一种基于毫米波雷达的进出人数计数方法和装置与流程

1.本发明属于监控技术领域，尤其涉及一种基于毫米波雷达的进出人数计数方法和装置。


背景技术：

2.现有的进出人数统计方法有有图像处理技术和红外对射技术。图像处理基于光学摄像头成像，其主要采用目标提取、目标识别、轨迹分析等算法；其受环境光影响大，且处理过程复杂，成本高。红外对射采用一个发射头和一个接收头，在中间如有物件通过就遮挡一下光线，就输出一个脉冲信号触发一下计数电路，反射式红外线是把发射头和接收头做在一块成为一个红外探头，当探头前有一个物件出现就把发射头的红外线反射给接收头，探头输出一个脉冲给计数器计数，缺点是无法判断目标方向，无法确认目标是否已经离开，容易重复计数。


技术实现要素：

3.毫米波雷达检测主要运用了多普勒效应、fmcw技术。其基本原理为，发射波为调频连续波，其频率随时间按照三角波规律变化。雷达接收的回波的频率与发射的频率变化规律相同，都是三角波规律，只是有一个时间差，利用这个微小的时间差可计算出目标距离，并得到包含距离、速度及方位信息的雷达点云。优点是检测精度高、全天候工作, 不受天气的影响。有鉴于此，本发明提出了一种基于毫米波雷达的进出人数计数方法。
4.本发明第一方面公开的基于毫米波雷达的进出人数计数方法，包括以下步骤：毫米波雷达检测人体目标，并对人体目标进行点云集群跟踪处理，输出输出的聚类目标集t={t1......,tk}，其中t1......,tk为聚类目标，k为聚类目标的个数；采用扩展卡尔曼跟踪算法，对所述聚类目标集t={t1......,tk}中每个目标ti预测和更新，实时获取目标的位置信息；将目标ti的位置由极坐标转换到笛卡尔坐标系中，得到跟踪目标集tracks={tr0，tr1，......tr
n-1
},其中tri=[t
id
，xi，yi，vi]，xi，yi是雷达三维空间内相对雷达的空间坐标，t
id
为航迹id，vi为速度；对航迹列表中同一航迹id持续跟踪，根据同一航迹id的跟踪目标相对于第一穿越线、第二穿越线和第三穿越线的位置和速度，判别跟踪目标的进出状态，对跟踪目标为entered状态的目标，进出人数加1，对跟踪目标为exited状态的目标，进出人数减1。
[0005]
进一步的，所述点云集群跟踪聚类处理过程如下：聚类：从点云集中选取第一个点，记为p0，并将p0作为待聚类目标t的中心，即t
kcenter
=[r
center
，v
center
，θ
center
]=[r0，v0，θ0]，其中r
center
为中心点的距离，v
center
为中心点的速度，θ
center 为中心点的角度，p0与点云集中剩下点云pi（i={1,2......，n-1}逐次比较；若同时满足条件a、b：a.|r
center
*r
center
ri*r
i-2r
center
*ri*cos(θ
center-θi)|《第一阈值；
b.|v
center-vi|《第二阈值；更新待聚类目标中心点，t
center
=[r
center
,v
center
,θ
center
]=[(r
center
ri)/2,(v
center
vi)/2,(θ
center
θi)/2]，其中ri为目标点云pi的距离
，vi
为目标点云pi的速度，θi为目标点云pi的角度；将点云pi标记为已遍历状态且与聚类目标tk标签一致
；
目标tk包含的点云tk={pi,.......}；i加1，即将更新后的t
kcenter
与点云集中下一个点比较；若不满足条件a、b，不用更新待聚类目标中心点，将i加1，即t
kcenter
与点云集中下一个点比较；待聚类目标t
k，
包含m个点云，若m大于预设的最小点云个数阈值p
num
，且所有点的信噪比之和s
sum
大于预设能量阈值，则判断tk为有效聚类目标。
[0006]
进一步的， 当跟踪目标ti在第k帧，其xi在第一穿越线的外侧的未知区域，且在第k 1帧时的xi在第一穿越线的内侧，同时满足速度vi为正和当前状态为unknow，则表示该目标正在穿过第一穿越线，即其从未知区域进入第一区域；其状态变为t
i_state
=detected_incoming；当跟踪目标ti在第k帧，其xi在第二穿越线的外侧；且在第k 1帧时的xi在第二穿越线的内侧，同时满足速度vi为正和当前状态为detected_incoming，则表示该目标正在穿过第二穿越线2，即其从第一区域进入第二区域；其状态变为t
i_state
=incoming；当跟踪目标ti在第k帧时的xi在第三穿越线的外侧；且在第k 1帧时的xi在第三穿越线的内侧，同时满足速度vi为正和当前状态为incoming，则表示该目标正在穿过第三穿越线，即其从第二区域进入第三区域；其状态变为t
i_state
=entered；将室内总人数加1，该跟踪目标航迹id的状态重新变为未知状态，即t
