一種基于熱釋電感知的分散式目標(biāo)跟蹤定位系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種分散式目標(biāo)跟蹤定位系統(tǒng)及方法，屬于探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 熱釋電傳感器，全稱為熱釋電紅外傳感器（pyroelectric infrared sensor，PIR)，以非接觸方式檢測(cè)出人體輻射的紅外線能量的變化，對(duì)人體運(yùn)動(dòng)具有非常 高的敏感度，廣泛地應(yīng)用于監(jiān)控、定位等領(lǐng)域，在軍事、醫(yī)療、安防以及監(jiān)護(hù)等領(lǐng)域有著廣泛 的應(yīng)用價(jià)值。
[0003] 熱釋電傳感器的定位原理為檢測(cè)目標(biāo)噪聲、磁場(chǎng)、震動(dòng)、紅外等信號(hào)的時(shí)延、強(qiáng)度、 方位等信息，經(jīng)過(guò)信號(hào)分析處理得到目標(biāo)位置信息。在傳統(tǒng)的技術(shù)方案中，為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目 標(biāo)的完整定位和檢測(cè)，是通過(guò)密集安裝多個(gè)熱釋電傳感器的方法實(shí)現(xiàn)的，其定位原理是：根 據(jù)要定位的目標(biāo)類型將各傳感器感知域?qū)ζ矫鎺缀慰臻g劃分，編碼，當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)，CPU獲 取各傳感器輸出的開關(guān)信號(hào)（〇或者1)以此來(lái)判斷目標(biāo)位置。如圖1所示，圖1(a)為PIR 傳感器結(jié)構(gòu)，將裝有多個(gè)這樣的傳感器的陣列布局如圖1(b)，每個(gè)熱釋電傳感器檢測(cè)一定 區(qū)域，然后將感知區(qū)域進(jìn)行編碼（有目標(biāo)進(jìn)入則輸出1，否則為〇)。這種方法通過(guò)較多傳感 器協(xié)作能夠獲取高精度的目標(biāo)位置信息，單節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中需要的傳感器數(shù)量較多，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 較復(fù)雜，且感知范圍不大；更重要的是對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)，這種方式檢測(cè)效率低、檢測(cè)距 離近、重復(fù)探測(cè)頻率低，無(wú)法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的快速檢測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明公開了一種基于熱釋電感知的分散式目標(biāo)跟蹤定位系統(tǒng)及方法，通過(guò)對(duì)熱 釋電傳感器的空間排列方式、感知單元的分布進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠完整、無(wú)遺漏的高效覆 蓋被測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)對(duì)其的準(zhǔn)確定位和跟蹤。
[0005] 具體的說(shuō)，本發(fā)明是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0006] -種基于熱釋電感知的分散式目標(biāo)跟蹤定位系統(tǒng)，包括多個(gè)感知單元，相鄰的感 知單元覆蓋區(qū)域相切或相交叉重疊；每個(gè)感知單元由多個(gè)面向不同方位的熱釋電傳感器組 成，相鄰熱釋電傳感器的視場(chǎng)角部分重疊覆蓋。
[0007] 利用上述方案，當(dāng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)入同一單元的熱釋電傳感器視域范圍時(shí)，可以得到 類正弦波信號(hào)，能夠確定目標(biāo)位于熱釋電傳感器所面向方位的扇形區(qū)域，當(dāng)同一感知單元 同時(shí)有兩個(gè)或更多個(gè)傳感器輸出信號(hào)時(shí)，能夠確定目標(biāo)位于熱釋電傳感器重疊覆蓋的視場(chǎng) 扇形區(qū)域內(nèi)；通過(guò)多個(gè)感知單元的分散式布局排列，根據(jù)目標(biāo)軌跡和移動(dòng)速度調(diào)整并變化 單元之間的距離，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)范圍合理的區(qū)域劃分，得到有盲區(qū)、無(wú)盲區(qū)、重疊覆蓋式的布 局，從而準(zhǔn)確、快速追蹤目標(biāo)的位置。
[0008] 通過(guò)調(diào)整感知單元的感知半徑，可使得感知區(qū)域的劃分粗細(xì)度的變化。申請(qǐng)人通 過(guò)大量實(shí)驗(yàn)確定了感知區(qū)域劃分精度與覆蓋面積之間的關(guān)系，優(yōu)選的，所述感知單元的覆 蓋半徑為20m，感知單元為圓形布局。
