CN104265093A - 电子脚铐及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子脚铐，包括用于佩戴在被监控用户身上的条状绑缚带，绑缚带的端部设有锁紧装置，绑缚带的尾部穿过锁紧装置并固定形成铐环，绑缚带内嵌有环绕设置的用于监测绑缚带是否断开的柔性导电线缆，锁紧装置上设有用于将电子脚铐佩戴者的定位信息发送至警用服务器的监控装置；还公开了一种电子脚铐的使用方法，对电子脚铐佩带者实现远程定位监控，如果离开警方的可控范围，立即发出报警信息；电子脚铐可以完成对佩戴者室内室外无盲区的定位功能，监控范围更广；当电子脚铐佩带者人为的将电子脚铐破坏，或者当电子脚铐电量过低时，也会发出报警信息；电子脚铐结构简单轻巧，解决了现有公安系统对被监控人员无法远程跟踪定位的问题。

Description

电子脚铐及其使用方法

技术领域

本发明属于跟踪定位技术领域，具体涉及电子脚铐及其使用方法。

背景技术

在部队和公安部门执行监外执行、假释等任务中，目前除了手铐，脚铐和警绳外，尚无更好的警械可供使用，以至于使公安部门在执行相关任务中遇到相当严重的困难和问题。因此研制一种对被监控人员进行区域性实时监测和控制的系统是非常必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种电子脚铐及其使用方法，以解决现有公安系统对被监控人员无法远程跟踪定位的问题。

本发明所采用的第一种技术方案是，电子脚铐，包括用于佩戴在被监控用户身上的条状绑缚带，绑缚带的端部设有锁紧装置，绑缚带的尾部穿过锁紧装置并固定形成铐环，绑缚带内嵌有环绕设置的用于监测绑缚带是否断开的柔性导电线缆，锁紧装置上设置有用于将电子脚铐佩戴者的定位信息发送至警用服务器的监控装置。

第一种技术方案的特点还在于，

监控装置包括处理器模块，处理器模块还分别连接有定位模块、无线通讯模块、断裂感应模块和电源模块；

定位模块用于获取电子脚铐佩戴者的位置信息和姿态信息，并将位置信息和姿态信息发送至处理器模块；处理器模块用于接收定位模块发送的位置信息和姿态信息，并根据位置信息和姿态信息得到定位信息；断裂感应模块用于获取绑缚带内柔性导电线缆是否被破坏的断裂信息，并将断裂信息发送至理器模块；电源模块用于为处理器模块提供电量，并将电量信息发送至处理器模块；无线通讯模块用于将处理器模块获取的定位信息、断裂信息和电量信息发送至警用服务器。

定位模块包括分别与处理器模块连接的传感器定位装置和卫星导航定位装置，传感器定位装置用于采集目标在非收星状态下的姿态信息，卫星导航定位装置用于采集目标在收星状态下的位置信息。

传感器定位装置包括分别与处理器模块连接的陀螺仪、加速度计、电子罗盘和气压计；其中，陀螺仪用于获取电子脚铐佩戴者转动的角速度，通过角速度得到其转动的角度；加速度计用于获取电子脚铐佩戴者在运动过程中的加速度，通过该加速度得到其移动距离；电子罗盘用于获取电子脚铐佩戴者的真实地磁值，通过地磁值得到其方向角；气压计用于获取电子脚铐佩戴者的气压和温度，通过气压和温度得到其绝对高程值。

本发明所采用的第二种技术方案是，电子脚铐的使用方法，在警用服务器上设置电子脚铐佩戴者的允许活动区域，将由电子脚铐获取的电子脚铐佩戴者的定位信息发送至警用服务器，

若警用服务器检测到电子脚铐佩戴者不处于上述设定的允许活动区域内，则警用服务器立即发出报警信号；若警用服务器检测到电子脚铐佩戴者位于允许活动区域内，则警用服务器不发出报警信号。

第二种技术方案的特点还在于，

当电子脚铐佩戴者处于正常收星定位状态时，电子脚铐通过其内部设置的卫星导航定位装置来获取电子脚铐佩戴者的位置信息，位置信息经处理器模块处理后，得到电子脚铐佩戴者的室外定位信息。

当电子脚铐佩戴者处于非正常收星定位状态时，电子脚铐通过其内部设置的传感器定位装置来获取电子脚铐佩戴者的姿态信息，姿态信息经处理器模块处理后，得到电子脚铐佩戴者的室内定位信息。

