專利名稱：一種用于跟蹤人體手部運動軌跡的非接觸式靜電探測方法
技術領域：
本發明涉及一種非接觸式跟蹤人體手 部運動軌跡的方法，尤其涉及一種用于跟蹤人體手部運動軌跡的非接觸式靜電探測方法，屬于靜電探測領域。
背景技術：
目前應用于反恐偵察、安防監控、醫療護理等領域的人體監控技術的發展方向是研究具有抗干擾性能好、虛警率低、工作死角區小、邏輯算法簡單以及系統布設方便的新體制探測技術。人體探測技術在反恐監測領域有著廣泛的重要應用，如隨時掌握獨居人員在居住場所的活動狀態。目前紅外探測及圖像模式識別技術在人體探測領域得到廣泛的應用。紅外探測技術利用人體的紅外輻射信號來感知人體目標的存在，但是由于室內存在加熱、照明等發射紅外信號的設備，同時在室外環境中存在光照等紅外輻射源，使得該技術的虛警率偏高。另外紅外探測技術只能探測到人體目標是否存在，而無法識別目標的姿態動作；圖像模式識別技術常用于識別人體的姿態動作，但是在攝像頭的視頻死角區域無法發揮作用，此外為了排除非人體目標的干擾，圖像模式識別技術需要采用復雜的邏輯算法設計。靜電探測技術利用運動中物體所帶的靜電實現對目標的探測識別。^Triboelectrification of houseflies(Musca domestic L. )walking on syntheticdielectric surfaces，，Mcgonigle D F, Jackson C W and Davidson J L 2002J.Electrostat. 54167-177中首次提出對爬行中的昆蟲進行靜電探測的方法。受此啟發，“Electrification of human body by walking，，Ficker T 2006 J. Electrostat. 6410-16通過安裝在人身體上的靜電計對運動中人體電勢的變化進行了研究。由于一切運動的物體都會帶上靜電，因此將靜電探測方法應用于識別人體是可行的，國內外均未將非接觸式靜電探測方法應用于人體識別。“An adaptive Kalman-based Bayes estimation technique to classifylocomotor 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 usingregion-growing and clothing distortion compensation” R. 0’Malley, E.Jonesa,and M. Glavin, Infrared.Phys. Techn. 53,439-449(2010)、“Human detection using amobile platform and novel features derived from a visual saliency mechanism^s.Montabone, and A. Soto, Image. Vision. Comput. 28, 391-402 (2010)中分別通過在人體手部安裝傳感器、紅外探測技術及圖像模式識別技術實現對人體手部運動軌跡的跟蹤。然而由于室內存在加熱、照明等發射紅外信號的設備，同時在室外環境中存在光照等紅外輻射源，使得應用于跟蹤人體手部運動軌跡的紅外探測技術的誤差率偏高。圖像模式識別技術常用于對人體運動軌跡的跟蹤，但是在攝像頭的視頻死角區域無法發揮作用，此外為了排除非人體手部目標的干擾，圖像模式識別技術需要采用復雜的邏輯算法設計；穿戴式傳感器網絡能夠有效地跟蹤人體手部的運動軌跡，但由于需要將探測器安裝在人體手部上，存在著使用不方便的缺陷，同時將會對人體手部的運動狀態造成影響。
發明內容
