CN105708025A - 一种多功能消防头盔 - Google Patents

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阮青文
刘俊秀
肖智文
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Abstract

本发明公开了一种多功能消防头盔，属于消防安全技术领域。该多功能消防头盔包括壳体和智能控制装置；壳体包括气凝胶层，外壳层，缓冲层和内衬层，气凝胶层包裹在外壳层的表面，缓冲层位于外壳层和内衬层之间；智能控制装置包括x-IMU精确定位装置，人体体温探测器，烟雾传感器，有害气体传感器，环境温度传感器，骨传导耳机，摄像和语音装置，数据处理装置，通信装置和电源；x-IMU精确定位装置，人体体温探测器，烟雾传感器，有害气体传感器，环境温度传感器，骨传导耳机，摄像和语音装置，通信装置和电源均与数据处理装置连接。本发明集耐高温、精确定位、监控及预警功能于一身的特点，可以有效实现监控，利于集中监控、接收指令、指挥部署。

Description

一种多功能消防头盔
技术领域
本发明涉及一种多功能消防头盔，属于消防安全技术领域。
背景技术
消防员在工作期间越来越需要实时监测和协调，如监测人员的周围环境以及他们的健康状况，有效的协调相邻的小组成员之间的状况、以及与远程控制指挥中心的实时多媒体通讯，识别和跟踪人员及装备的位置，及时预警危险环境，减少消防员的伤亡情况，现有的消防头盔监控功能单一，定位精度不高，无法实现消防员在上楼过程中的定位，无法满足实际工作需求。同时，现有头盔在遇到火灾等高温条件下，消防头盔极易融化，因此急需一种耐高温、能够精确定位且集多种监控及预警功能与一身的消防头盔。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供了一种多功能消防头盔，具有耐高温、精确定位且集多种监控及预警功能与一身的特点，采用的技术方案如下：
本发明的目的在于提供一种多功能消防头盔，包括壳体1和智能控制装置2；所述壳体1包括气凝胶层11，外壳层12，缓冲层13和内衬层14，其中：气凝胶层11包裹在外壳层12的表面，缓冲层13位于外壳层12和内衬层14之间；所述智能控制装置2包括x-IMU精确定位装置21，人体体温探测器22，烟雾传感器23，有害气体传感器24，环境温度传感器25，骨传导耳机26，摄像和语音装置27，数据处理装置28，通信装置29和电源210；所述x-IMU精确定位装置21，人体体温探测器22，烟雾传感器23，有害气体传感器24，环境温度传感器25，骨传导耳机26，摄像和语音装置27，通信装置29和电源210均与数据处理装置28连接；所述x-IMU精确定位装置21包含三轴加速度传感器，三轴陀螺仪和三轴磁场传感器。
优选地，所述内衬层11，成头骨形，与消防员的头部贴合。
优选地，所述x-IMU精确定位装置21，人体体温探测器22，烟雾传感器23，有害气体传感器24，环境温度传感器25均为无线传感器。
优选地，所述x-IMU精确定位装置21通信装置29和电源210均固定在外壳层12下方，位于头盔外壳层12和缓冲层13之间；所述人体体温探测器22位于头盔内衬层14的前部；所述骨传导耳机26位于头盔内衬层的左部或右部靠近消防员耳骨处；所述烟雾传感器23，有害气体传感器24，环境温度传感器25均位于头盔气凝胶层11外部。烟雾传感器23，有害气体传感器24，环境温度传感器25外部均设有涂有耐高温材料的保护罩。
所述骨传导耳机26与消防员耳骨接触。所述骨传导耳机26带有麦克。
优选地，所述摄像和语音装置27包括4个，分别设置在头盔的前方、后方、左方和右方，所有摄像和语音装置27检测区域角度总和为360°。
优选地，所述通信装置29，为蓝牙装置、WIFI装置、3G装置和4G装置中的一种或几种。
优选地，所述智能控制装置2还包括震动传感危险预警装置3，所述震动传感危险预警装置3与数据处理装置28相连。
更优选地，所述震动传感危险预警装置3包括超声波测距传感器31和震动警示装置32。
优选地，所述震动警示装置32包括4个，分别设置在头盔内衬层14的前方、后方、左方和右方，与消防员头部接触；所述超声波测距传感器31位于气凝胶层11外部、头盔的顶端。
优选地，所述头盔还包括与数据处理装置28连接的警报装置4。
更优选地，所述警报装置4包括智能语音提示装置或音乐提示装置。