姿态信息包括电子脚铐佩戴者的角速度、运动距离和运动速度、方位角和距离水平面的高度；其中，由陀螺仪获取电子脚铐佩戴者的角速度，由加速度计获取电子脚铐佩戴者的运动距离和运动速度，由电子罗盘获取电子脚铐佩戴者的方位角，由气压计获取电子脚铐佩戴者距离水平面的高度。

电子脚铐的绑缚带及其内设置的柔性导电线缆发生断裂时，电子脚铐内的断裂感应模块便获取到柔性导电线缆被破坏的已断裂信息，并将已断裂信息通过处理器模块和无线通讯模块发送至警用服务器。

当电子脚铐的电量低于预设值时，电子脚铐内的电源模块将其获取到的低电量信息通过处理器模块和无线通讯模块发送至警用服务器。

本发明的有益效果是，1.对电子脚铐佩带者实现远程定位监控，如果离开警方的可控范围，立即发出报警信息；2.电子脚铐可以完成对佩戴者室内室外无盲区的定位功能，监控范围更广；3.当电子脚铐佩带者人为的将电子脚铐破坏，电子脚铐也会立即发出报警信息；4.当电子脚铐电量过低时，也会发出报警提示信息更换电源；5.电子脚铐结构简单轻巧，使用方便。

附图说明

图1是本发明电子脚铐的外形结构示意图；

图2是本发明电子脚铐的监控装置的模块连接图；

图3是本发明电子脚铐中加速度计获得的加速度曲线图。

图中，1.绑缚带，2.锁紧装置，3.处理器模块，4.无线通讯模块，5.断裂感应模块，6.电源模块，7.传感器定位装置，71.陀螺仪，72.加速度计，73.电子罗盘，74.气压计，8.卫星导航定位装置，9.警用服务器，10.柔性导电线缆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种电子脚铐，参见结构图1，包括用于佩戴在被监控用户身上的条状绑缚带1，绑缚带1的端部设有锁紧装置2，绑缚带1的尾部穿过锁紧装置2并固定形成铐环，绑缚带1内嵌有环绕设置的用于监测绑缚带是否断开的柔性导电线缆10，锁紧装置2上设置有用于将电子脚铐佩戴者的定位信息发送至警用服务器9的监控装置。

参见图2，监控装置包括处理器模块3，处理器模块3还分别连接有定位模块、无线通讯模块4、断裂感应模块5和电源模块6；

其中，定位模块用于获取电子脚铐佩戴者的位置信息和姿态信息，并将位置信息和姿态信息发送至处理器模块3；处理器模块3用于接收定位模块发送的位置信息和姿态信息，并根据位置信息和姿态信息得到定位信息；断裂感应模块5用于获取绑缚带内柔性导电线缆10是否被破坏的断裂信息，并将断裂信息发送至理器模块3；电源模块6用于为处理器模块3提供电量，并将电量信息发送至处理器模块3；无线通讯模块4用于将处理器模块3获取的定位信息、断裂信息和电量信息发送至警用服务器9。

定位模块包括分别与处理器模块3连接的传感器定位装置7和卫星导航定位装置8，传感器定位装置7用于采集目标在非收星状态下的姿态信息，卫星导航定位装置8用于采集目标在收星状态下的位置信息。

传感器定位装置7包括分别与处理器模块3连接的陀螺仪71、加速度计72、电子罗盘73和气压计74；

其中，陀螺仪71用于获取电子脚铐佩戴者转动的角速度，通过角速度得到其转动的角度；加速度计72用于获取电子脚铐佩戴者在运动过程中的加速度，通过该加速度得到其移动距离；电子罗盘73用于获取电子脚铐佩戴者的真实地磁值，通过地磁值得到其方向角；气压计74用于获取电子脚铐佩戴者的气压和温度，通过气压和温度得到其绝对高程值。

本发明还提供了一种电子脚铐的使用方法，首先在警用服务器9上设置电子脚铐佩戴者的允许活动区域，再将由电子脚铐获取的电子脚铐佩戴者的定位信息发送至警用服务器9，若警用服务器9检测到电子脚铐佩戴者不处于上述设定的允许活动区域内，则警用服务器9立即发出报警信号；若警用服务器9检测到电子脚铐佩戴者位于允许活动区域内，则警用服务器9不发出报警信号。

具体按照以下步骤实施：

步骤1、在警用服务器9上设置电子脚铐佩戴者的允许活动区域；

步骤2、当电子脚铐佩戴者处于正常收星定位状态时，电子脚铐通过其内部设置的卫星导航定位装置8来获取电子脚铐佩戴者的位置信息，位置信息经处理器模块3处理后，得到电子脚铐佩戴者的室外定位信息；

