CN109084768B - 基于智能地垫的人体定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于智能地垫的人体定位方法。包括有以下步骤：S1：将地垫上的人体活动区域划分为N个网格，N为正整数；S2：将M条光纤传感器铺设在划分的网格上，M为正整数；S3：根据时空联合编码构造光纤测量矩阵A，由M行、N列的二值矩阵构成，若矩阵元素amn为1，表示第m条光纤传感器铺设在第n个地垫中，否则就不铺设，m=1,2,…,M，n=1,2,…,N；S4：人体在地垫上行走时，得到光纤测量序列；S5：在码书中搜索对应测量序列的联合编码[ai,aij,aj]，码书中的每个联合编码与位置变化信息一一对应，从而实现人体定位。根据人体行走时步态的特点采集定位数据，符合人体室内自由行走规律，具有定位精度高、成本低的特点。

Description

基于智能地垫的人体定位方法

技术领域

本发明涉及定位技术领域，更具体地，涉及基于智能地垫的人体定位方法。

背景技术

人体目标感知、定位与跟踪，是实现智能家居系统的基础。基于光纤地垫实现人体目标定位是近几年出现的新技术，它具有精度高、安装简便、节能环保和舒适安全等特点。

基于光纤地垫的室内人体定位，通常将人体活动区域划分为N个网格，旨在确定人体所在的网格位置。目前，光纤地垫实现的单目标人体定位系统根据触地状态的不同，主要分为两类：基于单网格的定位和基于双足的定位。前者假定人体目标在任一时刻仅触发一个网格。例如，中国发明专利CN104142149A即为基于该假设而设计。而实际中人体连续行走时，一个循环周期内，40％的时间为单足支撑(单个网格被触发)，60％的时间为双足支撑(相邻两个网格被触发)。即，当满足一定的定位分辨率时，人体具有的双足行走特点，必然存在同时触发相邻两个网格的情形。此外，基于单网格触发的定位系统，将人体的行走方向限定在相邻4个方位，行走自由度被限制。显然，这种光纤地垫的设计有悖于人体自然行走规律。后者，基于双足的人体定位系统，允许同时触发相邻两个网格，且允许人体向相邻的8个方位行走，提高了人体行走的自由灵活性；但该系统所需的光纤传感数目增多，使得传感效率大为降低，光纤部署成本提高。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供基于智能光纤地垫的人体定位方法，根据人体行走时步态的特点采集定位数据，符合人体室内自由行走规律，具有定位精度高和传感效率高的特点。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：基于智能光纤地垫的人体定位方法，其中，包括有以下步骤：

S1：将人体活动区域划分为N个网格(N＝N₀×N₀)，呈N₀行N₀列的方阵分布，每个网格由独立的地垫覆盖，N₀为正整数；

S2：将M条光纤传感器分别铺设在特定的网格地垫中，M为正整数；

S3：根据时空联合编码构造光纤测量矩阵A，由M行、N列的二值矩阵构成，若矩阵元素a_mn为1，表示第m条光纤传感器铺设在第n个地垫中，否则不铺设，m＝1,2,…,M，n＝1,2,…,N；

S4：人体在地垫上行走时，具有单足触地、双足同时触地和单足触地的循环特点，a_i为单足触发第i个地垫时测量产生M位码字、a_ij为双足分别同时触发第i、j个地垫时测量产生的M位码字、a_j为单足触发第j个地垫时测量产生的M位码字，得到含有时空相关信息的联合编码[a_i a_ij a_j]；该时空联合编码应具有唯一不重复性：

即可得到与人体行走规律相一致的时空联合编码。

S5：时空联合编码确定后，每个网格对应一个编码，从而构造光纤测量矩阵A；所有时空联合编码[a_i a_ij a_j]组合起来构成反映联合编码唯一对应的足迹位置变化信息码书B，从而实现人体定位。

本发明中，将地垫上的人体活动区域划分为N个网格地垫，同时将M条光纤传感器分别铺设在特定的地垫上，光纤传感器对压力非常敏感，能够将压力变化状态信息以电信号的形式输出。当人体目标双足踩到部署在感知区域的光纤传感器时，光纤传感器输出的电压信号呈现变化状态。时空联合编码构造光纤测量矩阵A，由M行、N列的二值矩阵构成，每条光纤传感器根据编码测量矩阵的元素值，与特定位置的网格地垫配合部署。根据人行走时单足触地、双足同时触地和单足触地的循环特点，分别产生单足触发第i个地垫时测量产生M位码字、双足分别同时触发第i、j个地垫时测量产生的M位码字、单足触发第j个地垫时测量产生的M位码字，得到对应且唯一的时空联合编码[a_ia_ij a_j]，进而实现人体定位。

