基于熱釋電技術(shù)的靜態(tài)人體位置估計裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于熱釋電技術(shù)的靜態(tài)人體位置估計裝置和位置估計方法，所述裝置包括前端采集模塊，旋轉(zhuǎn)傳動裝置，數(shù)據(jù)處理傳輸模塊，所述的前端采集模塊包括有單孔信息調(diào)制罩，菲涅爾透鏡，熱釋電傳感器；所述的旋轉(zhuǎn)傳動裝置包括步進(jìn)電機(jī)，所述的數(shù)據(jù)處理傳輸模塊包括數(shù)據(jù)處理電路，無線傳輸電路，數(shù)據(jù)存儲電路。所述的信息調(diào)制罩用于調(diào)整人體的熱紅外入射量，所述的菲涅爾透鏡具有增大感應(yīng)距離和產(chǎn)生明暗交替的感應(yīng)區(qū)域，所述步進(jìn)電機(jī)帶動前端采集模塊在固定軸上按一定的速度和角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，所述的熱釋電傳感器將感應(yīng)的人體熱紅外能量信號經(jīng)數(shù)據(jù)處理電路處理。本發(fā)明利用多個測量的角度信息并結(jié)合成熟的定位算法對靜態(tài)人體的位置信息進(jìn)行估計，同時使用單一設(shè)備可對靜態(tài)人體的相對方位信息進(jìn)行估計。
【專利說明】基于熱釋電技術(shù)的靜態(tài)人體位置估計裝置和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于人體定位裝置，特別是一種基于熱釋電技術(shù)的靜態(tài)人體位置估計裝置和方法。
技術(shù)背景
[0002]熱釋電效應(yīng)是在自身溫度發(fā)生變化時會在自身表面產(chǎn)生過剩的熱電荷，且只對自身溫度的變化率有反應(yīng)。通俗的講熱釋電效應(yīng)就是自然界中的某些晶體受熱變化而產(chǎn)生的固有自身電極化現(xiàn)象。從本質(zhì)上講，所有的傳感器都是換能裝置，從這個意義上說熱釋電紅外傳感器是紅外輻射的光熱電轉(zhuǎn)換器，將看不見的紅外輻射能先轉(zhuǎn)換成熱能，再轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行量測。
[0003]最常見及使用最廣泛的為雙元熱釋電傳感器，雙元熱釋電傳感器具有兩個反向串聯(lián)的敏感元，具有以下特點:1、由于是兩個敏感元反向串聯(lián)，所以當(dāng)入射能量順序照射在敏感元上時，傳感器輸出的電信號是一正一負(fù)相交替的交流電壓信號，其輸出比單元熱釋電傳感器高一倍。2、由于兩個敏感元是反向串聯(lián)，對于同時入射的能量會相互抵消，可以消除環(huán)境溫度變化及太陽等固定紅外熱源引起的誤差。3、該PZT敏感元件具有壓電效應(yīng)，還可以消除因振動弓I起的檢測誤差。
[0004]人體輻射的紅外能量相當(dāng)微弱，且熱釋電傳感器的探測距離較近，一般為1-2米，因此為提高其探測靈敏度，需要在傳感器的前面加上一套光學(xué)裝置。最常見的光學(xué)裝置為菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡主要有兩方面作用，一方面人體輻射出的紅外線聚集到PIR的敏感元上，從而加大探測的距離，另一方面也能將入射的紅外線做周期的遮蔽，使PIR傳感器輸出連續(xù)信號[I]。
[0005]目前，被動式報警系統(tǒng)采用熱釋電紅外傳感器，它是基于熱釋電效應(yīng)，能以非接觸形式檢測出人體特定波長紅外輻射，有很強(qiáng)的隱蔽性，能較好地實現(xiàn)報警功能，而且在自動控制、接近開關(guān)、遙控等領(lǐng)域也有較好的應(yīng)用，現(xiàn)在已有部分基于熱釋電紅外傳感器的報警系統(tǒng)，但它們對侵入偵測范圍內(nèi)的一切運動人體進(jìn)行感應(yīng)，無法智能識別，誤報率較高[2-7]。
[0006]將PIR傳感器應(yīng)用于人體運動模式識別的研究在國內(nèi)外尚屬少見，人作為動態(tài)的分布式的紅外源是由體貌特征及步態(tài)特征所決定的，人體不同的步行運動姿態(tài)可導(dǎo)致所得PIR信號不僅時域特征有差異，并且其頻域信號在特定頻段也會產(chǎn)生差異.PIR傳感器可探測人體所輻射出的紅外線，輸出電信號.當(dāng)人體沿一定路徑運動時，紅外輻射將以唯一的方式影響PIR傳感器的探測場，進(jìn)而影響傳感器的輸出信號[8-10]。
[0007]如果再在菲涅爾透鏡前加裝一個有孔的罩子，將可以調(diào)制連續(xù)波的數(shù)目并優(yōu)化檢測到的波形，如果將孔的寬度設(shè)計的足夠小，將會得到單個波。
[0008]現(xiàn)在已有部分基于熱釋電紅外傳感器的報警系統(tǒng)，但是它們對侵入偵測范圍內(nèi)的一切運動人體進(jìn)行感應(yīng)，無法智能識別，誤報率較高，由于熱釋電紅外傳感器是通過目標(biāo)與背景的溫差來檢測目標(biāo)，對運動后靜止的人體無法感應(yīng)。
