一種基于熱釋電感知的分散式目標跟蹤定位系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種分散式目標跟蹤定位系統(tǒng)及方法，屬于探測技術領域。
【背景技術】
[0002] 熱釋電傳感器，全稱為熱釋電紅外傳感器（pyroelectric infrared sensor，PIR)，以非接觸方式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，對人體運動具有非常 高的敏感度，廣泛地應用于監(jiān)控、定位等領域，在軍事、醫(yī)療、安防以及監(jiān)護等領域有著廣泛 的應用價值。
[0003] 熱釋電傳感器的定位原理為檢測目標噪聲、磁場、震動、紅外等信號的時延、強度、 方位等信息，經(jīng)過信號分析處理得到目標位置信息。在傳統(tǒng)的技術方案中，為了實現(xiàn)運動目 標的完整定位和檢測，是通過密集安裝多個熱釋電傳感器的方法實現(xiàn)的，其定位原理是：根 據(jù)要定位的目標類型將各傳感器感知域?qū)ζ矫鎺缀慰臻g劃分，編碼，當目標運動時，CPU獲 取各傳感器輸出的開關信號（〇或者1)以此來判斷目標位置。如圖1所示，圖1(a)為PIR 傳感器結構，將裝有多個這樣的傳感器的陣列布局如圖1(b)，每個熱釋電傳感器檢測一定 區(qū)域，然后將感知區(qū)域進行編碼（有目標進入則輸出1，否則為〇)。這種方法通過較多傳感 器協(xié)作能夠獲取高精度的目標位置信息，單節(jié)點設計中需要的傳感器數(shù)量較多，設計結構 較復雜，且感知范圍不大；更重要的是對于運動目標的檢測，這種方式檢測效率低、檢測距 離近、重復探測頻率低，無法進行運動目標的快速檢測。

【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跟蹤定位系統(tǒng)及方法，通過對熱 釋電傳感器的空間排列方式、感知單元的分布進行了優(yōu)化設計，能夠完整、無遺漏的高效覆 蓋被測目標的運動軌跡，實現(xiàn)對其的準確定位和跟蹤。
[0005] 具體的說，本發(fā)明是通過如下技術方案實現(xiàn)的：
[0006] -種基于熱釋電感知的分散式目標跟蹤定位系統(tǒng)，包括多個感知單元，相鄰的感 知單元覆蓋區(qū)域相切或相交叉重疊；每個感知單元由多個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角部分重疊覆蓋。
[0007] 利用上述方案，當運動目標進入同一單元的熱釋電傳感器視域范圍時，可以得到 類正弦波信號，能夠確定目標位于熱釋電傳感器所面向方位的扇形區(qū)域，當同一感知單元 同時有兩個或更多個傳感器輸出信號時，能夠確定目標位于熱釋電傳感器重疊覆蓋的視場 扇形區(qū)域內(nèi)；通過多個感知單元的分散式布局排列，根據(jù)目標軌跡和移動速度調(diào)整并變化 單元之間的距離，實現(xiàn)對監(jiān)測范圍合理的區(qū)域劃分，得到有盲區(qū)、無盲區(qū)、重疊覆蓋式的布 局，從而準確、快速追蹤目標的位置。
[0008] 通過調(diào)整感知單元的感知半徑，可使得感知區(qū)域的劃分粗細度的變化。申請人通 過大量實驗確定了感知區(qū)域劃分精度與覆蓋面積之間的關系，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] 本領域技術人員可以理解，當所有的感知單元中，任意兩個感知單元的感知區(qū)域 均有交叉重疊時可以在不影響覆蓋面積的前提下實現(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。
[0011] 在本發(fā)明中，感知單元通過熱釋電傳感器的空間排列方式的調(diào)整提高定位精度， 每個感知單元可由多個熱釋電傳感器組成，這些熱釋電傳感器面向不同方位且視場角不完 全重疊（也就是說這些熱釋電傳感器非相對的面對面排列，準確的說也就是熱釋電傳感器 的排列不構成直線或者相對平行的直線）。優(yōu)選的，每個感知單元由4個相互垂直的熱釋電 傳感器組成。
[0012] 通過調(diào)整這些熱釋電傳感器的視場角可以微調(diào)定位精度，降低定位誤差，作為最 優(yōu)選的情況，上述每個熱釋電傳感器視場角為110°，重疊覆蓋四個20°的區(qū)域。
[0013] 在此情形下，四個相互垂直的熱釋電傳感器形成感知半徑為r的圓域，當人體目 標進入傳感器視域范圍時，得到類正弦波信號，能夠確定目標位于110°扇形區(qū)域，當感知 單元同時有兩個傳感器輸出信號時，能夠確定目標位于20°扇形區(qū)域。
[0014] 在此基礎上，本發(fā)明還公開了基于熱釋電感知的分散式目標跟蹤定位方法，通過 如下方式構建感知區(qū)域：多個面向不同方位且視場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，尤 其是運動目標的位置，所有感知區(qū)域感知到目標的傳感器感知域的交集，在軌跡域中心作 為目標軌跡點序列，可以跟蹤目標。
【附圖說明】
[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構，b為熱釋 電傳感器的排列方式和定位過程；
