專利名稱：全向陣列超聲波異動目標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)及運(yùn)動軌跡追蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲波傳感技術(shù)，尤其涉及一種全向陣列超聲波異動目標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)及運(yùn)動軌跡追蹤方法。
背景技術(shù)：
從廣義的角度看，封閉空間內(nèi)的異常移動目標(biāo)監(jiān)測包含了對結(jié)構(gòu)形變等緩慢變化目標(biāo)的監(jiān)測，以及對非法入侵物體等快速變化目標(biāo)的監(jiān)測。目前用于封閉空間異常移動目標(biāo)監(jiān)測的技術(shù)手段有攝像、激光、紅外、分布式光纖等。上述技術(shù)大多只能針對特定方向進(jìn)行監(jiān)測，需要依靠多點(diǎn)組網(wǎng)或云臺支座轉(zhuǎn)動才能實(shí)現(xiàn)多方位的空間監(jiān)測，盡管如此，空間內(nèi)仍存在較多監(jiān)測盲區(qū)。對非法入侵而言，攝像、激光等監(jiān)測技術(shù)不易隱蔽，容易遭到規(guī)避或破壞；紅外技術(shù)可以監(jiān)測有生命特征的物體，對結(jié)構(gòu)形變異動則無能為力；而分布式光纖技術(shù)在布設(shè)維護(hù)方面相對麻煩，影響空間結(jié)構(gòu)的外觀。另一方面，將超聲波用于安防報(bào)警已有成熟應(yīng)用，但目前的應(yīng)用模式比較簡單，多數(shù)針對單一方向，并且不具備對異動目標(biāo)的自適應(yīng)追蹤能力。目前超聲波技術(shù)用于結(jié)構(gòu)形變的安全監(jiān)測還沒有成熟的應(yīng)用，最新的技術(shù)是利用超聲波的波束角具有一定發(fā)散性效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對波束角監(jiān)測區(qū)范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)表面上所有點(diǎn)的覆蓋性監(jiān)測(如201110147270. I號中國專利申請?zhí)岢龅摹盎诔暡ǖ膰鷫嚎臻g形變覆蓋性監(jiān)測方法”)，在此基礎(chǔ)上，建立分布式超聲波形變監(jiān)測系統(tǒng)，進(jìn)一步確定形變發(fā)生位置在超聲波束角監(jiān)測區(qū)范圍何處(如201210116341.6號中國專利申請?zhí)岢龅摹胺植际匠暡ǖ叵驴臻g結(jié)構(gòu)形變監(jiān)測系統(tǒng)及區(qū)域定位方法”)。但上述技術(shù)涉及的分布式超聲波組網(wǎng)采用的是一環(huán)扣一環(huán)的鏈狀組網(wǎng)布局，適合長距離的空間結(jié)構(gòu)(例如隧道)形變監(jiān)測，不具備對異動目標(biāo)的自適應(yīng)追蹤能力。如何實(shí)現(xiàn)對封閉空間的異常移動目標(biāo)全方位監(jiān)測，同時(shí)使監(jiān)測具有較寬的適用范圍，既可用于對結(jié)構(gòu)形變等緩慢變化目標(biāo)的監(jiān)測，也可用于對非法入侵物體等快速變化目標(biāo)的監(jiān)測，至今仍無妥善的技術(shù)方法。

發(fā)明內(nèi)容
針對背景技術(shù)中的問題，本發(fā)明提出了一種全向陣列超聲波異動目標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)，它由球形支架和多個(gè)探測器組成；多個(gè)探測器設(shè)置于球形支架所形成的球體表面上，所述探測器為超聲波收發(fā)一體式傳感器，探測器發(fā)射超聲波的方向與球體的徑向方向重合，且各個(gè)探測器與球心之間的距離相等。采用前述結(jié)構(gòu)后，結(jié)合本發(fā)明的監(jiān)測方法，可實(shí)現(xiàn)對封閉空間內(nèi)的結(jié)構(gòu)體形變和異物侵入的全向監(jiān)測，監(jiān)測區(qū)域覆蓋全面，無盲區(qū)，且超聲波不可見，無法被遮擋，非法入侵者難以躲避，可有效保證監(jiān)測區(qū)域范圍內(nèi)的安全，相比于其他監(jiān)測設(shè)備，本發(fā)明還具備結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、布設(shè)方便的優(yōu)勢。在前述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還作了如下改進(jìn)由球形支架所形成的球體表面上，按等角度差設(shè)置多條經(jīng)線和緯線，探測器設(shè)置于經(jīng)線和緯線的交點(diǎn)處，且探測器數(shù)量與經(jīng) 線和緯線的交點(diǎn)數(shù)量一一對應(yīng)。