一種移動電荷源運動速度和方向探測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開的一種非接觸式跟蹤探測移動電荷源的方法，屬于靜電探測領域。本發(fā)明包括如下步驟：布設能檢測到運動電荷源靜電信號的多極板探測陣列；采集監(jiān)測環(huán)境中的靜電信號；將該采集到的靜電感應信號電勢值與預設判據(jù)對比；記錄每個極板上所產(chǎn)生的靜電感應信號的幅值，將靜電感應電壓信號幅值轉換為感應電流信號并且積分，得到各感應極板的感應電荷量，使用約束掃描法進行電荷源位置探測，得到移動電荷源的位置，通過卡爾曼濾波對實時位置進行處理以提高位置精度，并且通過相鄰位置計算獲得目標運動速度和方向。本發(fā)明可通過立體布設的5個極板對移動電荷源運動速度和方向進行實時探測，具有隱蔽性好、運算量小、實時性好和計算較為準確的特點。
【專利說明】
一種移動電荷源運動速度和方向探測方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種非接觸式跟蹤探測移動電荷源的方法，尤其涉及一種可用于跟蹤 各種靜電目標，特別是人體及人體手部運動速度和方向的非接觸式靜電探測方法，屬于靜 電探測領域。
【背景技術】
[0002] 目前應用于反恐偵察、安防監(jiān)控、醫(yī)療護理等領域的人體監(jiān)控技術的發(fā)展方向是 研究具有抗干擾性能好、虛警率低、工作死角區(qū)小、邏輯算法簡單以及系統(tǒng)布設方便的新體 制探測技術。人體探測技術在反恐監(jiān)測領域有著廣泛的重要應用，如隨時掌握獨居人員在 居住場所的活動狀態(tài)。目前紅外探測及圖像模式識別技術在人體探測領域得到廣泛的應 用。
[0003] 紅外探測技術利用人體的紅外輻射信號來感知人體目標的存在，但是由于室內(nèi)存 在加熱、照明等發(fā)射紅外信號的設備，同時在室外環(huán)境中存在光照等紅外輻射源，使得該技 術的虛警率偏高。另外紅外探測技術只能探測到人體目標是否存在，而無法識別目標的姿 態(tài)動作；圖像模式識別技術常用于識別人體的姿態(tài)動作，但是在攝像頭的視頻死角區(qū)域無 法發(fā)揮作用，此外為了排除非人體目標的干擾，圖像模式識別技術需要采用復雜的邏輯算 法設計。
[0004] 靜電探測技術利用運動中物體所帶的靜電實現(xiàn)對目標的探測識別。 "Triboelectrification of houseflies(Musca domestic L.)walking on synthetic dielectric surfaces''Mcgonigle D F,Jackson C ff and Davidson J L 2002J.Electrostat. 54167-177中首次提出對爬行中的昆蟲進行靜電探測的方法。受此啟 發(fā)，"Electrification of human body by walking"Ficker T 2006J.Electrostat.64 10-16通過安裝在人身體上的靜電計對運動中人體電勢的變化進行了研究。由于一切運動 的物體都會帶上靜電，因此將靜電探測方法應用于識別人體是可行的，國內(nèi)外均未將非接 觸式靜電探測方法應用于人體識別。
[0005] "An adaptive Kalman-based Bayes estimation technique to classify locomotor activities in young and elderly adults through accelerometers" R. Muscillo，M.Schmid,S.Conforto and T.D'Alessio，Med.Eng.Phys?32,849-859(2010)、 "Detection of pedestrians in far-infrared automotive night vision using region-growing and clothing distortion compensation^R.O'Malley,E.Jonesa,and M.Glavin,Infrared.Phys?Techn?53,439-449(2010)、"Human detection using a mobile platform and novel features derived from a visual saliency mechanism" S. Montabone, and A. Soto, Image .Vision. Comput ? 