专利名称：全向阵列超声波异动目标监测系统及运动轨迹追踪方法
技术领域：
本发明涉及一种超声波传感技术，尤其涉及一种全向阵列超声波异动目标监测系统及运动轨迹追踪方法。
背景技术：
从广义的角度看，封闭空间内的异常移动目标监测包含了对结构形变等缓慢变化目标的监测，以及对非法入侵物体等快速变化目标的监测。目前用于封闭空间异常移动目标监测的技术手段有摄像、激光、红外、分布式光纤等。上述技术大多只能针对特定方向进行监测，需要依靠多点组网或云台支座转动才能实现多方位的空间监测，尽管如此，空间内仍存在较多监测盲区。对非法入侵而言，摄像、激光等监测技术不易隐蔽，容易遭到规避或破坏；红外技术可以监测有生命特征的物体，对结构形变异动则无能为力；而分布式光纤技术在布设维护方面相对麻烦，影响空间结构的外观。另一方面，将超声波用于安防报警已有成熟应用，但目前的应用模式比较简单，多数针对单一方向，并且不具备对异动目标的自适应追踪能力。目前超声波技术用于结构形变的安全监测还没有成熟的应用，最新的技术是利用超声波的波束角具有一定发散性效应，实现对波束角监测区范围内的结构表面上所有点的覆盖性监测(如201110147270. I号中国专利申请提出的“基于超声波的围压空间形变覆盖性监测方法”)，在此基础上，建立分布式超声波形变监测系统，进一步确定形变发生位置在超声波束角监测区范围何处(如201210116341.6号中国专利申请提出的“分布式超声波地下空间结构形变监测系统及区域定位方法”)。但上述技术涉及的分布式超声波组网采用的是一环扣一环的链状组网布局，适合长距离的空间结构(例如隧道)形变监测，不具备对异动目标的自适应追踪能力。如何实现对封闭空间的异常移动目标全方位监测，同时使监测具有较宽的适用范围，既可用于对结构形变等缓慢变化目标的监测，也可用于对非法入侵物体等快速变化目标的监测，至今仍无妥善的技术方法。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出了一种全向阵列超声波异动目标监测系统，它由球形支架和多个探测器组成；多个探测器设置于球形支架所形成的球体表面上，所述探测器为超声波收发一体式传感器，探测器发射超声波的方向与球体的径向方向重合，且各个探测器与球心之间的距离相等。采用前述结构后，结合本发明的监测方法，可实现对封闭空间内的结构体形变和异物侵入的全向监测，监测区域覆盖全面，无盲区，且超声波不可见，无法被遮挡，非法入侵者难以躲避，可有效保证监测区域范围内的安全，相比于其他监测设备，本发明还具备结构简单、成本低廉、布设方便的优势。在前述结构的基础上，本发明还作了如下改进由球形支架所形成的球体表面上，按等角度差设置多条经线和纬线，探测器设置于经线和纬线的交点处，且探测器数量与经 线和纬线的交点数量一一对应。探测器采用这种按经、纬线分布的布置方式后，可将探测器的位置关系映射为二维图表(即探测器二维位置关系表)，便于扫描路径的规划和控制方法的实施。在前述结构的基础上，本发明还提出了与前述结构结合使用的基于全向阵列超声波异动目标监测系统的运动轨迹追踪方法，其步骤为I)在球形支架上布置多个探测器；2)根据空间向量和立体几何知识，确定各个探测器对应的监测区域；3)按各个探测器的位置相邻关系，将球面上的多个探测器的位置映射为一探测器二维位置关系表；4)以探测器二维位置关系表上的某一探测器为起点，另一探测器为终点，在探测器二维位置关系表上勾画一条连接起点和终点的路径，该路径串起所有的探测器且路径与每个探测器仅相交一次(由于球体在三维空间上各向都是连续的，因此可以映射出 