CN112698409A - 一种室内运动目标定位追踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种室内运动目标定位追踪方法，其特征在于，三个金属电极靠近房屋上方边缘处并呈等腰直角三角形放置，极板平面朝下，以三个电极为顶点构成的矩形区域应覆盖尽量大的室内空间，该区域为有效室内探测区域；当目标在空间内运动时，通过读取某一时间点金属电极所连接的三路通道输出信号幅度比，可以计算出该时间点目标所在的二维位置坐标；通过计算多个时间点的二维位置坐标，可以确定目标的运动路径。该方法显著优势在于基于电荷感应的被动式定位和追踪方法，目标无需携带任何标签或设备，不受光线影响，抗遮挡能力强，仅需三个探测端即可实现目标的定位和追踪，设备复杂度低，算法简单。

Description

一种室内运动目标定位追踪方法

技术领域

本发明涉及一种室内运动目标定位追踪方法。

背景技术

随着社会的进步和现代科技的不断发展，对于实现室内定位的需求逐渐体现在商场、公寓、办公室等各个场景中。目前现有的室内定位的主流技术有WiFi定位技术，蓝牙信标技术，射频识别技术，红外技术，超声波技术等。

WiFi定位技术主要通过做WiFi指纹采集，事先记录巨量的确定位置点的信号强度，当用户持有智能手机时，通过用新加入的设备的信号强度对比拥有巨量数据的数据库，来确定位置。该方法虽然可以实现复杂的大范围定位，但采集工作需要大量的人员来进行，并且要定期进行维护，技术难以扩展。蓝牙信标技术与WiFi技术的区别不是太大，精度比WiFi稍高一些且不受视距影响，功耗低，但对于复杂的空间环境，蓝牙系统的稳定性稍差，受噪声信号干扰大且蓝牙器件价格比较昂贵。射频识别技术的基本原理是，通过一组固定的阅读器读取目标标签的特征信息(如身份ID、接收信号强度等)，采用近邻法、多边定位法、接收信号强度等方法确定标签所在位置。该技术可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息，且传输范围很大。但该技术抗干扰能力较差，也不便于整合到其他系统之中。红外技术通过多对发射器和接收器织成的红外线网覆盖待测空间，直接对运动目标进行定位。该方法不需要定位对象携带任何终端或标签，隐蔽性强。但要实现精度较高的定位需要部署大量红外接收和发射器，成本非常高。超声波定位系统由一个主测距器和若干接收器组成，主测距仪可放置在待测目标上，接收器固定于室内环境中。定位时，向接收器发射同频率的信号，接收器接收后又反射传输给主测距器，根据回波和发射波的时间差计算出距离，从而确定位置。超声波定位整体定位精度较高，结构简单。但受多径效应和非视距传播影响很大，且超声波频率受多普勒效应和温度影响，同时也需要大量基础硬件设施，成本较高。

发明内容

为了克服上述现有技术中的不足，本发明提出一种新的室内运动目标定位追踪方法。为实现上述发明目的，本发明提出的技术方案为：

一种室内运动目标定位追踪方法，其特征在于，三个金属电极靠近室内上方边缘处并呈等腰直角三角形放置，极板平面朝下，以三个电极为顶点构成的矩形区域应覆盖尽量大的室内空间，该区域为有效室内探测区域；当目标在空间内运动时，通过读取某一时间点金属电极所连接的三路通道输出信号幅度比，可以计算出该时间点目标所在的二维位置坐标；通过计算多个时间点的二维位置坐标，可以确定目标的运动路径。

一种室内运动目标定位追踪方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)在室内上方靠近边缘处放置三个金属电极，电极面积均为A，极板平面朝下，电极中心连线构成边长为d的等腰直角三角形，以三个电极为顶点构成的矩形区域应覆盖尽量大的室内空间，该区域为有效室内探测区域；

2)以位于直角位置处的金属极板为坐标系原点，该极板设为极板1，经过极板1、2的直线为x轴，经过极板1、3的直线为y轴，z轴方向竖直向下，建立空间直角坐标系；

3)当目标在某一位置原地运动或运动至某一位置时，设该位置坐标为(x，y，h)，h为目标与极板平面的垂直距离，由于目标是在地面运动，h为一定值且与定位结果无关；

4)将三个金属电极分别接入电荷传感器，电荷传感器均和采集处理模块连接，根据电荷感应原理，金属电极接入电荷传感器后的三路输出信号分别为：

式中，H为系统增益，Q₀为运动目标带电量，A为极板面积，Ci为输入电容，d为极板间距；

5)令：

联立化简可得

该方程组几何模型为两圆相交求交点坐标；

6)若目标发生动作但所在位置不变，读取三路输出信号脉冲的幅度，根据式(4)、(5)即可计算出目标所处的坐标(x，y)；

7)若目标沿某一路径运动，读取两个或两个以上时间点所对应的信号幅度即可计算出目标在不同时间点t₁，t₂，...t_n下的位置坐标(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，...(x_n，y_n)，连接各个位置坐标，即可绘制出运动路径，实现追踪，设运动方向θ_n-1n为两点(x_n-1，y_n-1)，(x_n，y_n)所确定的运动路径与x轴的夹角，v_n-1n为t_n-1和t_n这段时间目标的平均速度，则

连接各个位置坐标，即可绘制出运动路径，实现追踪。

本发明方法显著优势在于基于电荷感应的被动式定位和追踪方法，目标无需携带任何标签或设备，不受光线影响，抗遮挡能力强，仅需三个探测端即可实现目标的定位和追踪，设备复杂度低，算法简单。

