一种移动电荷源运动速度和方向探测方法
【专利摘要】本发明公开的一种非接触式跟踪探测移动电荷源的方法，属于静电探测领域。本发明包括如下步骤：布设能检测到运动电荷源静电信号的多极板探测阵列；采集监测环境中的静电信号；将该采集到的静电感应信号电势值与预设判据对比；记录每个极板上所产生的静电感应信号的幅值，将静电感应电压信号幅值转换为感应电流信号并且积分，得到各感应极板的感应电荷量，使用约束扫描法进行电荷源位置探测，得到移动电荷源的位置，通过卡尔曼滤波对实时位置进行处理以提高位置精度，并且通过相邻位置计算获得目标运动速度和方向。本发明可通过立体布设的5个极板对移动电荷源运动速度和方向进行实时探测，具有隐蔽性好、运算量小、实时性好和计算较为准确的特点。
【专利说明】
一种移动电荷源运动速度和方向探测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种非接触式跟踪探测移动电荷源的方法，尤其涉及一种可用于跟踪 各种静电目标，特别是人体及人体手部运动速度和方向的非接触式静电探测方法，属于静 电探测领域。
【背景技术】
[0002] 目前应用于反恐侦察、安防监控、医疗护理等领域的人体监控技术的发展方向是 研究具有抗干扰性能好、虚警率低、工作死角区小、逻辑算法简单以及系统布设方便的新体 制探测技术。人体探测技术在反恐监测领域有着广泛的重要应用，如随时掌握独居人员在 居住场所的活动状态。目前红外探测及图像模式识别技术在人体探测领域得到广泛的应 用。
[0003] 红外探测技术利用人体的红外辐射信号来感知人体目标的存在，但是由于室内存 在加热、照明等发射红外信号的设备，同时在室外环境中存在光照等红外辐射源，使得该技 术的虚警率偏高。另外红外探测技术只能探测到人体目标是否存在，而无法识别目标的姿 态动作；图像模式识别技术常用于识别人体的姿态动作，但是在摄像头的视频死角区域无 法发挥作用，此外为了排除非人体目标的干扰，图像模式识别技术需要采用复杂的逻辑算 法设计。
[0004] 静电探测技术利用运动中物体所带的静电实现对目标的探测识别。 "Triboelectrification of houseflies(Musca domestic L.)walking on synthetic dielectric surfaces''Mcgonigle D F,Jackson C ff and Davidson J L 2002J.Electrostat. 54167-177中首次提出对爬行中的昆虫进行静电探测的方法。受此启 发，"Electrification of human body by walking"Ficker T 2006J.Electrostat.64 10-16通过安装在人身体上的静电计对运动中人体电势的变化进行了研究。由于一切运动 的物体都会带上静电，因此将静电探测方法应用于识别人体是可行的，国内外均未将非接 触式静电探测方法应用于人体识别。
[0005] "An adaptive Kalman-based Bayes estimation technique to classify locomotor activities in young and elderly adults through accelerometers" R. Muscillo，M.Schmid,S.Conforto and T.D'Alessio，Med.Eng.Phys?32,849-859(2010)、 "Detection of pedestrians in far-infrared automotive night vision using region-growing and clothing distortion compensation^R.O'Malley,E.Jonesa,and M.Glavin,Infrared.Phys?Techn?53,439-449(2010)、"Human detection using a mobile platform and novel features derived from a visual saliency mechanism" S. Montabone, and A. Soto, Image .Vision. Comput ? 