[0009] 本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，當(dāng)所有的感知單元中，任意兩個(gè)感知單元的感知區(qū)域 均有交叉重疊時(shí)可以在不影響覆蓋面積的前提下實(shí)現(xiàn)最好的定位精度，因此在本發(fā)明中， 優(yōu)選的，所述感知單元的數(shù)量和覆蓋半徑使得所有感知單元的覆蓋區(qū)域均有交叉重疊。 [0010] 為了滿足上述需要，作為上述方案的優(yōu)選實(shí)現(xiàn)，所述感知單元的熱釋電傳感器覆 蓋半徑為20m，感知單元的數(shù)目為5-50個(gè)。
[0011] 在本發(fā)明中，感知單元通過(guò)熱釋電傳感器的空間排列方式的調(diào)整提高定位精度， 每個(gè)感知單元可由多個(gè)熱釋電傳感器組成，這些熱釋電傳感器面向不同方位且視場(chǎng)角不完 全重疊（也就是說(shuō)這些熱釋電傳感器非相對(duì)的面對(duì)面排列，準(zhǔn)確的說(shuō)也就是熱釋電傳感器 的排列不構(gòu)成直線或者相對(duì)平行的直線）。優(yōu)選的，每個(gè)感知單元由4個(gè)相互垂直的熱釋電 傳感器組成。
[0012] 通過(guò)調(diào)整這些熱釋電傳感器的視場(chǎng)角可以微調(diào)定位精度，降低定位誤差，作為最 優(yōu)選的情況，上述每個(gè)熱釋電傳感器視場(chǎng)角為110°，重疊覆蓋四個(gè)20°的區(qū)域。
[0013] 在此情形下，四個(gè)相互垂直的熱釋電傳感器形成感知半徑為r的圓域，當(dāng)人體目 標(biāo)進(jìn)入傳感器視域范圍時(shí)，得到類正弦波信號(hào)，能夠確定目標(biāo)位于110°扇形區(qū)域，當(dāng)感知 單元同時(shí)有兩個(gè)傳感器輸出信號(hào)時(shí)，能夠確定目標(biāo)位于20°扇形區(qū)域。
[0014] 在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明還公開了基于熱釋電感知的分散式目標(biāo)跟蹤定位方法，通過(guò) 如下方式構(gòu)建感知區(qū)域：多個(gè)面向不同方位且視場(chǎng)角不完全重疊熱釋電傳感器組成感知 單元，調(diào)整感知單元的具體和覆蓋半徑使得至少相鄰的感知單元覆蓋區(qū)域相切或相交叉重 置。
[0015] 利用上述方式構(gòu)建的感知區(qū)域能夠高精度、低誤差、高覆蓋的定位和追蹤目標(biāo)，尤 其是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置，所有感知區(qū)域感知到目標(biāo)的傳感器感知域的交集，在軌跡域中心作 為目標(biāo)軌跡點(diǎn)序列，可以跟蹤目標(biāo)。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1為傳統(tǒng)的熱釋電傳感器的定位原理，其中a為熱釋電傳感器的結(jié)構(gòu)，b為熱釋 電傳感器的排列方式和定位過(guò)程；
[0017] 圖2為本發(fā)明所用感知單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖3為調(diào)整感知單元之間的距離對(duì)感知圓周區(qū)域劃分的影響；
[0019] 圖4為不同感知單元數(shù)目所得目標(biāo)追蹤軌跡，其中，
[0020] ?軌跡域，節(jié)點(diǎn)位置，計(jì)算軌跡，。實(shí)際軌跡
[0021] 圖5為相應(yīng)于圖4的不同感知單元數(shù)目所產(chǎn)生的目標(biāo)追蹤誤差。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 在下述實(shí)施中，申請(qǐng)人結(jié)合附圖針對(duì)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的最優(yōu)方式進(jìn)行了描述以便本領(lǐng) 域技術(shù)人員能夠清楚的了解本發(fā)明的技術(shù)方案。在下述實(shí)施中所提供的感知半徑、傳感器 數(shù)目、目標(biāo)移動(dòng)速度等都是根據(jù)常見(jiàn)目標(biāo)檢測(cè)的情況所設(shè)計(jì)的。本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際 應(yīng)用的需要，相應(yīng)的調(diào)整上述數(shù)據(jù)、排列方式和布局形狀依舊屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0023] 在下述實(shí)施中，申請(qǐng)人提供了如下結(jié)構(gòu)的感知單元，由機(jī)器人裝配而來(lái)：四個(gè)相互 垂直的熱釋電傳感器，形成感知半徑為r的圓域，每個(gè)傳感器視場(chǎng)角為110°，重疊覆蓋四 個(gè)20°的區(qū)域，其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。
[0024] 調(diào)整上述熱釋電傳感器的感知半徑為20m，以四個(gè)感知單元為例，圖3-a、3-b、3_c 依次顯示了相鄰感知單元間距為20m、15m、IOm對(duì)感知區(qū)域劃分的影響。