[0009]基于熱釋電傳感器運動檢測相比其它檢測的優(yōu)勢在于它只檢測從人體發(fā)出的中到長波的紅外輻射，其波長是從8到14微米且峰值在9.55微米，所以可以實時檢測人體移動情況，并可以排除其他動物或移動物體的干擾[11]。
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[0022]現(xiàn)有的人體位置估計裝置包括單個動態(tài)人體位置估計裝置，多個動態(tài)人體位置估計裝置，其不足在于:
[0023]當(dāng)人體在感應(yīng)區(qū)域靜止時，熱釋電傳感器將感應(yīng)不到變化的熱輻射源，所以不能對靜態(tài)人體進(jìn)行檢測。即，不能實現(xiàn)對靜止人體的位置信息進(jìn)行估計，也不能實現(xiàn)對靜止人體的人體紅外特征進(jìn)行識別。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0024]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的動態(tài)人體跟蹤裝置，提供一種基于熱釋電技術(shù)的靜態(tài)人體位置估計裝置和方法，以便對靜態(tài)人體相對的角度方位信息進(jìn)行精確估計，以及靜態(tài)人體的位置信息進(jìn)行精確的估計。
[0025]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0026]一種基于熱釋電技術(shù)的靜態(tài)人體位置估計裝置，包括前端采集模塊，旋轉(zhuǎn)傳動模塊和數(shù)據(jù)處理傳輸模塊，所述的前端采集模塊包括有信息調(diào)制罩，菲涅爾透鏡，熱釋電傳感器以及放大濾波電路；所述的旋轉(zhuǎn)傳動裝置包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，步進(jìn)電機(jī)和電機(jī)供電模塊；所述的數(shù)據(jù)處理傳輸模塊包括數(shù)據(jù)處理電路，無線傳輸電路，數(shù)據(jù)存儲電路以及電源電路，其特點是:所述信息調(diào)制罩安裝在菲涅爾透鏡上，所述的信息調(diào)制罩用于調(diào)整人體的熱紅外入射量，所述的菲涅爾透鏡安裝在熱釋電傳感器上，所述的菲涅爾透鏡具有增大感應(yīng)距離和產(chǎn)生明暗交替的感應(yīng)區(qū)域，所述的熱釋電傳感器將感應(yīng)的人體熱紅外能量信號輸出端與所述的放大濾波電路相連，所述的放大濾波電路輸出端與所述的數(shù)據(jù)處理傳輸模塊中的數(shù)據(jù)處理電路的輸入端相連，以便將所述的前端采集模塊采集的人體熱紅外信息進(jìn)行處理，同時將處理后的數(shù)據(jù)通過無線傳輸電路傳輸?shù)浇邮斩?網(wǎng)關(guān))，所述的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器與數(shù)據(jù)處理傳輸模塊的微控器相連，利用微控器的指令對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，可以帶動前端采集模塊并按一定的速度和角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，可采集靜態(tài)人體的熱紅外信息，所述的數(shù)據(jù)存儲電路與數(shù)據(jù)處理電路相連，用于存儲數(shù)據(jù)處理電路處理完的數(shù)據(jù)，所述的電源電路對數(shù)據(jù)采集和處理電路進(jìn)行供電，步進(jìn)電機(jī)由蓄電池供電模塊供電。所述的前端數(shù)據(jù)采集模塊通過旋轉(zhuǎn)傳動模塊，使數(shù)據(jù)采集模塊在固定的軸上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，由于相對于靜態(tài)的人體是動態(tài)的，所以可以對靜態(tài)人體熱紅外信息進(jìn)行定量獲取，與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明利用多個測量的角度信息對靜態(tài)人體的位置信息進(jìn)行估計，同時使用單一設(shè)備可對靜態(tài)人體的相對方位信息進(jìn)行估計。
[0027]所述信號調(diào)制罩有且只有一個人體熱紅外能量輸入孔，該孔可以控制人體熱紅外能量攝取量，且能調(diào)整輸入到熱釋電傳感器感應(yīng)的波形與波數(shù)，從而降低數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜度。