在一个实施方式中，在步骤S3中，构建测量矩阵，M条光纤传感器分别依照测量矩阵的M个行向量，依次部署在特定的地垫中。M条光纤传感器与M个行向量配合，每个行向量含N个元素，进而实现整个测量矩阵的测量功能。

在一个实施方式中，在步骤S3中，每个地垫对应一个M位码字a_n，将所有地垫对应的码字按照地垫先从左向右，后从上向下的顺序依次排列，得到[a₁a₂a₃…a_N]，即为光纤测量矩阵A。

在一个实施方式中，在步骤S3中，基于时空联合编码的测量矩阵A的构造方法如下：

S31：0，1元素形成的M位码字可构造(2^M-1)个非零码字，得到码字集合Q，从码字集合Q中随机选取2个不相等的码字，对[a₁a₂]进行初始化赋值；

S32：从码字集合Q中随机选取1个码字作为a₃，得到码字序列[a₁a₂a₃]，校验该码字序列的所有联合编码[a_i a_ij a_j]是否具有唯一不重复性，若不满足唯一不重复性，舍弃该码字，重新从码字集合Q中随机选取码字作为a₃，并再次校验。若满足唯一不重复性，进行步骤S33；

S33：从集合Q中随机选取1个码字，得到更新的码字序列[a₁a₂a₃a₄]，校验该码字序列的所有联合编码[a_i a_ij a_j]是否具有唯一不重复性；依此类推，搜索校验更新码字，最终得到N个码字构成的矩阵[a₁a₂a₃…a_N]；

S34：对步骤S31至S33循环迭代若干次，得到若干个不相同的矩阵，从中选取光纤部署长度最短的矩阵作为最优测量矩阵。

优选地，步骤S4中，第j个地垫属于第i个地垫的8邻域位置内。根据人体步行的规律，当人体经过第i个地垫时，下一步经过的就是第i个地垫的8邻域位置内任意一个地垫。

优选地，光纤传感器输出设定阈值，高于设定阈值的光纤传感器输出测量值二值化为1，低于设定阈值的光纤传感器输出测量值二值化为0，得到随人体位置变化的码字序列。

优选地，每条光纤传感器分布在一个或者多个网格中，即每个传感器同时检测一个或者多个地垫。

本发明与现有技术相比，具有以下特点：利用时空联合编码方法，根据人体行走时步态的特点采集足迹数据，符合人体室内自由行走规律，人体定位精度高，提高了传感效率，降低了光纤部署成本。

附图说明

图1是本发明实施例中光纤传感器与地垫配合示意图。

图2是本发明实施例中光纤传感器在地垫中实际铺设示意图。

图3是本发明实施例中地垫结构示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

本发明提供基于智能光纤地垫的人体定位方法，其中，包括有以下步骤：

S1：将人体活动区域划分为N个网格(N＝N₀×N₀)，呈N₀行N₀列的方阵分布，每个网格由独立的地垫覆盖，N₀为正整数；

S2：将M条光纤传感器分别铺设在特定的网格地垫中，M为正整数；

S3：根据时空联合编码构造光纤测量矩阵A，由M行、N列的二值矩阵构成，若矩阵元素a_mn为1，表示第m条光纤传感器铺设在第n个地垫中，否则不铺设，m＝1,2,…,M，n＝1,2,…,N；

S4：人体在地垫上行走时，具有单足触地、双足同时触地和单足触地的循环特点，a_i为单足触发第i个地垫时测量产生M位码字、a_ij为双足分别同时触发第i、j个地垫时测量产生的M位码字、a_j为单足触发第j个地垫时测量产生的M位码字，得到含有时空相关信息的联合编码[a_i a_ij a_j]；该时空联合编码应具有唯一不重复性：

即可得到与人体行走规律相一致的时空联合编码。

S5：时空联合编码确定后，每个网格对应一个编码，从而构造光纤测量矩阵A；所有时空联合编码[a_i a_ij a_j]组合起来构成反映联合编码唯一对应的足迹位置变化信息码书B，从而实现人体定位。

