CN105547494A - 基于热释电红外传感器的室内人体定位装置及其实现方法 - Google Patents

基于热释电红外传感器的室内人体定位装置及其实现方法 Download PDF

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CN105547494A CN201610015362.7A CN201610015362A CN105547494A CN 105547494 A CN105547494 A CN 105547494A CN 201610015362 A CN201610015362 A CN 201610015362A CN 105547494 A CN105547494 A CN 105547494A
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梁志伟
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罗晓牧
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Abstract

本发明公开了基于热释电红外传感器的室内人体定位装置及其实现方法,该装置包括热释电红外传感器节点,所述热释电红外传感器节点包括第一热释电红外传感器单元、第二热释电红外传感器单元、微处理器以及射频单元。该方法包括用于将检测区域沿径向进行环形划分的第一热释电红外传感器单元进行检测以及用于将检测区域划分为至少两个扇形检测子区域的第二热释电红外传感器单元进行检测;微处理器根据第一和第二热释电红外传感器单元所输出的信号获得距离信息和角度信息后代入极坐标中来计算得出人体目标位置的估计值。本发明可实现双自由度调制从而仅采用单个传感器节点便能进行定位,大大扩大应用范围。本发明可广泛应用于室内人体定位领域中。

Description

基于热释电红外传感器的室内人体定位装置及其实现方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及室内人体定位跟踪技术,尤其涉及一种基于热释电红外传感器的室内 人体定位装置及其实现方法。
背景技术
[0002] 对于室内人体定位跟踪技术,其是物联网的关键技术,也是智能监控、人体运动分 析及行为识别等领域所涉及的基础技术,在医疗监护和安防等方面具有广泛的应用价值。 目前,室内人体定位跟踪技术可分为穿戴式室内人体定位跟踪技术和非穿戴式室内人体定 位跟踪技术,而对于所述的非穿戴式室内人体定位跟踪技术,其则主要包括有基于视频图 像的测量方法和基于主动红外的测量方法。然而,对于这些传统的非穿戴式室内人体定位 跟踪技术,其存有不少的缺点,例如:1、对于所述的基于视频图像的测量方法,其依赖于光 照强度,且数据处理方法比较复杂,传输和计算开销大,因此,并不适合大规模的布置,以及 不适用于资源受限的物联网;2、对于所述的基于主动红外的测量方法,其需要成对的发射 与接收装置,硬件成本较高。因此为了解决这些缺点,专家们提出了基于热释电红外传感器 的室内人体定位跟踪技术。但是,对于目前常用的基于热释电红外传感器的室内人体定位 跟踪技术,其通常需要多个传感器节点协作才能进行目标的点定位,而单一个传感器节点 则无法实现目标的运动轨迹信息获取,限制了应用范围。
发明内容
[0003] 为了解决上述技术问题,本发明的目的是提供一种基于热释电红外传感器的室内 人体定位装置。
[0004] 本发明的另一目的是提供一种基于热释电红外传感器的室内人体定位装置的实 现方法。
[0005] 本发明所采用的技术方案是:基于热释电红外传感器的室内人体定位装置,包括 热释电红外传感器节点,所述热释电红外传感器节点包括:
[0006] 第一热释电红外传感器单元,用于将检测区域沿径向进行环形划分,并将检测到 的信号输出至微处理器;
[0007] 第二热释电红外传感器单元,用于将检测区域划分为至少两个沿周向分布的扇形 检测子区域,并将检测到的信号输出至微处理器;
[0008] 微处理器,用于对第一热释电红外传感器单元所输出的信号和第二热释电红外传 感器单元所输出的信号进行接收,然后根据第一热释电红外传感器单元所输出的信号从而 获得相对应的距离信息,以及根据第二热释电红外传感器单元所输出的信号从而获得相对 应的角度信息,接着,将获得的距离信息和角度信息代入极坐标中,从而计算得出人体目标 位置的估计值;
[0009] 射频单元,用于将计算得出的人体目标位置的估计值无线发射出去;
[0010] 所述第一热释电红外传感器单元的输出端和第二热释电红外传感器单元的输出 端均与微处理器的输入端连接,所述微处理器的输出端与射频单元的输入端连接。
[0011] 进一步,所述第一热释电红外传感器单元包括至少两个第一热释电红外传感器模 块,所述第一热释电红外传感器模块包括第一菲涅尔透镜、第一热释电红外传感器、第一放 大器以及第一比较器,所述第一菲涅尔透镜上设有环形掩膜或圆形掩膜,所述第一菲涅尔 透镜设置在第一热释电红外传感器的前方,所述第一热释电红外传感器的输出端依次通过 第一放大器和第一比较器与微处理器的输入端连接;