i_state
=unknow。
[0007]
进一步的，当跟踪目标ti在第k帧的xi在第三穿越线的内侧；且在第k 1帧时的xi在第三穿越线的外侧，同时满足速度vi为负和当前状态为unknow，则表示该目标正在穿过第三穿越线，即其从第三区域进入第二区域；其状态变为t
i_state
=detected_outgoing；当跟踪目标ti在第k帧时的xi在第二穿越线的内侧；且在第k 1帧时的xi在第二穿越线的外侧，同时满足速度vi为负和当前状态为detected_outgoing，则表示该目标正在穿过第一穿越线，即其从第二区域进入第一区域；其状态变为t
i_state
=outgoing；当跟踪目标ti在第k帧时的xi在第一穿越线的内侧，且在第k 1帧时的xi在第一穿越线的外侧，同时满足速度vi为负和当前状态为outgoing，则表示该目标正在穿过第一穿越线，即其从第一区域进入未知区域；其状态变为t
i_state
=exited；将室内总人数减1，将该跟踪目标航迹id的状态重新变为未知状态，即t
i_state
=unknow。
[0008]
本发明第二方面公开的基于毫米波雷达的进出人数计数装置，所述装置包括微处理器、毫米波雷达、电池、无线传输模块组成；其中，微处理器通过串口分别与毫米波雷达与无线传输模块连接；所述装置安装在进出门口顶部正中位置，毫米波雷达的法线方向垂直地面，毫米波雷达的坐标x方向与进出方向一致。
[0009]
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明基于毫米波雷达，可对监测区域行人分配唯一航迹id，同时对同一航迹id在相邻帧上的位置及速度方向判断；并设计四种进出状态量切换，以此判断目标进出并统计进出人数，四种状态的切换确保进出人数稳定计数，避免人员在门口逗留出现的重复计数。
附图说明
[0010]
图 1本发明的系统框架图；图 2本发明的内部数据处理过程图；图 3本发明的穿越线设置示意图；图 4本发明的进出计数过程图；图 5本发明实施例的进出计数过程图。
[0011]
图中，1-第一穿越线，2-第二穿越线，3-第三穿越线。
具体实施方式
[0012]
下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。
[0013]
如图 1所示，毫米波雷达进出人数统计装置由微处理器、毫米波雷达、电池、无线传输模块组成；其中，微处理器通过串口分别与毫米波雷达与无线传输模块连接。装置安装在进出门口顶部正中位置，雷达法线方向垂直地面，雷达坐标x方向与进出方向一致。
[0014]
毫米波雷达检测人体目标，并对人体目标进行点云集群跟踪处理，输出的聚类目标集t={t1......,tk}，其中t1......,tk为聚类目标，k为聚类目标的个数；点云集群跟踪中聚类处理过程如下：聚类：从点云集中选取第一个点，记为p0，并将p0作为待聚类目标t的中心，即t
kcenter
=[r
center
，v
center
，θ
center
]=[r0，v0，θ0]，p0与点云集中剩下点云pi（i={1,2......，n-1}逐次比较；若同时满足条件a、b：a.|r
center
*r
center
ri*r
i-2r
center
*ri*cos(θ
center-θi)|《0.5；b.|v
center-vi|《1；更新待聚类目标中心点：t
center
=[r
center
,v
center
,θ
center
]=[(r
center
ri)/2,(v
center
vi)/2,(θ
center
θi)/2];将点云pi标记为已遍历状态且与聚类目标tk标签一致
；
目标tk包含的点云tk={pi,.......}；i加1，即将更新后的t
kcenter
与点云集中下一个点比较；若不满足条件a、b，不用更新待聚类目标中心点，将i加1，即t
kcenter
与点云集中下一个点比较；待聚类目标t
k，
包含m个点云，若m大于预设的最小点云个数阈值p
num
，且所有点的信噪比之和s
sum
大于预设能量阈值，则判断tk为有效聚类目标。
[0015]
采用扩展卡尔曼跟踪算法，对所述聚类目标集t={t
1,
......,tk}中每个目标ti预测和更新，实时获取目标的位置信息；每个目标包含的信息距离和角度，即ti={t
id
，ri，θi，
vi}；将ti={t
id
，ri,θi,vi}由极坐标转换到笛卡尔坐标系中，得到跟踪目标集tracks={tr0，tr1，......,tr
n-1
},其中tri=[t
id
，xi，yi，vi]，xi，yi是雷达三维空间内相对雷达的空间坐标，t
id
