一種小型動(dòng)/靜態(tài)雙坐標(biāo)感知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

趙 迪，楊 衛(wèi)，劉前進(jìn)

（1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051）

0 引言

被動(dòng)式紅外傳感器探測(cè)系統(tǒng)是利用熱釋電材料的熱釋電效應(yīng)檢測(cè)目標(biāo)的紅外能量并將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出的一種測(cè)試系統(tǒng)。由于成本低，在民品中較廣泛應(yīng)用，但是其探測(cè)距離近，探測(cè)范圍小，在一些應(yīng)用方面受到約束［1］。目前，主要選用居里溫度更高的熱釋電材料，體積和熱量更小的特定結(jié)構(gòu)與選擇性更高的窗口材料等來(lái)提高紅外傳感器探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)距離和范圍，但是由于技術(shù)與成本的原因，效果不是很理想［2］。針對(duì)軍事方面特殊的應(yīng)用，須滿足野外作戰(zhàn)值守時(shí)間周期長(zhǎng)（多于15天），感知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、實(shí)用、小型化的要求，本文選用被動(dòng)式熱釋電紅外（PIR）傳感器。

針對(duì)提高被動(dòng)式PIR傳感器的探測(cè)距離、探測(cè)范圍及無(wú)盲區(qū)探測(cè)等難題，如，全范圍360°無(wú)盲區(qū)探測(cè)，一個(gè)靜態(tài)紅外傳感器的探測(cè)范圍大約為8°，那么，實(shí)現(xiàn)全角度探測(cè)需要的傳感器數(shù)量龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為此，本文提出了一種動(dòng)/靜態(tài)雙坐標(biāo)感知系統(tǒng)，可以滿足動(dòng)態(tài)目標(biāo)在動(dòng)/靜態(tài)雙坐標(biāo)感知系統(tǒng)中基準(zhǔn)傳遞的要求。

1 熱釋電紅外傳感器的探測(cè)原理

PIR傳感器的探測(cè)原理［3，4］如圖1所示，主要由光學(xué)裝置、PIR傳感器、濾波放大模塊、采集處理模塊、電源模塊和電機(jī)模塊等組成。

光學(xué)裝置的主要功能根據(jù)凸透鏡成像原理收集被測(cè)目標(biāo)發(fā)射的紅外輻射能量，進(jìn)而把它們匯聚到PIR探測(cè)器的光敏表面上引起傳感器輸出電壓的持續(xù)變化，從而實(shí)現(xiàn)提高PIR傳感器的探測(cè)距離的目的。

圖1 PIR傳感器的探測(cè)原理Fig 1 Detection principle of PIR sensor

動(dòng)/靜態(tài)雙坐標(biāo)感知系統(tǒng)的原理如圖2所示，感知系統(tǒng)由動(dòng)坐標(biāo)系統(tǒng)和靜坐標(biāo)系統(tǒng)組成，動(dòng)、靜兩坐標(biāo)系的夾角為β，感知范圍是感知圓以內(nèi)的區(qū)域，當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入感知范圍時(shí)，目標(biāo)與感知圓的交點(diǎn)稱為感知點(diǎn)，感知目標(biāo)可以是人員或者車(chē)輛，目標(biāo)通過(guò)感知范圍的軌跡稱為目標(biāo)路徑。動(dòng)/靜態(tài)感知系統(tǒng)分別組成2個(gè)垂直的雙元十字型陣列，在坐標(biāo)軸的各個(gè)方向上都安裝探測(cè)系統(tǒng)。

圖2 動(dòng)/靜態(tài)雙坐標(biāo)感知系統(tǒng)的原理Fig 2 Principle of dynamic/static double coordinate perceptual system

當(dāng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)入感知范圍，在靜坐標(biāo)系的4個(gè)方向至少有1個(gè)會(huì)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，動(dòng)坐標(biāo)系統(tǒng)以特定的角速度在感知圓內(nèi)運(yùn)動(dòng)，針對(duì)不同速度的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，對(duì)于車(chē)輛可實(shí)現(xiàn)至少探測(cè)到1次的要求，對(duì)于人員，動(dòng)坐標(biāo)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)次數(shù)會(huì)更多。通過(guò)動(dòng)/靜雙坐標(biāo)系統(tǒng)的結(jié)合，確定在感知范圍內(nèi)至少有2次發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，已知發(fā)現(xiàn)目標(biāo)在靜坐標(biāo)系的位置，根據(jù)二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式

