阅读说明：本技术 一种三维温度场构建装置、方法和设备 (Three-dimensional temperature field construction device, method and equipment ) 是由 李金恩 黄炜蓥 林炜欣 杨楚涛 滕晓岚 梁淑芬 李晓明 朱麟涛 于 2020-04-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了三维温度场构建装置、方法和设备,所述方法包括：根据所述空间坐标,控制所述信号传输模块驱动所述若干个超声波传感器按顺序循环发送控制信号,并接收由所述信号传输模块输出的反馈信号,得到所述控制信号的发送时间点和所述反馈信号的接收时间点；利用所述发送时间点、所述接收时间点和所述空间坐标结合空间温度分析法,得到空间温度预值；利用所述空间温度预值结合正态分布去噪法,得到空间温度值；利用所述空间温度值结合三维温度场重建法,得到三维温度场模型。本发明通过超声波传感器进行温度检测,保证温度检测连续性,从而保证三维温度场构建的准确性,通过正态分布去噪法,保证温度检测结果的有效性。(The invention discloses a three-dimensional temperature field construction device, a method and equipment, wherein the method comprises the following steps: controlling the signal transmission module to drive the plurality of ultrasonic sensors to circularly transmit control signals in sequence according to the space coordinates, and receiving feedback signals output by the signal transmission module to obtain the transmission time points of the control signals and the receiving time points of the feedback signals; obtaining a space temperature preset value by combining the sending time point, the receiving time point and the space coordinate with a space temperature analysis method; obtaining a space temperature value by combining the space temperature preset value with a normal distribution denoising method; and obtaining a three-dimensional temperature field model by combining the space temperature value with a three-dimensional temperature field reconstruction method. According to the invention, the temperature detection is carried out through the ultrasonic sensor, the temperature detection continuity is ensured, so that the accuracy of the construction of the three-dimensional temperature field is ensured, and the validity of the temperature detection result is ensured through a normal distribution denoising method.)

一种三维温度场构建装置、方法和设备

技术领域

本发明涉及三维温度场构建领域，特别涉及一种三维温度场构建装置、方法和设备。

背景技术

室内温度对空调的各项设置参数具有决定性指导作用，对室内进行温度的分析研究是具有重要意义的，三维温度场是分析温度作用的基础。

现有的三维温度场构建方法为：在空间内设置多个温度传感器，每个传感器检测对应点位的温度，根据多个点位的温度，构建出三维温度场，由于温度传感器是点位检测，无法保证温度检测的连续性，导致无法保证三维温度场的准确性。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种三维温度场构建装置、方法和设备，能够保证三维温度场的准确性和有效性。

本发明解决其技术问题的解决方案是：

第一方面，本发明提供了一种三维温度场构建装置，包括：

若干个超声波传感器，分别设置于固定的空间坐标上，所述若干个超声波传感器用于发送超声波信号、接收超声波信号和产生反馈信号，所述若干个超声波传感器被配置为除发送超声波信号的超声波传感器之外的其他超声波传感器均能接收超声波信号；信号传输模块，与所述若干个超声波传感器分别电性连接，所述信号传输模块用于发送控制信号至所述若干个超声波传感器和接收所述反馈信号；信号处理模块，与所述信号传输模块电性连接，用于根据所述空间坐标，控制所述信号传输模块按顺序循环发送所述控制信号和接收所述反馈信号，得到所述控制信号的发送时间点和所述反馈信号的接收时间点；所述信号处理模块利用所述发送时间点、所述接收时间点和所述空间坐标结合空间温度分析法，得到空间温度预值；所述信号处理模块利用所述空间温度预值结合正态分布去噪法，得到空间温度值；所述信号处理模块利用所述空间温度值结合三维温度场重建法，得到三维温度场模型。

进一步，所述超声波传感器设置于被测空间内，以所述被测空间的中心点为对称点对称设置，相邻的所述超声波传感器之间的距离相同。

第二方面，本发明提供了一种三维温度场构建方法，所述三维温度场构建装置包括：若干个超声波传感器、信号传输模块和信号处理模块，所述若干个超声波传感器和所述信号处理模块分别与所述信号传输模块电性连接，所述若干个超声波传感器分别设置于固定的空间坐标上，所述方法包括：

