一種基于雙目識別與電子鼻網(wǎng)絡(luò)氣體檢測的融合定位技術(shù)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于雙目識別與電子鼻網(wǎng)絡(luò)氣體檢測的融合定位技術(shù)，屬于氣體泄漏源定位檢測領(lǐng)域。包括以下步驟：首先由電子鼻網(wǎng)絡(luò)根據(jù)煙羽模型融合各節(jié)點(diǎn)濃度信息初步確定氣源位置。同時(shí)雙攝像頭由兩幅圖像對應(yīng)點(diǎn)視差值得到深度信息，由環(huán)境的三維輪廓得出氣源位置。中心機(jī)收到嗅覺和視覺定位信息后，基于給定參數(shù)對兩者進(jìn)行融合?；谝曈X和嗅覺兩種傳感器的局部估計(jì)，建立相應(yīng)的誤差協(xié)方差矩陣得出總均方誤差二次函數(shù),由多元函數(shù)極值理論求出最小總均方誤差對應(yīng)的加權(quán)因子，建立最優(yōu)自適應(yīng)加權(quán)融合算法模型并算出準(zhǔn)確的位置信息。本發(fā)明結(jié)合嗅覺定位和視覺定位，有效減少氣體泄漏源的定位誤差，提高氣源定位的精度和可靠性。
【專利說明】一種基于雙目識別與電子鼻網(wǎng)絡(luò)氣體檢測的融合定位技術(shù)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氣體泄漏源定位檢測領(lǐng)域，涉及一種基于改進(jìn)的自適應(yīng)加權(quán)融合算法，將嗅覺定位和視覺定位相結(jié)合以得出更加準(zhǔn)確的氣源位置信息的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展使人們工作生活中可能接觸到的有害氣體種類、數(shù)量日益增多。有害氣體一旦發(fā)生泄漏事故又不能得到快速定位與處理的話，不但對周圍環(huán)境和設(shè)備等造成巨大危害，也對人類的安全與健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。目前，氣體源定位方法主要有基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的氣體泄漏檢測系統(tǒng)，研究方法主要是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的信號強(qiáng)度，大量分布于不同監(jiān)控區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)能夠測量出節(jié)點(diǎn)自身所處位置環(huán)境的氣體濃度信息。通過融合這些傳感器節(jié)點(diǎn)測量的信息可實(shí)時(shí)監(jiān)測、分類并判斷，從而快速定位氣味源位置。
[0003]但是，基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的氣味源定位也面臨一些問題:
[0004](I)基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的氣味源預(yù)估定位算法對煙羽分布模型依賴性較大，模型的變化往往會(huì)帶來較大的定位誤差；
[0005](2)光靠嗅覺感知而無其他感知系統(tǒng)進(jìn)行二次確認(rèn)，在一些場合及特定環(huán)境下定位精度低，不能得到更加精確的測量值；
[0006]隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛運(yùn)用，人們對它的可靠性指標(biāo)要求越來越高，并且對某些特殊領(lǐng)域如火源報(bào)警，精度要求則更高。從而要求人們引入新的技術(shù)和方法，進(jìn)一步提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性。
[0007]而近年來，立體視覺逐漸成為計(jì)算機(jī)視覺中的一個(gè)研究廣泛的關(guān)鍵性問題，它的目標(biāo)是通過單個(gè)或兩個(gè)以上的攝像機(jī)來獲取拍攝物體的深度信息，將其使用在氣體監(jiān)控區(qū)域，可以為氣體泄漏源位置的二次確認(rèn)提供可能性。雙目立體視覺是其中的一種重要形式，它利用成像設(shè)備從左右兩個(gè)不同角度獲取被測物體的兩幅圖像，計(jì)算兩幅圖像之間對應(yīng)點(diǎn)的位置偏差，獲得視差圖(Disparity Map)，然后根據(jù)視差圖來構(gòu)建物體的三維幾何信息。雙目視覺的精度比單目高，而效率則比多目高。它的主要步驟是通過兩臺攝像機(jī)從不同角度拍攝同一物體，根據(jù)兩張圖像重構(gòu)出問題的三維信息。