可知發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)在動(dòng)坐標(biāo)系的位置，根據(jù)兩點(diǎn)決定一條直線的原理，可以推算出目標(biāo)的路徑、目標(biāo)行走的方位等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確定位。利用動(dòng)/靜雙坐標(biāo)系統(tǒng)結(jié)合實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的無(wú)盲區(qū)探測(cè)，彌補(bǔ)了靜態(tài)探測(cè)存在盲區(qū)的缺點(diǎn)。

2 動(dòng)/靜態(tài)雙坐標(biāo)感知平臺(tái)的搭建

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

動(dòng)/靜雙坐標(biāo)感知系統(tǒng)是基于上述動(dòng)/靜態(tài)雙坐標(biāo)感知理論由鏡頭定位管、PIR傳感器、紅外透鏡、轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)、可編程步進(jìn)電機(jī)、單片機(jī)、導(dǎo)線、電源等部分組成，整體示意圖如圖3。

圖3 總體設(shè)計(jì)框圖Fig 3 Block diagram of overall design

2.2 各部分功能實(shí)現(xiàn)

2.2.1 鏡頭定位管

針對(duì)光學(xué)基準(zhǔn)傳遞的要求，為提高PIR傳感器的探測(cè)距離，根據(jù)凸透鏡成像原理，選用透光率更高的紅外透鏡，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4，本文中的基準(zhǔn)傳遞原理［5］是用于檢測(cè)各個(gè)基準(zhǔn)面的垂直度和同軸度，使得傳感器與增加的光學(xué)裝置保持各自的基準(zhǔn)面互相平行，動(dòng)/靜坐標(biāo)系統(tǒng)中鏡頭定位管實(shí)現(xiàn)在同一基準(zhǔn)面上。

鑒于以上形勢(shì)，海外中資建筑企業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，其內(nèi)涵應(yīng)體現(xiàn)在從規(guī)模優(yōu)先轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)量領(lǐng)先，避免過(guò)度偏重規(guī)模和數(shù)量指標(biāo)的增長(zhǎng)，從而忽視企業(yè)的可持續(xù)穩(wěn)健發(fā)展。企業(yè)應(yīng)緊跟國(guó)家政策方向，結(jié)合企業(yè)與當(dāng)?shù)貙?shí)際市場(chǎng)情況，不斷優(yōu)化自身業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)，把主業(yè)做精做細(xì)，在堅(jiān)守自身核心競(jìng)爭(zhēng)力的基礎(chǔ)上，整合優(yōu)勢(shì)資源，擴(kuò)大上下游產(chǎn)業(yè)鏈。各企業(yè)應(yīng)抱團(tuán)合作發(fā)展，積極開(kāi)拓中高端市場(chǎng)，并尋求多元化經(jīng)營(yíng)發(fā)展。海外中資企業(yè)的多元化經(jīng)營(yíng)，也需要進(jìn)行專(zhuān)業(yè)性和區(qū)域性分組，由于海外市場(chǎng)份額有限，避免海外中資建筑企業(yè)間的惡性競(jìng)爭(zhēng)、攪局，應(yīng)制定相應(yīng)的政策措施，協(xié)調(diào)企業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)，為優(yōu)質(zhì)企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展性提供保證。

圖4 鏡頭定位管Fig 4 Camera localization tube

該結(jié)構(gòu)把紅外透鏡的最佳聚光點(diǎn)集中于PIR傳感器的光敏面上，使得探測(cè)距離可達(dá)到40～50 m。其中，固定架是凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，放置紅外透鏡;凸臺(tái)的外延用來(lái)遮擋非水平方向的輻射，同時(shí)也起到保護(hù)鏡片的作用;透氣孔可使得定位管內(nèi)外的壓強(qiáng)相等，降低裝配難度，裝配完成后用硅膠固死;卡槽放置PIR傳感器，軸向固定PIR傳感器;在PIR傳感器的引腳空間放平傳感器，覆蓋一層硅膠，有固定和保護(hù)傳感器的雙重功能，并確保了傳感器與紅外鏡片的平度;通孔與環(huán)形凸臺(tái)相通，形成凹槽，在內(nèi)部卡住PIR傳感器上的小凸起，在外部可以作為一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，確定PIR傳感器的周向位置;該定位管的頂部是梯形設(shè)計(jì)，避免與定位套筒產(chǎn)生干涉。

本整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于PIR傳感器、傳感器引腳空間、通孔之間的銜接，通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)傳遞基準(zhǔn)，限制傳感器安裝的垂直度和水平度，從而使精度有很大提高。

2.2.2 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)軸、定位套筒、轉(zhuǎn)軸套管、轉(zhuǎn)臺(tái)座組成，實(shí)現(xiàn)PIR 360°無(wú)盲區(qū)探測(cè)目標(biāo)。

轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的主要功能是利用一個(gè)可編程步進(jìn)電機(jī)［6］，根據(jù)單片機(jī)提供的信號(hào)由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)熱釋電傳感器以特定的速度勻速擺動(dòng)，這樣一個(gè)PIR傳感器就以特定的速率在一定范圍90°內(nèi)往復(fù)擺動(dòng)探測(cè)目標(biāo)。

轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5。

圖5 轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)Fig 5 Rotating shaft structure

此裝置的設(shè)計(jì)用于連接電機(jī)，由電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，端口有外螺紋，用來(lái)連接定位套筒。

薄壁的內(nèi)外徑根據(jù)實(shí)際剛度要求由以下公式確定:

空心軸的抗扭截面系數(shù)［7］

軸的最大切應(yīng)力為

定位套筒的功能是連接轉(zhuǎn)軸和鏡頭定位管，其結(jié)構(gòu)如圖6所示，4個(gè)側(cè)面與4個(gè)定位管裝配。通過(guò)上表面的4個(gè)很小的螺紋孔來(lái)固定定位管;下表面通過(guò)定位臺(tái)與轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)連接，完成一個(gè)十字陣列坐標(biāo)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

圖6 裝配完成的定位筒與定位管Fig 6 Positioning cylinder and positioning assembled tube

2.3 動(dòng)/靜雙坐標(biāo)感知系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

圖7為在前述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上經(jīng)加工裝配完成后的動(dòng)/靜態(tài)雙坐標(biāo)感知系統(tǒng)實(shí)物圖。

轉(zhuǎn)臺(tái)座向下固定電機(jī)，向上固定感知系統(tǒng);轉(zhuǎn)軸固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，在步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)下以固定速度轉(zhuǎn)動(dòng);轉(zhuǎn)軸一端通過(guò)外螺紋連接定位套筒?；谵D(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的平穩(wěn)性和小阻尼要求，轉(zhuǎn)軸在螺紋的下端通過(guò)軸承與定位套管連接。4個(gè)定位管裝配在定位套筒上，一套與轉(zhuǎn)軸構(gòu)成可旋轉(zhuǎn)裝置，通過(guò)單片機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)探測(cè);一套與轉(zhuǎn)軸套管構(gòu)成靜態(tài)裝置，通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)探測(cè)。動(dòng)態(tài)探測(cè)和靜態(tài)探測(cè)共同實(shí)現(xiàn)雙坐標(biāo)感知系統(tǒng)。

圖7 感知系統(tǒng)平臺(tái)樣機(jī)Fig 7 Perception system platform prototype

3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證上述實(shí)驗(yàn)裝置和原理的準(zhǔn)確性和可靠性，針對(duì)不同的探測(cè)距離和范圍，在野外進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

圖8為實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖，圖9為實(shí)測(cè)距離實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖，紅外雙坐標(biāo)感知系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)安裝高度為50 cm，探測(cè)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度為1.1～1.5 m/s（成人正常步速），室外溫度為 19°，風(fēng)速2.7級(jí)。表1為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)從不同方向不同距離進(jìn)入探測(cè)視場(chǎng)時(shí)檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果。

圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖Fig 8 Schematic diagram of experimental structure

圖9 實(shí)測(cè)距離實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖Fig 9 Measured distance experimental scene graph

從表1所示實(shí)測(cè)信號(hào)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，不難看出:針對(duì)目標(biāo)從不同角度不同距離進(jìn)入探測(cè)視場(chǎng)，本系統(tǒng)均能有效地捕捉到目標(biāo)信息，且誤差較小。

4 結(jié)論

動(dòng)/靜態(tài)雙坐標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)可在不改變探測(cè)距離的情況下實(shí)現(xiàn)大范圍的目標(biāo)監(jiān)測(cè)，有效探測(cè)距離達(dá)40 m左右，克服了靜態(tài)探測(cè)距離短和探測(cè)有盲區(qū)的缺陷，表明該裝置在探測(cè)距離和探測(cè)范圍上都達(dá)到了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果，并且具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力。

表1 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)從不同方向不同距離進(jìn)入探測(cè)視場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab 1 Experimental data of moving object enters detection field from different directions and different distance

此外，通過(guò)相應(yīng)的改進(jìn)，該探測(cè)系統(tǒng)還可以具有較好的抗震動(dòng)沖擊能力，可以滿足惡劣環(huán)境條件下保證正常工作的需要，被動(dòng)式PIR傳感器能夠達(dá)到更廣泛的應(yīng)用。

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