根据所述空间坐标，控制所述信号传输模块驱动所述若干个超声波传感器按顺序循环发送控制信号，并接收由所述信号传输模块输出的反馈信号，得到所述控制信号的发送时间点和所述反馈信号的接收时间点；利用所述发送时间点、所述接收时间点和所述空间坐标结合空间温度分析法，得到空间温度预值；利用所述空间温度预值结合正态分布去噪法，得到空间温度值；利用所述空间温度值结合三维温度场重建法，得到三维温度场模型。

进一步，所述利用所述发送时间点、所述接收时间点和所述空间坐标结合空间温度分析法，得到空间温度预值，包括：

利用所述空间坐标，得到局部被测区域；利用所述发送时间点、所述接收时间点，得到传输时间；利用所述空间坐标结合空间方程公式，得到声波路径，所述空间方程公式为：

其中，(x1，y1，z1)为一个所述超声波传感器的空间坐标，(x2，y2，z2)为另一个所述超声波传感器的空间坐标，t为任意值；利用所述声波路径和所述传输时间，得到局部温度预值；利用所述局部被测区域和所述局部温度预值，得到空间温度预值。

进一步，所述利用所述声波路径和所述传输时间，得到局部温度预值，包括：

利用所述声波路径和所述传输时间，得到传播速度；利用所述传播速度结合空间传输时间公式，得到空间传输时间，所述空间传输时间公式为：

其中，g_k为传输时间，p_k为任一声波路径，k为穿过三维温度场的有效声波传输时间总数；利用所述空间传输时间结合离散公式，得到离散空间传输时间，所述离散公式为：

其中，m为被测空间划分的立方体网络个数，(x,y,z)为立方体网络的中心点坐标，ε_m为待定系数，为径向基函数：

其中，a为径向基函数的形状参数，被测空间的大小和声波收发器的位置都影响形状参数的选取，

利用所述离散空间传输时间结合重建公式，得到重建矩阵，所述重建公式为：

其中，A为重建矩阵，g＝(g₁,....,g_k)^T，ε＝(ε₁,…,ε_M)；利用所述重建矩阵结合SVD分解公式，得到特征向量，所述SVD分解公式为：

其中，σ₁≥σ₂≥……≥σ_γ≥0是重建矩阵A的γ个非零奇异值，γ是重建矩阵A的秩，U和V分别为正交矩阵A A^T和A^TA的特征向量；利用所述传输时间和所述特征向量结合空间三维温度场公式，得到局部温度预值，所述空间三维温度场公式为：

其中，T(x,y,z)为被测空间三维温度场，f(x,y,z)为声速的倒数，B为气体的声音常数。

进一步，所述利用所述重建矩阵结合SVD分解公式，得到特征向量，包括：

将所述重建矩阵导入MALTAB软件；利用所述MALTAB软件，调用SVD分解函数，得到特征向量，所述SVD分解函数为：

[U，S，V]＝svd(A)，

其中，U和V分别为正交矩阵A A^T和A^TA的特征向量，S为对角矩阵。

进一步，所述利用所述空间温度预值结合正态分布去噪法，得到空间温度值，包括：

利用所述空间温度预值，得到数据集的标准差和数据集的均值；利用所述数据集的标准差和所述数据集的均值结合正态分布去噪法，得到三倍标准差的阈值区域，所述阈值区域为(μ-3σ，μ+3σ)，

其中，μ为数据集的均值，σ为数据集的标准差；根据所述空间温度预值和所述阈值区域，得到空间温度值。

进一步，所述利用所述空间温度值结合三维温度场重建法，得到三维温度场模型，包括：

将所述空间温度值导入MALTAB软件；利用所述MALTAB软件，调用三次样条插值函数，得到插值温度矩阵，所述三次样条插值函数为：

TD＝interp3(x，y，z，T，X，Y，Z，‘方法’)，

其中x，y，z为已知的网格数据，X，Y，Z为由插值点构成的新的网格数据，T为插值前的M的点的温度值数据，返回值TD矩阵为所选插值后网格X，Y，Z点处的温度近似值；根据所述插值温度矩阵，调用三维切片图绘制函数，得到三维温度场模型，所述三维切片图绘制函数为：

slice(X，Y，Z，TD，sx，sy，sz)，

其中，TD是经过三次立方插值后的温度矩阵，sx，sy，sz分是用来确定x，y，z轴向上的切片的向量。

第三方面，本发明提供了一种三维温度场构建设备，

包括至少一个控制处理器和用于与至少一个控制处理器通信连接的存储器；存储器存储有可被至少一个控制处理器执行的指令，指令被至少一个控制处理器执行，以使至少一个控制处理器能够执行如上所述的三维温度场构建方法。

