基于PIR的三角交叉定位技術(shù)研究

王淑平，楊　衛(wèi)*，侯　爽（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

基于PIR的三角交叉定位技術(shù)研究

王淑平1，2，楊衛(wèi)1，2*，侯爽1，2
（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

由于單個(gè)PIR構(gòu)成的單節(jié)點(diǎn)探測視場存在大量的探測盲區(qū)，盲區(qū)所占面積相對(duì)較大，不能對(duì)目標(biāo)實(shí)施有效定位，定位誤差基本上達(dá)到1.5m～2.5m左右，基于此，提出了三角交叉定位技術(shù)研究。采用位于同一平面內(nèi)的三個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)同樣位于同一平面的目標(biāo)進(jìn)行交叉定位，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，目標(biāo)定位誤差可以減小到1m以內(nèi)，定位精度得到了一定程度的提高，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

單節(jié)點(diǎn)；三角；交叉定位；定位精度

熱釋電紅外（PIR）傳感器［1-2］以非接觸形式檢測環(huán)境中紅外輻射的變化，對(duì)人體運(yùn)動(dòng)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［3］。目標(biāo)檢測與軌跡跟蹤是智能監(jiān)控、高級(jí)人/機(jī)接口、運(yùn)動(dòng)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［4］。基于PIR的單節(jié)點(diǎn)探測是對(duì)PIR的深層次應(yīng)用的初步探索，然而目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)路徑具有不可控特點(diǎn)，要求目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方式符合單節(jié)點(diǎn)對(duì)目標(biāo)定位的要求幾乎不可實(shí)現(xiàn)，一旦目標(biāo)通過探測區(qū)域的盲區(qū)時(shí)，單節(jié)點(diǎn)將不能對(duì)目標(biāo)實(shí)施有效定位。在以上的技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了多節(jié)點(diǎn)目標(biāo)交叉定位技術(shù)，彌補(bǔ)單節(jié)點(diǎn)定位的不足。

1　熱釋電傳感器測距原理

將傳感器探測視場抽象為圖1所示，點(diǎn)O表示感知節(jié)點(diǎn)的一個(gè)傳感器探測單元，線段OA、OB表示由探測單元所形成的探測視場，由于所形成的探測視場的尺寸同兩視場間盲區(qū)距離相比基本可以忽略，從而在圖中用兩條線段代替兩敏感元所形成的探測視場。θ表示傳感器探測單元的探測視場角，該角由熱釋電傳感器本身的視場角和所用光學(xué)鏡片共同確定［6-10］，當(dāng)傳感器和光學(xué)鏡片選定后，該角度便被確定下來，為一個(gè)定值。線段OC表示需要測量的目標(biāo)到探測節(jié)點(diǎn)的距離，在圖中用d表示。線段AB表示目標(biāo)通過所在距離處盲區(qū)距離，不同距離處兩探測視區(qū)間盲區(qū)距離是確定的，在圖中用L表示。

圖1　傳感器探測視場示意圖

在圖1中，由直角△OCB中，有∠BOC=θ/2，BC= L/2，由于θ與L是已知量，在△OCB中，有

由上式可知，當(dāng)L與θ確定時(shí)，目標(biāo)距傳感器的距離d便能計(jì)算出來。

2　多節(jié)點(diǎn)探測原理

利用多節(jié)點(diǎn)［11-12］實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)定位的理論推導(dǎo)過程建立在單節(jié)點(diǎn)目標(biāo)定位基礎(chǔ)之上。在圖2（a）中，對(duì)兩個(gè)探測節(jié)點(diǎn)所形成的探測區(qū)域S而言，由于節(jié)點(diǎn)間距遠(yuǎn)大于單個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)的探測單元的距離，所以節(jié)點(diǎn)O1、O2等效于點(diǎn)元。假設(shè)已經(jīng)知道O1、O2的探測結(jié)果θ1、θ2、L1、L2。如圖2（b）所示，從節(jié)點(diǎn)O1、O2沿θ1，θ2方向作定位線O1P、O2P，交點(diǎn)P就可以作為目標(biāo)出現(xiàn)的位置。假設(shè)M點(diǎn)是真實(shí)的目標(biāo)位置，可以看出，測量點(diǎn)P與真實(shí)目標(biāo)點(diǎn)M之間還是有一定差距的。這個(gè)誤差主要來源于節(jié)點(diǎn)O1、O2的測量誤差。

圖2　兩節(jié)點(diǎn)目標(biāo)定位示意圖

當(dāng)平面內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)目增多，測量值P的誤差將減小。圖3展示了同一平面內(nèi)分布有3個(gè)節(jié)點(diǎn)O1、O2、O3時(shí)的定位圖。由于節(jié)點(diǎn)間距遠(yuǎn)大于單個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)的探測單元的距離，所以節(jié)點(diǎn)等效于點(diǎn)元，O1、O2、O3構(gòu)成三角。假設(shè)已知3個(gè)節(jié)點(diǎn)的3個(gè)協(xié)同定位傳感器定位結(jié)果θ1、θ2、θ3、L1、L2、L3，3條定位線L1、L2、L3的交點(diǎn)圍出一個(gè)三角形ABC，目標(biāo)很大可能應(yīng)該出現(xiàn)在三角形內(nèi)部，所以就以三角形ABC內(nèi)一點(diǎn)M作為目標(biāo)的測量位置點(diǎn)。