[0025] 基于上述感知單元，采用感知單元的圓形布局對(duì)人體目標(biāo)跟蹤定位，感知單元 數(shù)量分別選5、15、30、50，布局在以（0,0)為圓心，半徑20111的圓周上，被測(cè)目標(biāo)起始點(diǎn) T(-30, -30)，速度V = lm/s，目標(biāo)方向角V = lm/s，圖4是目標(biāo)軌跡跟蹤結(jié)果，圖5給出其 相應(yīng)跟蹤誤差。
[0026] 對(duì)于目標(biāo)定位，采用如下數(shù)學(xué)算法：
[0027] 假設(shè)紅外探測(cè)系統(tǒng)S = (S1, S2, ...，Sj，由N個(gè)感知單元節(jié)點(diǎn)組成，其感知域表示 為：D、=丨??…A... !，單個(gè)感知單元節(jié)點(diǎn)Si感知域：
[0029] 其中r = r。= 30, j = 1，2, 3, 4,表示四個(gè)傳感器，（X ;，y;)為Ri的位置坐標(biāo)。
[0030] 假設(shè)目標(biāo)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)范圍時(shí)，系統(tǒng)輸出結(jié)果為：
[0032] 其中，ikle {1，2,…，N}，表示感知到目標(biāo)的機(jī)器人，jkle {1，2,3,4}，表示相應(yīng)的 傳感器，t為時(shí)間，由（4. 1)、（4.2)可以得到目標(biāo)經(jīng)過(guò)檢測(cè)范圍的軌跡域序列，記為D p = {dpl，dp2,...，dpn}，其中(^為t:時(shí)刻所有感知到目標(biāo)的傳感器感知域的交集，在此取軌跡域 中心作為目標(biāo)軌跡點(diǎn)序列，如此可以跟蹤目標(biāo)。
[0033] 當(dāng)感知節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少時(shí)，如圖4-a所示，感知區(qū)域劃分較粗略，所得軌跡域序列Dp ={dpl, dp2, . . .，dpn}中每個(gè)小區(qū)域范圍較大，在圖4-b、4-c、4_d中，感知節(jié)點(diǎn)布局的圓周內(nèi) 目標(biāo)定位精度較高，但圓周外圍，區(qū)域劃分較粗略。根據(jù)圖5所示結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在覆蓋半 徑20m、感知單元數(shù)目為30、50的情況下具有較低的定位誤差；在最優(yōu)情況下，感知節(jié)點(diǎn)均 勾布局在以（〇, 〇)為圓心，半徑20m的圓周上，相鄰節(jié)點(diǎn)之間距離：d = 23. 5114米。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于熱釋電感知的分散式目標(biāo)跟蹤定位系統(tǒng)，其特征在于包括多個(gè)感知單元， 相鄰的感知單元覆蓋區(qū)域相切或相交叉重疊；每個(gè)感知單元由多個(gè)面向不同方位的熱釋電 傳感器組成，相鄰熱釋電傳感器的視場(chǎng)角部分重疊覆蓋。2. 根據(jù)權(quán)利要求1的分散式目標(biāo)跟蹤定位系統(tǒng)，其特征在于所述感知單元的數(shù)量和覆 蓋半徑使得所有感知單元的覆蓋區(qū)域均有交叉重疊。3. 根據(jù)權(quán)利要求2的分散式目標(biāo)跟蹤定位系統(tǒng)，其特征在于所述感知單元的熱釋電傳 感器覆蓋半徑為20m，感知單元的數(shù)目為5-50個(gè)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1的分散式目標(biāo)跟蹤定位系統(tǒng)，其特征在于每個(gè)感知單元由4個(gè)相互 垂直的熱釋電傳感器組成。5. 根據(jù)權(quán)利要求4的分散式目標(biāo)跟蹤定位系統(tǒng)，其特征在于每個(gè)傳感器視場(chǎng)角為 110°，重疊覆蓋四個(gè)20°的區(qū)域。6. -種基于熱釋電感知的分散式目標(biāo)跟蹤定位方法，其特征在于通過(guò)如下方式構(gòu)建感 知區(qū)域：多個(gè)面向不同方位且視場(chǎng)角不完全重疊熱釋電傳感器組成感知單元，調(diào)整感知單 元的具體和覆蓋半徑使得至少相鄰的感知單元覆蓋區(qū)域相切或相交叉重疊。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于熱釋電感知的分散式目標(biāo)跟蹤定位系統(tǒng)以及方法，所公開的跟蹤定位系統(tǒng)包括多個(gè)感知單元，相鄰的感知單元覆蓋區(qū)域相切或相交叉重疊；每個(gè)感知單元由多個(gè)面向不同方位的熱釋電傳感器組成，相鄰熱釋電傳感器的視場(chǎng)角部分重疊覆蓋。本發(fā)明公開的基于熱釋電感知的分散式目標(biāo)跟蹤定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)的分散式布局感知定位，具有良好的定位精度和定位區(qū)域范圍。
【IPC分類】G01S5/16
【公開號(hào)】CN105044673
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510466434
【發(fā)明人】楊衛(wèi), 王澤兵, 秦麗, 張文棟, 孫喬, 劉前進(jìn), 侯爽
【申請(qǐng)人】中北大學(xué)
【公開日】2015年11月11日
【申請(qǐng)日】2015年7月31日