如图1所示，将人体活动区域划分为N个网格(N＝N₀×N₀)，网格按照先从左向右，后从上向下的顺序依次编号1,2,…,N，每个网格上覆盖独立地垫2，将M条光纤传感器1铺设在特定的地垫2中。

在步骤S3中，每个地垫对应一个M位码字a_n，将所有地垫对应的码字按照地垫先从左向右，后从上向下的顺序依次排列，得到[a₁a₂a₃…a_N]，即为光纤测量矩阵A。

光纤测量矩阵A的构造方法如下：

S31：0，1元素形成的M位码字可构造(2^M-1)个非零码字，得到码字集合Q，从码字集合Q中随机选取2个不相等的码字，对[a₁a₂]进行初始化赋值；

S32：从码字集合Q中随机选取1个码字作为a₃，得到码字序列[a₁a₂a₃]，校验该码字序列的所有联合编码[a_i a_ij a_j]是否具有唯一不重复性，若不满足唯一不重复性，舍弃该码字，重新从码字集合Q中随机选取码字作为a₃，并再次校验。若满足唯一不重复性，进行步骤S33；

S33：从集合Q中随机选取1个码字，得到更新的码字序列[a₁a₂a₃a₄]，校验该码字序列的所有联合编码[a_i a_ij a_j]是否具有唯一不重复性；依此类推，搜索校验更新码字，最终得到N个码字构成的矩阵[a₁a₂a₃…a_N]；

S34：对步骤S31至S33循环迭代若干次，得到若干个不相同的矩阵，从中选取光纤部署长度最短的矩阵作为最优测量矩阵。

光纤测量矩阵A，由M行N列的二值矩阵构成，若矩阵元素amn为1，表示第m条光纤传感器铺设在第n个地垫中，否则不铺设，m＝1,2,…,M，n＝1,2,…,N。

当人体在活动区域行走时，M条光纤传感器1将输出包含M位元素的码字序列，该序列和人体所在的网格位置变化信息一一对应，根据光纤传感器1的二值编码输出，即可得到人体所处的网格位置。

测量矩阵的构造根据时空联合编码，利用人体双足行走过程中的特点：单足触地、双足同时触地和单足触地的循环特点，实现不重复的时空联合编码[a_ia_ij a_j]。其中，a_i为单足触发第i个地垫时测量产生M位码字、a_ij为双足分别同时触发第i、j个相邻地垫时测量产生的M位码字、a_j为单足触发第j个地垫时测量产生的M位码字。第j个地垫2位于第i个地垫2的8邻域位置内。遍历M位码字，搜索符合上述原则的时空联合编码，确定反映足迹位置变化信息的码书[a_i a_ij a_j]。

本实施例中，M条光纤传感器1分别依照测量矩阵的M个行向量，依次有选择地部署在特定的地垫2中。M条光纤传感器1与M个行向量配合，每个行向量含N个元素，进而实现整个测量矩阵的测量功能。

光纤传感器1输出设定阈值，高于设定阈值的光纤传感器1输出测量值二值化为1，低于设定阈值的光纤传感器1输出测量值二值化为0，得到随人体位置变化的码字序列。。每条光纤传感器1分布在一个或者多个网格地垫中，即每个传感器同时检测一个或者多个地垫2。

实施例2：

本实施例与实施例1相似，不同之处在于，本实施例中，本实施例中设有6×64的编码测量矩阵，6条光纤传感器1分别依照测量矩阵的6个行向量(每个行向量含64个元素)，依次部署在8行8列的地垫2中(64＝8×8)。图2的6个子图，分别对应6条光纤传感器1的部署方式，其中白色代表行向量的元素为1，光纤传感器1穿过该地垫2，对其压力变化信息进行采集；黑色代表行向量的元素为0，对应的地垫2不部署光纤传感器1。

如图3所示，地垫2包括弹性垫3、固定支撑件4和保护层5，弹性垫3由弹性材料制成，如珍珠棉、硅胶等。光纤传感器1穿过地垫2时，应位于弹性垫3之上，固定支撑件4之下，保护层5采用防滑防水材料制成。