[0012] 所述至少两个第一热释电红外传感器模块中设置在第一菲涅尔透镜上的环形掩 膜或圆形掩膜的半径均不相同。
[0013] 进一步,所述第二热释电红外传感器单元包括至少两个第二热释电红外传感器模 块,所述第二热释电红外传感器模块包括第二菲涅尔透镜、第二热释电红外传感器、第二放 大器以及第二比较器,所述第二菲涅尔透镜上设有扇形掩膜,所述第二菲涅尔透镜设置在 第二热释电红外传感器的前方,所述第二热释电红外传感器的输出端依次通过第二放大器 和第二比较器与微处理器的输入端连接。
[0014] 进一步,其还包括:
[0015] 后台处理器,用于当判断人体目标从静止状态进入运动状态时,利用卡尔曼滤波 器,从而对计算得出的人体目标位置的估计值进行滤波处理;当判断人体目标从运动状态 进入静止状态时,利用卡尔曼平滑器,从而对人体目标位置的估计值进行平滑处理;
[0016] 所述微处理器通过射频单元与后台处理器无线通讯连接。
[0017] 进一步,所述利用卡尔曼滤波器,从而对计算得出的人体目标位置的估计值进行 滤波处理,其具体包括:
[0018] 进行当前状态的预测计算,并且其所采用的计算公式如下所示:
[0019] mk|k-i = Fkmk-i|k-1
[0020] Pk\k_i = Q
[0021] 其中,mklH表示为根据k-1时刻对k时刻目标位置均值的预测值,Fk表示为第一系 统参数,mk-i|k-1表不为上一状态输出的最优化估算值;Pk|k-1表不为根据k-Ι时刻对k时刻目 标位置协方差的预测值,Qk-1表不为k-1时刻系统过程的协方差,Pk-11 k-1表不为mk-11 k-1对应的 协方差;
[0022] 进行最优化估算值的计算,并且其所采用的计算公式如下所示:
[0023] mk=mk|k-i+Kk(zk_Hkmk|k-1)
[0024] 其中,mk表示为当前状态输出的最优化估算值,Kk表示为k时刻卡尔曼滤波器的增 益,zk表示为计算得出的人体目标位置的估计值,H k表示为第二系统参数;
[0025] 进行协方差的更新,并且其所采用的计算公式如下所示:
[0026] Pk = Pk|k-i-KkHkPk|k-i
[0027] 其中,Pk表示为k时刻对目标位置协方差的预测值。
[0028] 进一步,所述利用卡尔曼平滑器,从而对人体目标位置的估计值进行平滑处理,其 具体包括:
[0029] 对卡尔曼平滑器的均值估计值和方差估计值进行计算,并且其所采用的计算公式 如下所示:
[0030] msk=mk+Ck{mlx~mkm)
[0031] P:-Pk+CkXP^-P^k)Cl
[0032] 其中,表示为k时刻卡尔曼平滑器的均值估计值;Ck表示为k时刻卡尔曼平滑器 的增益;<fl表示为k+Ι时刻卡尔曼平滑器的均值估计值;mk+1|k表示为卡尔曼滤波器根据k 时刻对k+1时刻目标位置均值的预测值;i3/表示为k时刻卡尔曼平滑器的方差估计值; 表示为k+Ι时刻卡尔曼平滑器的方差估计值;Pk+1|k表示为卡尔曼滤波器根据k时刻对k+Ι时 刻目标位置协方差的预测值。
[0033] 本发明所采用的另一技术方案是:基于热释电红外传感器的室内人体定位装置的 实现方法,该方法包括:
[0034] A、用于将检测区域沿径向进行环形划分的第一热释电红外传感器单元进行检测 后,将检测到的信号输出至微处理器,以及用于将检测区域划分为至少两个沿周向分布的 扇形检测子区域的第二热释电红外传感器单元进行检测后,将检测到的信号输出至微处理 器;
[0035] B、微处理器对第一热释电红外传感器单元所输出的信号和第二热释电红外传感 器单元所输出的信号进行接收,然后根据第一热释电红外传感器单元所输出的信号从而获 得相对应的距离信息,以及根据第二热释电红外传感器单元所输出的信号从而获得相对应 的角度信息,接着,将获得的距离信息和角度信息代入极坐标中,从而计算得出人体目标位 置的估计值。
[0036] 进一步,所述步骤A之前还设有对第一热释电红外传感器单元进行设置的步骤以 及对第二热释电红外传感器单元进行设置的步骤;
[0037] 所述对第一热释电红外传感器单元进行设置的步骤,其具体为:
[0038] 根据第一编码规则对第一热释电红外传感器单元中至少两个的第一菲涅尔透镜 进行环形掩膜或圆形掩膜的设置,从而令第一热释电红外传感器单元工作时,将检测区域 沿径向进行环形划分以得到一个圆形检测子区域以及至少一个环形检测子区域,所述圆形 检测子区域以及至少一个环形检测子区域分别对应一个编码;
[0039] 所述对第二热释电红外传感器单元进行设置的步骤,其具体为:
[0040] 根据第二编码规则对第二热释电红外传感器单元中至少两个的第二菲涅尔透镜 进行扇形掩膜的设置,从而令第二热释电红外传感器单元工作时,将检测区域划分为至少 两个沿周向分布的扇形检测子区域,所述至少两个扇形检测子区域分别对应一个编码。