第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令用于使计算机执行如上所述的三维温度场构建方法。

第五方面，本发明还提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，使计算机执行如上所述的三维温度场构建方法。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下有益效果：本发明通过超声波传感器进行温度检测，可以保证温度检测连续性，从而保证三维温度场构建的准确性，通过正态分布去噪法，保证温度检测结果的有效性，从而三维温度场构建的有效性，通过三维温度场重建法，保证三维温度场构建的准确和时效性。

附图说明

下面结合附图和实施例对发明进一步地说明；

图1是本发明第一实施例提供的三维温度场构建装置的结构示意图；

图2是本发明第二实施例提供的三维温度场构建方法的流程图；

图3是本发明第二实施例提供的三维温度场构建方法中步骤S200的具体方法流程图；

图4是本发明第二实施例提供的三维温度场构建方法中步骤S240的具体方法流程图；

图5是本发明第二实施例提供的三维温度场构建方法中步骤S245的具体方法流程图；

图6是本发明第二实施例提供的三维温度场构建方法中步骤S300的具体方法流程图；

图7是本发明第二实施例提供的三维温度场构建方法中步骤S400的具体方法流程图；

图8是本发明第三实施例提供的三维温度场构建设备的结构示意图；

图中标号：

100-三维温度场构建装置、110-超声波传感器、120-信号传输模块、130-信号处理模块、200-三维温度场构建设备、210-控制处理器、220-存储器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互结合，均在本发明的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。

在本发明的第一实施例中，如图1所示，三维温度场构建装置100中，包括但不限于：超声波传感器110、信号传输模块120和信号处理模块130。

其中，若干个超声波传感器110，分别设置于固定的空间坐标上，若干个超声波传感器110用于发送超声波信号、接收超声波信号和产生反馈信号，反馈信号用于反馈超声波传感器110接收信号的情况，若干个超声波传感器110被配置为除发送超声波信号的超声波传感器110之外的其他超声波传感器110均能接收超声波信号；

信号传输模块120，与若干个超声波传感器110分别电性连接，信号传输模块120用于发送控制信号至若干个超声波传感器110和接收反馈信号；

信号处理模块130，与信号传输模块120电性连接，用于根据空间坐标，控制信号传输模块120按顺序循环发送控制信号和接收反馈信号，得到控制信号的发送时间点和反馈信号的接收时间点；信号处理模块130利用发送时间点、接收时间点和空间坐标结合空间温度分析法，得到空间温度预值；信号处理模块130利用空间温度预值结合正态分布去噪法，得到空间温度值；信号处理模块130利用空间温度值结合三维温度场重建法，得到三维温度场模型。

超声波传感器110设置于被测空间内，以被测空间的中心点为对称点对称设置，相邻的超声波传感器110之间的距离相同。

可以理解的是，若干个超声波传感器110设置于对应的空间坐标上，然后按空间坐标的排列，按顺序控制超声传感器110工作，从而得知发送信号的超声波传感器110和接收信号的超声波传感器110的空间坐标，按顺序发送信号还可以保证发送信号的单一性，防止出现检测错误；信号处理模块130记录发送时间点和接收时间点，信号处理模块130利用发送时间点、接收时间点和空间坐标结合空间温度分析法，得到空间温度预值；对空间温度预值去噪，得到空间温度值，保证温度数据的有效性，从而三维温度场构建的有效性；信号处理模块130利用空间温度值结合三维温度场重建法，得到三维温度场模型，保证三维温度场构建的准确和时效性。

在本发明的第二实施例中，如图2所示，一种三维温度场构建方法，应用于三维温度场构建装置100，三维温度场构建装置100包括：若干个超声波传感器110、信号传输模块120和信号处理模块130，若干个超声波传感器110和信号处理模块130分别与信号传输模块120电性连接，若干个超声波传感器110分别设置于固定的空间坐标上，三维温度场构建方法包括：