[0028]所述數(shù)據(jù)處理電路包括有一數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和一微控器電路，該數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸入端與前端采集模塊的放大濾波電路的輸出端相連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸出端與微控器電路的輸入端連接，這樣前端采集模塊就可以與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路分離，使采集更加方便，當(dāng)前端采集模塊出現(xiàn)故障，可簡單的進(jìn)行更換和修理操作。
[0029]所述菲涅爾透鏡為馬蹄形，所述馬蹄形菲涅爾透鏡能增加所示熱釋電傳感器的感應(yīng)范圍、形成明暗交替的感應(yīng)區(qū)，將他們進(jìn)行配合能決定熱釋電傳感器所采集的人體熱紅外波形與波數(shù)。
[0030]所述的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器與數(shù)據(jù)處理傳輸模塊的微控器相連，利用微控器的指令對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，可以帶動前端采集模塊并按一定的速度和角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并可采集靜止人體的熱紅外信息，進(jìn)而對靜態(tài)人體的相對方位角度信息進(jìn)行估計，同時利用多個裝置可實現(xiàn)對人體的位置信息進(jìn)行估計。
[0031]所述無線通信電路能和其它擁有無線通信電路的靜態(tài)人體位置估計裝置進(jìn)行組網(wǎng)。組成星型網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中心將對星型網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時統(tǒng)計和監(jiān)測。
[0032]所述的電源電路包括有電池接入電路和蓄電池接入電路，電池接入電路對數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理傳輸模塊進(jìn)行供電，蓄電池接入電路對旋轉(zhuǎn)傳動模塊進(jìn)行供電，可保證旋轉(zhuǎn)傳動模塊電壓的穩(wěn)定性。以提供對靜態(tài)人體位置估計所需的足夠的數(shù)據(jù)。
[0033]所述前端采集模塊采集的人體熱紅外信息，經(jīng)數(shù)據(jù)處理電路中的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，將單個類正弦波的人體熱紅外信息傳輸?shù)轿⒖仄麟娐?，通過微控器電路內(nèi)嵌差分運算機(jī)制，即如果差分運算結(jié)果超過先設(shè)置好的閾值，可以判斷為有人體目標(biāo)在檢測區(qū)域，在一段時間內(nèi)可以根據(jù)所采集信號的個數(shù)來估計檢測區(qū)域靜態(tài)的人數(shù)，并存儲在微控器電路中。如果需要可以將所在檢測區(qū)靜態(tài)人體熱釋電的相關(guān)數(shù)據(jù)通過無線傳輸電路，傳輸?shù)狡渌K端。
[0034]本發(fā)明還提供一種基于熱釋電技術(shù)的靜態(tài)人體位置估計裝置的位置估計方法，所述的位置估計方法包括有單個靜態(tài)人體位置估計方法和多個人體位置估計方法，所述的位置估計方法利用最小二乘法和卡爾曼濾波方法對靜態(tài)人體的位置信息進(jìn)行估計和濾波優(yōu)化；所述的最小二乘法利用多個位置估計裝置對單個靜態(tài)人體測得的相對角度，來對人體的位置信息進(jìn)行估計，然后利用卡爾曼濾波算法對測得的多個位置信息進(jìn)行優(yōu)化。
[0035]所述的最小二乘法利用多個位置估計裝置對多個靜態(tài)人體測得的相對角度，來對多個人體的位置信息進(jìn)行估計，并利用邏輯排除法對計算出的虛擬的位置信息進(jìn)行排除，最后利用卡爾曼濾波算法對估計的多個位置信息進(jìn)行優(yōu)化。
[0036]現(xiàn)有的人體熱釋電感應(yīng)技術(shù)只有開關(guān)作用，當(dāng)有動態(tài)的人體經(jīng)過感應(yīng)區(qū)域觸發(fā)感應(yīng)模塊，然后觸發(fā)其他終端例如，電燈，警報器等。而本發(fā)明能夠提供靜態(tài)人體目標(biāo)的方位信息，如果采用多個位置估計裝置，采集人體目標(biāo)的相對方位信息，通過組合計算可實現(xiàn)獲取靜態(tài)人體的位置信息。從檢測技術(shù)來看，本發(fā)明采用的硬件結(jié)構(gòu)能夠準(zhǔn)確、高效和實時地獲得檢測人體熱紅外信息。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]圖1為本發(fā)明前端采集模塊原理框圖。