步骤3、当电子脚铐佩戴者处于非正常收星定位状态时，电子脚铐通过其内部设置的传感器定位装置7来获取电子脚铐佩戴者的姿态信息，姿态信息经处理器模块3处理后，得到电子脚铐佩戴者的室内定位信息；

姿态信息包括电子脚铐佩戴者的角速度、运动距离和运动速度、方位角和距离水平面的高度；

其中，由陀螺仪71获取电子脚铐佩戴者的角速度，由加速度计72获取电子脚铐佩戴者的运动距离和运动速度，由电子罗盘73获取电子脚铐佩戴者的方位角，由气压计74获取电子脚铐佩戴者距离水平面的高度；

以上获取角速度、运动距离和运动速度、方位角和距离水平面高度的具体计算方法如下：

步骤3.1、陀螺仪71采集电子脚铐佩戴者转动的角速度，根据角速度与时间的积分，得到电子脚铐佩戴者转动的角速度。

步骤3.2、将电子脚铐固定于电子脚铐佩戴者身上，电子脚铐佩戴者处于跑步状态，通过加速度计72采集到该电子脚铐佩戴者在x轴、y轴和z轴三个方向上的加速度，(见图3)。无论如何固定电子脚铐，总有至少一个轴的方向上具有相对较大的周期性加速度变化，当加速度计72测得的垂直方向的加速度超过另外两个重力加速度时，认为电子脚铐佩戴者行进了一步。检测该方向的峰值并针对三个轴上的加速度进行动态阈值决策算法，用以检测电子脚铐佩戴者的每步距离和跑步周期。

加速度计72采集运动过程中的加速度，电子脚铐佩戴者每行进一步，将其步数记录一步。人类每步步长平均0.6～0.7米，根据距离公式：距离＝步数×每步距离，计算得到距离参数。

电子脚铐佩戴者的每步距离取决于电子脚铐佩戴者的速度和身高，如果电子脚铐佩戴者身材较高或以较快速度跑步，步长就会较长，则设置每2秒更新一次距离、速度参数。因此，我们使用每2秒计数到的步数判断当前跨步长度。下表显示了用于判断当前跨步长度的实验数据。

以下就是跨步长度与速度(每2秒步数)和身高的关系：

每2秒步数	跨步(m/s)
		0～2	身高/5
2～3	身高/4
		3～4	身高/3
4～5	身高/2
		5～6	身高/1.2
6～8	身高
		>＝8	1.2×身高

加速度计72采用MEMS惯性传感器，可以更准确地检测步伐，误检率更低，MEMS惯性传感器具有低成本、小尺寸和低功耗的特点，ADI公司的三轴加速度计ADXL345小巧纤薄，功耗极低，非常适合应用于电子脚铐中。

步骤3.3、设电子罗盘73采集得到电子脚铐佩戴者在直角平面坐标系下，三轴地磁观测量数据为(X1,Y1,Z1),(X2,Y2,Z2),…,(Xn,Yn,Zn)，地磁的真实数据为(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),…,(xn,yn,zn)。

由于地磁易受外部磁场干扰，且存在零飘与零偏，故使用一段时间需要重新标定。使用最小二乘算法可以较好地解决该问题。

由于地磁通过三个轴的磁通总量在一个较长的时期内是一个定值，我们设这个值为G。则有关系式：

x^2+y^2+z^2＝G^2   (1)

式中x、y、z为地磁真实值。

因为三轴地磁观测量与地磁真实值存在线性关系，则有：

x＝aX+b  (2)

y＝cY+d   (3)

z＝eZ+f   (4)

式中x、y、z为地磁真实值，X、Y、Z为三轴地磁观测量。将式2、式3、式4代入式1，得到：

(aX+b)^2+(cY+d)^2+(eZ+f)^2＝G^2

化简整理得：

a^2*X^2+c^2*Y^2+e^2*Z^2+2abX+2cdY+2efZ+b^2+d^2+f^2–G^2

＝0   (5)

式5即为我们需要的地磁方程式，a、b、c、d、e、f为待定系数，为计算简单，令：A＝a^2

B＝c^2

C＝e^2

D＝2ab

E＝2cd

F＝2ef

G＝b^2+d^2+f^2–G^2

将其代入式5得：

A*X^2+B*Y^2+C*Z^2+D*X+E*Y+F*Z+G＝0   (6)

使用最小二乘法估计系数A、B、C、D、E、F、G。

deltaI＝A*X^2+B*Y^2+C*Z^2+D*X+E*Y+F*Z+G   (7)

