一种基于毫米波雷达的智能马桶人体检测系统技术方案

本发明专利技术涉及毫米波雷达系统技术领域，尤其涉及一种基于毫米波雷达的智能马桶人体检测系统。本发明专利技术提供一种基于毫米波雷达的智能马桶人体检测系统，该系统包括毫米波射频收发单元、微控制单元、发射天线、接收天线和智能马桶，所述毫米波射频收发单元分别与所述微控制单元、所述发射天线和所述接收天线连接。本系统采用的人体检测算法主要基于毫米波雷达对测试人员的身体采点形成的聚类，并结合物理学相关知识对人体运动轨迹进行预测，进而判断人靠近、经过或是远离智能马桶，并决定马桶是否开盖。本系统对于上述人体基本状态的识别准确率可达95％以上，且本系统的相关模块便于集成和安装且功耗较小，隐私保护较好。隐私保护较好。隐私保护较好。

【技术实现步骤摘要】
一种基于毫米波雷达的智能马桶人体检测系统


[0001]本专利技术涉及毫米波雷达系统
，尤其涉及一种基于毫米波雷达的智能马桶人体检测系统。

技术介绍

[0002]自动化领域的快速增长促进了更多人机交互的高效与便捷。而对于人体移动的雷达感知则进一步增加了人机交互体验。大多数基于毫米波的调频连续波雷达的人体检测研究采用的方法是从未加工的数据中进行距离和速度的估计，例如时频谱图，微多普勒频谱以及距离多普勒成像。此外，使用多重天线进行角度估计也包含丰富的人体移动信息，尤其是区分人体横向和纵向移动。
[0003]在人机交互领域，基于传感器的动态与静态的目标识别是一个重要部分。摆脱物理控制接口(如按钮和触屏的手势识别)是一个热点研究方向。有很多基于各种传感器的手势识别研究，例如基于影像式的使用OpenCV的解决方案，以及可穿戴式装置进行轨迹追踪的解决方案。无线人体检测作为一项非接触技术，无线信号可以穿透塑料、墙或衣服等材料。无线人体检测可以在晚上工作且性能不受可见光的影响。比起基于可见光的解决方案，基于无线的解决方案在隐私保护方面具有较大优势。而毫米波雷达是一项具有较好前景的无线技术。毫米波雷达拥有低功耗的系统芯片和传感器，可同时进行信号的特征提取与分类。目前在智能家居领域(如智能马桶)涉及到的毫米波雷达对于人体位置与速度检测与判定的研究工作较少，因此，设计一套识别率较高，抗干扰能力较强，可拓展且功能较全面的毫米波雷达人体检测系统对毫米波雷达的商业化应用具有重要意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于解决现有毫米波雷达人体检测在智能家居领域应用较少，缺少更加成熟、全面的系统进行更加精准的人体检测等问题，以智能马桶的实际应用为例，提出一种基于毫米波雷达的智能马桶人体检测系统，以识别人的正面进入、侧面进入、经过与退出等多种状态。
[0005]一种基于毫米波雷达的智能马桶人体检测系统，包括：毫米波雷达处理模块和智能马桶；
[0006]所述毫米波雷达处理模块安装在智能马桶盖子后方，该模块包括毫米波射频收发单元、微控制单元、发射天线和接收天线，其中，毫米波射频收发单元分别与微控制单元、发射天线和接收天线连接；
[0007]所述毫米波射频收发单元根据雷达波形参数产生相应的毫米波雷达信号，并接收毫米波雷达信号被测试人员反射回来的回波信号，再将回波信号传输给微控制单元；
[0008]所述微控制单元为可烧录和运行人体检测程序的单片机，用于处理回波信号得到人体检测判断结果，并传输给智能马桶；
[0009]所述发射天线用于发射毫米波射频收发单元产生的毫米波雷达信号；
[0010]所述接收天线用于接收空间中反射回来的毫米波雷达信号，并将其传输给毫米波射频收发单元；
[0011]所述智能马桶根据毫米波雷达处理模块返回的人体检测结果和相关通信协议控制开盖或者关盖。
[0012]优选地，系统的人体检测算法在微控制单元处理回波信号的过程中完成，人体检测系统及智能马桶的工作包括以下步骤：
[0013]S1、微控制单元根据回波信号得到测试人员每一帧多个点的数据信息；