S100、根据空间坐标，控制信号传输模块120驱动若干个超声波传感器110按顺序循环发送控制信号，并接收由信号传输模块120输出的反馈信号，得到控制信号的发送时间点和反馈信号的接收时间点；

S200、利用发送时间点、接收时间点和空间坐标结合空间温度分析法，得到空间温度预值；

S300、利用空间温度预值结合正态分布去噪法，得到空间温度值；

S400、利用空间温度值结合三维温度场重建法，得到三维温度场模型。

可以理解的是，本实施例提供的技术方案，若干个超声波传感器110设置于对应的空间坐标上，然后按空间坐标的排列，按顺序控制超声传感器110工作，从而得知发送信号的超声波传感器110和接收信号的超声波传感器110的空间坐标，按顺序发送信号还可以保证发送信号的单一性，防止出现检测错误；记录发送时间点和接收时间点，利用发送时间点、接收时间点和空间坐标结合空间温度分析法，得到空间温度预值；对空间温度预值去噪，得到空间温度值，保证温度数据的有效性，从而三维温度场构建的有效性；利用空间温度值结合三维温度场重建法，得到三维温度场模型，保证三维温度场构建的准确和时效性。

如图3所示，步骤S200包括：

S210、利用空间坐标，得到局部被测区域；

S220、利用发送时间点、接收时间点，得到传输时间；

S230、利用空间坐标结合空间方程公式，得到声波路径，空间方程公式为：

其中，(x1，y1，z1)为一个超声波传感器110的空间坐标，(x2，y2，z2)为另一个超声波传感器110的空间坐标，t为任意值；

S240、利用声波路径和传输时间，得到局部温度预值；

S250、利用局部被测区域和局部温度预值，得到空间温度预值。

可以理解的是，根据空间坐标，可以得到发送信号的超声波传感器110的位置，从而得到对应的局部被测区域，局部被测区域为单个超声波传感器110的检测区域，通过声波路径和传输时间得到局部温度预值，利用所有的局部被测区域和局部温度预值，得到空间温度预值，保证三维温度场构建的有效性。

在具体实践中，采用分时法，按顺序控制超声波传感器110发送信号，任一超声波传感器110发送信号后，记录发送时间点，其余的超声波传感器110接收到信号后，记录对应的接收时间点，从而得到传输时间；进一步利用空间方程公式，根据空间坐标，得到声波路径；进一步得到局部温度预值，从而得到空间温度预值。