本發明要解決的技術問題是利用非接觸式靜電探測方法跟蹤人體手部運動軌跡，同時解決人體手部運動探測技術存在的工作死角區大和探測系統與邏輯算法設計復雜的問題。本發明公開了一種用于跟蹤人體手部運動軌跡的非接觸式靜電探測方法，該方法將非接觸式靜電探測技術應用于對人體手部運動軌跡跟蹤中，可減小人體手部跟蹤測量技術的工作死角區，降低人體手部運動跟蹤探測系統的設計復雜程度。本發明的目的還在于解決利用非接觸式靜電探測方法測量人體實時手部運動方向的問題，同時解決人體實時手部運動方向探測技術存在的工作死角區大和探測系統與邏輯算法設計復雜的問題。本發明公開的一種用于跟蹤人體手部運動軌跡的非接觸式靜電探測方法的發明目的是通過下述技術方案實現本發明公開的一種用于跟蹤人體手部運動軌跡的非接觸式靜電探測方法具體實現步驟如下步驟一布設能檢測到人體手部運動靜電信號的多極板探測陣列，所述探測陣列包括至少一組多極板探測單元，多極板探測單元的數量及布陣方式根據實際探測目標區域需要而定；多極板探測單元由四個極板組成，四個極板分成兩對，兩對極板間的連線互相垂直，每對極板間距離為d，d ( 20cm,四個極板位置布置呈正方形；定義多極板探測單元中首先檢測到人體運動所產生的靜電感應信號峰值的極板所在的極板對的連線與運動軌跡的夾角為人體運動方向a，人體運動速度為V ;極板間距離為d相對于人體手部運動距離較小，分析的運動距離d所用的時間相對于人體手部運動時間較小，因此測得的人體運動方向a和人體運動速度V即為人體的實時運動方向和實時運動速度；步驟二 采集監測環境中的靜電信號，所述的靜電信號是每個時刻探測系統獲取的靜電感應信號電勢值；步驟三將該采集到的靜電感應信號電勢值與預設判據對比，如果該靜電感應信號與該預設判據相同，則認為檢測到了人體手部運動的存在；步驟四記錄步驟二中檢測到的人體手部運動在每個極板上所產生的靜電感應信號的波峰值，讀取每個極板上緊隨波峰值的過零點時刻；定義中首先探測到靜電感應信號的極板與其相對的極板組成極板對一，極板對一中首先探測到靜電感應信號的極板為極板1，另一個極板為極板2;另一對極板為極板對二，極板對二中首先探測到靜電感應信號的極板為極板4，另一個極板為極板3 ;分別讀取多極板探測單元中極板I,極板2，極板3，極板4采集到的緊隨波峰值的過零點時刻t2，t3，t4;人體手部運動方向a和人體手部運動速度V滿足公式⑴和⑵
權利要求
1.一種用于跟蹤人體手部運動軌跡的非接觸式靜電探測方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟一布設能檢測到人體手部運動靜電信號的多極板探測陣列，所述探測陣列包括至少一組多極板探測單元；多極板探測單元由四個極板組成，四個極板分成兩對，兩對極板間的連線互相垂直，每對極板間距離為d，四個極板位置布置呈正方形；定義多極板探測單元中首先檢測到人體運動所產生的靜電感應信號峰值的極板所在的極板對的連線與運動軌跡的夾角為人體運動方向a，人體運動速度為V ; 步驟二 采集監測環境中的靜電信號
2.根據權利要求I所述的一種用于跟蹤人體手部運動軌跡的非接觸式靜電探測方法，其特征在于步驟三中所述的預設判據為采集到的靜電感應信號的幅值先由小變大，隨后又由大變小；采集到的靜電感應信號具有周期連續性，每個周期內的靜電感應信號均出現兩個波峰，其中后一個波峰的幅值小于前一個波峰的幅值的一半。
3.根據權利要求I或2所述的一種用于跟蹤人體手部運動軌跡的非接觸式靜電探測方法，其特征在于步驟二中所述的探測系統包括探測極板、電荷放大器、電流-電壓轉換電路、低通濾波器和數據采集儀；探測極板獲取靜電感應電荷量，電荷量的變化產生靜電感應電流，產生的電流經過電荷放大器后幅值得到放大，放大后的電流值經過電流-電壓轉換電路轉變為電勢值，靜電感應電勢值隨后經過低通濾波電路去除噪聲；數據采集儀將濾波后的靜電感應電勢值轉化為數字信號存儲下來。
4.根據權利要求I或2所述的一種用于跟蹤人體手部運動軌跡的非接觸式靜電探測方法，其特征在于步驟一中所述的每對極板間距離d ( 20cm。