为航迹id，vi为速度；对航迹列表中同一航迹id持续跟踪，其状态在经过计数算法预定的几个区域后，状态会切换；如图3所示，设置三条穿越线，其中穿越线1为第一穿越线，穿越线2为第二穿越线，雷达设置在穿越线2的正上方，穿越线3为第三穿越线，第一穿越线之外（即朝门外的方向）的区域为未知区域，第一穿越线与第二穿越线之间为第一区域（即区域1），第二穿越线与第三穿越线之间为第二区域（即区域2），第三穿越线之内的区域（即朝门内的方向的区域）为第三区域（即区域3）。
[0016]
进入过程：当跟踪目标ti在第k帧，其xi在穿越线1的门外侧（也称为未知区域）；且在第k 1帧，其xi在穿越线1的门内侧，同时满足速度vi为正和当前状态为unknow，则表示该目标正在穿过穿越线1，也即是其从未知区域进入区域1；其状态变为t
i_state
=detected_incoming;当跟踪目标ti在第k帧，其xi在穿越线2的门外侧；且在第k 1帧，其xi在穿越线2的门内侧，同时满足速度vi为正和当前状态为detected_incoming，则表示该目标正在穿过穿越线2，也即是其从区域1进入区域2；其状态变为t
i_state
=incoming;当跟踪目标ti在第k帧，其xi在穿越线3的门外侧；且在第k 1帧，其xi在穿越线3的门内侧，同时满足速度vi为正和当前状态为incoming，则表示该目标正在穿过穿越线3，也即是其从区域2进入区域3；其状态变为t
i_state
=entered;将室内总人数加1，人数加上后，该id的状态重新变为未知状态，t
i_state
=unknow；出去过程：当跟踪目标ti在第k帧，其xi在穿越线3的门内侧；且在第k 1帧，其xi在穿越线3的门外侧，同时满足速度vi为负和当前状态为unknow，则表示该目标正在穿过穿越线3，也即是其从未知区域（此时未知区域与区域3重合）进入区域2；其状态变为t
i_state
=detected_outgoing;当跟踪目标ti在第k帧，其xi在穿越线2的门内侧；且在第k 1帧，其xi在穿越线2的门外侧，同时满足速度vi为负和当前状态为detected_outgoing，则表示该目标正在穿过穿越线1，也即是其从区域2进入区域1；其状态变为t
i_state
=outgoing;当跟踪目标ti在第k帧，其xi在穿越线1的门内侧；且在第k 1帧，其xi在穿越线1的门外侧，同时满足速度vi为负和当前状态为outgoing，则表示该目标正在穿过穿越线1，也即是其从区域1进入未知区域；其状态变为t
i_state
=exited;将室内总人数减1，同时该id的状态重新变为未知状态，t
i_state
=unknow。
实施例
[0017]
当航迹id为ti的行人在第k帧，其xi在穿越线1的门外侧(xi《-1.5m)；且在第k 1帧，其xi在穿越线1的门内侧(xi≥-1.5m)，同时满足速度vi为正和当前状态为unknow，则表示该目标正在穿过穿越线1。
[0018]
在一个实施例中，如图 1所示，毫米波雷达进出人数统计装置由微处理器、毫米波雷达、电池、无线模块组成；其中，微处理器通过串口分别与毫米波雷达与无线传输模块连接。装置安装在进出门口顶部正中位置，雷达法线方向垂直地面，雷达坐标x方向与进出方向一致。
[0019]
参考图2，装置内的毫米波雷达通过其多发多收(mimo)天线向监控区域发射毫米波段射频信号同时接收经由监控区域内反射点散射的回波信号；回波信号经过与发射信号混频后下变频到差拍中频信号si(t)，si(t)经过adc采样及距离维fft、速度估计、cfar检测及水平及垂直角度估计，获取当前场景下的动态运动行人点云集，点云经过群跟踪处理，获取跟踪目标集tracks={t0，t1，......t
n-1
},其中ti=[t
id
,xi,yi,vi]，xi,yi可看做雷达三维空间内相对雷达的空间坐标，t
id
为航迹id，vi为速度。
[0020]
每个行人经过雷达的监测区域时，可形成一个拥有唯一id的航迹；通过判断航迹的位置及速度方向判断行人的进出状态。具体如下：假设穿越线1的位置为x1=-1.5m,穿越线2的位置为x2=0m,穿越线3的位置为x3=1.5m；雷达监测行人进入的速度方向为正，雷达监测行人出去的速度方向为负。
[0021]
参考图4，进入计数过程如下：当航迹id为ti的行人在第k帧，其xi在穿越线1的门外侧(xi《-1.5m)；且在第k 1帧，其xi在穿越线1的门内侧(xi≥-1.5m)，同时满足速度vi为正和当前状态为unknow，则表示该目标正在穿过穿越线1，也即是其从未知区域进入区域1；其状态变为t
i_state
=detected_incoming；当跟踪目标ti在第k帧，其xi在穿越线2的门外侧(xi《0m)；且在第k 1帧，其xi在穿越线2的门内侧(xi≥0m)，同时满足速度vi为正和当前状态为detected_incoming，则表示该目标正在穿过穿越线2，也即是其从区域1进入区域2；其状态变为t
i_state