探測器采用這種按經(jīng)、緯線分布的布置方式后，可將探測器的位置關(guān)系映射為二維圖表(即探測器二維位置關(guān)系表)，便于掃描路徑的規(guī)劃和控制方法的實(shí)施。在前述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還提出了與前述結(jié)構(gòu)結(jié)合使用的基于全向陣列超聲波異動目標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)動軌跡追蹤方法，其步驟為I)在球形支架上布置多個(gè)探測器；2)根據(jù)空間向量和立體幾何知識，確定各個(gè)探測器對應(yīng)的監(jiān)測區(qū)域；3)按各個(gè)探測器的位置相鄰關(guān)系，將球面上的多個(gè)探測器的位置映射為一探測器二維位置關(guān)系表；4)以探測器二維位置關(guān)系表上的某一探測器為起點(diǎn)，另一探測器為終點(diǎn)，在探測器二維位置關(guān)系表上勾畫一條連接起點(diǎn)和終點(diǎn)的路徑，該路徑串起所有的探測器且路徑與每個(gè)探測器僅相交一次(由于球體在三維空間上各向都是連續(xù)的，因此可以映射出 多種探測器二維位置關(guān)系表，即使選定了起點(diǎn)和終點(diǎn)的位置，它們在不同的探測器二維位置關(guān)系表上也可能居于不同位置，所以前述的路徑規(guī)劃肯定是能夠?qū)崿F(xiàn)的；其中，路徑的起點(diǎn)既可以將其設(shè)置于探測器二維位置關(guān)系表的中部，采用螺旋形式向周圍掃描(如圖3所示)，也可以將起點(diǎn)設(shè)置于探測器二維位置關(guān)系表的邊沿，采用逐行或逐列的方式進(jìn)行掃描)；控制各個(gè)探測器按勾畫出的路徑依次工作并獲取各個(gè)探測器采集到的數(shù)據(jù)；當(dāng)所有探測器都完成一次運(yùn)行后，即完成了一個(gè)掃描周期，然后從起點(diǎn)開始，重新進(jìn)行下一個(gè)掃描周期的操作；5)運(yùn)行過程中，若某一監(jiān)測區(qū)域范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)體出現(xiàn)形變，或某一監(jiān)測區(qū)域范圍內(nèi)有物體在移動，則該監(jiān)測區(qū)域?qū)?yīng)的探測器采集到的數(shù)據(jù)就會發(fā)生變化，系統(tǒng)據(jù)此確定該監(jiān)測區(qū)域范圍內(nèi)有非法侵入的物體，或結(jié)構(gòu)體出現(xiàn)形變。采用前述方案后，可及時(shí)獲知被監(jiān)測空間內(nèi)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，并可立即對出現(xiàn)異常情況的區(qū)域進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定可靠。在前述監(jiān)測方法的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還對系統(tǒng)運(yùn)行中各個(gè)探測器的工作時(shí)長提出了如下改進(jìn)方案步驟4)中，探測器初次運(yùn)行前，按設(shè)定的靜態(tài)優(yōu)先級為各個(gè)探測器分配工作時(shí)長，靜態(tài)優(yōu)先級較高的探測器工作時(shí)長相對較長，靜態(tài)優(yōu)先級較低的探測器工作時(shí)長相對較短；步驟5)中，若某一探測器的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，該探測器記為A探測器，按動態(tài)優(yōu)先級重新計(jì)算各個(gè)探測器的工作時(shí)長，為A探測器，和探測器二維位置關(guān)系表上A探測器周圍的多個(gè)探測器分配更多的工作時(shí)長；當(dāng)由結(jié)構(gòu)體形變和非法侵入的物體引起的探測器數(shù)據(jù)變化消除后，將各個(gè)探測器的工作時(shí)長恢復(fù)為由靜態(tài)優(yōu)先級確定的工作時(shí)長。采用這種方案后，在平常無異常狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)按靜態(tài)優(yōu)先級分配的工作時(shí)長控制各個(gè)探測器運(yùn)行，這可以對監(jiān)測區(qū)域中的某些重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測，有利于快速獲得全面實(shí)時(shí)的監(jiān)測信息；出現(xiàn)異常狀態(tài)后，系統(tǒng)迅速將監(jiān)測重點(diǎn)轉(zhuǎn)移至出現(xiàn)異常情況的區(qū)域，使出現(xiàn)異常情況的區(qū)域獲得更多的關(guān)注，保證監(jiān)測區(qū)域的安全。