多种探测器二维位置关系表，即使选定了起点和终点的位置，它们在不同的探测器二维位置关系表上也可能居于不同位置，所以前述的路径规划肯定是能够实现的；其中，路径的起点既可以将其设置于探测器二维位置关系表的中部，采用螺旋形式向周围扫描(如图3所示)，也可以将起点设置于探测器二维位置关系表的边沿，采用逐行或逐列的方式进行扫描)；控制各个探测器按勾画出的路径依次工作并获取各个探测器采集到的数据；当所有探测器都完成一次运行后，即完成了一个扫描周期，然后从起点开始，重新进行下一个扫描周期的操作；5)运行过程中，若某一监测区域范围内的结构体出现形变，或某一监测区域范围内有物体在移动，则该监测区域对应的探测器采集到的数据就会发生变化，系统据此确定该监测区域范围内有非法侵入的物体，或结构体出现形变。采用前述方案后，可及时获知被监测空间内的实时状态，并可立即对出现异常情况的区域进行定位，实现简单、运行稳定可靠。在前述监测方法的基础上，本发明还对系统运行中各个探测器的工作时长提出了如下改进方案步骤4)中，探测器初次运行前，按设定的静态优先级为各个探测器分配工作时长，静态优先级较高的探测器工作时长相对较长，静态优先级较低的探测器工作时长相对较短；步骤5)中，若某一探测器的数据发生变化，该探测器记为A探测器，按动态优先级重新计算各个探测器的工作时长，为A探测器，和探测器二维位置关系表上A探测器周围的多个探测器分配更多的工作时长；当由结构体形变和非法侵入的物体引起的探测器数据变化消除后，将各个探测器的工作时长恢复为由静态优先级确定的工作时长。采用这种方案后，在平常无异常状态时，系统按静态优先级分配的工作时长控制各个探测器运行，这可以对监测区域中的某些重点区域进行重点监测，有利于快速获得全面实时的监测信息；出现异常状态后，系统迅速将监测重点转移至出现异常情况的区域，使出现异常情况的区域获得更多的关注，保证监测区域的安全。物体的移动具有连续性，一般是从一个区域移动至另一个区域，因此对重点关注的探测器周边的探测器保持一定的关注具有重要意义，这不仅可以使系统获知详尽的物体运行轨迹，而且还能辅助对物体位置的定位；但保持关注的探测器数量过多势必造成运算复杂和时延较大的问题，为此，本发明提出了如下的优选方案所述探测器二维位置关系表上A探测器周围的多个探测器，分别取探测器二维位置关系表上A探测器的正上方、正下方、正左方和正右方四个方向上与A探测器相邻的四个探测器，这既保证了系统处理的高效性，又保持了对必要数据的关注度。前述的静态优先级可按如下方法确定I)实地勘测，确定需要考虑的环境因素的数量，设探测器的总数量为s且将各个探测器按1、2……s的顺序顺次编号；设需要考虑的环境因素的数量为η且将各种环境因素按1、2……η的顺序顺次编号，则可用如下矩阵(也叫评价指标矩阵)表示各个探测器在各种环境因素作用下的评价指标值bu，其中，i=l、2、3……s，j=l、2、3……η:
权利要求
1.一种全向阵列超声波异动目标监测系统，其特征在于它由球形支架(I)和多个探测器(2)组成；多个探测器(2)设置于球形支架(I)所形成的球体表面上，所述探测器(2)为超声波收发一体式传感器，探测器(2 )发射超声波的方向与球体的径向方向重合,且各个探测器(2)与球心之间的距离相等。
2.根据权利要求I所述的全向阵列超声波异动目标监测系统，其特征在于由球形支架(I)所形成的球体表面上，按等角度差设置多条经线和纬线，探测器(2)设置于经线和纬线的交点处，且探测器(2)数量与经线和纬线的交点数量一一对应。