28,391-402(2010)中分別通過在人體手 部安裝傳感器、紅外探測技術及圖像模式識別技術實現(xiàn)對人體手部運動軌跡的跟蹤。然而 由于室內(nèi)存在加熱、照明等發(fā)射紅外信號的設備，同時在室外環(huán)境中存在光照等紅外輻射 源，使得應用于跟蹤人體手部運動軌跡的紅外探測技術的誤差率偏高。圖像模式識別技術 常用于對人體運動軌跡的跟蹤，但是在攝像頭的視頻死角區(qū)域無法發(fā)揮作用，此外為了排 除非人體手部目標的干擾，圖像模式識別技術需要采用復雜的邏輯算法設計；穿戴式傳感 器網(wǎng)絡能夠有效地跟蹤人體手部的運動軌跡，但由于需要將探測器安裝在人體手部上，存 在著使用不方便的缺陷，同時將會對人體手部的運動狀態(tài)造成影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術問題是利用非接觸式靜電探測方法跟蹤移動電荷源的運動 速度和方向（以人體手部為例），同時解決人體手部運動探測技術存在的工作死角區(qū)大和探 測系統(tǒng)與邏輯算法設計復雜的問題。本發(fā)明公開了一種用于跟蹤移動電荷源實時運動速度 和方向的非接觸式靜電探測方法，該方法可將非接觸式靜電探測技術應用于對人體手部運 動軌跡跟蹤中，可減小人體手部跟蹤測量技術的工作死角區(qū)，降低人體手部運動跟蹤探測 系統(tǒng)的設計復雜程度。
[0007] 本發(fā)明公開的一種用于跟蹤移動電荷源運動速度和方向的非接觸式靜電探測方 法的發(fā)明目的是通過下述技術方案實現(xiàn)：
[0008] 本發(fā)明公開的一種用于跟蹤移動電荷源運動速度和方向的非接觸式靜電探測方 法具體實現(xiàn)步驟如下：
[0009] 步驟一:布設能檢測到移動電荷源運動靜電信號的多極板探測陣列，所述探測陣 列由五個極板組成，五個極板分成兩組，其中一組4個，布設在以原點0為中心、21為邊長的 正方形的 4 個頂點上，坐標分別為 31(1，1，0)、52(1，-1，0)、53(1，1，0)、54(_1，1，0)，另一組1 個，布設于Z軸上，坐標為(0,0，_h);
[0010]步驟二:采集監(jiān)測環(huán)境中的靜電信號，所述的靜電信號是每個時刻探測系統(tǒng)獲取 的靜電感應信號電壓值；
[0011]步驟三：將該采集到的靜電感應信號電壓值與預設判據(jù)對比（可設為滿量程的 5%)，如果該靜電感應信號與該預設判據(jù)相同，則認為檢測到了電荷源運動的存在；
[0012] 步驟四：記錄步驟二中檢測到的電荷源運動在每個極板上所產(chǎn)生的靜電感應信號 的幅值，將靜電感應電壓信號幅值轉換為感應電流信號并且積分，得到各感應極板的感應 電荷量 Ql-Q5，使用約束掃描法進行電荷源位置探測，即可得到移動電荷源的實際位置。
[0013] 步驟五:使用卡爾曼濾波對電荷源運動軌跡進行跟蹤，得到平滑的電荷源位置序 列，然后使用下式獲得電荷源運動速度和方向：
[0015]電荷源運動方向與x軸夾角0為：
[0017]電荷源運動方向與y軸夾角0為：
[0019]電荷源運動方向與z軸夾角Y為：
[0021 ]上述公式中t為兩次電荷源位置測量之間的時間差，坐標值下標T (n)表示當前時 刻的坐標值，坐標值下標T (n-1)表示前一時刻的坐標值。
[0022]步驟四中所述的約束掃描法為：
[0023]將各極板的感應電荷量相比，消除源電荷電量，可以得出：
即可把點T進一步進行圓約束，即將電荷源位置約束為一個半徑為ro,圓心為W的圓。由于圓 心W處于直線AB上，貝lj圓心W處于X0Y平面上，可設W坐標為(xo，yo，0)。xo、yo和ro的具體值可由 AB點坐標、r#Pr 2通過三角形幾何關系給出。
[0026]從數(shù)學角度分析，以A、B為球心的兩個球面可以將電荷源約束到一個圓上，但在系 統(tǒng)實際使用中，由于存在系統(tǒng)誤差，球心A、B的位置可能會有偏差，為了提高圓約束精度，可 進一步通過A、B、C三點坐標擬合直線進行圓約束。
[0027] 通過A，B，C三點擬合直線：