如图4所示，步骤S240包括：

S241、利用声波路径和传输时间，得到传播速度；

S242、利用传播速度结合空间传输时间公式，得到空间传输时间，空间传输时间公式为：

其中，g_k为传输时间，p_k为任一声波路径，k为穿过三维温度场的有效声波传输时间总数；

S243、利用空间传输时间结合离散公式，得到离散空间传输时间，离散公式为：

其中，m为被测空间划分的立方体网络个数，(x,y,z)为立方体网络的中心点坐标，ε_m为待定系数，为径向基函数：

其中，a为径向基函数的形状参数，被测空间的大小和声波收发器的位置都影响形状参数的选取，

S244、利用离散空间传输时间结合重建公式，得到重建矩阵，重建公式为：

其中，A为重建矩阵，g＝(g₁,….,g_k)^T，ε＝(ε₁,…,ε_M)；

S245、利用重建矩阵结合SVD分解公式，得到特征向量，SVD分解公式为：

其中，σ₁≥σ₂≥……≥σ_γ≥0是重建矩阵A的γ个非零奇异值，γ是重建矩阵A的秩，U和V分别为正交矩阵A A^T和A^TA的特征向量；

S246、利用传输时间和特征向量结合空间三维温度场公式，得到局部温度预值，空间三维温度场公式为：

其中，T(x,y,z)为被测空间三维温度场，f(x,y,z)为声速的倒数，B为气体的声音常数。

可以理解的是，利用相应的公式，对声波路径和传输时间进行运算，得到局部温度预值，保证三维温度场构建的有效性。

如图5所示，步骤S245包括：

S510、将重建矩阵导入MALTAB软件；

S520、利用MALTAB软件，调用SVD分解函数，得到特征向量，SVD分解函数：

[U，S，V]＝svd(A)，

其中，U和V分别为正交矩阵A A^T和A^TA的特征向量，S为对角矩阵。

可以理解的是，利用MATLAB进行SVD分解，保证数据处理的时效性，从而保证三维温度场构建的时效性。

如图6所示，步骤S300包括：

S310、利用空间温度预值，得到数据集的标准差和数据集的均值；

S320、利用数据集的标准差和数据集的均值结合正态分布去噪法，得到三倍标准差的阈值区域，阈值区域为(μ-3σ，μ+3σ)，

其中，μ为数据集的均值，σ为数据集的标准差；

S330、根据空间温度预值和阈值区域，得到空间温度值。

可以理解的是，利用正态分布3σ原则进行去噪处理，正态分布也叫常态分布，是连续随机变量概率分布的一种，自然界、人类社会、心理、教育中大量现象均按正态分布，如能力的高低、学生成绩的好坏都属于正态分布，我们可以把数据集的质量分布立杰成一个正态分布。它会随着随机变量的平均数、标准差与单位不同而有不同的分布形态。正态分布可以表示成一种概率密度函数。公式如下：

其中，σ可以表示成数据集的标准差，μ代表数据集的均值，x代表数据集的数据。相对于正常数据，噪声数据可以理解为小概率数据。

正态分布具有这样的特点：x落在(μ-3σ，μ+3σ)以外的概率小于千分之三。根据这一特点，我们可以通过计算数据集的标准差，把三倍于数据集的标准差的点设想为噪声数据排除。

如图7所示，步骤S400包括：

S410、将空间温度值导入MALTAB软件；

S420、利用MALTAB软件，调用三次样条插值函数，得到插值温度矩阵，三次样条插值函数为：

TD＝interp3(x，y，z，T，X，Y，Z，‘方法’)，

其中x，y，z为已知的网格数据，X，Y，Z为由插值点构成的新的网格数据，T为插值前的M的点的温度值数据，返回值TD矩阵为所选插值后网格X，Y，Z点处的温度近似值；

S430、根据插值温度矩阵，调用三维切片图绘制函数，得到三维温度场模型，三维切片图绘制函数为：

slice(X，Y，Z，TD，sx，sy，sz)，

其中，TD是经过三次立方插值后的温度矩阵，sx，sy，sz分是用来确定x，y，z轴向上的切片的向量。

可以理解的是，利用MATLAB对空间温度值进行处理，可以有效的得到三维温度场，从而保证三维温度场构建的有效性和时效性。

在本发明的第三实施例中，如图8所示，三维温度场构建设备200，该三维温度场构建设备200可以是任意类型的智能终端，例如手机、平板电脑、个人计算机等。

具体地，该三维温度场构建设备200包括：一个或多个控制处理器210和存储器220，图8中以一个控制处理器210为例。

控制处理器210和存储器220可以通过总线或者其他方式连接，图8中以通过总线连接为例。

存储器220作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态性计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的三维温度场构建方法对应的程序指令/模块，例如，图1所示的超声波传感器110、信号传输模块120和信号处理模块130。控制处理器210通过运行存储在存储器220中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行三维温度场构建装置100的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例的三维温度场构建方法。

存储器220可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据三维温度场构建装置100的使用所创建的数据等。此外，存储器220可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施方式中，存储器220可选包括相对于控制处理器210远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该三维温度场构建设备200。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

一个或者多个模块存储在存储器220中，当被一个或者多个控制处理器210执行时，执行上述方法实施例中的三维温度场构建方法，例如，执行以上描述的图2中的方法步骤S100至S400，图3中的方法步骤S210至S250，图4中的方法步骤S241至S246，图5中的方法步骤S510至S520，图6中的方法步骤S310至S330，图7中的方法步骤S410至S430，实现图1的模块110至130的功能。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个控制处理器210执行，例如，被图8中的一个控制处理器210执行，可使得上述一个或多个控制处理器210执行上述方法实施例中的三维温度场构建方法，例如，执行以上描述的图2中的方法步骤S100至S400，图3中的方法步骤S210至S250，图4中的方法步骤S241至S246，图5中的方法步骤S510至S520，图6中的方法步骤S310至S330，图7中的方法步骤S410至S430，实现图1的模块110至130的功能。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

通过以上的实施方式的描述，本领域技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加通用硬件平台的方式来实现。本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述方法的实施例的流程。其中，的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(ReadOnly Memory,ROM)或随机存储记忆体(RandomAcceSS Memory,RAM)等。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。