[0038]圖2為本發(fā)明數(shù)據(jù)處理傳輸模塊原理框圖。
[0039]圖3為本發(fā)明旋轉(zhuǎn)傳動模塊。
[0040]圖4為本發(fā)明信號調(diào)制罩主視圖(跟蹤孔徑正視圖)。
[0041]圖5為本發(fā)明信號調(diào)制罩俯視圖。
[0042]圖6為本發(fā)明前端采集模塊電路框圖。
[0043]圖7為本發(fā)明旋轉(zhuǎn)傳動模塊模塊電路框圖。
[0044]圖8為本發(fā)明ACK機(jī)制示意圖。
[0045]圖9為本發(fā)明靜態(tài)單人體定位機(jī)制。
[0046]圖10為本發(fā)明靜態(tài)多人體定位機(jī)制。

【具體實施方式】
[0047]下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0048]本發(fā)明靜態(tài)人體位置估計裝置包括有前端采集模塊1，數(shù)據(jù)處理傳輸模塊2和旋轉(zhuǎn)傳動模塊3，如圖1所示，前端采集模塊包括信號調(diào)制罩11，菲涅爾透鏡12，熱釋電傳感器13，放大濾波電路14。如圖2所示，數(shù)據(jù)處理傳輸模塊2包括有數(shù)據(jù)處理電路24，數(shù)據(jù)存儲電路23，，無線傳輸電路22，電源電路21。如圖3所示，旋轉(zhuǎn)傳動模塊3包括電機(jī)驅(qū)動器31,電機(jī)32,電機(jī)電源33。如圖4所不，在信號調(diào)制罩中部開鑿一個寬1.5mm,長27mm的孔，該孔的作用是為了限制人體熱紅外能量的攝取量，通過該孔可以得到一個完整的類正弦波。同時把信號調(diào)制罩折成半徑為16mm的圓弧，通過這個圓弧可以將8202-6型菲涅爾透鏡固定，該菲涅爾透鏡分為兩個部分，上半部分的鏡片面積大，數(shù)量較少主要收集人體上半身的熱紅外信息，下半部分的鏡片面積較小，數(shù)量較多主要收集人體下半身的熱紅外信息，由于人體的上半身的熱紅外信息要小于下半身的熱紅外信息所以選擇這型菲涅爾透鏡。
[0049]本發(fā)明放大濾波電路14主要由TL082D型芯片組成，該芯片引腳5與熱釋電傳感器13的引腳2相連，對熱釋電傳感器的感應(yīng)電壓差進(jìn)行兩級放大，同時該芯片對放大的信息進(jìn)行濾波，放大濾波電路14對輸入給熱釋電傳感器13的電壓進(jìn)行降噪，同時濾除噪音，將有效提高數(shù)據(jù)處理傳輸模塊的計算精度和復(fù)雜度。
[0050]本發(fā)明數(shù)據(jù)處理傳輸模塊2中包括STM32微處理器，STM32微處理器采用Cortx-M7ARM內(nèi)核，工作頻率高達(dá)72MHz，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，性能突出，該處理器采用的電容網(wǎng)絡(luò)對電路進(jìn)行了濾波與降噪。
[0051]無線傳輸電路中采用NRF24L01芯片，NRF24L01芯片的引腳SDO、SDI與STM32微處理器中的PB14，PB15引腳相連作為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的傳入傳出；
[0052]所述的步進(jìn)電機(jī)為CSD5607N-P型步進(jìn)電機(jī)，該步進(jìn)電機(jī)由24v直流電源供電(蓄電池)，并與微控器相聯(lián)系，通過微控器可以對步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)和步進(jìn)角度進(jìn)行控制，即可以使用脈沖信號設(shè)置其旋轉(zhuǎn)的速度和單個進(jìn)步角度。
[0053]所述的熱釋電傳感器為D205B熱釋電傳感器，該傳感器能獲得人體熱紅外信息。同時該傳感器為雙元模式的熱釋電傳感器，即是指串聯(lián)在一起的兩個極性相反、特性一致的探測元，外部環(huán)境或自身變化在這兩個探測元上產(chǎn)生極性相反、大小相等的干擾信號將被抵消，達(dá)到了消除干擾的目的。該熱釋電傳感器具有高信噪比、高靈敏度以及低功耗等優(yōu)點
[0054]所述的調(diào)制罩為鋁制材料或塑料材料，在該信號調(diào)制罩長108mm上，寬30mm上，開寬1.5-2.0mm,長27mm的孔，如圖4所示，該孔的作用是為了限制人體的熱紅外能量，并使熱釋電傳感器只采集一個有方向的正弦波。如圖5所示，信號調(diào)制罩的前端為一個16_半圓弧度加8_的過度單元，這個結(jié)構(gòu)是為了符合菲涅爾透鏡的結(jié)構(gòu)要求。
[0055]所述的菲涅爾透鏡采用了 8001-1型菲涅爾透鏡，該菲涅爾分為兩層，上層的單元數(shù)少，下層的單元數(shù)多，擺放時，單元數(shù)少的一面朝上，單元數(shù)多的一面朝下，它可以使探測距離增大，并使感應(yīng)的波形更加有規(guī)律。