5.一種用于測量人體手部運動方向的非接觸式靜電探測方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟一布設能檢測到人體手部運動靜電信號的多極板探測陣列，所述探測陣列包括至少一組多極板探測單元；多極板探測單元由四個極板組成，四個極板分成兩對，兩對極板間的連線互相垂直，每對極板間距離為d，四個極板位置布置呈正方形；定義多極板探測單元中首先檢測到人體運動所產生的靜電感應信號峰值的極板所在的極板對的連線與運動軌跡的夾角為人體運動方向a，人體運動速度為V ; 步驟二 采集監測環境中的靜電信號，所述的靜電信號是每個時刻探測系統獲取的靜電感應信號電勢值； 步驟三將該采集到的靜電感應信號電勢值與預設判據對比，如果該靜電感應信號與該預設判據相同，則認為檢測到了人體手部運動的存在； 步驟四記錄步驟二中檢測到的人體手部運動在每個極板上所產生的靜電感應信號的波峰值，讀取每個極板上緊隨波峰值的過零點時刻；定義中首先探測到靜電感應信號的極板與其相對的極板組成極板對一，極板對一中首先探測到靜電感應信號的極板為極板(I)，另一個極板為極板(2);另一對極板為極板對二，極板對二中首先探測到靜電感應信號的極板為極板(4)，另一個極板為極板(3);分別讀取多極板探測單元中極板(I)，極板(2)，極板(3)，極板(4)采集到的緊隨波峰值的過零點時刻t2，t3，t4 ;人體手部運動方向a滿足公式⑴和⑵
6.根據權利要求5所述的一種用于測量人體手部運動方向的非接觸式靜電探測方法，其特征在于步驟三中所述的預設判據為采集到的靜電感應信號的幅值先由小變大，隨后又由大變小；采集到的靜電感應信號具有周期連續性，每個周期內的靜電感應信號均出現兩個波峰，其中后一個波峰的幅值小于前一個波峰的幅值的一半。
7.根據權利要求5或6所述的一種用于測量人體手部運動方向的非接觸式靜電探測方法，其特征在于所述的探測系統包括探測極板、電荷放大器、電流-電壓轉換電路、低通濾波器和數據采集儀；探測極板獲取靜電感應電荷量，電荷量的變化產生靜電感應電流，產生的電流經過電荷放大器后幅值得到放大，放大后的電流值經過電流-電壓轉換電路轉變為電勢值，靜電感應電勢值隨后經過低通濾波電路去除噪聲；數據采集儀將濾波后的靜電感應電勢值轉化為數字信號存儲下來。
8.根據權利要求5或6所述的一種用于測量人體手部運動方向的非接觸式靜電探測方法，其特征在于步驟一中所述的每對極板間距離d ( 20cm。
9.根據權利要求5或6所述的一種用于測量人體手部運動方向的非接觸式靜電探測方法，，其特征在于步驟三中多極板探測陣列包括多個多極板探測單元，多極板探測單元的數量及布陣方式根據實際探測目標區域需要而定；步驟一中所述的每對極板間距離d ≤20cm。
全文摘要
本發明公開的一種用于跟蹤人體手部運動軌跡的非接觸式靜電探測方法，一種非接觸式跟蹤人體手部運動軌跡的方法，屬于靜電探測領域。涉及一種非接觸式手部運動速度測量方法。本發明包括如下步驟布設能檢測到人體手部運動靜電信號的多極板探測陣列；采集監測環境中的靜電信號；將該采集到的靜電感應信號電勢值與預設判據對比；讀取每個極板上緊隨波峰值的過零點時刻；根據探測結果計算人體手部運動方向α和人體手部運動速度V，進而跟蹤到人體手部實時運動軌跡。本發明還公開一種用于測量人體手部運動方向的非接觸式靜電探測方法。本發明可減小跟蹤人體手部運動軌跡技術的工作死角區，降低人體手部運動軌跡跟蹤探測系統的設計復雜程度。
文檔編號G01P13/02GK102778581SQ20121022975
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月4日 優先權日2012年7月4日
發明者唐凱, 徐立新, 李鵬斐, 陳曦 申請人:北京理工大學