CN108871321B - 一种运动目标的探测定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种运动目标的探测定位方法。利用三个呈等腰直角三角形放置的金属极板同时感应目标经过时电荷量的变化，再由分别接入三个金属极板的电荷传感器将产生的感应电荷量转换成电压量并做微分处理，最后由采集处理模块分别采集和测量三组电压波形的过零点和峰谷值之间的时间差，然后经过公式计算则可得到目标的运动速度、运动方向、与金属极板的垂直距离、以及运动路线参数，从而实现运动目标的定位。本发明方法显著特征为基于三个极板感应电荷变化和检测几个特征时间点实现运动目标定位，无需精确测定幅值以及数字信号通信实现定位，具有抗干扰能力强、抗遮挡能力强、算法简单、易实现、低成本等显著优点。

Description

一种运动目标的探测定位方法

技术领域

本发明涉及一种运动目标探测和定位的方法，尤其涉及一种通过感应电荷量变化实现运动目标探测和定位的方法。

背景技术

目前，运动目标的定位主要有主动式定位和被动式定位两大类。主动式定位技术是通过定位目标主动发射信号,并用相应的接收装置处理信号从而对目标进行探测的技术，如超宽带(UWB,Ultra Wideband)定位、WiFi定位、射频识别技术(RFID,RadioFrequency Identification)等。主动式定位通常需要给定位目标添加能够发射数字信号的标签，然后运用算法对信号进行处理。这类定位方法只针对添加了标签的特定对象，应用范围有限。标签发射的数字脉冲信号在传输过程中会受到干扰，因此定位精度不高，且后端需要复杂的算法进行处理。被动式定位技术中，目标本身不发射信号,探测端会感应到目标产生的信号并进行采集和处理从而实现定位，如紫峰(ZeegBee)定位，基站定位等。这类定位方法通常适用于空阔无遮挡的环境，需要复杂且庞大的基站通信系统，设备较昂贵，通信速率低且难以同时得到速度、方向、高度等动态目标信息，定位精度不高。而目前较为先进的激光扫描定位技术虽然定位精度较高，但是只限于室内定位，定位的空间范围较小，同时，由于至少需要5个以上的传感器且激光扫描采用的是机械控制，该定位方法稳定性较差。

定位精度、定位范围、设备复杂性和成本这几个因素往往是现如今定位技术所难以同时满足的。为此，需要一种成本低、稳定性好、定位精度高、定位范围广、算法简单的运动目标定位方法。

发明内容

为了克服上述现有技术中的不足，本发明提出一种通过感应电荷量变化实现运动目标探测和定位的方法。

为实现上述发明目的，本发明提出的技术方案为：

一种运动目标的探测定位方法，利用三个呈等腰直角三角形放置的金属极板同时感应目标经过时电荷量的变化，再由分别接入三个金属极板的电荷传感器将产生的感应电荷量转换成电压量并做微分处理，最后由采集处理模块分别采集和测量三组电压波形的过零点和峰谷值之间的时间差，然后经过公式计算则可得到目标的运动速度、运动方向、与金属极板的垂直距离、以及运动路线参数，从而实现运动目标的定位。

上述探测定位方法具体包括如下步骤：

1)将三个金属极板分别接入电荷传感器，电荷传感器均和采集处理模块连接；

2)放置三个金属极板，使得三个金属极板的中心连线构成边长为d的等腰直角三角形；设其中一个金属极板为坐标系原点，三个金属极板构成的平面为x-y平面；

3)当目标平行于x-y平面运动且与金属极板距离远大于金属极板的长和宽时，采集处理模块分别测出相应电荷传感器输出波形的过零点t₁、t₂、t₃以及峰值和谷值之间的时间差Δt₁、Δt₂、Δt₃；