物體的移動具有連續(xù)性，一般是從一個(gè)區(qū)域移動至另一個(gè)區(qū)域，因此對重點(diǎn)關(guān)注的探測器周邊的探測器保持一定的關(guān)注具有重要意義，這不僅可以使系統(tǒng)獲知詳盡的物體運(yùn)行軌跡，而且還能輔助對物體位置的定位；但保持關(guān)注的探測器數(shù)量過多勢必造成運(yùn)算復(fù)雜和時(shí)延較大的問題，為此，本發(fā)明提出了如下的優(yōu)選方案所述探測器二維位置關(guān)系表上A探測器周圍的多個(gè)探測器，分別取探測器二維位置關(guān)系表上A探測器的正上方、正下方、正左方和正右方四個(gè)方向上與A探測器相鄰的四個(gè)探測器，這既保證了系統(tǒng)處理的高效性，又保持了對必要數(shù)據(jù)的關(guān)注度。前述的靜態(tài)優(yōu)先級可按如下方法確定I)實(shí)地勘測，確定需要考慮的環(huán)境因素的數(shù)量，設(shè)探測器的總數(shù)量為s且將各個(gè)探測器按1、2……s的順序順次編號；設(shè)需要考慮的環(huán)境因素的數(shù)量為η且將各種環(huán)境因素按1、2……η的順序順次編號，則可用如下矩陣(也叫評價(jià)指標(biāo)矩陣)表示各個(gè)探測器在各種環(huán)境因素作用下的評價(jià)指標(biāo)值bu，其中，i=l、2、3……s，j=l、2、3……η:
權(quán)利要求
1.一種全向陣列超聲波異動目標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于它由球形支架(I)和多個(gè)探測器(2)組成；多個(gè)探測器(2)設(shè)置于球形支架(I)所形成的球體表面上，所述探測器(2)為超聲波收發(fā)一體式傳感器，探測器(2 )發(fā)射超聲波的方向與球體的徑向方向重合,且各個(gè)探測器(2)與球心之間的距離相等。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的全向陣列超聲波異動目標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于由球形支架(I)所形成的球體表面上，按等角度差設(shè)置多條經(jīng)線和緯線，探測器(2)設(shè)置于經(jīng)線和緯線的交點(diǎn)處，且探測器(2)數(shù)量與經(jīng)線和緯線的交點(diǎn)數(shù)量一一對應(yīng)。
3.一種基于全向陣列超聲波異動目標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)動軌跡追蹤方法，其特征在于其步驟為 1)在球形支架(I)上布置多個(gè)探測器(2); 2)根據(jù)空間向量和立體幾何知識，確定各個(gè)探測器(2)對應(yīng)的監(jiān)測區(qū)域； 3)按各個(gè)探測器(2)的位置相鄰關(guān)系，將球面上的多個(gè)探測器(2)的位置映射為一探測器二維位置關(guān)系表； 4)以探測器二維位置關(guān)系表上的某一探測器(2)為起點(diǎn)，另一探測器(2)為終點(diǎn)，在探測器二維位置關(guān)系表上勾畫一條連接起點(diǎn)和終點(diǎn)的路徑，該路徑串起所有的探測器(2)且路徑與每個(gè)探測器(2)僅相交一次；控制各個(gè)探測器(2)按勾畫出的路徑依次工作并獲取各個(gè)探測器(2 )采集到的數(shù)據(jù)；當(dāng)所有探測器(2 )都完成一次運(yùn)行后，即完成了一個(gè)掃描周期，然后從起點(diǎn)開始，重新進(jìn)行下一個(gè)掃描周期的操作； 5)運(yùn)行過程中，若某一監(jiān)測區(qū)域范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)體出現(xiàn)形變，或某一監(jiān)測區(qū)域范圍內(nèi)有物體在移動，則該監(jiān)測區(qū)域?qū)?yīng)的探測器(2)采集到的數(shù)據(jù)就會發(fā)生變化，系統(tǒng)據(jù)此確定該監(jiān)測區(qū)域范圍內(nèi)有非法侵入的物體，或結(jié)構(gòu)體出現(xiàn)形變。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于全向陣列超聲波異動目標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)動軌跡追蹤方法，其特征在于 步驟4)中，探測器(2)初次運(yùn)行前，按設(shè)定的靜態(tài)優(yōu)先級為各個(gè)探測器(2)分配工作時(shí)長，靜態(tài)優(yōu)先級較高的探測器(2)工作時(shí)長相對較長，靜態(tài)優(yōu)先級較低的探測器(2)工作時(shí)長相對較短； 步驟5)中，若某一探測器(2)的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，該探測器(2)記為A探測器(2)，按動態(tài)優(yōu)先級重新計(jì)算各個(gè)探測器(2)的工作時(shí)長，為A探測器(2)，和探測器二維位置關(guān)系表上A探測器(2)周圍的多個(gè)探測器(2)分配更多的工作時(shí)長； 當(dāng)由結(jié)構(gòu)體形變和非法侵入的物體引起的探測器(2)數(shù)據(jù)變化消除后，將各個(gè)探測器(2)的工作時(shí)長恢復(fù)為由靜態(tài)優(yōu)先級確定的工作時(shí)長。