[0041] 进一步,所述第一编码规则为优先编码规则,所述第二编码规则为格雷码编码规 则。
[0042] 本发明的有益效果是:通过结合上述的第一热释电红外传感器单元和第二热释电 红外传感器单元,单个传感器节点便能够对其检测区域进行多自由度的划分调制,然后根 据第一热释电红外传感器单元所输出的信号从而获得与其相对应的距离信息,以及根据第 二热释电红外传感器单元所输出的信号从而获得与其相对应的角度信息,接着将获得的距 离信息和角度信息代入极坐标中,这样便能计算得出人体目标位置的估计值,以实现室内 人体的点定位。由此可得,通过使用本发明的装置,能够实现仅采用单个传感器节点便能进 行定位的目的,这样则打破了传统应用范围的限制,在严格受限的资源条件下,能扩大应用 范围。而且本发明的装置还具有结构简单、成本低、功耗低、配置灵活等优点。
[0043]本发明的另一有益效果是:通过使用本发明的方法,能够对单个传感器节点的检 测区域进行双自由度的划分调制,然后根据第一热释电红外传感器单元和第二热释电红外 传感器单元所输出的信号,从而获得距离信息和角度信息,将它们代入极坐标中,这样便能 计算得出人体目标位置的估计值,以实现室内人体的点定位。由此可得,通过使用本发明的 方法,能够实现仅采用单个传感器节点便能进行定位的目的,这样则打破了传统应用范围 的限制,在严格受限的资源条件下,能扩大应用范围。而且本发明的方法还具有步骤简单、 易于实现等优点。
附图说明
[0044]下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明:
[0045] 图1是本发明基于热释电红外传感器的室内人体定位装置的结构框图;
[0046] 图2是本发明基于热释电红外传感器的室内人体定位装置的一具体实施例结构框 图;
[0047] 图3是本发明基于热释电红外传感器的室内人体定位装置中热释电红外传感器的 一具体实施例结构示意图;
[0048] 图4是单个在第一菲涅尔透镜上设有环形掩膜的第一热释电红外传感器模块对检 测区域进行环形划分的示意图;
[0049] 图5是5个在第一菲涅尔透镜上设有环形掩膜的第一热释电红外传感器模块在复 用时对检测区域沿径向进行环形划分的示意图;
[0050] 图6是单个在第二菲涅尔透镜上设有扇形掩膜的第二热释电红外传感器模块对检 测区域进行扇形划分的示意图;
[0051] 图7是4个在第二菲涅尔透镜上设有扇形掩膜的第二热释电红外传感器模块将检 测区域划分为8个沿周向分布的扇形检测子区域的示意图;
[0052]图8是将获得的距离信息和角度信息代入极坐标中从而计算得出人体目标位置的 估计值的示意图;
[0053] 图9是利用单个本发明热释电红外传感器节点进行检测区域双自由度划分的第二 具体实施例示意图;
[0054] 图10是利用单个本发明热释电红外传感器节点进行检测区域双自由度划分的第 三具体实施例示意图;
[0055] 图11是利用单个本发明热释电红外传感器节点进行检测区域双自由度划分的第 四具体实施例示意图;
[0056]图12是15米*15米的室内传感器节点的部署平面图;
[0057]图13是触发两个传感器节点时所采用信息融合的方法示意图;
[0058]图14是触发三个或三个以上传感器节点时所采用信息融合的方法示意图。
[0059 ] 10、掩膜;11、菲涅尔透镜;12、热释电红外传感器。
具体实施方式
[0060] 如图1所示,基于热释电红外传感器的室内人体定位装置,包括热释电红外传感器 节点,所述热释电红外传感器节点包括:
[0061] 第一热释电红外传感器单元,用于将检测区域沿径向进行环形划分,并将检测到 的信号输出至微处理器;
[0062] 第二热释电红外传感器单元,用于将检测区域划分为至少两个沿周向分布的扇形 检测子区域,并将检测到的信号输出至微处理器;
[0063] 微处理器,用于对第一热释电红外传感器单元所输出的信号和第二热释电红外传 感器单元所输出的信号进行接收,然后根据第一热释电红外传感器单元所输出的信号从而 获得相对应的距离信息,以及根据第二热释电红外传感器单元所输出的信号从而获得相对 应的角度信息,接着,将获得的距离信息和角度信息代入极坐标中,从而计算得出人体目标 位置的估计值;
[0064]射频单元,用于将计算得出的人体目标位置的估计值无线发射出去;
[0065] 所述第一热释电红外传感器单元的输出端和第二热释电红外传感器单元的输出 端均与微处理器的输入端连接,所述微处理器的输出端与射频单元的输入端连接。优选地, 所述热释电红外传感器节点挂顶部署,可覆盖任何形状的室内环境。
[0066] 进一步作为优选的实施方式,所述第一热释电红外传感器单元包括至少两个第一 热释电红外传感器模块,所述第一热释电红外传感器模块包括第一菲涅尔透镜、第一热释 电红外传感器、第一放大器以及第一比较器,所述第一菲涅尔透镜上设有环形掩膜或圆形 掩膜,所述第一菲涅尔透镜设置在第一热释电红外传感器的前方,所述第一热释电红外传 感器的输出端依次通过第一放大器和第一比较器与微处理器的输入端连接;