[0056]熱釋電傳感器，信號調(diào)制罩，菲涅爾透鏡按一定的順序擺放，即傳感器前擺放菲涅爾透鏡，然后在菲涅爾透鏡前擺放信號調(diào)制罩，并保證他們的中心都在一條準(zhǔn)軸線上。以保證收集信號的規(guī)整。
[0057]所述前端采集模塊電路，主要由熱釋電傳感模塊(包括熱釋電傳感器，信號調(diào)制罩，菲涅爾透鏡)，ADS1115數(shù)模轉(zhuǎn)換器和信號放大電路構(gòu)成。所述前端采集模塊電路的工作原理是:
[0058]第一:熱釋電傳感器采集到的人體熱紅外信息為模擬信息，首先對該信號進(jìn)行放大濾波處理，然后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理傳輸模塊。
[0059]第二:鋰電池(電源組模塊)分別對熱釋電傳感器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器，信號處理電路元件供電，供電分別為3.4v，5v。
[0060]所述數(shù)據(jù)處理傳輸模塊電路包括:DS1307時鐘芯片，NRF24L01無線模塊，STM32F103VET6微控制器，以及78M05和AMS1117所組成的電源組模塊。數(shù)據(jù)處理傳輸模塊電路的工作原理是:前端采集模塊采集的人體熱紅外數(shù)據(jù)，接入微控器數(shù)據(jù)入口，微控器使用閾值判斷該信號是否為有效值，如果是有效值將打包并發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，打包時將數(shù)據(jù)編碼成40個字節(jié)的格式，從左向右依次為:兩個字節(jié)的幀頭，一個字節(jié)的節(jié)點ID，兩個字節(jié)的節(jié)點編號，28個字節(jié)的數(shù)據(jù)，一個字節(jié)的校驗位，最后為兩個字節(jié)的幀尾以及四位空位。處理的結(jié)果可以通過，無線傳輸信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由于NRF24L01 —次只能發(fā)20byte的數(shù)據(jù)，所以要將編碼后的數(shù)據(jù)分為兩部分進(jìn)行打包發(fā)送，發(fā)送給網(wǎng)關(guān)上相對應(yīng)的NRF24L01無線模塊上后進(jìn)行拆包解碼，發(fā)送數(shù)據(jù)時按照順序查詢的原則對數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，因此拆包時依據(jù)幀頭和幀尾便可正確的將原來的數(shù)據(jù)進(jìn)行組裝，如果在組裝過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)部分損壞或丟失，則將這組數(shù)據(jù)丟棄，再接收下一組數(shù)據(jù)。78M05和AMS1117所組成的電源組模塊對鋰電池電源進(jìn)行穩(wěn)壓濾波，并將鋰電池的電壓值轉(zhuǎn)換為個元器件工作所需要的電壓值。
[0061]所述的旋轉(zhuǎn)傳動模塊包括CSD5607N-P步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，5相步進(jìn)電機(jī)，蓄電池，其工作原理為:利用STM32微控器對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的工作模式進(jìn)行設(shè)置，并將工作模式轉(zhuǎn)換為脈沖信號作為驅(qū)動器的輸入，當(dāng)數(shù)據(jù)采集模塊感應(yīng)到靜態(tài)人體信息時，就會將感應(yīng)的數(shù)據(jù)和步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度進(jìn)行對應(yīng)，即可得到靜態(tài)人體的相對角度。同時蓄電池對驅(qū)動器進(jìn)行持續(xù)的供電，其步進(jìn)電機(jī)的角度計算原理如下:
[0062]探測角度=量測脈沖數(shù)X步進(jìn)角=量測脈沖數(shù)X 360/旋轉(zhuǎn)一圈總步進(jìn)數(shù)
[0063]可將步進(jìn)驅(qū)動設(shè)置為一圈為200個步進(jìn)數(shù)單位，每個步進(jìn)單位對應(yīng)1.8度，由于CSD5607N-P，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器是5細(xì)分就是把1.8度再分成5次。所以經(jīng)過驅(qū)動器的電機(jī)每一步就是1.8/5 = 0.36度，所以每轉(zhuǎn)一圈就是200X5 = 1000個步進(jìn)。
[0064]所述前端采集模塊的數(shù)據(jù)處理流程是:
[0065]第一步:利用熱釋電傳感器對靜態(tài)人體熱釋電數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；
