐腳的后半周期內(nèi)force = -F, vL,k = vL,k_l+A*t，vEjk = V, aLjk = -A, aEjk = 0, (3) 左腳為支撐腳的前半周期內(nèi)force = F, vL,k = V, vEjk = νκ,Η+Α* aLjk = 0, aEjk = A, (4) 左腳為支撐腳的后半周期內(nèi)force = -F, vL,k = V, vEjk = νκ,Η+Α* aLjk = 0, aEjk = -A, (5) 式中force表示生理作用力，F(xiàn)表示行人實(shí)際產(chǎn)生的生理作用力，ν表示運(yùn)動(dòng)速度，V表示行人F作用力下產(chǎn)生的速度，a表示加速度，A表示行人在F作用力下產(chǎn)生的加速度，L表示左腳，R表示右腳，k表示第k個(gè)時(shí)刻；當(dāng)V = 0時(shí)，行人即處在步行狀態(tài)下，當(dāng)V > 0時(shí)，行人即處在慢跑狀態(tài)下； 5. 2)卡爾曼濾波跟蹤把行人的位置P和速度V當(dāng)作狀態(tài)變量，加速度A當(dāng)作系統(tǒng)的輸入量，則得到系統(tǒng)的狀態(tài)方程為
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于多激光雷達(dá)的行人目標(biāo)跟蹤方法。由多個(gè)單線激光雷達(dá)組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)整個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行監(jiān)控。每個(gè)采樣時(shí)刻雷達(dá)輸出行人的腳步點(diǎn)距離數(shù)據(jù)，不同雷達(dá)之間的數(shù)據(jù)通過(guò)系統(tǒng)標(biāo)定統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系下。建立行人的腳步運(yùn)動(dòng)模型，并通過(guò)卡爾曼濾波對(duì)行人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行跟蹤，最終獲得穩(wěn)定的目標(biāo)軌跡和相關(guān)統(tǒng)計(jì)信息。本發(fā)明以激光雷達(dá)為傳感器，克服了圖像傳感器的跟蹤方法中存在的易受光照變化影響的缺點(diǎn)，可靠性得到很大提高；不但跟蹤范圍大，算法速度快，跟蹤數(shù)量多，而且能兼容行人的各種運(yùn)動(dòng)模式，包括站立、步行、慢跑，能十分有效地檢測(cè)出行人的位置并實(shí)時(shí)跟蹤行人的運(yùn)動(dòng)軌跡。本發(fā)明適用于場(chǎng)景中的主要運(yùn)動(dòng)目標(biāo)為行人的場(chǎng)合。
文檔編號(hào)G01S17/66GK102253391SQ20111010713
公開(kāi)日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月19日
發(fā)明者羅贊豐, 項(xiàng)志宇 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)