[0017] 圖2為本發(fā)明所用感知單元的結構示意圖；
[0018] 圖3為調(diào)整感知單元之間的距離對感知圓周區(qū)域劃分的影響；
[0019] 圖4為不同感知單元數(shù)目所得目標追蹤軌跡，其中，
[0020] ?軌跡域，節(jié)點位置，計算軌跡，。實際軌跡
[0021] 圖5為相應于圖4的不同感知單元數(shù)目所產(chǎn)生的目標追蹤誤差。
【具體實施方式】
[0022] 在下述實施中，申請人結合附圖針對本發(fā)明實現(xiàn)的最優(yōu)方式進行了描述以便本領 域技術人員能夠清楚的了解本發(fā)明的技術方案。在下述實施中所提供的感知半徑、傳感器 數(shù)目、目標移動速度等都是根據(jù)常見目標檢測的情況所設計的。本領域技術人員根據(jù)實際 應用的需要，相應的調(diào)整上述數(shù)據(jù)、排列方式和布局形狀依舊屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0023] 在下述實施中，申請人提供了如下結構的感知單元，由機器人裝配而來：四個相互 垂直的熱釋電傳感器，形成感知半徑為r的圓域，每個傳感器視場角為110°，重疊覆蓋四 個20°的區(qū)域，其結構原理如圖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人體目標跟蹤定位，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，被測目標起始點 T(-30, -30)，速度V = lm/s，目標方向角V = lm/s，圖4是目標軌跡跟蹤結果，圖5給出其 相應跟蹤誤差。
[0026] 對于目標定位，采用如下數(shù)學算法：
[0027] 假設紅外探測系統(tǒng)S = (S1, S2, ...，Sj，由N個感知單元節(jié)點組成，其感知域表示 為：D、=丨??…A... !，單個感知單元節(jié)點Si感知域：
[0029] 其中r = r。= 30, j = 1，2, 3, 4,表示四個傳感器，（X ;，y;)為Ri的位置坐標。
[0030] 假設目標經(jīng)過系統(tǒng)監(jiān)測范圍時，系統(tǒng)輸出結果為：
[0032] 其中，ikle {1，2,…，N}，表示感知到目標的機器人，jkle {1，2,3,4}，表示相應的 傳感器，t為時間，由（4. 1)、（4.2)可以得到目標經(jīng)過檢測范圍的軌跡域序列，記為D p = {dpl，dp2,...，dpn}，其中(^為t:時刻所有感知到目標的傳感器感知域的交集，在此取軌跡域 中心作為目標軌跡點序列，如此可以跟蹤目標。
[0033] 當感知節(jié)點數(shù)量較少時，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}中每個小區(qū)域范圍較大，在圖4-b、4-c、4_d中，感知節(jié)點布局的圓周內(nèi) 目標定位精度較高，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)點均 勾布局在以（〇, 〇)為圓心，半徑20m的圓周上，相鄰節(jié)點之間距離：d = 23. 5114米。
【主權項】
1. 一種基于熱釋電感知的分散式目標跟蹤定位系統(tǒng)，其特征在于包括多個感知單元， 相鄰的感知單元覆蓋區(qū)域相切或相交叉重疊；每個感知單元由多個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角部分重疊覆蓋。2. 根據(jù)權利要求1的分散式目標跟蹤定位系統(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)權利要求2的分散式目標跟蹤定位系統(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。4. 根據(jù)權利要求1的分散式目標跟蹤定位系統(tǒng)，其特征在于每個感知單元由4個相互 垂直的熱釋電傳感器組成。5. 根據(jù)權利要求4的分散式目標跟蹤定位系統(tǒng)，其特征在于每個傳感器視場角為 110°，重疊覆蓋四個20°的區(qū)域。6. -種基于熱釋電感知的分散式目標跟蹤定位方法，其特征在于通過如下方式構建感 知區(qū)域：多個面向不同方位且視場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；每個感知單元由多個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跟蹤定位系統(tǒng)實現(xiàn)了目標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】CN105044673
【申請?zhí)枴緾N201510466434
【發(fā)明人】楊衛(wèi), 王澤兵, 秦麗, 張文棟, 孫喬, 劉前進, 侯爽
【申請人】中北大學
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年7月31日