4)目标的运动方向θ，即目标运动路线与x轴方向的夹角，可由过零点t₁、t₂和t₃得到：

式中，t₂₁＝t₂-t₁，t₃₁＝t₃-t₁；当t₁<t₂时，-π/2≤θ<π/2；当t₁>t₂时，π/2≤θ<3π/2；

5)目标的运动速度v可由运动方向θ、过零点t₁和t₂得到：

6)与目标运动路线相关的参数p，即位于坐标系原点的金属极板的中心到x-y平面上目标运动路线投影的距离，可由运动方向θ、运动速度v、时间差Δt₁和Δt₂得到：

当t₁<t₂时，参数p取“+”；当t₁>t₂时，参数p取“-”；

7)目标与x-y平面的垂直距离h可由参数p、运动速度v和时间差Δt₁得到：

。

本发明方法的显著特征在于基于三个极板感应电荷变化和检测几个特征时间点实现运动目标定位，无需精确测定幅值以及数字信号通信实现定位，具有算法简单、易实现、定位精度高、低成本等显著优点。此外，由于目标运动时产生的低频电场对于玻璃、塑料、墙砖等屏蔽物具有很强的穿透性，即使有物体遮挡，本发明方法依然能够实现对目标的探测和定位，因而还具有抗遮挡能力强、抗干扰能力强的显著优势。

附图说明

图1为目标的运动模型图。

图2为探测电路的实现框图。

图3为三个极板探测的定位模型图，(a)为立体图，(b)为x-y平面图。

图4为电荷传感器输出波形示意图。

图5为定位精度与v/d的关系图。

图6为实施例中电荷传感器输出波形图。

具体实施方式

本发明的运动目标探测定位方法，具体包括如下步骤：

1)将运动目标设为一个点电荷，经过金属极板时在其表面产生变化的感应电荷，若坐标系的建立以及目标的运动模型如附图1所示，则根据Maxwell方程：

感应电荷量与运动目标所带电荷量关系可表达为：

式中，Q₀为运动目标所带电荷量，(x,y,z)为目标所处的三维坐标，a、b分别为金属极板的长和宽。

当z>>a,b时，式(2)可化简为：

式中，A为金属极板面积，A＝ab。

2)将步骤1)中的极板接入电荷传感器，把电荷量转换成电压量输入再经微分电路输出，如附图2所示，此处假定目标的运动速度沿x轴方向，运动路线平行于x-y平面，运动速度为v＝v_x，x＝vt,目标到x-y平面的垂直距离为h，电荷传感器的增益为H，电荷传感器的输入电容为C_i，则电荷传感器输出信号可表达为：

式中，H为电荷传感器的增益。

3)放置三个金属极板，极板1位于坐标系原点，如附图3所示，三者中心连线构成边长为d的等腰直角三角形，分别按步骤2)各接入一个电荷传感器。

4)电荷传感器后端的采集处理模块对步骤3)三个电荷传感器实现时间上的采集同步，如附图3所示，若p为极板1的中心到x-y平面上目标运动路线投影的距离，d为极板1和2以及极板2和3之间的距离，θ为目标运动路线与x轴方向的夹角(当-π/2≤θ<π/2时，取“+”；当π/2≤θ≤3π/2时，取“-”)，可得：

极板1所接电荷传感器的输出电压为：

极板2所接电荷传感器的输出电压为：

极板3所接电荷传感器的输出电压为：

上式中，t＝0时，目标经过极板1中心；

5)极板1、极板2、极板3接电荷传感器所得的输出波形1、波形2、波形3如附图4所示，测出波形1、波形2、波形3的过零点t₁、t₂、t₃以及峰值和谷值之间的时间差Δt₁、Δt₂、Δt₃。

6)目标的运动方向θ可由t₁、t₂、t₃推出：

式中，t₂₁＝t₂-t₁，t₃₁＝t₃-t₁；当t₁<t₂时，-π/2≤θ<π/2；当t₁>t₂时，π/2≤θ<3π/2。

7)目标的运动速度v可由θ、t₁、t₂推出：

8)与目标运动路线相关的参数p可由θ、v、Δt₁、Δt₂推出：

当t₁<t₂时，参数p取“+”；当t₁>t₂时，参数p取“-”

9)目标与金属极板的垂直距离h可由p、v、Δt₁推出：

本发明方法的定位精度与

相关，可由最小分辨角度Δθ描述，Δθ越小，定位精度越高；当速度v在1m/s～50m/s，极板间距离d在0.2m～50m范围内时，定位精度Δθ与

的关系图如附图5所示，横轴为

的比值大小，纵轴为该比值大小下系统能够分辨的最小运动角度，即精度Δθ。

实施例：

假设一运动带电体的相关参数为：Q₀＝10^-7C，p＝-3.7m，v＝4.6m/s，θ＝67°，h＝8.4m，下面将结合这一具体运动目标定位实施例对本发明所提的定位方法作说明，具体如下：