[0067] 所述至少两个第一热释电红外传感器模块中设置在第一菲涅尔透镜上的环形掩 膜或圆形掩膜的半径均不相同。
[0068] 进一步作为优选的实施方式,所述第二热释电红外传感器单元包括至少两个第二 热释电红外传感器模块,所述第二热释电红外传感器模块包括第二菲涅尔透镜、第二热释 电红外传感器、第二放大器以及第二比较器,所述第二菲涅尔透镜上设有扇形掩膜,所述第 二菲涅尔透镜设置在第二热释电红外传感器的前方,所述第二热释电红外传感器的输出端 依次通过第二放大器和第二比较器与微处理器的输入端连接。
[0069] 当第一热释电红外传感器模块的个数为5个,第二热释电红外传感器模块的个数 为4个时,本发明基于热释电红外传感器的室内人体定位装置的结构如图2所示。另外由上 述可得,对于所述的第一热释电红外传感器模块和第二热释电红外传感器,它们的结构基 本如图3所示,均包括掩膜10、菲涅尔透镜11、热释电红外传感器12、放大器以及比较器,所 述掩膜10设置在菲涅尔透镜11上,所述菲涅尔透镜11设置在热释电红外传感器12的前方, 所述热释电红外传感器12的输出端依次通过放大器和比较器与微处理器的输入端连接;而 它们不相同的地方则是,第一菲涅尔透镜上所设置的掩膜是环形或圆形掩膜,而第二菲涅 尔透镜上所设置的掩膜则为扇形掩膜。
[0070] 优选地,上述第一热释电红外传感器和第二热释电红外传感器均采用型号为 D205B的热释电红外传感器来实现,其对8-14um波长范围的热辐射反应灵敏,而人体的红外 辐射波长的典型值为9.55um,正好处于其灵敏范围之内。另外,上述的第一菲涅尔透镜和第 二菲涅尔透镜均为半圆形的菲涅尔透镜,其焦点为热释电红外传感器的晶体平面,可以聚 焦红外辐射,提高检测的灵敏度。在未进行掩膜设置前,每个热释电红外传感器的感知范围 为110°的圆锥,而所述热释电红外传感器将经过菲涅尔透镜聚焦放大的红外辐射转化为电 能,再经过放大器与比较器输出。通常,当热释电红外传感器模块检测到人体时,则会输出 "1",反之,则会输出"0"。
[0071 ]进一步作为优选的实施方式,其还包括:
[0072] 后台处理器,用于当判断人体目标从静止状态进入运动状态时,利用卡尔曼滤波 器,从而对计算得出的人体目标位置的估计值进行滤波处理;当判断人体目标从运动状态 进入静止状态时,利用卡尔曼平滑器,从而对人体目标位置的估计值进行平滑处理;
[0073] 所述微处理器通过射频单元与后台处理器无线通讯连接。
[0074] 进一步作为优选的实施方式,所述利用卡尔曼滤波器,从而对计算得出的人体目 标位置的估计值进行滤波处理,其具体包括:
[0075] 进行当前状态的预测计算,并且其所采用的计算公式如下所示:
[0076] mk|k-i = Fkmk-i|k-1
[0077] Pt\k-\ ~~ Q k-X^^k^k-llk-l^k
[0078]其中,mk|k-1表不为根据k-1时刻对k时刻目标位置均值的预测值,Fk表不为第一系 统参数,mk-i|k-1表不为上一状态输出的最优化估算值;Pk|k-1表不为根据k-Ι时刻对k时刻目 标位置协方差的预测值,Qk-1表不为k-1时刻系统过程的协方差,Pk-11 k-1表不为mk-11 k-1对应的 协方差;
[0079]进行最优化估算值的计算,并且其所采用的计算公式如下所示:
[0080] mk=mk|k-i+Kk(zk_Hkmk|k-1)
[0081 ]其中,mk表示为当前状态输出的最优化估算值,Kk表示为k时刻卡尔曼滤波器的增 益,zk表示为计算得出的人体目标位置的估计值,Hk表示为第二系统参数;
[0082] 进行协方差的更新,并且其所采用的计算公式如下所示:
[0083] Pk = Pk|k-i-KkHkPk|k-i
[0084] 其中,Pk表示为k时刻对目标位置协方差的预测值。
[0085] 进一步作为优选的实施方式,所述利用卡尔曼平滑器,从而对人体目标位置的估 计值进行平滑处理,其具体包括:
[0086] 对卡尔曼平滑器的均值估计值和方差估计值进行计算,并且其所采用的计算公式 如下所示:
[0087] m;=mk+Ck(ml+l-mk+m)
[0088] P:=Pk+Ck(P:+l-Pk+,k)Cl
[0089] 其中,表示为k时刻卡尔曼平滑器的均值估计值;Ck表示为k时刻卡尔曼平滑器 的增益;表示为k+Ι时刻卡尔曼平滑器的均值估计值;m k+1|k表示为卡尔曼滤波器根据k 时刻对k+1时刻目标位置均值的预测值;#表示为k时刻卡尔曼平滑器的方差估计值;」P/+1 表示为k+1时刻卡尔曼平滑器的方差估计值;Pk+1|k表示为卡尔曼滤波器根据k时刻对k+1时 刻目标位置协方差的预测值。作为目标运动轨迹的最终输出。
[0090] 针对上述的基于热释电红外传感器的室内人体定位装置,其实现方法包括:
[0091] A、用于将检测区域沿径向进行环形划分的第一热释电红外传感器单元进行检测 后,将检测到的信号输出至微处理器,以及用于将检测区域划分为至少两个沿周向分布的 扇形检测子区域的第二热释电红外传感器单元进行检测后,将检测到的信号输出至微处理 器;
[0092] B、微处理器对第一热释电红外传感器单元所输出的信号和第二热释电红外传感 器单元所输出的信号进行接收,然后根据第一热释电红外传感器单元所输出的信号从而获 得相对应的距离信息,以及根据第二热释电红外传感器单元所输出的信号从而获得相对应 的角度信息,接着,将获得的距离信息和角度信息代入极坐标中,从而计算得出人体目标位 置的估计值。
[0093] 进一步作为优选的实施方式,所述步骤A之前还设有对第一热释电红外传感器单 元进行设置的步骤以及对第二热释电红外传感器单元进行设置的步骤;
[0094] 所述对第一热释电红外传感器单元进行设置的步骤,其具体为:
[0095] 根据第一编码规则对第一热释电红外传感器单元中至少两个的第一菲涅尔透镜 进行环形掩膜或圆形掩膜的设置,从而令第一热释电红外传感器单元工作时,将检测区域 沿径向进行环形划分以得到一个圆形检测子区域以及至少一个环形检测子区域,所述圆形 检测子区域以及至少一个环形检测子区域分别对应一个编码;
[0096] 所述对第二热释电红外传感器单元进行设置的步骤,其具体为:
[0097] 根据第二编码规则对第二热释电红外传感器单元中至少两个的第二菲涅尔透镜 进行扇形掩膜的设置,从而令第二热释电红外传感器单元工作时,将检测区域划分为至少 两个沿周向分布的扇形检测子区域,所述至少两个扇形检测子区域分别对应一个编码。
[0098] 进一步作为优选的实施方式,为了避免冲突,所述第一编码规则采用优先编码规 贝1J,所述第二编码规则采用格雷码编码规则。
[0099]本发明方法一具体实施例
[0100] 本实施例中,所述第一热释电红外传感器单元中包含有5个第一热释电红外传感 器模块,所述第一热释电红外传感器单元中包含有4个第二热释电红外传感器模块。所述5 个第一热释电红外传感器模块中第一菲涅尔透镜上所设置的掩膜均为环形掩膜,而当单个 第一热释电红外传感器模块工作时,其对检测区域进行环形划分的示意图如图4所示。所述 4个第二热释电红外传感器模块中第二菲涅尔透镜上所设置的掩膜均为扇形掩膜,而当单 个第二热释电红外传感器模块工作时,其对检测区域进行扇形划分的示意图如图6所示。
[0101] 对于上述的基于热释电红外传感器的室内人体定位装置,其实现方法具体包括:
[0102] S1、进行径向-环形的视场调制;
[0103] 所述步骤S1具体为,根据优先编码规则对第一热释电红外传感器单元中的5个第 一菲涅尔透镜进行环形掩膜设置,5个设置在第一菲涅尔透镜上的环形掩膜的半径均不相 同,从而令第一热释电红外传感器单元在工作,即5个第一热释电红外传感器模块复用工作 时,将检测区域沿径向进行环形划分以得到一个圆形检测子区域以及四个环形检测子区 域,四个环形检测子区域的半径均不相同,并且四个环形检测子区域沿圆形检测子区域的 径向依次分布,编号分别为1、2、3、4、5,如图5所不;
[0104] 所述圆形检测子区域以及四个环形检测子区域分别对应一个编码,而具体的编码 如表1所示:
[0105] 表1径向-环形调制模型的编码表
Figure CN105547494AD00121
[0107] 其中,X表示0或1的输出,传感器模块1的优先级最高,传感器模块5的优先级最低; 当检测出传感器模块1所输出的信号为1时,则判断人体目标处于编号为1的圆形检测子区 域,而当检测出传感器模块1和2分别输出0和1时,则判断人体目标处于编号为2的环形检测 子区域,如此类推,当检测出传感器模块1、2、3、4、5分别输出0、0、0、0、1时,则判断人体目标 处于编号为5的环形检测子区域,由此可得,通过检测5个第一热释电红外传感器模块所输 出的信号的值,便能够判定人体目标位于哪一个环形检测子区域,或是否位于圆形检测子 区中,从而能够得到与其相对应的距离信息;
[0108] S2、进行中心角-扇形的视场调制;
[0109] 所述步骤S2具体为,根据格雷码编码规则对第二热释电红外传感器单元中4个的 第二菲涅尔透镜进行扇形掩膜的设置,从而令第二热释电红外传感器单元工作时,即4个热 释电红外传感器模块复用工作时,将检测区域划分为8个沿周向分布的扇形检测子区域,每 个扇形检测子区域的中心角为45°,编号分别为01、02、03、04、05、06、07、08,如图7所示; [0110]而所述8个扇形检测子区域分别对应一个编码,而具体的编码如表2所示:
[0111]表2中心角-扇形调制模型的编码表
Figure CN105547494AD00122
L0113」由上述可得,当检测出传感器模块1-4分别输出1、0、0、1时,则判断人体目标处于 编号为01的扇形检测子区域,当检测出传感器模块1-4分别输出1、0、0、0时,则判断人体目 标处于编号为02的扇形检测子区域,如此类推,这样通过检测4个第二热释电红外传感器模 块所输出的信号的值,便能够判定人体目标位于哪一个扇形检测子区域,从而能够得到与 其相对应的角度信息;
