广东TCL智能暖通设备有限公司
摘要：雷达在空调上的节能应用在设定时间内，雷达区内如无人，则关闭空调，既节能，又可以避免意外的火灾等现象；本文通过对人体运动学模型的研究，利用人体运动的数学模型与雷达定位的相对关系推算人体行走等的雷达回波，深入研究人体躯干和肢体活动对电磁波的调制作用，雷达节能控制，也是楼宇智能化和物业管理现代化的首选产品。
关键词：中央空调；雷达检测；传感器
Energy saving application of radar control in air conditioner
HUANG Zhonglin NIE Pengfei WEN Dexian
（Guangdong TCL intelligent HVAC Equipment Co.，Ltd）
Abstract：The energy-saving application of radar in air-conditioning is within the set time.If there is no one in the radar area，the air-conditioning will be turned off，which can not only save energy，but also avoid unexpected fire and other phenomena.In this paper，through the study of human kinematics model，the radar echo of human walking can be calculated by using the relative relationship between the mathematical model of human motion and radar positioning，It is also the first choice for intelligent buildings and modern property management to study the modulation of human trunk and limb activities on electromagnetic waves and to control radar energy conservation.
Key words：Central air-conditioning；Radar detection；Sensor
引 言
本文也是属节能和安全方面应用领域。雷达节能控制在空调器上的应用研究是本人受楼梯走道雷达节能控制灯方案所启发，想通过雷达探测，对空调进行关机和调温控制，实现节能与安全的目的。论文以空调机雷达节能控制为研究对象，主要研究了雷达检测人体活动回波特征，计算人体各部位的活动回波，从而控制空调开关机。
1 雷达节能控制在空调器上应用的研究意义
2000年后，全球空调发展主要从环保安全、应用节能、智能控制三方面大力推广[1]。如出口欧洲方面的空调产品必须符合ROHS要求；节能等级不符合国家要求的，不允许出售；智能控制方面，各空调厂家更是投入了人力物力：网络集中控制和手机控制等[2]。
但在实际应用中，国家有关能源审计部门经调查和统计相关数据，分析结果显示，非常多的国家办公大楼，国家企业办公所或私人企业的办公室，常常出现了“忘记了关空调”或对“空调器的室内设定温度设置过低或过高”等情况。这类现象不但使空调机运行能耗非常高，特别是中央空调，中央空调的功率很大，有的有500匹以上，而且会缩短空调机本身的机械寿命和室内环境冷热舒适性。因此，空调市场客观需要设计一种能够自动感应人体相关活动而控制空调的控制器[3]。
空调器雷达的智能控制得于楼房雷达检测节能灯控制的启发，结合的节能管理理念和技术的研究，可以实现更有效的应用性节能。同时，近几年有关新闻报道，部分群众有急事而出门时忘记关空调，由于电线老化等原因导致了楼房起火等安全事故，所以，雷达的智能控制开关机，还可以预防意外的安全事故的发生[4]。本项目主要面向商业用途的办公场所。商用的办公场所，使用电量非常大，且相应的资产值非常高，保护广大人民群众的人身安全和财产安全，意义非常重大。雷达控制不但能够节能和保护人们生命和财产安全，还能够为厂家创造经济效益，这点非常重要。因为有了经济利益的驱动，各厂家会全力推广，客观地使雷达控制技术得以全面应用，最终达到节能与安全的目的。