1)取电荷传感器的增益H＝37，电荷传感器的输入电容C_i＝10pF；

2)如附图2所示，将三个金属极板(长a＝6cm，宽b＝3cm)分别接入电荷传感器和采集处理模块；本实施例中，金属极板采用铜材料，并且为了使得三组探测电路的灵敏度尽可能相同，采用完全相同的三个金属极板进行探测。

3)如附图3所示，放置三个金属极板，放置位置相对于目标没有特殊要求，目标的运动轨迹可以是在任意位置沿任意角度；设极板1位于坐标系原点，三者中心连线构成边长为d＝10m的等腰直角三角形；

4)采用MATLAB分别根据式(5)、(6)和(7)对三个电荷传感器的输出电压进行仿真，所得的三个波形如附图6所示。

5)采集处理模块分别测出三个输出电压波形的过零点t₁、t₂、t₃和峰谷时间差Δt₁、Δt₂、Δt₃，有

t₁＝0s，t₂＝0.8585s，t₃＝2.85s；Δt₁＝1.9935s，Δt₂＝2.1865s，Δt₃＝1.869s。

6)根据式(8)得：θ＝66.6799°。

7)根据式(9)得：v＝4.6111m/s。

8)根据式(10)得：p＝-3.6576m。

9)根据式(11)得：h＝8.4333m。

上述定位结果与设定结果相符，说明了本发明所提定位方法的可行性。该实施例主要误差来源于MATLAB仿真波形中过零点和峰谷值对应时间点的读取。根据式(8)(9)(10)(11)，若存在0.01s的时间读取误差，会导致0.573°的角度偏移，0.01m/s的速度误差，△p、△h均为0.01m以内。因此，提高采集处理模块的采样率可以降低时间读取误差，进一步提高定位精度。

Claims (1)

1.一种运动目标的探测定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将运动目标设为一个点电荷，经过金属极板时在其表面产生变化的感应电荷，感应电荷量Q与运动目标所带电荷量Q₀关系可表达为：

式中，(x,y,z)为目标所处的三维坐标，a、b分别为金属极板的长和宽，A为金属极板面积，A＝ab；z＞＞a,b；

步骤2，将步骤1中的极板接入电荷传感器，把电荷量转换成电压量输入再经微分电路输出，此处假定目标的运动速度沿x轴方向，运动路线平行于x-y平面，运动速度为v＝v_x，x＝vt,目标到x-y平面的垂直距离为h，电荷传感器的增益为H，电荷传感器的输入电容为C_i，则电荷传感器输出信号可表达为：

步骤3，放置三个完全相同的金属极板，极板1位于坐标系原点，三者中心连线构成边长为d的等腰直角三角形，分别按步骤2各接入一个电荷传感器；

步骤4，电荷传感器后端的采集处理模块对步骤3三个电荷传感器实现时间上的采集同步，p为极板1的中心到x-y平面上目标运动路线投影的距离，d为极板1和2以及极板2和3之间的距离，θ为目标运动路线与x轴方向的夹角，可得：

极板1所接电荷传感器的输出电压为：

极板2所接电荷传感器的输出电压为：

极板3所接电荷传感器的输出电压为：

步骤5，极板1、极板2和极板3接电荷传感器所得的输出波形1、波形2和波形3，测出波形1、波形2、波形3的过零点t₁、t₂、t₃以及峰值和谷值之间的时间差Δt₁、Δt₂、Δt₃；

步骤6，目标运动路线与x轴方向的夹角θ由t₁、t₂、t₃计算得到：

式中，t₂₁＝t₂-t₁，t₃₁＝t₃-t₁，当t₁<t₂时,-π/2≤θ<π/2；当t₁>t₂时，π/2≤θ<3π/2；

目标的运动速度v由θ、t₁、t₂计算得到：

极板1的中心到x-y平面上目标运动路线投影的距离p由θ、v、Δt₁、Δt₂计算得到：

当t₁<t₂时，参数p取“+”；当t₁>t₂时，参数p取“-”；

目标与x-y平面的垂直距离h由p、v、Δt₁计算得到：

。

Images