3.一种基于全向阵列超声波异动目标监测系统的运动轨迹追踪方法，其特征在于其步骤为 1)在球形支架(I)上布置多个探测器(2); 2)根据空间向量和立体几何知识，确定各个探测器(2)对应的监测区域； 3)按各个探测器(2)的位置相邻关系，将球面上的多个探测器(2)的位置映射为一探测器二维位置关系表； 4)以探测器二维位置关系表上的某一探测器(2)为起点，另一探测器(2)为终点，在探测器二维位置关系表上勾画一条连接起点和终点的路径，该路径串起所有的探测器(2)且路径与每个探测器(2)仅相交一次；控制各个探测器(2)按勾画出的路径依次工作并获取各个探测器(2 )采集到的数据；当所有探测器(2 )都完成一次运行后，即完成了一个扫描周期，然后从起点开始，重新进行下一个扫描周期的操作； 5)运行过程中，若某一监测区域范围内的结构体出现形变，或某一监测区域范围内有物体在移动，则该监测区域对应的探测器(2)采集到的数据就会发生变化，系统据此确定该监测区域范围内有非法侵入的物体，或结构体出现形变。
4.根据权利要求3所述的基于全向阵列超声波异动目标监测系统的运动轨迹追踪方法，其特征在于 步骤4)中，探测器(2)初次运行前，按设定的静态优先级为各个探测器(2)分配工作时长，静态优先级较高的探测器(2)工作时长相对较长，静态优先级较低的探测器(2)工作时长相对较短； 步骤5)中，若某一探测器(2)的数据发生变化，该探测器(2)记为A探测器(2)，按动态优先级重新计算各个探测器(2)的工作时长，为A探测器(2)，和探测器二维位置关系表上A探测器(2)周围的多个探测器(2)分配更多的工作时长； 当由结构体形变和非法侵入的物体引起的探测器(2)数据变化消除后，将各个探测器(2)的工作时长恢复为由静态优先级确定的工作时长。
5.根据权利要求4所述的基于全向阵列超声波异动目标监测系统的运动轨迹追踪方法，其特征在于所述探测器二维位置关系表上A探测器(2)周围的多个探测器(2)，分别取探测器二维位置关系表上A探测器(2)的正上方、正下方、正左方和正右方四个方向上与A探测器(2)相邻的四个探测器(2)。
6.根据权利要求4所述的基于全向阵列超声波异动目标监测系统的运动轨迹追踪方法，其特征在于按如下方法确定各个探测器(2)的静态优先级 I)实地勘测，确定需要考虑的环境因素的数量，设探测器(2)的总数量为s且将各个探测器(2)按1、2......s的顺序顺次编号；设需要考虑的环境因素的数量为η且将各种环境因素按1、2......η的顺序顺次编号，则可用如下矩阵表示各个探测器(2)在各种环境因素作用下的评价指标值by,其中，
7.根据权利要求4所述的基于全向阵列超声波异动目标监测系统的运动轨迹追踪方法，其特征在于所述的按动态优先级重新计算各个探测器(2)的工作时长，包括 1)设定3级动态优先级，为每级动态优先级分别设定一权值系数λ”λ2、λ3，其中，λ i为第I级动态优先级的权值系数，λ 2为第2级动态优先级的权值系数，λ 3为第3级动态优先级的权值系数；令第I级动态优先级的优先级别最高，第3级动态优先级的优先级别最低，则有X1 > A2 > A3 ； 2)以系统初次运行时，记录的各个探测器(2)的测量数据为原始数据；后续运行中，每完成一个扫描周期，都自动对各个探测器(2)的测量数据相比于各自的原始数据的变化值进行计算，变化值最大的探测器(2)作为当前监控中心，并对当前监控中心的动态优先级赋予X1，变化值最大的探测器(2)周围的多个探测器(2)作为辅助监控节点，并对辅助监控节点的动态优先级赋予λ 2，同时，将其余探测器(2)的动态优先级赋予λ3，则按下式计算各个探测器(2)的工作时长