28,391-402(2010)中分别通过在人体手 部安装传感器、红外探测技术及图像模式识别技术实现对人体手部运动轨迹的跟踪。然而 由于室内存在加热、照明等发射红外信号的设备，同时在室外环境中存在光照等红外辐射 源，使得应用于跟踪人体手部运动轨迹的红外探测技术的误差率偏高。图像模式识别技术 常用于对人体运动轨迹的跟踪，但是在摄像头的视频死角区域无法发挥作用，此外为了排 除非人体手部目标的干扰，图像模式识别技术需要采用复杂的逻辑算法设计；穿戴式传感 器网络能够有效地跟踪人体手部的运动轨迹，但由于需要将探测器安装在人体手部上，存 在着使用不方便的缺陷，同时将会对人体手部的运动状态造成影响。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题是利用非接触式静电探测方法跟踪移动电荷源的运动 速度和方向（以人体手部为例），同时解决人体手部运动探测技术存在的工作死角区大和探 测系统与逻辑算法设计复杂的问题。本发明公开了一种用于跟踪移动电荷源实时运动速度 和方向的非接触式静电探测方法，该方法可将非接触式静电探测技术应用于对人体手部运 动轨迹跟踪中，可减小人体手部跟踪测量技术的工作死角区，降低人体手部运动跟踪探测 系统的设计复杂程度。
[0007] 本发明公开的一种用于跟踪移动电荷源运动速度和方向的非接触式静电探测方 法的发明目的是通过下述技术方案实现：
[0008] 本发明公开的一种用于跟踪移动电荷源运动速度和方向的非接触式静电探测方 法具体实现步骤如下：
[0009] 步骤一:布设能检测到移动电荷源运动静电信号的多极板探测阵列，所述探测阵 列由五个极板组成，五个极板分成两组，其中一组4个，布设在以原点0为中心、21为边长的 正方形的 4 个顶点上，坐标分别为 31(1，1，0)、52(1，-1，0)、53(1，1，0)、54(_1，1，0)，另一组1 个，布设于Z轴上，坐标为(0,0，_h);
[0010]步骤二:采集监测环境中的静电信号，所述的静电信号是每个时刻探测系统获取 的静电感应信号电压值；
[0011]步骤三：将该采集到的静电感应信号电压值与预设判据对比（可设为满量程的 5%)，如果该静电感应信号与该预设判据相同，则认为检测到了电荷源运动的存在；
[0012] 步骤四：记录步骤二中检测到的电荷源运动在每个极板上所产生的静电感应信号 的幅值，将静电感应电压信号幅值转换为感应电流信号并且积分，得到各感应极板的感应 电荷量 Ql-Q5，使用约束扫描法进行电荷源位置探测，即可得到移动电荷源的实际位置。
[0013] 步骤五:使用卡尔曼滤波对电荷源运动轨迹进行跟踪，得到平滑的电荷源位置序 列，然后使用下式获得电荷源运动速度和方向：
[0015]电荷源运动方向与x轴夹角0为：
[0017]电荷源运动方向与y轴夹角0为：
[0019]电荷源运动方向与z轴夹角Y为：
[0021 ]上述公式中t为两次电荷源位置测量之间的时间差，坐标值下标T (n)表示当前时 刻的坐标值，坐标值下标T (n-1)表示前一时刻的坐标值。
[0022]步骤四中所述的约束扫描法为：
[0023]将各极板的感应电荷量相比，消除源电荷电量，可以得出：
即可把点T进一步进行圆约束，即将电荷源位置约束为一个半径为ro,圆心为W的圆。由于圆 心W处于直线AB上，贝lj圆心W处于X0Y平面上，可设W坐标为(xo，yo，0)。xo、yo和ro的具体值可由 AB点坐标、r#Pr 2通过三角形几何关系给出。
[0026]从数学角度分析，以A、B为球心的两个球面可以将电荷源约束到一个圆上，但在系 统实际使用中，由于存在系统误差，球心A、B的位置可能会有偏差，为了提高圆约束精度，可 进一步通过A、B、C三点坐标拟合直线进行圆约束。
[0027] 通过A，B，C三点拟合直线：
[0028] y = ax+b