[0028] y = ax+b
[0029] 根據(jù)A，B，C三點位置以及ri，r2，r3可以確定!"點位于一個半徑為ro,圓心W為[xo，yo, 0 ]的圓上，y = ax+b所示直線垂直該圓所在平面并過圓心W。
[0030] 用極坐標表示電荷源T，設TW連線與平面X0Y夾角為0，掃描0值，使得T點沿圓運動 時，設0彡9〈2jt(，TW在平面X0Y上的投影為直線y = a1x+b1，，a為式y(tǒng) = ax+b中直線斜 率，則T點(x，y，z)坐標轉換為極坐標為：

[0032]按照一定步長在(0,2jt)范圍掃描0，使得：
[0034] 其中（11，71，21)，（15,75,25)為極板1和極板5的位置，在本系統(tǒng)中（11，71，21)為(-1，-1，0)，（X5，y5，Z5)為（0,0，h)。
[0035] 將此時的0值設為0〇,則電荷源位置可由下式給出：
[0037] 有益效果：
[0038] 1、本發(fā)明的一種移動電荷源實時位置探測方法可以通過立體布設的5個極板對移 動電荷源位置進行實時探測，可應用在飛行目標、車輛目標、人體目標以及人體手部的實時 位置探測。
[0039] 2、本發(fā)明的一種移動電荷源實時位置探測方法，由于利用了靜電感應信號較難消 除的特點，可以被動的對移動電荷源目標進行位置探測，具有隱蔽性好的特點。
[0040] 3、本發(fā)明的一種移動電荷源實時位置探測方法通過約束掃描法對電荷源位置進 行探測，具有運算量小，實時性好，位置計算較為準確的特點。
【附圖說明】
[0041 ]圖1是探測單元布設示意圖；
[0042] 圖2是約束掃描法中的圓約束示意圖；
[0043] 圖3是約束掃描法中的掃描示意圖。
【具體實施方式】
[0044]下面結合附圖詳細描述本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0045] 實施實例：
[0046] 步驟一:布設能檢測到移動電荷源運動靜電信號的多極板探測陣列，所述探測陣 列如附圖1所示由五個極板組成，五個極板分成兩組，其中一組4個，布設在以原點0為中心、 21為邊長的正方形的4個頂點上，坐標分別為sKUOhsdi-MhsXiMhsd-M， 〇)，另一組1個，布設于Z軸上，坐標為(0,0，_h);
[0047] 步驟二:采集監(jiān)測環(huán)境中的靜電信號，所述的靜電信號是每個時刻探測系統(tǒng)獲取 的靜電感應信號電壓值；
[0048]步驟三：將該采集到的靜電感應信號電壓值與預設判據(jù)對比（可設為滿量程的 5%)，如果該靜電感應信號與該預設判據(jù)相同，則認為檢測到了運動電荷源的存在；
[0049]步驟四：記錄步驟二中檢測到的電荷源運動在每個極板上所產(chǎn)生的靜電感應信號 的幅值，將靜電感應電壓信號幅值轉換為感應電流信號并且積分，得到各感應極板的感應 電荷量Ql-Q5，使用約束掃描法進行電荷源位置探測，即可得到移動電荷源的實際位置。
[0050]步驟五:使用卡爾曼濾波對電荷源運動軌跡進行跟蹤，得到平滑的電荷源位置序 列，然后使用下式獲得電荷源運動速度和方向：
[0052]電荷源運動方向與x軸夾角0為：
[0054]電荷源運動方向與y軸夾角P為：
[0056]電荷源運動方向與z軸夾角Y為：
[0058]上述公式中t為兩次電荷源位置測量之間的時間差，坐標值下標T (n)表示當前時 刻的坐標值，坐標值下標T (n-1)表示前一時刻的坐標值。
[0059]步驟四中所述的約束掃描法為：
[0060]將各極板的感應電荷量相比，消除源電荷電量，可以得出：
可把點T進一步進行圓約束，即將電荷源位置約束為一個半徑為ro,圓心為W的圓。由于圓心 W處于直線AB上，貝lj圓心W處于X0Y平面上，可設W坐標為(xo，yo，0)。xo、yo和ro的具體值可由AB 點坐標、^和^通過附圖2所示三角形幾何關系給出。
[0063]從數(shù)學角度分析，以A、B為球心的兩個球面可以將電荷源約束到一個圓上，但在系 統(tǒng)實際使用中，由于存在系統(tǒng)誤差，球心A、B的位置可能會有偏差，為了提高圓約束精度，可 進一步通過A、B、C三點坐標擬合直線進行圓約束。
[0064]通過A，B，C三點擬合直線：
[0065] y = ax+b