有方程组：

dA＝2*X^2*(A*X^2+D*X+B*Y^2+E*Y+C*Z^2+F*Z+G)＝0

dB＝2*Y^2*(A*X^2+D*X+B*Y^2+E*Y+C*Z^2+F*Z+G)＝0

dC＝2*Z^2*(A*X^2+D*X+B*Y^2+E*Y+C*Z^2+F*Z+G)＝0

dD＝2*X*(A*X^2+D*X+B*Y^2+E*Y+C*Z^2+F*Z+G)＝0

dE＝2*Y*(A*X^2+D*X+B*Y^2+E*Y+C*Z^2+F*Z+G)＝0

dF＝2*Z*(A*X^2+D*X+B*Y^2+E*Y+C*Z^2+F*Z+G)＝0

dG＝2*(A*X^2+D*X+B*Y^2+E*Y+C*Z^2+F*Z+G)＝0

通过牛顿迭代法解上述二元七次方程组，得到A、B、C、D、E、F、G，再解出a、b、c、d、e、f、g。

将三轴地磁观测量代入x＝aX+b   (2)

y＝cY+d   (3)

z＝eZ+f   (4)

即得到地磁真实值，再通过x、y轴的磁通得到电子脚铐佩戴者的方向角，即：Dir＝arctan(x,y)。

步骤3.4、以城市为中心建立一个局域坐标系，在确定局域坐标系之后，各地面基站的三维坐标均为已知。电子脚铐佩戴者通过接收终端中的气压测高芯片MS5611测量得到自己所在处的气象信息后，通过移动网络获取附近的标准气压参考站的气象信息和高程信息，比对MS5611芯片采样的气压和温度值进行解算，即可得到电子脚铐佩戴者距离水平面的高度。

步骤4、将步骤2和步骤3中分别获取的电子脚铐佩戴者室外和室内定位信息发送至警用服务器9，

若警用服务器9检测到电子脚铐佩戴者不处于上述步骤1中设定的允许活动区域内，则警用服务器9立即发出报警信号；若警用服务器9检测到电子脚铐佩戴者位于步骤1中设定的允许活动区域内，则警用服务器9不发出报警信号；

步骤5、当电子脚铐的绑缚带1及其内设置的柔性导电线缆10发生断裂时，电子脚铐内的断裂感应模块5便获取到柔性导电线缆10被破坏的已断裂信息，并将已断裂信息通过处理器模块3和无线通讯模块4发送至警用服务器9；

电子脚铐的绑缚带1环绕在佩戴人员的脚踝上，并通过固定螺钉或者铆钉穿过扣紧，佩戴者一般不会轻易拆开绑缚带1，除非采用暴力手段将其拆除，当电子脚铐佩戴者拆卸脚铐时会产生非常大的加速度，当加速度计72采集的任意轴加速度超过阈值，则认为电子脚铐佩戴者正在实施非法拆卸，电子脚铐会通过无线通讯模块4将报警信息传到警用服务器9。

步骤6、当电子脚铐的电量低于预设值时，电子脚铐内的电源模块6将其获取到的低电量信息通过处理器模块3和无线通讯模块4发送至警用服务器9。

本发明的电子脚铐对电子脚铐佩带者实现远程定位监控，如果离开警方的可控范围，立即发出报警信息；电子脚铐同时可以完成对佩戴者室内室外无盲区的定位功能，监控范围更广，并且能够对位于室内的电子脚铐佩带者的高度、姿势进行监控，监控效果更好。

当电子脚铐佩带者人为的将电子脚铐破坏，电子脚铐也会立即发出报警信息；当电子脚铐电量过低时，也会发出报警提示信息更换电源；电子脚铐结构简单轻巧，使用方便。

电子脚铐主要用来监视和监管那些取保候审的犯罪嫌疑人、刑满释放人员和量刑较轻的刑事犯罪分子。特别是有些刑事犯罪人员刑满后仍被法庭裁定可能对社会安全构成隐患,司法部门有权要求其配戴电子脚铐。这些人被规定每天必须做什么，某个时间段必须在哪里。如果他们不在这个时间内出现，警用服务器9即会实时监控报警。如果有人破坏电子脚铐，电子脚铐也会立即向警用服务器9发出报警信号，警方即能迅速做出反应。本发明的电子脚铐的使用，可以允许被监控人员在指定区域内活动，也可对被监控人员进行区域性实时监测和控制，在现今法制逐步完善、更加强调人性化管理的社会中更是极具重要意义。

Claims (10)

1.电子脚铐，其特征在于，包括用于佩戴在被监控用户身上的条状绑缚带(1)，所述绑缚带(1)的端部设有锁紧装置(2)，所述绑缚带(1)的尾部穿过锁紧装置(2)并固定形成铐环，所述绑缚带(1)内嵌有环绕设置的用于监测绑缚带是否断开的柔性导电线缆(10)，所述锁紧装置(2)上设置有用于将电子脚铐佩戴者的定位信息发送至警用服务器(9)的监控装置。