8.根据权利要求3所述的基于全向阵列超声波异动目标监测系统的运动轨迹追踪方法，其特征在于步骤5)中，探测器(2)采集到的数据发生变化后，按如下方法进行处理 1)将系统初次运行时采集到的各个探测器(2)的测量数据作为原始数据；预设一异动安全阈值AS ; 2)设各个探测器(2)测量到的原始数据分别为SpS2......Ss，其中，S1为第I号探测器(2)的原始数据，S2为第2号探测器(2)的原始数据，Ss为第s号探测器(2)的原始数据，s为探测器(2)的总数量； 某一扫描周期完成后，各个探测器(2)测量的数据分别为S' pS' 2......S, s,分别计算 Is1-S / il、s2-s / 2|...... Ss-S / J 的值，再将 Is1-S / il、S2-S' 2|......|ss-s' J分别与AS比较大小； 若ISi-S' J < AS，则可判断第i号探测器(2)的监测区域范围内未出现异动物体或结构体未发生形变；若Isi-S' J彡AS，则可判断第i号探测器(2)的监测区域范围内有异动物体或结构体发生了形变。
9.根据权利要求8所述的基于全向阵列超声波异动目标监测系统的运动轨迹追踪方法，其特征在于当某一扫描周期内，因有物体侵入而引起一个或多个探测器(2)的测量数据出现变化，又经过一个或多个扫描周期后，探测器(2)的测量数据保持稳定，说明侵入物体停止移动，则根据如下方法确定侵入物体停留的具体位置 1)以最后一个扫描周期内，数据变化值最大的探测器(2)为中心节点，该探测器(2)记为B探测器(2);以探测器二维位置关系表上B探测器(2)正上方、正下方、正左方、正右方四个方向上与B探测器(2)相邻的4个探测器(2)为辅助节点； 2)设辅助节点对应的4个探测器(2)的原始数据分别为SpSpSpSje;最后一个扫描周期内，辅助节点对应的4个探测器(2)的测量数据分别为S'上、S, T、S' P S' $，则分别计算Al=Is'上-S上I、Λ2 = Is'下-S下I、Δ3 = |S'左-S左|和Λ4 = |S'右-S右的值，比较Al、Λ 2、Λ3和Λ 4的大小，若Λ I最大，则侵入物体停留在B探测器(2)和其正上方的探测器(2)之间的位置处；若Λ2最大，则侵入物体停留在B探测器(2)和其正下方的探测器(2)之间的位置处；若Λ3最大，则侵入物体停留在B探测器(2)和其正左方的探测器(2)之间的位置处；若Λ4最大，则侵入物体停留在B探测器(2)和其正右方的探测器(2)之间的位置处；若前述条件都不满足，则侵入物体停留在B探测器(2)的中心位置处。
10.根据权利要求8所述的基于全向阵列超声波异动目标监测系统的运动轨迹追踪方法，其特征在于超声波全向阵列运行过程中，因侵入物体在超声波全向阵列的探测区域内连续移动而引起多个探测器(2)的测量数据出现变化时，记录下每个扫描周期内，数据变化最大值所在的探测器(2)的编号，将前述探测器(2)的编号按时序排列，最终得到侵入物体的运动轨迹。
全文摘要
本发明公开了一种全向阵列超声波异动目标监测系统，它由球形支架和多个探测器组成；多个探测器设置于球形支架所形成的球体表面上，所述探测器为超声波收发一体式传感器，探测器发射超声波的方向与球体的径向方向重合，且各个探测器与球心之间的距离相等。本发明还公开了基于前述系统的运动轨迹追踪方法。本发明的有益技术效果是通过建立超声波球状阵列，实现对封闭空间内的异常移动目标或结构形变的全方位监测，监测中考虑了复杂的环境因素的影响，能自动对异动目标进行发现、定位及自动追踪。监测具有较宽的适用范围，既可用于对结构形变等缓慢变化目标的监测，也可用于对非法入侵物体等快速变化目标的监测。
文档编号G08B13/16GK102866399SQ20121032583
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月5日 优先权日2012年9月5日
发明者郑伟, 鲁奇, 路萍 申请人:重庆大学