[0066]第二步:對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行放大濾波處理；
[0067]第三步:將濾波后的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化；
[0068]第四步:將數(shù)字化的信號數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理傳輸模塊中的微控器數(shù)據(jù)接收端；
[0069]所述數(shù)據(jù)處理傳輸模塊的數(shù)據(jù)處理流程是:
[0070]第一步:當(dāng)探測到人體數(shù)據(jù)時，取熱釋電數(shù)據(jù)前后50單位進(jìn)行差分運算，同時設(shè)置一個閾值，使差分結(jié)果實時與設(shè)置的閾值進(jìn)行比較。
[0071]第二步:當(dāng)實時差分結(jié)果值超過閾值時，將判斷為有人，如果沒有超過這個閾值將被判斷為沒人，并繼續(xù)查詢。
[0072]第三步:將人體的熱釋電數(shù)據(jù)以及該信號所對應(yīng)的人體方位角度信息存儲到存儲電路。
[0073]第四步:同時將靜態(tài)人體熱釋電數(shù)據(jù)和對應(yīng)的人體方位角度信息通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)(PC端)；
[0074]所述的旋轉(zhuǎn)傳動模塊數(shù)據(jù)處理流程:
[0075]第一步:利用STM32對步進(jìn)電器驅(qū)動器進(jìn)行初始化，；
[0076]第二步:提供24v電源，并啟動步進(jìn)電機(jī)，帶動數(shù)據(jù)采集模塊對靜態(tài)人體的熱釋電信息進(jìn)行采集；
[0077]第三步:將采集到的熱釋電信息與步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度進(jìn)行關(guān)聯(lián)。
[0078]第四步:將關(guān)聯(lián)的信息存儲在存儲電路，同時將該信息通過無線信道傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心(網(wǎng)關(guān))
[0079]基于熱釋電技術(shù)的靜態(tài)人體定位裝置與網(wǎng)關(guān)的
[0080]ACK (Acknowledgement)機(jī)制:
[0081]對于該裝置與網(wǎng)關(guān)間的通信，即NRF24L01間的通信，將采用自動應(yīng)答ACK機(jī)制，如圖8所示。ACK機(jī)制即接收節(jié)點(本系統(tǒng)中指網(wǎng)關(guān)節(jié)點)對接收到的每幀或者每組數(shù)據(jù)幀進(jìn)行確認(rèn)。發(fā)送節(jié)點(指靜態(tài)人體定位裝置)按照有序的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，接收節(jié)點正確接收后對收到的數(shù)據(jù)報文進(jìn)行ACK回復(fù)。此ACK幀的含義為接收方期待接收的下一幀，即當(dāng)收到的數(shù)據(jù)無誤時，接收節(jié)點將回復(fù)ACK填入接收到的數(shù)據(jù)幀序號加I的值后進(jìn)行回復(fù)，否則，回復(fù)接收到的數(shù)據(jù)幀序號。此時，會有幾種情況出現(xiàn):其一，數(shù)據(jù)接收正確；其二，數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟包現(xiàn)象；其三，發(fā)送節(jié)點無法收到ACK。
[0082]情況①為正常情況，網(wǎng)關(guān)節(jié)點正確接收到定位裝置節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)幀0，接收節(jié)點回復(fù)ACKl期待接收數(shù)據(jù)幀I。定位裝置節(jié)點收到ACKl后發(fā)送幀I。情況②為數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟包的情況，接收節(jié)點收到幀1，但是數(shù)據(jù)校驗失敗，回復(fù)原數(shù)據(jù)幀序號確認(rèn)幀即ACK1，發(fā)送節(jié)點收到ACK1，重傳幀I。情況③為鏈路故障情況，發(fā)送節(jié)點無法收到ACK。可能是數(shù)據(jù)幀無法傳送到接收節(jié)點，也可能是ACK無法達(dá)到發(fā)送節(jié)點。此時，發(fā)送節(jié)點將和情況②一樣重傳幀I。對于后兩種情況，若定位裝置節(jié)點重傳幀I累計超過10次后仍無法正確接收到ACK，則認(rèn)定接收節(jié)點無法連接，通信則被中斷。
