一种基于热释电感知的分散式目标跟踪定位系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于热释电感知的分散式目标跟踪定位系统以及方法，所公开的跟踪定位系统包括多个感知单元，相邻的感知单元覆盖区域相切或相交叉重叠；每个感知单元由多个面向不同方位的热释电传感器组成，相邻热释电传感器的视场角部分重叠覆盖。本发明专利技术公开的基于热释电感知的分散式目标跟踪定位系统实现了目标的分散式布局感知定位，具有良好的定位精度和定位区域范围。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种分散式目标跟踪定位系统及方法，属于探测

技术介绍
热释电传感器，全称为热释电红外传感器（pyroelectric infrared sensor，PIR)，以非接触方式检测出人体辐射的红外线能量的变化，对人体运动具有非常 高的敏感度，广泛地应用于监控、定位等领域，在军事、医疗、安防以及监护等领域有着广泛 的应用价值。 热释电传感器的定位原理为检测目标噪声、磁场、震动、红外等信号的时延、强度、 方位等信息，经过信号分析处理得到目标位置信息。在传统的技术方案中，为了实现运动目 标的完整定位和检测，是通过密集安装多个热释电传感器的方法实现的，其定位原理是：根 据要定位的目标类型将各传感器感知域对平面几何空间划分，编码，当目标运动时，CPU获 取各传感器输出的开关信号（〇或者1)以此来判断目标位置。如图1所示，图1(a)为PIR 传感器结构，将装有多个这样的传感器的阵列布局如图1(b)，每个热释电传感器检测一定 区域，然后将感知区域进行编码（有目标进入则输出1，否则为〇)。这种方法通过较多传感 器协作能够获取高精度的目标位置信息，单节点设计中需要的传感器数量较多，设计结构 较复杂，且感知范围不大；更重要的是对于运动目标的检测，这种方式检测效率低、检测距 离近、重复探测频率低，无法进行运动目标的快速检测。
技术实现思路
本专利技术公开了，通过对热 释电传感器的空间排列方式、感知单元的分布进行了优化设计，能够完整、无遗漏的高效覆 盖被测目标的运动轨迹，实现对其的准确定位和跟踪。 具体的说，本专利技术是通过如下技术方案实现的： -种基于热释电感知的分散式目标跟踪定位系统，包括多个感知单元，相邻的感 知单元覆盖区域相切或相交叉重叠；每个感知单元由多个面向不同方位的热释电传感器组 成，相邻热释电传感器的视场角部分重叠覆盖。 利用上述方案，当运动目标进入同一单元的热释电传感器视域范围时，可以得到 类正弦波信号，能够确定目标位于热释电传感器所面向方位的扇形区域，当同一感知单元 同时有两个或更多个传感器输出信号时，能够确定目标位于热释电传感器重叠覆盖的视场 扇形区域内；通过多个感知单元的分散式布局排列，根据目标轨迹和移动速度调整并变化 单元之间的距离，实现对监测范围合理的区域划分，得到有盲区、无盲区、重叠覆盖式的布 局，从而准确、快速追踪目标的位置。 通过调整感知单元的感知半径，可使得感知区域的划分粗细度的变化。申请人通 过大量实验确定了感知区域划分精度与覆盖面积之间的关系，优选的，所述感知单元的覆 盖半径为20m，感知单元为圆形布局。 本领域技术人员可以理解，当所有的感知单元中，任意两个感知单元的感知区域 均有交叉重叠时可以在不影响覆盖面积的前提下实现最好的定位精度，因此在本专利技术中， 优选的，所述感知单元的数量和覆盖半径使得所有感知单元的覆盖区域均有交叉重叠。 为了满足上述需要，作为上述方案的优选实现，所述感知单元的热释电传感器覆 盖半径为20m，感知单元的数目为5-50个。 在本专利技术中，感知单元通过热释电传感器的空间排列方式的调整提高定位精度， 每个感知单元可由多个热释电传感器组成，这些热释电传感器面向不同方位且视场角不完 全重叠（也就是说这些热释电传感器非相对的面对面排列，准确的说也就是热释电传感器 的排列不构成直线或者相对平行的直线）。优选的，每个感知单元由4个相互垂直的热释电 传感器组成。 通过调整这些热释电传感器的视场角可以微调定位精度，降低定位误差，作为最 优选的情况，上述每个热释电传感器视场角为110°，重叠覆盖四个20°的区域。 