雙目視覺技術(shù)首先計(jì)算兩幅二維圖像之間的點(diǎn)對匹配關(guān)系，將兩幅圖像上對應(yīng)空間中同一個(gè)點(diǎn)的像點(diǎn)匹配起來，隨后建立世界坐標(biāo)和圖像坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換矩陣，即相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，這也是相機(jī)標(biāo)定的任務(wù)。最后綜合以上所有的信息，計(jì)算出物體的三維信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種將雙目識別與電子鼻網(wǎng)絡(luò)氣體檢測相結(jié)合的融合定位技術(shù)，該方法結(jié)合了視覺傳感器提供的豐富的環(huán)境信息，對氣體泄漏源的三維坐標(biāo)進(jìn)行再確認(rèn)，兼顧每個(gè)傳感器的局部估計(jì)，按照一定的原則給每個(gè)傳感器定制加權(quán)因子，最后加權(quán)綜合所有的局部估計(jì)得到全局系統(tǒng)估計(jì)，提高了定位精度。并利用無線通信模塊，將數(shù)據(jù)的采集和處理分開，用數(shù)據(jù)處理能力更強(qiáng)的處理器執(zhí)行復(fù)雜的算法，進(jìn)一步解決計(jì)算量大的問題，提高實(shí)時(shí)性。
[0009]基于雙目識別與電子鼻網(wǎng)絡(luò)氣體檢測的融合定位系統(tǒng)，包括以下模塊:氣體濃度采集模塊(電子鼻節(jié)點(diǎn))；氣體位置融合模塊；傳感器圖像采集模塊(雙攝像頭)；圖像對準(zhǔn)融合模塊；無線通信模塊；中心計(jì)算機(jī)；存儲模塊；顯示模塊；數(shù)據(jù)庫，其中中心計(jì)算機(jī)與存儲模塊、無線通信模塊、顯示模塊相連。
[0010]基于雙目識別與電子鼻網(wǎng)絡(luò)氣體檢測的融合定位技術(shù)，它包含以下步驟:
[0011]步驟一:將已經(jīng)獲取的嗅覺定位信息與視覺定位信息通過無線通信模塊傳送給中心計(jì)算機(jī)融合模塊；
[0012]步驟二:基于預(yù)設(shè)的參數(shù)，對無線傳感器融合得到的位置信息與雙目視覺圖像融合得到的位置信息進(jìn)行比較判斷，若誤差較小則以前者為準(zhǔn)，即取多傳感器中性能最優(yōu)(誤差協(xié)方差最小)的傳感器直接作為系統(tǒng)全局估計(jì)；
[0013]步驟三:若誤差較大，根據(jù)視覺和嗅覺兩種傳感器的局部估計(jì)和相應(yīng)的誤差協(xié)方差矩陣，得出總均方誤差關(guān)于各加權(quán)因子的多元二次函數(shù)，根據(jù)多元函數(shù)求極值理論，可求出總均方誤差最小時(shí)所對應(yīng)的加權(quán)因子，建立新的加權(quán)融合算法模型，即最優(yōu)自適應(yīng)加權(quán)融合算法模型；
[0014]步驟四:利用改進(jìn)后的自適應(yīng)加權(quán)融合算法，對無線傳感器融合得到的定位信息與雙目視覺圖像融合得到的定位信息進(jìn)行再融合，得到全局系統(tǒng)估計(jì)的位置信息；
[0015]步驟五:將最終的位置信息通過中心計(jì)算機(jī)傳送到顯示屏進(jìn)行顯示，以便用戶及時(shí)采取應(yīng)急措施，并在存儲模塊將位置信息存入數(shù)據(jù)庫，以便后期的搜索與整理。
[0016]本發(fā)明的有益技術(shù)效果為:本發(fā)明可以充分利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域大，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)快，工作時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合了雙目識別技術(shù)再次確認(rèn)氣體泄漏源的三維坐標(biāo)，將兩種定位信息比較后進(jìn)行最優(yōu)自適應(yīng)加權(quán)融合，由比較可知，該方法融合效果明顯優(yōu)于最優(yōu)單傳感器融合法、等權(quán)因子加權(quán)法，有效地減少了單獨(dú)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位的誤差，提高了氣源定位的精度和可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行說明:
[0018]圖1為本發(fā)明所述基于雙目識別與電子鼻網(wǎng)絡(luò)氣體檢測的融合定位技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0019]圖2為本發(fā)明所述基于雙目識別與電子鼻網(wǎng)絡(luò)氣體檢測的融合定位技術(shù)的系統(tǒng)流程圖；