[0029] 根据A，B，C三点位置以及ri，r2，r3可以确定!"点位于一个半径为ro,圆心W为[xo，yo, 0 ]的圆上，y = ax+b所示直线垂直该圆所在平面并过圆心W。
[0030] 用极坐标表示电荷源T，设TW连线与平面X0Y夹角为0，扫描0值，使得T点沿圆运动 时，设0彡9〈2jt(，TW在平面X0Y上的投影为直线y = a1x+b1，，a为式y = ax+b中直线斜 率，则T点(x，y，z)坐标转换为极坐标为：
[0032]按照一定步长在(0,2jt)范围扫描0，使得：
[0034] 其中（11，71，21)，（15,75,25)为极板1和极板5的位置，在本系统中（11，71，21)为(-1，-1，0)，（X5，y5，Z5)为（0,0，h)。
[0035] 将此时的0值设为0〇,则电荷源位置可由下式给出：
[0037] 有益效果：
[0038] 1、本发明的一种移动电荷源实时位置探测方法可以通过立体布设的5个极板对移 动电荷源位置进行实时探测，可应用在飞行目标、车辆目标、人体目标以及人体手部的实时 位置探测。
[0039] 2、本发明的一种移动电荷源实时位置探测方法，由于利用了静电感应信号较难消 除的特点，可以被动的对移动电荷源目标进行位置探测，具有隐蔽性好的特点。
[0040] 3、本发明的一种移动电荷源实时位置探测方法通过约束扫描法对电荷源位置进 行探测，具有运算量小，实时性好，位置计算较为准确的特点。
【附图说明】
[0041 ]图1是探测单元布设示意图；
[0042] 图2是约束扫描法中的圆约束示意图；
[0043] 图3是约束扫描法中的扫描示意图。
【具体实施方式】
[0044]下面结合附图详细描述本发明的【具体实施方式】。
[0045] 实施实例：
[0046] 步骤一:布设能检测到移动电荷源运动静电信号的多极板探测阵列，所述探测阵 列如附图1所示由五个极板组成，五个极板分成两组，其中一组4个，布设在以原点0为中心、 21为边长的正方形的4个顶点上，坐标分别为sKUOhsdi-MhsXiMhsd-M， 〇)，另一组1个，布设于Z轴上，坐标为(0,0，_h);
[0047] 步骤二:采集监测环境中的静电信号，所述的静电信号是每个时刻探测系统获取 的静电感应信号电压值；
[0048]步骤三：将该采集到的静电感应信号电压值与预设判据对比（可设为满量程的 5%)，如果该静电感应信号与该预设判据相同，则认为检测到了运动电荷源的存在；
[0049]步骤四：记录步骤二中检测到的电荷源运动在每个极板上所产生的静电感应信号 的幅值，将静电感应电压信号幅值转换为感应电流信号并且积分，得到各感应极板的感应 电荷量Ql-Q5，使用约束扫描法进行电荷源位置探测，即可得到移动电荷源的实际位置。
[0050]步骤五:使用卡尔曼滤波对电荷源运动轨迹进行跟踪，得到平滑的电荷源位置序 列，然后使用下式获得电荷源运动速度和方向：
[0052]电荷源运动方向与x轴夹角0为：
[0054]电荷源运动方向与y轴夹角P为：
[0056]电荷源运动方向与z轴夹角Y为：
[0058]上述公式中t为两次电荷源位置测量之间的时间差，坐标值下标T (n)表示当前时 刻的坐标值，坐标值下标T (n-1)表示前一时刻的坐标值。
[0059]步骤四中所述的约束扫描法为：
[0060]将各极板的感应电荷量相比，消除源电荷电量，可以得出：
可把点T进一步进行圆约束，即将电荷源位置约束为一个半径为ro,圆心为W的圆。由于圆心 W处于直线AB上，贝lj圆心W处于X0Y平面上，可设W坐标为(xo，yo，0)。xo、yo和ro的具体值可由AB 点坐标、^和^通过附图2所示三角形几何关系给出。
[0063]从数学角度分析，以A、B为球心的两个球面可以将电荷源约束到一个圆上，但在系 统实际使用中，由于存在系统误差，球心A、B的位置可能会有偏差，为了提高圆约束精度，可 进一步通过A、B、C三点坐标拟合直线进行圆约束。
[0064]通过A，B，C三点拟合直线：
[0065] y = ax+b
[0066] 根据A，B，C三点位置以及ri，r2，r3可以确定T点位于一个半径为ro,圆心W为[xo，yo, 0 ]的圆上，y = ax+b所示直线垂直该圆所在平面并过圆心W。