[0114] S3、当本发明的装置工作时,结合上述的第一热释电红外传感器单元和第二热释 电红外传感器单元,它们会将检测区域划分为多个检测子区域,如图8所示;而由上述可得, 当微处理器接收到第一热释电红外传感器单元所输出的信号以及第二热释电红外传感器 单元所输出的信号,便能够获得相对应的距离信息和角度信息,接着,如图8所示,将获得的 距离信息和角度信息代入极坐标中,从而便能计算得出人体目标位置的估计值(x,y)。
[0115] 除了这一实施例的双自由度调制模型,如图9-11所示,对第一热释电红外传感器 单元中第一热释电红外传感器模块和第二热释电红外传感器单元中第二热释电红外传感 器模块,进行相对应的调整后则能够实现多种不同的双自由度调制模型,从而将检测区别 划分为任意大小的胞元,这样便能根据实际情况进行选择和设置,由此可得,本发明的操作 灵活性尚。
[0116] 另外,对于上述的步骤S3,其为基于单个热释电红外传感器节点的目标定位计算。 而当检测区域被多于一个热释电红外传感器节点覆盖时,则可通过多节点协作来提高定位 精度。如图12所示,其为在15米*15米的室内布置多个热释电红外传感器节点的部署平面 图。
[0117] 当通过多节点协作来实现定位时,对于人体目标位置的估计值(X,y)的计算,其则 具体为:
[0118] 当人体目标同时被两个热释电红外传感器节点检测到时,则取两个热释电红外传 感器节点分别计算出的人体目标位置的估计值的中点,作为信息融合之后最终得出的人体 目标位置的估计值(X,y ),如图13所示;
[0119] 当人体目标同时被三个或三个以上的热释电红外传感器节点检测到时,则对三个 或三个以上热释电红外传感器节点计算出的人体目标位置的估计值进行极大似然法计算, 从而最终得出的人体目标位置的估计值(X,y),如图14所示;
[0120] 上述图13和图14中,"•"表示为单个热释电红外传感器节点计算出的人体目标位 置的估计值," "表示为信息融合之后最终得出的人体目标位置的估计值(x,y)。
[0121] 优选地,为了能够更加精确地得到人体运动目标的轨迹,本发明的后台处理器会 对最终得到的人体目标位置的估计值(x,y),利用卡尔曼滤波器和卡尔曼平滑器进行相对 应的处理,具体为:当判断人体目标从静止状态进入运动状态时,利用卡尔曼滤波器,从而 对计算得出的人体目标位置的估计值进行滤波处理;当判断人体目标从运动状态进入静止 状态时,利用卡尔曼平滑器,从而对人体目标位置的估计值进行平滑处理。
[0122] 在利用卡尔曼滤波器和卡尔曼平滑器进行相对应的处理前,需要进行目标运动状 态模型的设置和系统观测模型的设置,具体包括:
[0123] (1)、目标运动状态模型
[0124] 设人体目标在第k个测量时刻tk的目标真实位置《的值为(Xk,yk),速度值v k为 两个测量时刻之间的时间间隔为Atftk-tH。根据匀速模型的设定,人体目标 的运动状态为:
[0125] xk = FkXk-ι+GkVk-1
[0126] 对于上述的&^1{、61{,它们具体的表达式如下所示 : Γ - ·. 1 .τ x/t: = ,%'jg yic i)k '1 Atk 0 0 0 10 0
[0127] 、- 〇 〇 1 Atk _ 0 0 0 1 J ⑵ 「|八4 Δί/,; 0 0 6^["0, 0 lAtf Atk_
[0128] 其中,Fk表示为第一系统参数,Gk表示为第三系统参数,Xh表示为第k-1个测量时 刻的目标真实位置,v k-A〇均值,并且其对应的协方差为Qh的高斯过程噪声。
[0129] (2)、系统观测模型
[0130] 根据测量值,即上述计算得出的人体目标位置的估计值,系统观测模型具体为:
[0131] zk = Hxk+nk
[0132] 其中,&表示为计算得出的人体目标位置的估计值,Η表示为第四系统参数,nk表示 为协方差为Rk的测量噪声。
[0133] 然后利用上述的卡尔曼滤波器和卡尔曼平滑器进行相对应的处理,具体为:
[0134] (1)、对于所述利用卡尔曼滤波器,从而对计算得出的人体目标位置的估计值进行 滤波处理,其具体包括:
[0135] 进行当前状态的预测计算,并且其所采用的计算公式如下所示:
[0136] mk|k-i = Fkmk-i|k-1
[0137] ^\k-l = Q k-l +K^k-i\k-l^k
[0138] 其中,mk|k-1表不为根据k_l时刻对k时刻目标位置xk均值的预测值,mk-i|k-1表不为 上一状态输出的最优化估算值;Pk|k-i表示为根据k-1时刻对k时刻目标位置Xk协方差的预测 值,Qk-1表不为k-Ι时刻系统过程的协方差,Pk-1 |k-1表不为mk-11 k-1对应的协方差;
[0139] 进行最优化估算值的计算,并且其所采用的计算公式如下所示:
[0140] mk=mk|k-i+Kk(zk_Hkmk|k-1)
[0141] 其中,mk表示为当前状态输出的最优化估算值,即k时刻对目标位置处均值的估计 值;