[0020]圖3為本發(fā)明所述基于雙目識別與電子鼻網(wǎng)絡(luò)氣體檢測的融合定位技術(shù)的場景模擬圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021 ] 下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0022]圖1為本發(fā)明所述基于雙目識別與電子鼻網(wǎng)絡(luò)氣體檢測的融合定位技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，包括以下模塊:氣體濃度采集模塊(電子鼻節(jié)點(diǎn))；氣體位置融合模塊；傳感器圖像采集模塊(雙攝像頭)；圖像對準(zhǔn)融合模塊；無線通信模塊；中心計(jì)算機(jī)；存儲模塊；顯示模塊；數(shù)據(jù)庫，其中中心計(jì)算機(jī)與存儲模塊、無線通信模塊、顯示模塊相連。利用無線通信模塊，將嗅覺定位信息和視覺定位信息傳送至中心計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)融合處理子系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)處理中心機(jī)上通過兩種傳感器的位置信息的比較判斷后利用改進(jìn)的自適應(yīng)加權(quán)融合算法，能夠改善最優(yōu)單傳感器融合法、等權(quán)因子加權(quán)算法的性能，有效地減少了算法的誤差，提高了泄漏氣體定位的精度和可靠性。
[0023]圖2為本發(fā)明所述基于雙目識別與電子鼻網(wǎng)絡(luò)氣體檢測的融合定位技術(shù)的系統(tǒng)流程圖，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0024](I)考慮在某一布設(shè)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的空間區(qū)域發(fā)生了氣體泄漏，在氣體的擴(kuò)散過程中，大量分布于不同監(jiān)控區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)能檢測到氣體變化，測量出節(jié)點(diǎn)自身所處位置環(huán)境的濃度信息。
[0025](2)各個(gè)節(jié)點(diǎn)相互通信和協(xié)作，對氣體進(jìn)行識別和氣體泄漏源的初步融合定位，將其中一個(gè)點(diǎn)作為融合中心，對區(qū)域內(nèi)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)得到的位置進(jìn)行融合，根據(jù)實(shí)際情況選用合適的模型(如煙羽模型)模擬氣體的擴(kuò)散情況，處理測量模型，將模型線性化，然后利用估計(jì)方法估算出氣體泄漏源的位置Xl。
[0026](3)監(jiān)控區(qū)域周圍的雙攝像頭從左右兩個(gè)不同角度獲取氣體泄漏源的兩幅圖像，并在基于攝像頭的底層圖像處理節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)圖像處理與對準(zhǔn)融合。根據(jù)雙目立體視覺識別原理，首先計(jì)算兩幅二維圖像之間的點(diǎn)對匹配關(guān)系，將兩幅圖像上對應(yīng)空間中同一個(gè)點(diǎn)的像點(diǎn)匹配起來，計(jì)算兩幅圖像之間對應(yīng)點(diǎn)的位置偏差，獲得視差圖，然后根據(jù)視差圖來獲取拍攝物體的深度信息，構(gòu)建物體的三維幾何信息，隨后建立世界坐標(biāo)和圖像坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換矩陣，最后綜合以上所有的信息，計(jì)算出由視覺傳感器獲得的氣體泄漏源位置x2。
[0027](4)將已經(jīng)獲取的嗅覺定位信息X1與視覺定位信息X2通過無線通信模塊傳送給中心計(jì)算機(jī)融合模塊。
[0028](5)基于預(yù)設(shè)的參數(shù)ξ (接近于O的正數(shù))，對無線傳感器融合得到的定位信息與雙目視覺圖像融合得到的定位信息進(jìn)行比較判斷，若IX1-X2I ( ξ，則說明電子鼻網(wǎng)絡(luò)定位誤差較小，以之為準(zhǔn)，即取多傳感器中性能最優(yōu)(誤差協(xié)方差最小)的傳感器直接作為系統(tǒng)全局估計(jì)。
[0029](6)若I X1-X21 > ξ，則說明定位誤差較大，舍棄最優(yōu)單傳感器融合法，根據(jù)視覺和嗅覺兩種傳感器的局部估計(jì)和相應(yīng)的誤差協(xié)方差矩陣，得出總均方誤差關(guān)于各加權(quán)因子的多元二次函數(shù)，根據(jù)多元函數(shù)求極值理論，可求出總均方誤差最小時(shí)所對應(yīng)的加權(quán)因子，建立新的加權(quán)融合算法模型，即最優(yōu)自適應(yīng)加權(quán)融合算法模型。