[0067]按照附图3所示用极坐标表示电荷源T，设TW连线与平面X0Y夹角为0，扫描0值，使 得T点沿圆运动时，设0彡0〈2jt(，TW在平面X0Y上的投影为直线yzan+h， ，a为式y = ax+b中直线斜率，则T点(x，y，z)坐标转换为极坐标为：
[0069]按照一定步长在(0,2JI)范围扫描0，使得：
[0071] 其中（11，71，21)，（15,75,25)为极板1和极板5的位置，在本系统中（11，71，21)为(-1，-1，0)，（X5，y5，Z5)为（0,0，h)。
[0072] 将此时的0值设为00,则电荷源位置可由下式给出：
[0074]本发明保护范围不仅局限于上述实施例，上述实施例用于解释本发明，凡与本发 明在相同原理和构思条件下的变更或修改均在本发明公开的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种用于跟踪移动电荷源实时位置的非接触式静电探测方法，其特征在于，包括如 下步骤： 步骤一:布设能检测到移动电荷源运动静电信号的多极板探测阵列，所述探测阵列由 五个极板组成，五个极板分成两组，其中一组4个，布设在以原点0为中心、21为边长的正方 形的 4 个顶点上，坐标分别为 31(1，1，0)、52(1，-1，0)、53(1，1，0)、54(_1，1，0)，另一组1个，布 设于Z轴上，坐标为(0,0，-h); 步骤二:采集监测环境中的静电信号，所述的静电信号是每个时刻探测系统获取的静 电感应信号电压值； 步骤三:将该采集到的静电感应信号电压值与预设判据对比（可设为满量程的5%)，如 果该静电感应信号与该预设判据相同，则认为检测到了电荷源运动的存在； 步骤四：记录步骤二中检测到的电荷源运动在每个极板上所产生的静电感应信号的幅 值，将静电感应电压信号幅值转换为感应电流信号并且积分，得到各感应极板的感应电荷 量&-95,使用约束扫描法进行电荷源位置探测，即可得到移动电荷源的实际位置。2. 根据权利要求1所述的一种用于跟踪移动电荷源实时位置的非接触式静电探测方 法，其特征在于： 步骤四中所述的约束扫描法为： 将各极板的感应电荷量相比，消除源电荷电量，可以得出：由上式可知以为半径的球面上的所有点T都为半径的球面上的所为半径的球面上 的所有点T都满足。以A、B、C为球心的三个球面会相交到一个圆上。即可把点 T进一步进行圆约束，即将电荷源位置约束为一个半径为ro,圆心为W的圆。由于圆心W处于 直线AB上，贝lj圆心W处于X0Y平面上，可设W坐标为(xo，yo，0)。xo、yo和ro的具体值可由AB点坐 标、通过三角形几何关系给出。 从数学角度分析，以A、B为球心的两个球面可以将电荷源约束到一个圆上，但在系统实 际使用中，由于存在系统误差，球心A、B的位置可能会有偏差，为了提高圆约束精度，可进一 步通过A、B、C三点坐标拟合直线进行圆约束。 通过A，B，C三点拟合直线： y = ax+b 根据A，B，C三点位置以及ri，r2，r3可以确定!"点位于一个半径为r〇，圆心W为[xo，y〇，0 ]的 圆上，y = ax+b所示直线垂直该圆所在平面并过圆心W。 用极坐标表示电荷源T，设TW连线与平面XOY夹角为0，扫描0值，使得T点沿圆运动时，设 0彡9〈2jt(，TW在平面X0Y上的投影为直线y = a1X+bi，>a为式y = ax+b中直线斜率，则T 点(x，y，z)坐标转换为极坐标为：按照一定步长在(〇，2JI)范围扫描0，使得：其中（11，71，21)，（15,75,25)为极板1和极板5的位置，在本系统中（11，71，21)为(-1，-1， 0)，（X5，y5，Z5)为（0,0，h)。 将此时的0值设为00，则电荷源位置可由下式给出：
【文档编号】G01V3/00GK106054256SQ201610516790
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月4日
【发明人】李鹏斐, 陈曦, 唐凯, 王闯
【申请人】北京理工大学