附图说明

图1为室内空间电极安装探测示意图。

图2为探测电路的实现框图。

图3为两种运动方式下的三路通道输出波形图，(a)为情形1，(b)为情形2。

图4为定位追踪计算结果与实际情况的对比图，(a)为情形1，(b)为情形2。

具体实施方式及实施例

为进一步详细表述本发明的效果，假设运动目标带电量Q₀＝10^-10C，目标存在两种可能的运动情形，情形1：发生一动作但所在位置不变；情形2：目标沿某一路径运动，下面将结合该目标两种运动模式下定位追踪的实施例对本发明作说明，具体如下：

1)在室内上方靠近边缘处放置三个金属电极，极板平面朝下，与目标垂直距离h＝2m，电极中心连线构成等腰直角三角形，边长d＝8m，电极面积A均为0.05m²，材质为导电材料，室内空间电极安装探测示意图如附图1所示；

2)以位于直角位置处的金属极板为坐标系原点，该极板设为极板1，经过极板1、2的直线为x轴，经过极板1、3的直线为y轴，z轴方向竖直向下，建立空间直角坐标系，运动情形1中，设所处位置坐标为(3，5)，情形2中，运动速度v＝1m/s，运动方向θ＝30°，运动距离5m，即运动路径起点为(1，1)，终点为(5.3301，3.5)；

3)分别连接3个金属电极至电荷传感器，输出后连接至信号采集处理模块，电荷传感器的输入电容C_i均为10pF，系统增益H＝10，探测电路框图如附图2所示；

4)目标运动过程中，三个金属电极同时探测目标运动信号，三路信号采集处理模块同步工作，两种运动情形下的三路通道输出波形图分别如附图3(a)、(b)所示；

5)采用Matlab对两种运动方式下各电极输出信号进行仿真，对于情形1，读取三路输出信号脉冲处的幅值，得V₁＝2.8mV，V₂＝2.1mV，V₃＝7.1mV，根据式(4)，(5)计算可得，目标所处的位置坐标为locat(3.433，5.25)，计算位置与实际位置的对比如附图4(a)所示，对于情形2，选取输出信号中前后两个时间点t_bejin＝0.2s，t_end＝4.8s分别作为起始时间点和终止时间点，并读取三路输出信号幅值，得V_1begin＝47.1mV，V_2begin＝2.1mV，V_1begin＝2.1mV，V_1end＝2.9mV，V_2end＝6.9mV，V_2end＝2.1mV，根据式(4)，(5)计算可得起点坐标begin(1.172，1.1)，end(5.1569，3.4)，根据式(6)计算可得运动方向θ_{begin_end}＝29.99°，根据式(7)计算可得运动速度v_{begin_end}＝1m/s，定位追踪计算结果与实际情况的对比如附图4(b)所示。

上述定位结追踪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。情形1中误差来自于，将目标运动极短一段距离的过程近似于目标的原地运动，因此目标的起止位置并非完全重合，计算的结果是运动终止时目标的位置；情形2中误差是由于计算的运动距离与所选时间点有关，当所选时间点越靠近信号的起始和中止点时，计算路径越接近真实路径。

Claims (2)

1.一种室内运动目标定位追踪方法，其特征在于，三个金属电极靠近室内上方边缘处并呈等腰直角三角形放置，极板平面朝下，以三个电极为顶点构成的矩形区域应覆盖尽量大的室内空间，该区域为有效室内探测区域；当目标在空间内运动时，通过读取某一时间点金属电极所连接的三路通道输出信号幅度比，可以计算出该时间点目标所在的二维位置坐标；通过计算多个时间点的二维位置坐标，可以确定目标的运动路径。

2.根据权利要求1所述的一种室内运动目标定位追踪方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)在室内上方靠近边缘处放置三个金属电极，电极面积均为A，极板平面朝下，电极中心连线构成边长为d的等腰直角三角形，以三个电极为顶点构成的矩形区域应覆盖尽量大的室内空间，该区域为有效室内探测区域；

2)以位于直角位置处的金属极板为坐标系原点，该极板设为极板1，经过极板1、2的直线为x轴，经过极板1、3的直线为y轴，z轴方向竖直向下，建立空间直角坐标系；

3)当目标在某一位置原地运动或运动至某一位置时，设该位置坐标为(x，y，h)，h为目标与极板平面的垂直距离，由于目标是在地面运动，h为一定值且与定位结果无关；

4)将三个金属电极分别接入电荷传感器，电荷传感器均和采集处理模块连接，根据电荷感应原理，金属电极接入电荷传感器后的三路输出信号分别为：

式中，H为系统增益，Q₀为运动目标带电量，A为极板面积，Ci为输入电容，d为极板间距；

5)令：

联立化简可得

该方程组几何模型为两圆相交求交点坐标；

6)若目标发生动作但所在位置不变，读取三路输出信号脉冲的幅度，根据式(4)、(5)即可计算出目标所处的坐标(x，y)；

7)若目标沿某一路径运动，读取两个或两个以上时间点所对应的信号幅度即可计算出目标在不同时间点t₁，t₂，...t_n下的位置坐标(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，...(x_n，y_n)，连接各个位置坐标，即可绘制出运动路径，实现追踪，设运动方向θ_n-1n为两点(x_n-1，y_n-1)，(x_n，y_n)所确定的运动路径与x轴的夹角，v_n-1n为t_n-1和t_n这段时间目标的平均速度，则

连接各个位置坐标，即可绘制出运动路径，实现追踪。

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