[0066] 根據(jù)A，B，C三點位置以及ri，r2，r3可以確定T點位于一個半徑為ro,圓心W為[xo，yo, 0 ]的圓上，y = ax+b所示直線垂直該圓所在平面并過圓心W。
[0067]按照附圖3所示用極坐標表示電荷源T，設TW連線與平面X0Y夾角為0，掃描0值，使 得T點沿圓運動時，設0彡0〈2jt(，TW在平面X0Y上的投影為直線yzan+h， ，a為式y(tǒng) = ax+b中直線斜率，則T點(x，y，z)坐標轉換為極坐標為：
[0069]按照一定步長在(0,2JI)范圍掃描0，使得：
[0071] 其中（11，71，21)，（15,75,25)為極板1和極板5的位置，在本系統(tǒng)中（11，71，21)為(-1，-1，0)，（X5，y5，Z5)為（0,0，h)。
[0072] 將此時的0值設為00,則電荷源位置可由下式給出：
[0074]本發(fā)明保護范圍不僅局限于上述實施例，上述實施例用于解釋本發(fā)明，凡與本發(fā) 明在相同原理和構思條件下的變更或修改均在本發(fā)明公開的保護范圍之內(nèi)。
【主權項】
1. 一種用于跟蹤移動電荷源實時位置的非接觸式靜電探測方法，其特征在于，包括如 下步驟： 步驟一:布設能檢測到移動電荷源運動靜電信號的多極板探測陣列，所述探測陣列由 五個極板組成，五個極板分成兩組，其中一組4個，布設在以原點0為中心、21為邊長的正方 形的 4 個頂點上，坐標分別為 31(1，1，0)、52(1，-1，0)、53(1，1，0)、54(_1，1，0)，另一組1個，布 設于Z軸上，坐標為(0,0，-h); 步驟二:采集監(jiān)測環(huán)境中的靜電信號，所述的靜電信號是每個時刻探測系統(tǒng)獲取的靜 電感應信號電壓值； 步驟三:將該采集到的靜電感應信號電壓值與預設判據(jù)對比（可設為滿量程的5%)，如 果該靜電感應信號與該預設判據(jù)相同，則認為檢測到了電荷源運動的存在； 步驟四：記錄步驟二中檢測到的電荷源運動在每個極板上所產(chǎn)生的靜電感應信號的幅 值，將靜電感應電壓信號幅值轉換為感應電流信號并且積分，得到各感應極板的感應電荷 量&-95,使用約束掃描法進行電荷源位置探測，即可得到移動電荷源的實際位置。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種用于跟蹤移動電荷源實時位置的非接觸式靜電探測方 法，其特征在于： 步驟四中所述的約束掃描法為： 將各極板的感應電荷量相比，消除源電荷電量，可以得出：由上式可知以為半徑的球面上的所有點T都為半徑的球面上的所為半徑的球面上 的所有點T都滿足。以A、B、C為球心的三個球面會相交到一個圓上。即可把點 T進一步進行圓約束，即將電荷源位置約束為一個半徑為ro,圓心為W的圓。由于圓心W處于 直線AB上，貝lj圓心W處于X0Y平面上，可設W坐標為(xo，yo，0)。xo、yo和ro的具體值可由AB點坐 標、通過三角形幾何關系給出。 從數(shù)學角度分析，以A、B為球心的兩個球面可以將電荷源約束到一個圓上，但在系統(tǒng)實 際使用中，由于存在系統(tǒng)誤差，球心A、B的位置可能會有偏差，為了提高圓約束精度，可進一 步通過A、B、C三點坐標擬合直線進行圓約束。 通過A，B，C三點擬合直線： y = ax+b 根據(jù)A，B，C三點位置以及ri，r2，r3可以確定!"點位于一個半徑為r〇，圓心W為[xo，y〇，0 ]的 圓上，y = ax+b所示直線垂直該圓所在平面并過圓心W。 用極坐標表示電荷源T，設TW連線與平面XOY夾角為0，掃描0值，使得T點沿圓運動時，設 0彡9〈2jt(，TW在平面X0Y上的投影為直線y = a1X+bi，>a為式y(tǒng) = ax+b中直線斜率，則T 點(x，y，z)坐標轉換為極坐標為：按照一定步長在(〇，2JI)范圍掃描0，使得：其中（11，71，21)，（15,75,25)為極板1和極板5的位置，在本系統(tǒng)中（11，71，21)為(-1，-1， 0)，（X5，y5，Z5)為（0,0，h)。 將此時的0值設為00，則電荷源位置可由下式給出：
【文檔編號】G01V3/00GK106054256SQ201610516790
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月4日
【發(fā)明人】李鵬斐, 陳曦, 唐凱, 王闖
【申請人】北京理工大學