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于全向陣列超聲波異動目標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)動軌跡追蹤方法，其特征在于所述探測器二維位置關(guān)系表上A探測器(2)周圍的多個(gè)探測器(2)，分別取探測器二維位置關(guān)系表上A探測器(2)的正上方、正下方、正左方和正右方四個(gè)方向上與A探測器(2)相鄰的四個(gè)探測器(2)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于全向陣列超聲波異動目標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)動軌跡追蹤方法，其特征在于按如下方法確定各個(gè)探測器(2)的靜態(tài)優(yōu)先級 I)實(shí)地勘測，確定需要考慮的環(huán)境因素的數(shù)量，設(shè)探測器(2)的總數(shù)量為s且將各個(gè)探測器(2)按1、2......s的順序順次編號；設(shè)需要考慮的環(huán)境因素的數(shù)量為η且將各種環(huán)境因素按1、2......η的順序順次編號，則可用如下矩陣表示各個(gè)探測器(2)在各種環(huán)境因素作用下的評價(jià)指標(biāo)值by,其中，
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于全向陣列超聲波異動目標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)動軌跡追蹤方法，其特征在于所述的按動態(tài)優(yōu)先級重新計(jì)算各個(gè)探測器(2)的工作時(shí)長，包括 1)設(shè)定3級動態(tài)優(yōu)先級，為每級動態(tài)優(yōu)先級分別設(shè)定一權(quán)值系數(shù)λ”λ2、λ3，其中，λ i為第I級動態(tài)優(yōu)先級的權(quán)值系數(shù)，λ 2為第2級動態(tài)優(yōu)先級的權(quán)值系數(shù)，λ 3為第3級動態(tài)優(yōu)先級的權(quán)值系數(shù)；令第I級動態(tài)優(yōu)先級的優(yōu)先級別最高，第3級動態(tài)優(yōu)先級的優(yōu)先級別最低，則有X1 > A2 > A3 ； 2)以系統(tǒng)初次運(yùn)行時(shí)，記錄的各個(gè)探測器(2)的測量數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)；后續(xù)運(yùn)行中，每完成一個(gè)掃描周期，都自動對各個(gè)探測器(2)的測量數(shù)據(jù)相比于各自的原始數(shù)據(jù)的變化值進(jìn)行計(jì)算，變化值最大的探測器(2)作為當(dāng)前監(jiān)控中心，并對當(dāng)前監(jiān)控中心的動態(tài)優(yōu)先級賦予X1，變化值最大的探測器(2)周圍的多個(gè)探測器(2)作為輔助監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，并對輔助監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的動態(tài)優(yōu)先級賦予λ 2，同時(shí)，將其余探測器(2)的動態(tài)優(yōu)先級賦予λ3，則按下式計(jì)算各個(gè)探測器(2)的工作時(shí)長
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于全向陣列超聲波異動目標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)動軌跡追蹤方法，其特征在于步驟5)中，探測器(2)采集到的數(shù)據(jù)發(fā)生變化后，按如下方法進(jìn)行處理 1)將系統(tǒng)初次運(yùn)行時(shí)采集到的各個(gè)探測器(2)的測量數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)；預(yù)設(shè)一異動安全閾值A(chǔ)S ; 2)設(shè)各個(gè)探測器(2)測量到的原始數(shù)據(jù)分別為SpS2......Ss，其中，S1為第I號探測器(2)的原始數(shù)據(jù)，S2為第2號探測器(2)的原始數(shù)據(jù)，Ss為第s號探測器(2)的原始數(shù)據(jù)，s為探測器(2)的總數(shù)量； 某一掃描周期完成后，各個(gè)探測器(2)測量的數(shù)據(jù)分別為S' pS' 2......S, s,分別計(jì)算 Is1-S / il、s2-s / 2|...... Ss-S / J 的值，再將 Is1-S / il、S2-S' 2|......