[0142] 知二表示为k时刻卡尔曼滤波器的增益, S/, +¾ 为新息zk-Hkmk|k-i的方差;
[0143] Hk表示为第二系统参数;
[0144] 进行协方差的更新,并且其所采用的计算公式如下所示:
[0145] Pk = Pk|k-i-KkHkPk|k-i
[0146] 其中,Pk表示为k时刻对目标位置协方差的预测值。
[0147] (2)、对于所述的利用卡尔曼平滑器,从而对人体目标位置的估计值进行平滑处 理,其具体包括:
[0148] 对卡尔曼平滑器的均值估计值和方差估计值进行计算,并且其所采用的计算公式 如下所示:
[0149] msk=mk+Ck{msk+l-mkm)
[0150] ^ = Pk+Ck{P^-Pk^)Cl
[0151 ]其中,rnAs _示为k时刻卡尔曼平滑器的均值估计值;
[0152] Ck表示为k时刻卡尔曼平滑器的增益,(¾二;
[0153] WA5+1表示为k+1时刻卡尔曼平滑器的均值估计值;
[0154] mk+i|k表;^为卡尔曼滤波器根据k时刻对k+Ι时刻目标位置xk+i均值的预测值,mk+i|k = Fkmk;
[0155] 表示为k时刻卡尔曼平滑器的方差估计值;
[0156] Ρ/+1表示为k+Ι时刻卡尔曼平滑器的方差估计值;
[0157] Pk+1|k表示为卡尔曼滤波器根据k时刻对k+Ι时刻目标位置Xk+1协方差的预测值,
[0158] 另外,对于上述的实施例,当一个热释电红外传感器节点的检测范围之内出现多 个目标时,本发明的装置保持各种的定位信息与目标对应的可能性,根据前后文的信息,消 除异议性实现数据关联。所述数据关联的算法,可使用最近邻域法、多重假设法、匈牙利算 法或MCMC方法。
[0159] 由上述可得,本发明的优点包括:
[0160] 1、实现一种多自由度的视场调制方法,可以对单个热释电红外传感器节点的检测 区域进行多自由度的划分,而且既可以单节点工作,亦可以多节点协同工作;
[0161] 2、对不同的自由度采用不同的编码方式,如用优先编码、格雷码等方式,从而可降 低误码率;
[0162] 3、计算复杂度低、通信带宽要求低,适用于大规模的室内环境布置,而且热释电红 外传感器节点挂顶部署,可覆盖任何形状的室内环境;
[0163] 4、建立状态转换模型,当运动目标由静止状态转入运动状态采用卡尔曼滤波器, 当运动目标由运动状态转入静止状态时采用卡尔曼平滑器,能够得到较为精确的运动目标 轨迹;
[0164] 5、不需要运动检测目标携带任何装置,热释电红外传感器能直接将人体运动所产 生的红外辐射转化为电能输出,无需目标携带信号发射装置,适用于健忘的独居老人监护;
[0165] 6、不受光照强弱的影响,可在无光的环境下使用,不侵犯隐私。
[0166] 7、可用于多人的定位跟踪。
[0167] 以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明,但本发明创造并不限于所述实施 例,熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替 换,这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。另外,对于上述的本 发明,其得到了国家自然科学基金课题(61301294,61401174)的资助。

Claims (9)

1. 基于热释电红外传感器的室内人体定位装置,其特征在于:包括热释电红外传感器 节点,所述热释电红外传感器节点包括: 第一热释电红外传感器单元,用于将检测区域沿径向进行环形划分,并将检测到的信 号输出至微处理器; 第二热释电红外传感器单元,用于将检测区域划分为至少两个沿周向分布的扇形检测 子区域,并将检测到的信号输出至微处理器; 微处理器,用于对第一热释电红外传感器单元所输出的信号和第二热释电红外传感器 单元所输出的信号进行接收,然后根据第一热释电红外传感器单元所输出的信号从而获得 相对应的距离信息,W及根据第二热释电红外传感器单元所输出的信号从而获得相对应的 角度信息,接着,将获得的距离信息和角度信息代入极坐标中,从而计算得出人体目标位置 的估计值; 射频单元,用于将计算得出的人体目标位置的估计值无线发射出去; 所述第一热释电红外传感器单元的输出端和第二热释电红外传感器单元的输出端均 与微处理器的输入端连接,所述微处理器的输出端与射频单元的输入端连接。
2. 根据权利要求1所述基于热释电红外传感器的室内人体定位装置,其特征在于:所述 第一热释电红外传感器单元包括至少两个第一热释电红外传感器模块,所述第一热释电红 外传感器模块包括第一菲涅尔透镜、第一热释电红外传感器、第一放大器W及第一比较器, 所述第一菲涅尔透镜上设有环形掩膜或圆形掩膜,所述第一菲涅尔透镜设置在第一热释电 红外传感器的前方,所述第一热释电红外传感器的输出端依次通过第一放大器和第一比较 器与微处理器的输入端连接; 所述至少两个第一热释电红外传感器模块中设置在第一菲涅尔透镜上的环形掩膜或 圆形掩膜的半径均不相同。