在此情形下，四个相互垂直的热释电传感器形成感知半径为r的圆域，当人体目 标进入传感器视域范围时，得到类正弦波信号，能够确定目标位于110°扇形区域，当感知 单元同时有两个传感器输出信号时，能够确定目标位于20°扇形区域。 在此基础上，本专利技术还公开了基于热释电感知的分散式目标跟踪定位方法，通过 如下方式构建感知区域：多个面向不同方位且视场角不完全重叠热释电传感器组成感知 单元，调整感知单元的具体和覆盖半径使得至少相邻的感知单元覆盖区域相切或相交叉重 置。 利用上述方式构建的感知区域能够高精度、低误差、高覆盖的定位和追踪目标，尤 其是运动目标的位置，所有感知区域感知到目标的传感器感知域的交集，在轨迹域中心作 为目标轨迹点序列，可以跟踪目标。【附图说明】 图1为传统的热释电传感器的定位原理，其中a为热释电传感器的结构，b为热释 电传感器的排列方式和定位过程； 图2为本专利技术所用感知单元的结构示意图； 图3为调整感知单元之间的距离对感知圆周区域划分的影响； 图4为不同感知单元数目所得目标追踪轨迹，其中， ?轨迹域，节点位置，计算轨迹，。实际轨迹 图5为相应于图4的不同感知单元数目所产生的目标追踪误差。【具体实施方式】 在下述实施中，申请人结合附图针对本专利技术实现的最优方式进行了描述以便本领 域技术人员能够清楚的了解本专利技术的技术方案。在下述实施中所提供的感知半径、传感器 数目、目标移动速度等都是根据常见目标检测的情况所设计的。本领域技术人员根据实际 应用的需要，相应的调整上述数据、排列方式和布局形状依旧属于本专利技术的保护范围。 在下述实施中，申请人提供了如下结构的感知单元，由机器人装配而来：四个相互 垂直的热释电传感器，形成感知半径为r的圆域，每个传感器视场角为110°，重叠覆盖四 个20°的区域，其结构原理如图2所示。 调整上述热释电传感器的感知半径为20m，以四个感知单元为例，图3-a、3-b、3_c 依次显示了相邻感知单元间距为20m、15m、IOm对感知区域划分的影响。 基于上述感知单元，采用感知单元的圆形布局对人体目标跟踪定位，感知单元 数量分别选5、15、30、50，布局在以（0,0)为圆心，半径20111的圆周上，被测目标起始点 T(-30, -30)，速度V = lm/s，目标方向角V = lm/s，图4是目标轨迹跟踪结果，图5给出其 相应跟踪误差。 对于目标定位，采用如下数学算法： 假设红外探测系统S = (S1, S2, ...，Sj，由N个感知单元节点组成，其感知域表示 为：D、=丨??…A... !，单个感知单元节点Si感知域： 其中r = r。= 30, j = 1，2, 3, 4,表示四个传感器，（X ;，y;)为Ri的位置坐标。 假设目标经过系统监测范围时，系统输出结果为： 其中，ikle {1，2,…，N}，表示感知到目标的机器人，jkle {1，2,3,4}，表示相应的 传感器，t为时间，由（4. 1)、（4.2)可以得到目标经过检测范围的轨迹域序列，记为D p = {dpl，dp2,...，dpn}，其中(^为t:时刻所有感知到目标的传感器感知域的交集，在此取轨迹域 中心作为目标轨迹点序列，如此可以跟踪目标。 当感知节点数量较少时，如图4-a所示，感知区域划分较粗略，所得轨迹域序列Dp ={dpl, dp2, . . .，dpn}中每个小区域范围较大，在图4-b、4-c、4_d中，感知节点布局的圆周内 目标定位精度较高，但圆周外围，区域划分较粗略。根据图5所示结果可以发现，在覆盖半 径20m、感知单元数目为30、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于热释电感知的分散式目标跟踪定位系统，其特征在于包括多个感知单元，相邻的感知单元覆盖区域相切或相交叉重叠；每个感知单元由多个面向不同方位的热释电传感器组成，相邻热释电传感器的视场角部分重叠覆盖。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨卫，王泽兵，秦丽，张文栋，孙乔，刘前进，侯爽，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西;14