|ss-s' J分別與AS比較大?。? 若ISi-S' J < AS，則可判斷第i號探測器(2)的監(jiān)測區(qū)域范圍內(nèi)未出現(xiàn)異動物體或結(jié)構(gòu)體未發(fā)生形變；若Isi-S' J彡AS，則可判斷第i號探測器(2)的監(jiān)測區(qū)域范圍內(nèi)有異動物體或結(jié)構(gòu)體發(fā)生了形變。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于全向陣列超聲波異動目標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)動軌跡追蹤方法，其特征在于當(dāng)某一掃描周期內(nèi)，因有物體侵入而引起一個(gè)或多個(gè)探測器(2)的測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)變化，又經(jīng)過一個(gè)或多個(gè)掃描周期后，探測器(2)的測量數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定，說明侵入物體停止移動，則根據(jù)如下方法確定侵入物體停留的具體位置 1)以最后一個(gè)掃描周期內(nèi)，數(shù)據(jù)變化值最大的探測器(2)為中心節(jié)點(diǎn)，該探測器(2)記為B探測器(2);以探測器二維位置關(guān)系表上B探測器(2)正上方、正下方、正左方、正右方四個(gè)方向上與B探測器(2)相鄰的4個(gè)探測器(2)為輔助節(jié)點(diǎn)； 2)設(shè)輔助節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的4個(gè)探測器(2)的原始數(shù)據(jù)分別為SpSpSpSje;最后一個(gè)掃描周期內(nèi)，輔助節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的4個(gè)探測器(2)的測量數(shù)據(jù)分別為S'上、S, T、S' P S' $，則分別計(jì)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，比較Al、Λ 2、Λ3和Λ 4的大小，若Λ I最大，則侵入物體停留在B探測器(2)和其正上方的探測器(2)之間的位置處；若Λ2最大，則侵入物體停留在B探測器(2)和其正下方的探測器(2)之間的位置處；若Λ3最大，則侵入物體停留在B探測器(2)和其正左方的探測器(2)之間的位置處；若Λ4最大，則侵入物體停留在B探測器(2)和其正右方的探測器(2)之間的位置處；若前述條件都不滿足，則侵入物體停留在B探測器(2)的中心位置處。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于全向陣列超聲波異動目標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)動軌跡追蹤方法，其特征在于超聲波全向陣列運(yùn)行過程中，因侵入物體在超聲波全向陣列的探測區(qū)域內(nèi)連續(xù)移動而引起多個(gè)探測器(2)的測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)變化時(shí)，記錄下每個(gè)掃描周期內(nèi)，數(shù)據(jù)變化最大值所在的探測器(2)的編號，將前述探測器(2)的編號按時(shí)序排列，最終得到侵入物體的運(yùn)動軌跡。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全向陣列超聲波異動目標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)，它由球形支架和多個(gè)探測器組成；多個(gè)探測器設(shè)置于球形支架所形成的球體表面上，所述探測器為超聲波收發(fā)一體式傳感器，探測器發(fā)射超聲波的方向與球體的徑向方向重合，且各個(gè)探測器與球心之間的距離相等。本發(fā)明還公開了基于前述系統(tǒng)的運(yùn)動軌跡追蹤方法。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是通過建立超聲波球狀陣列，實(shí)現(xiàn)對封閉空間內(nèi)的異常移動目標(biāo)或結(jié)構(gòu)形變的全方位監(jiān)測，監(jiān)測中考慮了復(fù)雜的環(huán)境因素的影響，能自動對異動目標(biāo)進(jìn)行發(fā)現(xiàn)、定位及自動追蹤。監(jiān)測具有較寬的適用范圍，既可用于對結(jié)構(gòu)形變等緩慢變化目標(biāo)的監(jiān)測，也可用于對非法入侵物體等快速變化目標(biāo)的監(jiān)測。
文檔編號G08B13/16GK102866399SQ20121032583
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月5日
發(fā)明者鄭偉, 魯奇, 路萍 申請人:重慶大學(xué)