2.如权利要求1所述电子脚铐，其特征在于，所述监控装置包括处理器模块(3)，所述处理器模块(3)还分别连接有定位模块、无线通讯模块(4)、断裂感应模块(5)和电源模块(6)；

所述定位模块用于获取电子脚铐佩戴者的位置信息和姿态信息，并将所述位置信息和姿态信息发送至处理器模块(3)；所述处理器模块(3)用于接收定位模块发送的所述位置信息和姿态信息，并根据所述位置信息和姿态信息得到定位信息；所述断裂感应模块(5)用于获取所述绑缚带内柔性导电线缆(10)是否被破坏的断裂信息，并将所述断裂信息发送至理器模块(3)；所述电源模块(6)用于为处理器模块(3)提供电量，并将电量信息发送至处理器模块(3)；所述无线通讯模块(4)用于将处理器模块(3)获取的所述定位信息、断裂信息和电量信息发送至警用服务器(9)。

3.如权利要求2所述电子脚铐，其特征在于，所述定位模块包括分别与处理器模块(3)连接的传感器定位装置(7)和卫星导航定位装置(8)，所述传感器定位装置(7)用于采集目标在非收星状态下的姿态信息，所述卫星导航定位装置(8)用于采集目标在收星状态下的位置信息。

4.如权利要求3所述电子脚铐，其特征在于，所述传感器定位装置(7)包括分别与处理器模块(3)连接的陀螺仪(71)、加速度计(72)、电子罗盘(73)和气压计(74)；

其中，所述陀螺仪(71)用于获取电子脚铐佩戴者转动的角速度，通所述过角速度得到其转动的角度；所述加速度计(72)用于获取电子脚铐佩戴者在运动过程中的加速度，通过该所述加速度得到其移动距离；所述电子罗盘(73)用于获取电子脚铐佩戴者的真实地磁值，通过所述地磁值得到其方向角；所述气压计(74)用于获取电子脚铐佩戴者的气压和温度，通过所述气压和温度得到其绝对高程值。

5.如权利要求1至4中任意一项所述电子脚铐的使用方法，其特征在于，在所述警用服务器(9)上设置电子脚铐佩戴者的允许活动区域，将由电子脚铐获取的电子脚铐佩戴者的定位信息发送至警用服务器(9)，

若警用服务器(9)检测到电子脚铐佩戴者不处于上述设定的允许活动区域内，则警用服务器(9)立即发出报警信号；若警用服务器(9)检测到电子脚铐佩戴者位于允许活动区域内，则警用服务器(9)不发出报警信号。

6.如权利要求5所述电子脚铐的使用方法，其特征在于，当电子脚铐佩戴者处于正常收星定位状态时，电子脚铐通过其内部设置的卫星导航定位装置(8)来获取电子脚铐佩戴者的位置信息，所述位置信息经处理器模块(3)处理后，得到电子脚铐佩戴者的室外定位信息。

7.如权利要求6所述电子脚铐的使用方法，其特征在于，当电子脚铐佩戴者处于非正常收星定位状态时，电子脚铐通过其内部设置的传感器定位装置(7)来获取电子脚铐佩戴者的姿态信息，所述姿态信息经处理器模块(3)处理后，得到电子脚铐佩戴者的室内定位信息。

8.如权利要求7所述电子脚铐的使用方法，其特征在于，所述姿态信息包括电子脚铐佩戴者的角速度、运动距离和运动速度、方位角和距离水平面的高度；

其中，由陀螺仪(71)获取电子脚铐佩戴者的角速度，由加速度计(72)获取电子脚铐佩戴者的运动距离和运动速度，由电子罗盘(73)获取电子脚铐佩戴者的方位角，由气压计(74)获取电子脚铐佩戴者距离水平面的高度。

9.如权利要求5至8中任意一项所述使用方法，其特征在于，当所述电子脚铐的绑缚带(1)及其内设置的柔性导电线缆(10)发生断裂时，所述电子脚铐内的断裂感应模块(5)便获取到所述柔性导电线缆(10)被破坏的已断裂信息，并将所述已断裂信息通过处理器模块(3)和无线通讯模块(4)发送至警用服务器(9)。

10.如权利要求5或6所述使用方法，其特征在于，当所述电子脚铐的电量低于预设值时，所述电子脚铐内的电源模块(6)将其获取到的低电量信息通过处理器模块(3)和无线通讯模块(4)发送至警用服务器(9)。