一種基于PIR的對瞄測距定位方法研究

侯 爽，楊 衛(wèi)，劉前進(jìn)

(1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051;2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051)

1 引言

熱釋電紅外(PIR)傳感器以非接觸形式檢測環(huán)境中紅外輻射的變化，對人體運(yùn)動具有非常高的敏感度，并且具有適用范圍廣、隱蔽性強(qiáng)和受環(huán)境光線干擾小等優(yōu)點(diǎn)，因此基于PIR定位與軌跡獲取技術(shù)受到關(guān)注［1］。目前，目標(biāo)檢測與軌跡跟蹤是智能監(jiān)控、高級人/機(jī)接口、運(yùn)動分析和行為理解等涉及的共性關(guān)鍵技術(shù)，在災(zāi)害救助、安防以及醫(yī)療監(jiān)護(hù)等有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值［2］。但是，利用熱釋電紅外(PIR)傳感器進(jìn)行定位的研究較少。熱釋電信號峰峰值時間差法測距［3］，是對PIR的深層次應(yīng)用的初步探索?；诖耍岢隽艘环N兩個靜態(tài)紅外傳感器對瞄情況下進(jìn)行目標(biāo)的定位研究，對峰峰值時間差法測距的誤差進(jìn)行修正。這種方法首先把兩個紅外傳感器至于同一直線、同一高度上進(jìn)行對瞄，利用多功能數(shù)據(jù)采集卡采集信號數(shù)據(jù)，從而對紅外傳感器用于人體精確定位的可行性進(jìn)行研究。

2 基本原理

2.1 峰峰值時間差法原理

利用熱釋電傳感器實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離測定，就必須分析其輸出的熱電信號中所攜帶的目標(biāo)距離信息。通過對多種條件下所采集的信號的分析，用于探測的熱釋電傳感器在有目標(biāo)通過其探測視場時，其輸出信號的最大幅值受外界諸多因素影響，測距誤差非常大?；诖?，就提出了利用輸出信號的峰峰值時間差法實(shí)現(xiàn)運(yùn)動目標(biāo)的測距。

根據(jù)運(yùn)動目標(biāo)通過紅外傳感器探測視區(qū)時產(chǎn)生信號的過程以及傳感器的構(gòu)造特點(diǎn)，所形成的探測視場之間盲區(qū)的距離隨探測視場縱深距離的增加而增加，當(dāng)目標(biāo)從距傳感器不同距離處通過時，目標(biāo)經(jīng)過兩探測敏感元間盲區(qū)的距離不同，在目標(biāo)運(yùn)動速度相對恒定情形下，目標(biāo)從不同距離處穿越兩個視區(qū)的時間T將不同。目標(biāo)距傳感器較近時，通過盲區(qū)的距離較短，T較小，目標(biāo)距傳感器較遠(yuǎn)時，通過盲區(qū)的距離變長，T較大。利用這種時間上的差別可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離的測定。

2.2 峰峰值時間差法測距的不足及改進(jìn)

表1為目標(biāo)在10 m處以不同角度方向運(yùn)動時距離測量結(jié)果，通過對目標(biāo)在同一距離下以不同方向運(yùn)動時所采集的大量信號后發(fā)現(xiàn)，以不同角度運(yùn)動時峰峰值時間差法測距所得到的測量統(tǒng)計(jì)結(jié)果誤差較大，有的甚至嚴(yán)重偏離真實(shí)值。

表1 目標(biāo)在10 m處以不同角度方向運(yùn)動時距離測量結(jié)果

為了分析峰峰值時間差法測距誤差較大的原因，故采集了目標(biāo)穿過紅外傳感器探測視區(qū)時原始波形，表2為目標(biāo)在10 m處以不同角度方向運(yùn)動時信號波形的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

從表2可以看出，目標(biāo)運(yùn)動的角度不同導(dǎo)致輸出信號在正負(fù)半軸兩段時間差呈現(xiàn)明顯不對稱的特征，具體表現(xiàn)隨著運(yùn)動方向的角度不斷增大，這種不對稱特征也越來越明顯。

表2 目標(biāo)在10 m處以不同角度方向運(yùn)動時信號的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，由于目標(biāo)運(yùn)動的角度不同導(dǎo)致輸出信號在正負(fù)半軸兩段時間差呈現(xiàn)明顯不對稱，正是基于PIR測量信號的不確定性，提出了對瞄修正原理，提高峰峰值時間差法測距的精度。建立了如圖1所示的2個傳感器節(jié)點(diǎn)組成的對瞄實(shí)驗(yàn)場景。首先把兩個紅外傳感器至于同一直線、同一高度上進(jìn)行對瞄，透鏡軸線具地面高度70 cm，兩個紅外傳感器間距離30 m，以5 m為間隔采集數(shù)據(jù)。