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图1 TCL雷达节能控制空调
2 人体运动建模与雷达回波分析
在人体运动模型的建模方面，前人已经做了大量的工作，其中比较有代表性的是Hananvan E.P.于1964 年发表的通过铰链连接的人体数学模型，他把人体简化为简单几何形状的均匀刚体，由此来推断人体环节质量的回归方程。人体的每种运动形态都是由一系列有规律的动作所组成的。运动学分析主要是对动作的时间和空间规律进行分析，其研究的主要内容是运动的轨迹、速度（或者角速度）以及加速度（或者角加速度）。运动分析过程，就是建立机构运动的数学模型并求解的过程。要对人体的运动进行分析，应将人体物化并转化为适当的数学模型，这样才能够科学地对人体进行运动学分析
人体行走的雷达回波研究始于90年代末，起初主要是基于实测数据，并未与人体运动建模相结合。直到最近几年，van Dorp P.和Groen F.C.A.等人在基于Thalmann模型的基础上试图更为精细地刻画人体行走对电磁波的调制，但是Thalmann模型存在局限性，很难通过Thalmann模型作更为深入的研究[5]。此后一些研究人员也运用与Thalmann模型类似的或是改进后的人体运动模型进行研究，例如RamS.S.和 Ling Hao较为精确地仿真了人体运动微多普勒特征[6]，但同样存在一定的局限性，在雷达特征研究方面很难做进一步的分析。因此，建立更为真实的简便的人体运动学模型可为人体目标雷达回波分析提供有力的支持。
在虚拟人技术研究和类人型机器人研究的启发下，将人体简化为简单几何形状的均匀刚体，结合典型的人体运动学研究结果，提出适用于人体微动雷达特征研究的运动模型，推衍了基于该模型的人体行走状态下雷达回波的解析表达式，并分析人体运动的微多普勒特征[7]。图 2-1（a）所示为人体结构的机械化过程，通过对人体解剖分析表明，构成人体架构的大部分骨骼可以看成是刚体，骨骼构成了人体赖以运动的架构，图 2-1（b）所示为现阶段人体雷达特征研究中广泛使用的Thalmann模型
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（a）人体结构的机械化
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（b）Thalmann模型
图 2人体运动建模
2.1 人体行走运动建模
人体模型及运动学研究是虚拟人技术、人机工程设计和类人型机器人等研究领域的重要组成部分，由于人体关节具有200个以上的自由度，若要真实而完整的表现人体的运动特征十分困难，因此在相关研究中已有的人体模型越来越复杂，很难应用于人体的雷达特征研究中。本文主要针对人体步态运动特征展开研究，因此在保留人体步态运动规律的基础上简化人体模型结构，建立适用于雷达特征研究的人体运动模型。本文的研究基础—基于虚拟人的人体线结构模型由简单几何形状介质均匀的刚体构成，其中人体四肢为线结构，头为介质均匀的球体，躯干为线结构并连接上下肢。人体手臂和腿的前后摆动是激励微多普勒特征的主要激励源，因此主要考虑人体相对雷达径向的前后向运动规律。本文只研究人体模型前后向运动的10个关节自由度，如图2-2所示，其中，{O；，i=1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}为人体各肢体的前向关节，{x；，i=1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}为人体各关节自由度的旋转轴，该模型的身高及各肢体数据均设置为作者实际数据。表2-1表示人体前后向各关节自由度的定义，表2-2所示为人体各肢体的参数定义及尺寸大小。
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图 3人体运动模型
表 1人体各关节自由度定义
2.2 人体行走雷达回波建模