x-IMU精确定位装置21包含三轴加速度传感器，三轴陀螺仪和三轴磁场传感器(magetometer)三个传感器，其中加速度传感器用于获取空间内平移的信息，磁场传感器获取转向信息，磁场传感器用于确定参考方向。
本发明实现高精度定位的方法：
进入火场前(室外)首先启动跟踪系统，系统利用三轴磁场传感器首先确定消防员由入口进入时的方向(以地球为参考平面的世界坐标系)。消防员进入楼体后，根据加速度传感器获取的信号，通过信号去噪，峰值检测来确定每一步的周期，并通过对每一个周期内的加速度信号进行二重积分来估测每一步的步长，然后对陀螺仪垂直于重力的角加速度分量进行二重积分来估算每一步的相对角度变化。将这些信息通过网络传回控制中心，在控制中心实时生成各个消防员由入口进入火场后所行走的路线图。
根据火场情况选择合适的入口作为起始点，并根据磁场传感器确定进入火场在世界参考系中的绝对方向作为参考方向。利用加速度传感器产生信号能量的周期性变化来判断消防员行走的频率。利用三轴加速度传感器在水平面上的加速度分量的二次积分估算消防员没走一步的距离。利用三轴陀螺仪角加速度在水平方向分量的二次积分确定消防员在行走过程中的方向的相对变化。由参考点沿参考方向出发，利用头盔中x-IMU计算出的步长和行进方向，实时描绘出消防员在火场中行进的路径，从而确定消防员所在的位置。
所述装置主要特征：
1)头盔最外层设有气凝胶层11，可以集防砸、防弹、防火、防爆等多种功能于一身；气凝胶层11包裹在外壳层12的表面，防止在高温环境中外壳层12融化；
2)x-IMU精确定位装置包含三轴加速度传感器，三轴陀螺仪和三轴磁场传感器，加速度传感器用于获取空间内平移信息，磁场传感器获取转向信息，磁场传感器用于确定参考方向，根据垂直方向的加速度是否超过设定的阈值确定消防员是否正在上楼，利用计步算法确定台阶数，最终实现消防员在上楼过程中的定位，最终将消防员的具体定位信息，通过通信装置发送到远程控制指挥中心，以便实现远程实时定位监控；
3)人体体温探测器22，烟雾传感器23，有害气体传感器24，环境温度传感器25采集人体体温信息，烟雾浓度参数信息，有害气体浓度参数信息，通过通信装置发送到远程控制指挥中心，以便远程控制指挥中心实时监控、指挥协调，做救援部署，或下发是否撤离的指令；
4)设有骨传导耳机26，置于头盔内部靠近消防员耳骨附近，与消防员头顶接触，使消防员在嘈杂的环境中也能较好的接收到来自远程控制指挥中心的语音指挥；
5)摄像和语音装置27用于对周围环境进行摄像和拍照，分别设置在头盔的前方、后方、左方、右方，4个摄像和语音装置27检测的区域角度总和为360°，实现全方位检测，摄像和语音装置27采集火灾现场的实时视频图像信息，通过通信装置发送到远程控制指挥中心，以便远程控制指挥中心实时监控、指挥协调，做救援部署；
6)数据处理装置28接收所有传感器传来的信号，并且将信号转换处理后发送至远程控制指挥中心终端；
7)所有传感器全部使用无线传感器，工作智能方便，克服有线的缺点，通信装置有多种设置方式；
8)设置通信装置，用于与远程控制指挥中心或其他消防人员通信，包括蓝牙装置、WIFI装置、3G装置和4G装置中的一种或几种；
9)震动传感危险预警装置3，设置超声波测距传感器31实时监测施工人员头顶上方空间的高空坠物危险，并通过震动警示装置32提示消防人员注意躲避，震动警示装置32分别设置在头盔内衬层14的前方、后方、左方和右方，与消防员头部接触，直接提示消防人员高空坠物的方向，高空坠物来自前方，位于头盔前方的震动警示装置32震动提示消防员，高空坠物来自后方，位于头盔后方的震动警示装置32震动提示消防员，高空坠物来自左方，位于头盔左方的震动警示装置32震动提示消防员，高空坠物来自右方，位于头盔右方的震动警示装置32震动提示消防员；
10)头盔还设有警报装置4，通过智能语音提示或者音乐提示危险警报；
11)电源用于向其他装置和传感器进行供电。
本发明有益效果：
本发明公开了一种多功能消防头盔，适用于火灾现场救援工作，传感器用于监测周围环境、消防员身体条件、消防员实时定位信息，通过无线方式传输方便，脱离了有线传输的限制，摄像和语音装置实时监控火灾现场图像信息，骨传导耳机利于在嘈杂环境听清指挥，减少不安全因素，本发明多功能消防头盔，具有耐高温、精确定位且集多种监控及预警功能与一身的特点，可以有效实现监控，利于远程指挥中心集中监控、接收指令、宏观指挥部署。
附图说明
图1为本发明的剖面结构示意图；