[0014]S2、运行聚类算法A，得到测试人员的位置信息和能量信息；
[0015]S3、运行追踪算法，得到测试人员的预测位置与X轴、Y轴方向的运动速度；
[0016]S4、结合步骤S2和步骤S3中计算得到的数据信息运行人体检测算法，得到人体检测判断结果；
[0017]S5、智能马桶根据微控制单元返回的处理结果和通信协议决定是否开盖。
[0018]优选地，所述步骤S1中的数据信息包括：
[0019]当前帧的帧编号frameNow；
[0020]当前帧采集的点云到雷达中心距离r；
[0021]当前帧采集的点云三维空间直角坐标(x，y，z)；
[0022]当前帧采集的点云运动速度vel；
[0023]当前帧采集的点云功率pow；
[0024]经毫米波雷达处理后当前帧采集的有效点云数量TargetNum。
[0025]优选地，所述步骤S2中的聚类算法A，具体步骤包括：
[0026]S2.1、将毫米波雷达采集并经过底层信号处理得到的每帧点云数据按照到雷达中心距离r由小到大排序，排序算法采用冒泡排序法，仅对点云数据的序号进行排序，不改变点云空间；
[0027]S2.2、按照到雷达中心距离r由小到大的升序开始遍历排序后的每帧所有点云数据：
[0028]S2.2.1、若当前点未分配，则为当前点新分配一个类，并将当前点标记为已分配，随后将其第一预设半径邻域内的点一起划分到当前点所在类中，并更新该类中所有点云数据的三维空间坐标加权平均值以及加权能量值，同时将该类中所有点标记为已分配；
[0029]若当前点已分配，则跳过当前循环继续遍历下一个点；
[0030]S2.2.2、重复过程S2.2.1直至当前帧所有点均已分配；
[0031]S2.3、当遍历完当前帧所有点云数据后，如果步骤S2.2得到的类的数量大于1个，则首先过滤掉点数少于2个的类，然后选取加权平均能量较大的类，以该类的坐标加权平均值以及加权能量值作为算法返回的聚类结果。
[0032]优选地，所述步骤S3所述的追踪算法，具体内容如下：
[0033]S3.1、对毫米波雷达采集并经过底层信号处理得到的每帧点云数据运行聚类算法B，算法步骤如下：
[0034]S3.1.1、对毫米波雷达采集处理得到的每帧点云数据通过遍历搜索找到最大功率点，并记录其功率值MaxPow和序号索引MaxPowIdx；
[0035]S3.1.2、选取最大功率点第二预设半径邻域内功率大于0.4*MaxPow的点云数据，
随后将这些点与最大功率点一起划分到一个类中，并更新该类中所有点云数据的坐标加权平均值以及加权能量值作为算法返回的聚类结果；
[0036]S3.2、根据聚类算法B得到的每帧点云聚类结果，对测试人员与大地平行的平面内运动轨迹进行追踪与预测，相应迭代计算过程如下：
[0037]S3.2.1、初始化测试人员追踪位置(t_x,t_y)以及追踪速度(t_vx,t_vy)：
[0038]t_x＝0m,t_y＝0m,t_vx＝0m/s,t_vy＝0m/s
[0039]S3.2.2、根据上一帧的测试人员追踪位置(t_x,t_y)以及追踪速度(t_vx,t_vy)，帧间隔时间Frame_T，当前帧由聚类算法B得到的聚类位置(xCenter,yCenter)，计算测试人员当前帧的预测位置(x_predict,y_predict)和预测偏差(delta_x,delta_y)：
[0040]x_predict＝t_x+t_vx*Frame_T；
[0041]y_predict＝t_y+t_vx*Frame_T；
[0042]delta_x＝xCenter
‑