人体运微动准确的雷达回波计算十分困难，一方面由于组成人体的材质比较特殊，简单来说，人体可以看作是一个具有电阻、电容的装满生理盐水的大容器，人体70%以上是水；另一方面人体结构和微动形式十分复杂，特别是当人体运动时肌肉的收缩会使各肢体形状和密度发生变化，也给雷达回波的精确计算带来很大困难。根据现有的资料，由人体行走运动的数学模型计算雷达回波在国外已有涉及，比较有代表性的是 van Dorp P.和Groen F.C.A.等人在基于Thalmann模型的基础上计算了人体行走的雷达回波，Thalmann模型由规则的圆柱体或椭圆体来组成人体各肢体，认为人体介质均匀，因此研究人员通过圆柱体或椭圆体的计算RCS的标准公式以及将人体运动学的规律相结合，计算Thalmann模型的雷达回波[8]。
3结论
经过多次测量实验，整个系统设计调试完成后，采集了大量的人体运动雷达回波数据，对其进行后期处理得到微多普勒特征，躯干、肩宽、大臂、小臂、髋宽、大腿、小腿、脚掌、总身高回波精确度提高了52％，实验结果证明系统达到了预期设计要求，对于智能控制提供了很大的技术支持，具有很大的市场推广作用。
但同时也存在着以下几个方面的不足：
（1）系统前端的数据预处理模块通用性不是很强。整个系统的设计基于人体微动的多普勒回波数据采集，在对雷达多普勒回波的缓冲、滤波中，该系统都是采用固定的芯片，而且芯片的滤波范围是不可调的。这样虽然有利于系统的稳定性，但当把该系统应用于其它多种目标，特别是对高速目标的多普勒回波数据采集的时候，暴露出了弊端。
（2）数据传输方案的设计采取的是现在比较成熟的USB接口传输和以太网接口传输的设计。目前的调试对人体微动的测量，在传输数率上已经达到要求，甚至可以说还有很大的冗余空间。但就这两个接口本身的传输数率而言，还没有达到理想的调试结果。比如说USB接口，它的理想的传输数率是60MB/S，虽然说这是个理想速度，用户开发基本上不可能达到；但目前市场上开发出来的最快速度也有达到30M/S，而本设计的数率尚只有1M/S，所以说上升空间还是很大的。
（3）系统操作流程方面的设计还有待进一步的优化。测量系统中雷达发射机、雷达接收机、雷达回波数据采集板的工作运行都是要人手动去操作。特别在人手不够的情况下，这给做实验带来一定的困难。
针对上面的几点不足，结合国内外在该领域的研究现状，提出以下展望：
（1）关于系统设计的可扩展性问题，可以在已有的研究基础上，对系统的各个模块在做出小范围内的设计更改。比如说可以选用滤波范围可调的滤波芯片来代替现有的滤波芯片；也可以对滤波模块的电路进行扩展，通过外围电路的设计来达到我们滤波范围可调的目的。而关于传输数率提高的问题，这个外面市场上可借用的成功实例很多，设计上不是个难点，只是个优化工程实现的过程。这两者的结合，可以把系统升级为一个对人体、车辆、飞机甚至子弹等地面、空中目标多普勒回波的数据采集系统，并且数据采集频率、滤波范围都是可调的。
（2）本系统的设计主要是基于人体步态特征的测量，并且测量和采集存储数据的处理是“非实时的”。在今后的工作中把对雷达接收发射机、雷达数据采集板的控制和后端的数据处理集成到用户操作界面，开发出一套“便携式”的人体微动探测与识别系统，具备多种探测能力，并尽可能“实时”的存储和处理雷达回波数据，成为实时监控、战场勘测等不同应用领域研究的理论验证基础。
参考文献：
[1]暖通空调节能减排优化设计[J].程高举.工程建设与设计.2017（12）大功率电源测试系统设计与实现[J].胡文婷.电子世界.2018（09）
[2]浅谈中央空调节能与应用[J].杨慧平.绿色环保建材.2018（03）
[3]电气自动化系统空调节能优化措施探讨[J].于明.门窗.2019（12）
[4]现用暖通空调节能设计措施探讨[J].胡亮.电子制作.2017（07）
[5]探地雷达多剖面联合解释方法及应用[J].郭士礼，邓健，李伟伟，张学强.地球物理学进展.2019（05）
[6]地质雷达在公路质量检测领域中的应用研究[J].高伟杰.交通世界.2018（22）
[7]基于学习记忆的雷达目标跟踪优化方法研究[J].罗剑雄.电子世界.2019（23）
[8]雷达天线稳定平台轴倾补偿研究[J].朱鸿健，周志峰，俞竹青.机械科学与技术.2019（06）