圖3　三節(jié)點(diǎn)目標(biāo)定位示意圖

2.1三節(jié)點(diǎn)目標(biāo)測距原理

目標(biāo)位置點(diǎn)M的計(jì)算方法如下：

原理如圖4所示。O1、O2、O3代表3個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)等效為一個(gè)點(diǎn)。在xoy坐標(biāo)系中，O1、O2、O3坐標(biāo)分別為（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3）。

圖4　三節(jié)點(diǎn)目標(biāo)測距原理示意圖

假定3個(gè)節(jié)點(diǎn)已測得方向角為θ1、θ2、θ3，那么可以得到分別通過O1、O2、O3的定位線L1、L2、L3的定位線方程為：

其中

O1、O2、O3交于點(diǎn)P1，P2，P3，它們坐標(biāo)分別為（xp1，yp1）（xp2，yp2）（xp3，yp3），那么由以上定位線方程可以得到：

P2P3、P1P3、P1P2的中點(diǎn)D、E、F的坐標(biāo)分別為（xD，yD）（xE，yE）（xF，yF），其中

則測得目標(biāo)距探測器的等效距離r1=||O1D ，r2=||O2E，r3=||O3F。假設(shè)各節(jié)點(diǎn)所測量的方向角的標(biāo)準(zhǔn)差分別為Δθ1、Δθ2、Δθ3，當(dāng)Δθi非常小時(shí)，目標(biāo)到定位線距離等效為：σi≈risin（ ）Δθi≈riΔθi，其中i=1，2，3。

根據(jù)Jacobi定理［13］，已知3定位線交點(diǎn)（xp1，yp1）（xp2，yp2）（xp3，yp3），可以得到目標(biāo)點(diǎn) M的位置（x0，y0）為：

其中D1、D2、D3為決定性因子。

3　三角交叉定位仿真及結(jié)果分析

圖5　三角陣法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)協(xié)同定位示意圖

在圖5（a）中，虛線表示的是O1節(jié)點(diǎn)00方向傳感器，O2節(jié)點(diǎn)90°方向傳感器，O3節(jié)點(diǎn)180°方向傳感器各自的探測區(qū)域，點(diǎn)A、B、C、D、E、F為3個(gè)傳感器探測區(qū)域的交點(diǎn)，S即為交點(diǎn)A、B、C、D、E、F所構(gòu)成的協(xié)同定位區(qū)域。

在圖4（b）中，利用三角陣進(jìn)行目標(biāo)定位仿真。假定3個(gè)節(jié)點(diǎn)O1、O2、O3在平面xoy內(nèi)坐標(biāo)分別為（0，10）、（20，0）、（40，10）（m）。假設(shè)目標(biāo)通過區(qū)域S時(shí)，3個(gè)相關(guān)傳感器均檢測到目標(biāo)，3節(jié)點(diǎn)探測到的目標(biāo)的距離分別為L1、L2、L3，方向角分別為θ1、θ2、θ3。假設(shè)目標(biāo)出現(xiàn)在M點(diǎn)（21，9）時(shí)，3節(jié)點(diǎn)對(duì)目標(biāo)的探測形成一個(gè)三角形區(qū)域，如圖5（b）中所示。在MATLAB平臺(tái)上，對(duì)該種情況進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1　利用三角陣目標(biāo)協(xié)同定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由仿真結(jié)果可以看出，利用三角陣法定位，目標(biāo)定位誤差得到降低，從單節(jié)點(diǎn)定位誤差1.5m～2.5m左右減小到1m左右，目標(biāo)定位精度得到一定程度的提高。

4　結(jié)束語

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，基于PIR的多節(jié)點(diǎn)測距定位方法提高了定位精度，使誤差縮小到1m范圍之內(nèi)。本研究從PIR原理入手，對(duì)多節(jié)點(diǎn)目標(biāo)交叉定位技術(shù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，拓寬了單節(jié)點(diǎn)PIR的使用范圍，為靜態(tài)熱釋電傳感器測距提供了一種新思路。

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王淑平（1990-），男，漢族，江西吉安人，中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院碩士，主要研究方向?yàn)闇y試計(jì)量技術(shù)，935924529@ qq.com；

楊衛(wèi)（1957-），男，漢族，山西太原人，研高工，研究方向?yàn)槲⒓{米器件、儀器與測試技術(shù)、微系統(tǒng)及集成技術(shù)、網(wǎng)域化微武器系統(tǒng)，yangwei@nuc.edu。

侯爽（1988-），女，吉林白城人，碩士研究生，主要從事傳感器信號(hào)處理方向研究，hs19880526@163.com；

Based on the Law Triangleof PIR Positioning Method

WANG Shuping1，2，YANG Wei1，2*，HOU Shuang1，2
（1.North Uniυersity of China，National Key Laboratory forElectronic Measurement Technology，Taiyuan 030051，China；2.North Uniυersity of China Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement，Taiyuan 030051，China）

Due to a single PIR form of single node detection field，there are a greatnumber of blind spot detections ofblind areas.The blind area is relatively large.Itcan't implementefficiently to position on the target.The positioning error reaches about from 1.5m to 2.5m.Based on this，itputs forward the law triangle positioningmethod，uses the three nodes in the same plane and fixes the cross located on the same plane of the same goal.Through experimental verification，the target positioning error can be reduced to less than 1m to improve the positioning accuracy ofa certain leveland ithas certain actualapplication value.

single node；law triangle；cross location；positioning accuracy

TP212.9

A

1005-9490（2016）04-0825-04

2015-08-11修改日期：2015-10-28

EEACC:7320G；723010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.015