x_predict；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于毫米波雷达的智能马桶人体检测系统，其特征在于，包括：毫米波雷达处理模块和智能马桶；所述毫米波雷达处理模块安装在智能马桶盖子后方，该模块包括毫米波射频收发单元、微控制单元、发射天线和接收天线，其中，毫米波射频收发单元分别与微控制单元、发射天线和接收天线连接；所述毫米波射频收发单元根据雷达波形参数产生相应的毫米波雷达信号，并接收毫米波雷达信号被测试人员反射回来的回波信号，再将回波信号传输给微控制单元；所述微控制单元为可烧录和运行人体检测程序的单片机，用于处理回波信号得到人体检测判断结果，并传输给智能马桶；所述发射天线用于发射毫米波射频收发单元产生的毫米波雷达信号；所述接收天线用于接收空间中反射回来的毫米波雷达信号，并将其传输给毫米波射频收发单元；所述智能马桶根据毫米波雷达处理模块返回的人体检测结果，通过相关通信协议控制开盖或者关盖。2.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达的智能马桶人体检测系统，其特征在于，系统的人体检测算法在微控制单元处理回波信号的过程中完成，人体检测系统及智能马桶的工作包括以下步骤：S1、微控制单元根据回波信号得到测试人员每一帧多个点的数据信息；S2、运行聚类算法A，得到测试人员的位置信息和能量信息；S3、运行追踪算法，得到测试人员的预测位置与X轴、Y轴方向的运动速度；S4、结合步骤S2和步骤S3中计算得到的数据信息运行人体检测算法，得到人体检测判断结果；S5、智能马桶根据微控制单元返回的处理结果和通信协议决定是否开盖。3.根据权利要求2所述的一种基于毫米波雷达的智能马桶人体检测系统，其特征在于，所述步骤S1中的数据信息包括：当前帧的帧编号frameNow；当前帧采集的点云到雷达中心距离r；当前帧采集的点云三维空间直角坐标(x，y，z)；当前帧采集的点云运动速度vel；当前帧采集的点云功率pow；经毫米波雷达处理后当前帧采集的有效点云数量TargetNum。4.根据权利要求2所述的一种基于毫米波雷达的智能马桶人体检测系统，其特征在于，所述步骤S2中的聚类算法A，具体步骤包括：S2.1、将毫米波雷达采集并经过底层信号处理得到的每帧点云数据按照到雷达中心距离r由小到大排序，排序算法采用冒泡排序法，仅对点云数据的序号进行排序，不改变点云空间；S2.2、按照到雷达中心距离r由小到大的升序开始遍历排序后的每帧所有点云数据：S2.2.1、若当前点未分配，则为当前点新分配一个类，并将当前点标记为已分配，随后将其第一预设半径邻域内的点一起划分到当前点所在类中，并更新该类中所有点云数据的
三维空间坐标加权平均值以及加权能量值，同时将该类中所有点标记为已分配；若当前点已分配，则跳过当前循环继续遍历下一个点；S2.2.2、重复过程S2.2.1直至当前帧所有点均已分配；S2.3、当遍历完当前帧所有点云数据后，如果步骤S2.2得到的类的数量大于1个，则首先过滤掉点数少于2个的类，然后选取加权平均能量较大的类，以该类的坐标加权平均值以及加权能量值作为算法返回的聚类结果。5.根据权利要求2所述的一种基于毫米波雷达的智能马桶人体检测系统，其特征在于，所述步骤S3所述的追踪算法，具体内容如下：S3.1、对毫米波雷达采集并经过底层信号处理得到的每帧点云数据运行聚类算法B，算法步骤如下：S3.1.1、对毫米波雷达采集处理得到的每帧点云数据通过遍历搜索找到最大功率点，并记录其功率值MaxPow和序号索引MaxPowIdx；S3.1.2、选取最大功率点第二预设半径邻域内功率大于0.4*MaxPow的点云数据，随后将这些点与最大功率点一起划分到一个类中，并更新该类中所有点云数据的坐标加权平均值以及加权能量值作为算法返回的聚类结果；S3.2、根据聚类算法B得到的每帧点云聚类结果，对测试人员与大地平行的平面内运动轨迹进行追踪与预测，相应迭代计算过程如下：S3.2.1、初始化测试人员追踪位置(t_x,t_y)以及追踪速度(t_vx,t_vy)：t_x＝0m,t_y＝0m,t_vx＝0m/s,t_vy＝0m/sS3....

【专利技术属性】
技术研发人员：韩玉玺，袁常顺，孙忠胜，程震，李巧艳，王俊，
申请(专利权)人：北京航空航天大学杭州创新研究院，
类型：发明
国别省市：