圖1 對瞄實(shí)驗(yàn)場景示意圖

2.3 對瞄情況下測距修正原理

人員目標(biāo)垂直穿過探測視場的峰峰值時間差為Δt0，斜切穿過的峰峰值時間差為Δt1。以大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，建立時間差數(shù)值數(shù)據(jù)樣本模型。在樣本中，從垂直所測的峰峰值時間差中挑選出測距誤差較小的時間差Δt0，再從斜切所測的峰峰值時間差中挑選出相對應(yīng)位置處穿過探測視場的時間差Δt1，然后采用近線性的方式與均值法進(jìn)行修正:

(a)對于單個靜態(tài)PIR，將Δt1與Δt0的比例系數(shù)，即Δt1/Δt0，若比值大于1，則將Δt1代入測距修正公式d=d1×Δt0/Δt1，求出修正距離d，d1為同一位置處利用Δt0測得的距離。

(b)對于對瞄方式下的靜態(tài)PIR，通過測量同一目標(biāo)，得到距離d1、d2，根據(jù)兩個節(jié)點(diǎn)的通訊與信息融合，進(jìn)行距離的平均，求得平均值d=(d1+Ld2)/2。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

3.1 硬件總體設(shè)計(jì)

基于PIR的對瞄測距定位方法實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由兩個節(jié)點(diǎn)組成，圖2所示為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的單節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖，由PIR傳感器、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電源模塊組成。傳感器選取muRata IRA-E700型雙元熱釋電傳感器，其具有高靈敏度和極佳的信噪比，對外部噪聲具有抗干擾能力。熱釋電輸出的信號經(jīng)信號調(diào)理模塊進(jìn)行放大、濾波等預(yù)處理經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換交給數(shù)據(jù)采集模塊處理。數(shù)據(jù)采集模塊選用NI公司的USB 6229進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，該采集卡具有32路模擬輸入，4路模擬輸出，48路數(shù)字I/O口，32位計(jì)數(shù)器。模塊專門針對移動應(yīng)用或空間有限的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。即插即用的安裝最大程度地降低了配置和設(shè)置時間，同時它能直接與螺絲端子相連，從而削減了成本并簡化了信號的連接。每個M系列DAQ設(shè)備均包含NI LabVIEW SignalExpress LE，使用戶無需編程即可快速采集、分析并顯示數(shù)據(jù)。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的單節(jié)點(diǎn)示意圖

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)軟件算法設(shè)計(jì)

熱釋電輸出的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換由多功能數(shù)據(jù)采集卡采集，將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，經(jīng)LabVIEW軟件算出峰峰值時間差和目標(biāo)距節(jié)點(diǎn)距離，根據(jù)對瞄情況下的修正原理，得出目標(biāo)距節(jié)點(diǎn)的最終距離?；贚abview軟件算法流程圖如圖3所示。

圖3 軟件算法流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

目標(biāo)(人體)以1.1 m/s勻速進(jìn)入傳感器的感測區(qū)域，目標(biāo)沿途中的10 m、15 m、10 m處垂直和斜切穿過，表3分別為目標(biāo)垂直和斜切穿過時兩個PIR的多次測量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表4分別為對瞄后對所測距離的修正結(jié)果。

表3 目標(biāo)垂直和斜切多次測量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 對瞄后對所測距離的修正結(jié)果

從表3和表4測距統(tǒng)計(jì)結(jié)果，不難看出，對瞄后實(shí)現(xiàn)運(yùn)動目標(biāo)距離的測量相較僅用信號峰峰值時間差Δt實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)測距誤差得到了極大的提高，進(jìn)而也說明利用對瞄后的峰峰值時間差法測距是正確的和可行的。

5 結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，基于PIR的對瞄測距定位方法提高了峰峰值時間差法的定位精度，使誤差縮小到允許范圍之內(nèi)。本文從使用熱釋電傳感器的原理入手，闡述了對瞄情況下進(jìn)行目標(biāo)的定位修正原理，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文方法為靜態(tài)熱釋電傳感器測距提供了一種新思路。

實(shí)際應(yīng)用中可能存在以下問題:首先，較易受環(huán)境影響;其次，目標(biāo)做變速或曲線運(yùn)動時使用該方法誤差較大。這些問題的解決，有待于進(jìn)一步研究。

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