=incoming；当跟踪目标ti在第k帧，其xi在穿越线3的门外侧(xi《1.5m)；且在第k 1帧，其xi在穿越线3的门内侧(xi≥1.5m)，同时满足速度vi为正和当前状态为incoming，则表示该目标正在穿过穿越线3，也即是其从区域2进入区域3；其状态变为t
i_state
=entered；此时室内总人数加1，人数加上后，该id的状态重新变为未知状态，t
i_state
=unknow。
[0022]
人在进入过程中的其他情况，如人在第一区域与第二区域来回穿越，其状态会始终保持在最后一个状态（例如人在第一区域到第二区域，状态变为incoming，该目标又从第二区域返回到第一区域，其状态不变，还是保持incoming，因此不会影响其从第二区域进入第三区域的状态切换）。
[0023]
参考图5，出去计数过程如下：当跟踪目标ti在第k帧，其xi在穿越线3的门内侧(xi≥1.5m)；且在第k 1帧，其xi在穿越线3的门外侧(xi《1.5m)，同时满足速度vi为负和当前状态为unknow，则表示该目标正在穿过穿越线3，也即是其从未知区域（此时未知区域与区域3重合）进入区域2；其状态变为t
i_state
=detected_outgoing;当跟踪目标ti在第k帧，其xi在穿越线2的门内侧(xi≥0m)；且在第k 1帧，其xi在穿越线2的门外侧(xi《0m)，同时满足速度vi为负和当前状态为detected_outgoing，则表示该目标正在穿过穿越线1，也即是其从区域2进入区域1；其状态变为t
i_state
=outgoing;
当跟踪目标ti在第k帧，其xi在穿越线1的门内侧(xi≥-1.5m)；且在第k 1帧(xi《-1.5m)，其xi在穿越线1的门外侧，同时满足速度vi为负和当前状态为outgoing，则表示该目标正在穿过穿越线1，也即是其从区域1进入未知区域；其状态变为t
i_state
=exited。
[0024]
将室内总人数减1，同时该id的状态重新变为未知状态，t
i_state
=unknow。
[0025]
人在离开过程中的其他情况，如人在第二区域与第一区域来回穿越，其状态会始终保持在最后状态（例如人在第二区域到第一区域，状态变为outgoing，该目标又从第一区域返回到第二区域，其状态不变，还是保持outgoing，因此不会影响其从第一区域进入未知区域（离开）的状态切换）。
[0026]
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明基于毫米波雷达，可对监测区域行人分配唯一航迹id，同时对同一航迹id在相邻帧上的位置及速度方向判断；并设计四种进出状态量切换，以此判断目标进出并统计进出人数，四种状态的切换确保进出人数稳定计数，避免人员在门口逗留出现的重复计数。
[0027]
本文所使用的词语“优选的”意指用作实例、示例或例证。本文描述为“优选的”任意方面或设计不必被解释为比其他方面或设计更有利。相反，词语“优选的”的使用旨在以具体方式提出概念。如本技术中所使用的术语“或”旨在意指包含的“或”而非排除的“或”。即，除非另外指定或从上下文中清楚，“x使用a或b”意指自然包括排列的任意一个。即，如果x使用a；x使用b；或x使用a和b二者，则“x使用a或b”在前述任一示例中得到满足。
[0028]
而且，尽管已经相对于一个或实现方式示出并描述了本公开，但是本领域技术人员基于对本说明书和附图的阅读和理解将会想到等价变型和修改。本公开包括所有这样的修改和变型，并且仅由所附权利要求的范围限制。特别地关于由上述组件(例如元件等)执行的各种功能，用于描述这样的组件的术语旨在对应于执行所述组件的指定功能(例如其在功能上是等价的)的任意组件(除非另外指示)，即使在结构上与执行本文所示的本公开的示范性实现方式中的功能的公开结构不等同。此外，尽管本公开的特定特征已经相对于若干实现方式中的仅一个被公开，但是这种特征可以与如可以对给定或特定应用而言是期望和有利的其他实现方式的一个或其他特征组合。而且，就术语“包括”、“具有”、“含有”或其变形被用在具体实施方式或权利要求中而言，这样的术语旨在以与术语“包含”相似的方式包括。
[0029]
本发明实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以多个或多个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。上述的各装置或系统，可以执行相应方法实施例中的存储方法。
[0030]
综上所述，上述实施例为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、代替、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。