[0083]靜態(tài)人體位置估計方法:
[0084]A:單個靜態(tài)人體位置估計方法
[0085]步驟一:將節(jié)點1，2，3所采集的人體H熱輻射信息轉(zhuǎn)換為關(guān)聯(lián)的
[0086]角度信息即:A1，A2，A3，然后通過無線信道傳輸?shù)叫畔⑻幚?br> [0087]中心(上位機(jī)PC系統(tǒng))；
[0088]步驟二:將獲取的3個角度信息通過最小二乘法，可得到人體H的位置信息；
[0089]步驟三:將得到的多組人體H的位置信息，通過卡爾曼濾波法進(jìn)
[0090]行濾波，即可獲得人體位置信息；
[0091]B:多個靜態(tài)人體位置估計方法
[0092]步驟一:將節(jié)點1，2，3所采集的人體Hl，H2的熱輻射信息轉(zhuǎn)換為
[0093]關(guān)聯(lián)的角度信息即:A1，A2，A3，BI，B2, B3，存儲到存儲電
[0094]路模塊中，然后通過無線信道傳輸?shù)叫畔⑻幚碇行?PC系統(tǒng))；
[0095]步驟二:將獲取的6個角度信息通過最小二乘法，可得到多個真實和虛擬組成的靜態(tài)人體位置信息；
[0096]步驟三:濾除由同一個節(jié)點中兩個角度組信息所構(gòu)成的位置信息；
[0097]步驟四:將得到的多組人體Hl和H2的位置信息，再通過卡爾曼濾波法進(jìn)行濾波；
[0098]步驟五:計算出估計的多個位置信息與各節(jié)點位置信息所構(gòu)成的角度信息；
[0099]步驟六:將步驟四計算出的多個角度信息與步驟一實際測量的6個角度信息進(jìn)行比較，如果在規(guī)定的誤差閾值內(nèi)，即為所需的靜態(tài)人體相對的角度信息；
[0100]步驟七:將比較結(jié)果反饋到步驟二可以估計Hl和H2真實的位置信息。
[0101]本說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于熱釋電技術(shù)的靜態(tài)人體位置估計裝置，包括前端采集模塊，旋轉(zhuǎn)傳動模塊和數(shù)據(jù)處理傳輸模塊，所述的前端采集模塊包括信號調(diào)制罩，菲涅爾透鏡，熱釋電傳感器以及放大濾波電路；所述的旋轉(zhuǎn)傳動裝置包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，步進(jìn)電機(jī)和電機(jī)供電模塊；所述的數(shù)據(jù)處理傳輸模塊包括數(shù)據(jù)處理電路，數(shù)據(jù)存儲電路，無線傳輸電路，電源電路，其特征在于:所述的信息調(diào)制罩安裝在菲涅爾透鏡上，所述的信息調(diào)制罩，調(diào)整人體的熱紅外入射量，所述的菲涅爾透鏡安裝在熱釋電傳感器上，所述的菲涅爾透鏡具有增大感應(yīng)距離和產(chǎn)生明暗交替的感應(yīng)區(qū)域，所述的熱釋電傳感器將感應(yīng)的人體熱紅外能量信號輸出端與所述的放大濾波電路相連，所述的放大濾波電路輸出端與所述的數(shù)據(jù)處理傳輸模塊中的數(shù)據(jù)處理電路的輸入端相連，以便將所述的前端采集模塊采集的人體熱紅外信息進(jìn)行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)通過無線傳輸電路傳輸?shù)浇邮斩耍龅牟竭M(jìn)電機(jī)驅(qū)動與數(shù)據(jù)處理傳輸模塊的微控器相連，利用微控器的指令對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動進(jìn)行控制，帶動前端采集模塊并按一定的速度和角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，采集靜態(tài)人體的熱紅外信息，所述的數(shù)據(jù)存儲電路與數(shù)據(jù)處理電路相連，用于存儲數(shù)據(jù)處理電路處理完的數(shù)據(jù)，所述的電源電路對數(shù)據(jù)采集和處理電路進(jìn)行供電，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動由蓄電池供電模塊供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱釋電技術(shù)的靜態(tài)人體位置估計裝置，其特征在于:所述信號調(diào)制罩設(shè)置有一個人體熱紅外能量輸入孔，所述能量輸入孔能控制人體熱紅外能量攝取量，降低數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱釋電技術(shù)的靜態(tài)人體位置估計裝置，其特征在于:所述的菲涅爾透鏡為馬蹄形，用于增加所示熱釋電傳感器的感應(yīng)范圍、形成明暗交替的感應(yīng)區(qū)并能優(yōu)化人體熱紅外能量攝取量