本实施例中，如图1所示，M条光纤传感器1组成定位系统，以特定方式部署在感知区域：N个地垫2中，N＝N₀×N₀。当人体目标行走在地垫2区域时，地垫2的压力变化将触发对应的光纤传感器1。为传感器输出设定阈值，高于设定阈值的压力变化，传感器输出测量值二值化为1，低于设定阈值的压力变化，传感器输出测量值二值化为0，从而测得M维足迹信息，得到随足迹位置变化的码字序列。然后，利用码书搜索的方式，做一对多的匹配，找出与M维足迹时序数据匹配的码字序列，从而识别出人体足迹位置变化，实现人体定位。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于智能地垫的人体定位方法，其特征在于，包括有以下步骤：

S1：将人体活动区域划分为N个网格，N＝N₀×N₀，呈N₀行N₀列的方阵分布，每个网格由独立的地垫覆盖，N₀为正整数；

S2：将M条光纤传感器分别铺设在特定的网格地垫中，M为正整数；

S3：根据时空联合编码构造光纤测量矩阵A，由M行、N列的二值矩阵构成，若矩阵元素a_mn为1，表示第m条光纤传感器铺设在第n个地垫中，否则不铺设，m＝1,2,…,M，n＝1,2,…,N；

S4：人体在地垫上行走时，具有单足触地、双足同时触地和单足触地的循环特点，a_i为单足触发第i个地垫时测量产生M位码字、a_ij为双足分别同时触发第i、j个地垫时测量产生的M位码字、a_j为单足触发第j个地垫时测量产生的M位码字，得到含有时空相关信息的联合编码[a_i a_ij a_j]；该时空联合编码应具有唯一不重复性：

即可得到与人体行走规律相一致的时空联合编码；

S5：时空联合编码确定后，每个网格对应一个编码，从而构造光纤测量矩阵A；所有时空联合编码[a_i a_ij a_j]组合起来构成反映联合编码唯一对应的足迹位置变化信息码书B，从而实现人体定位。

2.根据权利要求1所述的基于智能地垫的人体定位方法，其特征在于，在步骤S3中，构建测量矩阵，M条光纤传感器分别依照测量矩阵的M个行向量，依次部署在特定的地垫中。

3.根据权利要求1所述的基于智能地垫的人体定位方法，其特征在于，在步骤S3中，每个地垫对应一个M位码字a_n，将所有地垫对应的码字按照地垫先从左向右，后从上向下的顺序依次排列，得到[a₁ a₂ a₃… a_N]，即为光纤测量矩阵A。

4.根据权利要求1所述的基于智能地垫的人体定位方法，其特征在于，在步骤S3中，基于时空联合编码的光纤测量矩阵A的构造方法如下：

S31：0，1元素形成的M位码字可构造(2^M-1)个非零码字，得到码字集合Q，从码字集合Q中随机选取2个不相等的码字，对[a₁ a₂]进行初始化赋值；

S32：从码字集合Q中随机选取1个码字作为a₃，得到码字序列[a₁ a₂ a₃]，校验该码字序列的所有联合编码[a_i a_ij a_j]是否具有唯一不重复性，若不满足唯一不重复性，舍弃该码字，重新从码字集合Q中随机选取码字作为a₃，并再次校验，若满足唯一不重复性，进行步骤S33；

S33：从集合Q中随机选取1个码字，得到更新的码字序列[a₁ a₂ a₃ a₄]，校验该码字序列的所有联合编码[a_i a_ij a_j]是否具有唯一不重复性；依此类推，搜索校验更新码字，最终得到N个码字形成的矩阵[a₁ a₂ a₃ … a_N]；

S34：对步骤S31至S33循环迭代若干次，得到若干个不相同的矩阵，从中选取光纤部署长度最短的矩阵作为最优测量矩阵。

5.根据权利要求1所述的基于智能地垫的人体定位方法，其特征在于，在步骤S4中，第j个地垫位于第i个地垫的8邻域位置。

6.根据权利要求5所述的基于智能地垫的人体定位方法，其特征在于，所述光纤传感器输出设定阈值，高于设定阈值的光纤传感器输出测量值二值化为1，低于设定阈值的光纤传感器输出测量值二值化为0，得到随人体位置变化的码字序列。

7.根据权利要求6所述的基于智能地垫的人体定位方法，其特征在于，每条光纤传感器分布在一个或者多个网格中，即每个传感器同时检测一个或者多个地垫。

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