[0030](7)利用改進(jìn)后的自適應(yīng)加權(quán)融合算法，對無線傳感器融合得到的定位信息與雙目視覺圖像融合得到的定位信息進(jìn)行再融合，得到全局系統(tǒng)估計(jì)的位置信息2。
[0031](8)將最終的位置信息f通過中心計(jì)算機(jī)傳送到顯示屏進(jìn)行顯示，以便用戶及時(shí)采取應(yīng)急措施，并在存儲模塊將位置信息存入數(shù)據(jù)庫，以便后期的搜索與整理。
[0032]本發(fā)明提出的自適應(yīng)加權(quán)融合定位算法詳細(xì)推導(dǎo)步驟如下:
[0033](I)假設(shè)融合系統(tǒng)中只有兩個(gè)傳感器，即將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和雙目識別系統(tǒng)分別設(shè)為單獨(dú)的嗅覺傳感器M1和視覺傳感器M2 ；[0034](2)假定對于同一氣源目標(biāo)，傳感器乂和仏的局部估計(jì)和相應(yīng)的誤差協(xié)方差矩陣分別為:= 1，2)。假定為:是無偏估計(jì)，且兩個(gè)傳感器局部估計(jì)誤差V = V -為(/= 1,2)之間互不相關(guān)；
[0035](3)設(shè)各傳感器M1, M2的加權(quán)因子分別為W1, W2,則融合后的i值和加權(quán)因子滿足:
【權(quán)利要求】
1.一種基于雙目識別與電子鼻網(wǎng)絡(luò)氣體檢測的融合定位系統(tǒng)，其特征在于:包括以下模塊:模塊一:氣體濃度采集模塊(電子鼻節(jié)點(diǎn))；模塊二:氣體位置融合模塊；模塊三--傳感器圖像采集模塊(雙攝像頭)；模塊四:圖像對準(zhǔn)融合模塊；模塊五:無線通信模塊；模塊六:中心計(jì)算機(jī)；模塊七:存儲模塊；模塊八:顯示模塊；模塊九:數(shù)據(jù)庫。
2.一種基于雙目識別與電子鼻網(wǎng)絡(luò)氣體檢測的融合定位系統(tǒng)，其特征在于:包括以下數(shù)據(jù)處理步驟: 步驟一:基于預(yù)設(shè)的參數(shù)，對無線傳感器融合得到的位置信息與雙目視覺圖像融合得到的位置信息進(jìn)行比較判斷，若誤差較小則以前者為準(zhǔn)，即取多傳感器中性能最優(yōu)(誤差協(xié)方差最小)的傳感器直接作為系統(tǒng)全局估計(jì)； 步驟二:若誤差較大，根據(jù)視覺和嗅覺兩種傳感器的局部估計(jì)和相應(yīng)的誤差協(xié)方差矩陣，得出總均方誤差關(guān)于各加權(quán)因子的多元二次函數(shù)，根據(jù)多元函數(shù)求極值理論，可求出總均方誤差最小時(shí)所對應(yīng)的加權(quán)因子，建立新的加權(quán)融合算法模型，即最優(yōu)自適應(yīng)加權(quán)融合算法模型； 步驟三:利用改進(jìn)后的自適應(yīng)加權(quán)融合算法，對無線傳感器融合得到的定位信息與雙目視覺圖像融合得到的定位信息進(jìn)行再融合，得到全局系統(tǒng)估計(jì)的位置信息，并用于顯示與儲存。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙目識別與電子鼻網(wǎng)絡(luò)氣體檢測的融合定位系統(tǒng)，其特征在于:將電子鼻網(wǎng)絡(luò)與雙目識別系統(tǒng)同時(shí)使用在氣體源檢測中，將嗅覺定位和視覺定位相結(jié)合，并利用無線通信模塊，將數(shù)據(jù)的采集和處理分開，用數(shù)據(jù)處理能力更強(qiáng)的處理器執(zhí)行復(fù)雜的算法。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于雙目識別與電子鼻網(wǎng)絡(luò)氣體檢測的融合定位系統(tǒng)，其特征在于:步驟一所述的比較判斷算法結(jié)合了最優(yōu)單傳感器融合法，在電子鼻網(wǎng)絡(luò)定位誤差較小時(shí)用多個(gè)傳感器中均方誤差最小的傳感器作融合估計(jì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于雙目識別與電子鼻網(wǎng)絡(luò)氣體檢測的融合定位系統(tǒng)，其特征在于:步驟二所述的改進(jìn)后的自適應(yīng)加權(quán)融合估計(jì)算法，兼顧每個(gè)傳感器的局部估計(jì)，按照一定的原則給每個(gè)傳感器定制加權(quán)因子，最后加權(quán)綜合所有的局部估計(jì)得到全局系統(tǒng)估計(jì)。
【文檔編號】G06F19/00GK104007240SQ201410263757
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】魏善碧, 姚聰, 林哲明, 陸震宇, 倪政, 唐建 申請人:重慶大學(xué)