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱釋電技術(shù)的靜態(tài)人體位置估計裝置，其特征在于:所述數(shù)據(jù)處理電路包括數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和微控器電路，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸入端與前端采集模塊的放大濾波電路的輸出端相連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸出端與微控器電路的輸入端連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱釋電技術(shù)的靜態(tài)人體位置估計裝置，其特征在于:所述無線通信電路與其它擁有無線通信電路的靜態(tài)人體位置估計裝置進(jìn)行組網(wǎng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱釋電技術(shù)的靜態(tài)人體位置估計裝置，其特征在于:所述的電源電路包括有電池接入電路和外來電源接入電路，電源電路輸出端與其他電路的電源輸入端連接，提供人體計數(shù)裝置必要的電能的同時，當(dāng)沒有外來電源輸入時，電源電路也能提供給該裝置支持較長時間的工作能量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱釋電技術(shù)的靜態(tài)人體位置估計裝置，其特征在于:所述的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動可控制旋轉(zhuǎn)的速度以便控制攝入的人體熱紅外量，同時可以設(shè)置旋轉(zhuǎn)一周的步數(shù)，以便估計相對于人體熱紅外源的角度信息。
8.利用權(quán)利要求1- 7任一項所述的基于熱釋電技術(shù)的靜態(tài)人體位置估計裝置的位置估計方法，其特征在于:所述的位置估計方法包括有單個靜態(tài)人體位置估計方法和多個人體位置估計方法，所述的位置估計方法利用最小二乘法和卡爾曼濾波方法對靜態(tài)人體的位置信息進(jìn)行估計和濾波優(yōu)化；所述的最小二乘法利用多個位置估計裝置對單個靜態(tài)人體測得的相對角度，來對人體的位置信息進(jìn)行估計，然后利用卡爾曼濾波算法對測得的多個位置信息進(jìn)行優(yōu)化；所述的最小二乘法利用多個位置估計裝置對多個靜態(tài)人體測得的相對角度，來對多個人體的位置信息進(jìn)行估計，并利用邏輯排除法對計算出的虛擬的位置信息進(jìn)行排除，最后利用卡爾曼濾波算法對估計的多個位置信息進(jìn)行優(yōu)化。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于熱釋電技術(shù)的靜態(tài)人體位置估計裝置的位置估計方法，其特征在于:所述單個靜態(tài)人體位置估計方法包括: 步驟一:將節(jié)點1，2，3所采集的人體H熱輻射信息轉(zhuǎn)換為關(guān)聯(lián)的角度信息即:A1，A2，A3，然后通過無線信道傳輸?shù)叫畔⑻幚碇行模? 步驟二:將獲取的3個角度信息通過最小二乘法，可得到人體H的位置信息； 步驟三:將得到的多組人體H的位置信息，通過卡爾曼濾波法進(jìn)行濾波，即可獲得人體位置信息。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于熱釋電技術(shù)的靜態(tài)人體位置估計裝置的位置估計方法，其特征在于:所述多個靜態(tài)人體位置估計方法包括: 步驟一:將節(jié)點1，2，3所采集的人體Hl，H2的熱輻射信息轉(zhuǎn)換為關(guān)聯(lián)的角度信息即:Al，A2，A3，BI, B2, B3，存儲到存儲電路模塊中，然后通過無線信道傳輸?shù)叫畔⑻幚碇行?；步驟二:將獲取的6個角度信息通過最小二乘法，可得到多個真實和虛擬組成的靜態(tài)人體位置信息； 步驟三:濾除由同一個節(jié)點中兩個角度組信息所構(gòu)成的位置信息； 步驟四:將得到的多組人體Hl和H2的位置信息，再通過卡爾曼濾波法進(jìn)行濾波； 步驟五:計算出估計的多個位置信息與各節(jié)點位置信息所構(gòu)成的角度信息； 步驟六:將步驟四計算出的多個角度信息與步驟一實際測量的6個角度信息進(jìn)行比較，如果在規(guī)定的誤差閾值內(nèi)，即為所需的靜態(tài)人體相對的角度信息； 步驟七:將比較結(jié)果反饋到步驟二可以估計Hl和H2真實的位置信息。
【文檔編號】G01J5/10GK104280134SQ201410549542
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月16日
【發(fā)明者】李方敏, 熊跡, 龔鳴平, 李博雅, 周萬春, 李等 申請人:武漢理工大學(xué)