3. 根据权利要求1所述基于热释电红外传感器的室内人体定位装置,其特征在于:所述 第二热释电红外传感器单元包括至少两个第二热释电红外传感器模块,所述第二热释电红 外传感器模块包括第二菲涅尔透镜、第二热释电红外传感器、第二放大器W及第二比较器, 所述第二菲涅尔透镜上设有扇形掩膜,所述第二菲涅尔透镜设置在第二热释电红外传感器 的前方,所述第二热释电红外传感器的输出端依次通过第二放大器和第二比较器与微处理 器的输入端连接。
4. 根据权利要求1所述基于热释电红外传感器的室内人体定位装置,其特征在于:其还 包括: 后台处理器,用于当判断人体目标从静止状态进入运动状态时,利用卡尔曼滤波器,从 而对计算得出的人体目标位置的估计值进行滤波处理;当判断人体目标从运动状态进入静 止状态时,利用卡尔曼平滑器,从而对人体目标位置的估计值进行平滑处理; 所述微处理器通过射频单元与后台处理器无线通讯连接。
5. 根据权利要求4所述基于热释电红外传感器的室内人体定位装置,其特征在于:所述 利用卡尔曼滤波器,从而对计算得出的人体目标位置的估计值进行滤波处理,其具体包括: 进行当前状态的预测计算,并且其所采用的计算公式如下所示: mk|k-i 二 Fkmk-i|k-i
Figure CN105547494AC00031
其中,mk|k-i表示为根据k-1时刻对k时刻目标位置均值的预测值,Fk表示为第一系统参 数,表示为上一状态输出的最优化估算值;Pk|k-i表示为根据k-1时刻对k时刻目标位 置协方差的预测值,Qk-i表示为k-1时刻系统过程的协方差,Pk-i |k-i表示为mk-i |k-i对应的协方 差; 进行最优化估算值的计算,并且其所采用的计算公式如下所示: mk=mk I k-1+Kk (ζΐί-化 mk I k-1) 其中,mk表示为当前状态输出的最优化估算值,Kk表示为k时刻卡尔曼滤波器的增益,zk 表示为计算得出的人体目标位置的估计值,化表示为第二系统参数; 进行协方差的更新,并且其所采用的计算公式如下所示: Pk = Pk I k-i-KkHkPk I k-1 其中,Pk表示为k时刻对目标位置协方差的预测值。
6. 根据权利要求5所述基于热释电红外传感器的室内人体定位装置,其特征在于:所述 利用卡尔曼平滑器,从而对人体目标位置的估计值进行平滑处理,其具体包括: 对卡尔曼平滑器的均值估计值和方差估计值进行计算,并且其所采用的计算公式如下 所示:
Figure CN105547494AC00032
其中,'表示为k时刻卡尔曼平滑器的均值估计值;Ck表示为k时刻卡尔曼平滑器的增 益;表示为k+1时刻卡尔曼平滑器的均值估计值;mwlk表示为卡尔曼滤波器根据k时刻 对k+1时刻目标位置均值的预测值;巧S表示为k时刻卡尔曼平滑器的方差估计值;巧S+1表示 为k+1时刻卡尔曼平滑器的方差估计值;Pk+i|k表示为卡尔曼滤波器根据k时刻对k+1时刻目 标位置协方差的预测值。
7. 基于热释电红外传感器的室内人体定位装置的实现方法,其特征在于:该方法包括: A、 用于将检测区域沿径向进行环形划分的第一热释电红外传感器单元进行检测后,将 检测到的信号输出至微处理器,W及用于将检测区域划分为至少两个沿周向分布的扇形检 测子区域的第二热释电红外传感器单元进行检测后,将检测到的信号输出至微处理器; B、 微处理器对第一热释电红外传感器单元所输出的信号和第二热释电红外传感器单 元所输出的信号进行接收,然后根据第一热释电红外传感器单元所输出的信号从而获得相 对应的距离信息,W及根据第二热释电红外传感器单元所输出的信号从而获得相对应的角 度信息,接着,将获得的距离信息和角度信息代入极坐标中,从而计算得出人体目标位置的 估计值。
8. 根据权利要求7所述基于热释电红外传感器的室内人体定位装置的实现方法,其特 征在于:所述步骤A之前还设有对第一热释电红外传感器单元进行设置的步骤W及对第二 热释电红外传感器单元进行设置的步骤; 所述对第一热释电红外传感器单元进行设置的步骤,其具体为: 根据第一编码规则对第一热释电红外传感器单元中至少两个的第一菲涅尔透镜进行 环形掩膜或圆形掩膜的设置,从而令第一热释电红外传感器单元工作时,将检测区域沿径 向进行环形划分W得到一个圆形检测子区域W及至少一个环形检测子区域,所述圆形检测 子区域W及至少一个环形检测子区域分别对应一个编码; 所述对第二热释电红外传感器单元进行设置的步骤,其具体为: 根据第二编码规则对第二热释电红外传感器单元中至少两个的第二菲涅尔透镜进行 扇形掩膜的设置,从而令第二热释电红外传感器单元工作时,将检测区域划分为至少两个 沿周向分布的扇形检测子区域,所述至少两个扇形检测子区域分别对应一个编码。
9.根据权利要求8所述基于热释电红外传感器的室内人体定位装置的实现方法,其特 征在于:所述第一编码规则为优先编码规则,所述第二编码规则为格雷码编码规则。
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