針對(duì)精神疾病患者的高精度定位跟蹤算法

文/陳瀚 謝大航

1 引言

依據(jù)國(guó)家衛(wèi)計(jì)委疾控局統(tǒng)計(jì)的《嚴(yán)重精神障礙信息管理月報(bào)》得出，中國(guó)各類精神疾病患者人數(shù)逐年增高，在一億人以上。由于目前精神疾病患者救治條件有限，在長(zhǎng)期精神疾病治療過(guò)程中，對(duì)住院患者無(wú)法進(jìn)行很好的管理，因此給醫(yī)院帶來(lái)很大的壓力。

對(duì)于傳統(tǒng)精神疾病專科醫(yī)院來(lái)說(shuō)，由于患者的特殊性：無(wú)主觀意識(shí)、認(rèn)知能力差、躁動(dòng)不配合等因素，因此在管理患者時(shí)，需要花費(fèi)大量人力與時(shí)間，每天護(hù)理人員都重復(fù)著繁重的工作與緊張的精神壓力。衛(wèi)健委印發(fā)的《重性精神疾病管理治療工作規(guī)范》中對(duì)精神科患者的管控提出明確意見(jiàn)。因此利用先進(jìn)的信息技術(shù)成果，開(kāi)發(fā)精神病人的跟蹤定位系統(tǒng)顯得十分重要。

目前市場(chǎng)上用于人員跟蹤定位的常用方法有：射頻卡跟蹤定位、Wi-Fi跟蹤定位、藍(lán)牙跟蹤定位等等。然而每一種方法都會(huì)產(chǎn)生誤差。由于病人所處環(huán)境和定位設(shè)備自身性能問(wèn)題，有時(shí)定位誤差相對(duì)較大，難以實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性的定位跟蹤，這無(wú)疑會(huì)產(chǎn)生病人走失的隱患。

本文針對(duì)定位跟蹤誤差較大等問(wèn)題，提出一種基于Kalman濾波的定位跟蹤算法，該算法具有運(yùn)算量小、精度高、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，可用于實(shí)際的定位跟蹤系統(tǒng)。

2 算法原理

假設(shè)，在時(shí)刻k時(shí)，被監(jiān)測(cè)人員的觀測(cè)值為：

其中，s(k)為人與某一特定參考點(diǎn)的距離，n(k)為觀測(cè)誤差，本文假設(shè)這個(gè)觀測(cè)誤差服從零均值高斯分布。設(shè)k時(shí)刻被監(jiān)測(cè)人員運(yùn)動(dòng)的加速度為，速度為v(k)，則：

定義系統(tǒng)的狀態(tài)x(k)為被監(jiān)測(cè)人員的位置和速度，即

于是，便可得到某一方向上被監(jiān)測(cè)人員的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程：

觀測(cè)方程為：

被監(jiān)測(cè)人員的運(yùn)動(dòng)一般不會(huì)保持在某一特定方向，所以現(xiàn)將運(yùn)動(dòng)分解為橫向X和縱向Y，這兩個(gè)方向是互相正交的，則可得到如下的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和觀測(cè)方程，狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程為：

觀測(cè)方程為：

在得到系統(tǒng)的觀測(cè)方程與狀態(tài)方程后，便可依照Kalman濾波的迭代方法得到精確的被監(jiān)測(cè)人員的位置和速度信息，Kalman濾波的具體方法可參照相關(guān)書(shū)籍。

3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

假設(shè)被監(jiān)測(cè)人員在二維水平平面上運(yùn)動(dòng)，初始位置坐標(biāo)為（-100m,200m），x方向速度為0.2m/s，y方向速度為0.5m/s，觀測(cè)噪聲均值為0，方差為,10.按照Kalman濾波方案，可得到圖1和2所示跟蹤軌跡圖和跟蹤誤差圖。由圖可知，使用Kalman濾波后，對(duì)人員的跟蹤精度有了明顯的改善。

圖2：跟蹤誤差圖

4 結(jié)論與展望

本文主要針對(duì)精神疾病住院患者的定位跟蹤問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于Kalman濾波的跟蹤定位算法，該算法改善了跟蹤定位精度，具有良好的實(shí)用前景。下一步工作將用硬件實(shí)現(xiàn)此算法，并應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)當(dāng)中。