(1，壳体；11，气凝胶层；12，外壳层；13，缓冲层；14，内衬层；2，智能控制装置；21，x-IMU精确定位装置；22，人体体温探测器；23，烟雾传感器；24，有害气体传感器；25，环境温度传感器；26，骨传导耳机；27，摄像和语音装置；28，数据处理装置；29，通信装置；210，电源；4，警报装置)。
图2为本发明的俯视结构示意图；
(23，烟雾传感器；24，有害气体传感器；25，环境温度传感器；27，摄像和语音装置)。
图3为本发明带有震动传感危险预警装置的剖面结构示意图；
(1，壳体；11，气凝胶层；12，外壳层；13，缓冲层；14，内衬层；2，智能控制装置；21，x-IMU精确定位装置；22，人体体温探测器；23，烟雾传感器；24，有害气体传感器；25，环境温度传感器；26，骨传导耳机；27，摄像和语音装置；28，数据处理装置；29，通信装置；210，电源；3，震动传感危险预警装置；31，超声波测距传感器；32，震动警示装置；4，警报装置)。
图4为本发明带有震动传感危险预警装置的俯视结构示意图；
(23，烟雾传感器；24，有害气体传感器；25，环境温度传感器；27，摄像和语音装置；31，超声波测距传感器)。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”和“竖着”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，亦可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个部件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多组”、“多根”的含义是两个或两个以上。
以下实施方式中所用材料、仪器和方法，未经特殊说明，均为本领域常规材料、仪器和方法，均可通过商业渠道获得。
实施例1
如图1-2所示，一种多功能消防头盔，包括壳体1和智能控制装置2；壳体1包括气凝胶层11，外壳层12，缓冲层13和内衬层14，其中：气凝胶层11包裹在外壳层12的表面，缓冲层13位于外壳层12和内衬层14之间；智能控制装置2包括x-IMU精确定位装置21，人体体温探测器22，烟雾传感器23，有害气体传感器24，环境温度传感器25，骨传导耳机26，摄像和语音装置27，数据处理装置28，通信装置29和电源210。
x-IMU精确定位装置21通信装置29和电源210均固定在外壳层12下方，位于头盔外壳层12和缓冲层13之间；所述人体体温探测器22位于头盔内衬层14的前部；所述骨传导耳机26位于头盔内衬层的左部或右部靠近消防员耳骨处；所述烟雾传感器23，有害气体传感器24，环境温度传感器25均位于头盔气凝胶层11外部。
烟雾传感器23，有害气体传感器24，环境温度传感器25外部均设有涂有耐高温材料的保护罩。
内衬层11，成头骨形，与消防员的头部贴合。
骨传导耳机26与消防员耳骨接触。骨传导耳机26带有麦克。
x-IMU精确定位装置21，人体体温探测器22，烟雾传感器23，有害气体传感器24，环境温度传感器25，骨传导耳机26，摄像和语音装置27，通信装置29和电源210均与数据处理装置28连接。
x-IMU精确定位装置21包含三轴加速度传感器，三轴陀螺仪和三轴磁场传感器。其中三轴加速度传感器用于获取空间内平移的信息，磁场传感器获取转向信息，磁场传感器用于确定参考方向。
x-IMU精确定位装置21，人体体温探测器22，烟雾传感器23，有害气体传感器24，环境温度传感器25均为无线传感器。
摄像和语音装置27包括4个，分别设置在头盔的前方、后方、左方和右方，所有摄像和语音装置27检测区域角度总和为360°。
通信装置29，包括WIFI装置、3G装置和4G装置，用于与远程控制指挥中心或其他消防人员通信。
头盔还包括与数据处理装置28连接的警报装置4。警报装置4位于内衬
警报装置4包括智能语音提示装置或音乐提示装置。
骨传导耳机26位于头盔内部靠近消防员耳骨附近，与消防员头顶接触，骨传导耳机自带麦克。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：智能控制装置2还包括震动传感危险预警装置3，所述震动传感危险预警装置3与数据处理装置28相连。震动传感危险预警装置3包括超声波测距传感器31和震动警示装置32。震动警示装置32包括4个，分别设置在头盔内衬层14的前方、后方、左方和右方，与消防员头部接触。如图3-4所示。
超声波测距传感器31位于气凝胶层11外部、头盔的顶端。
本发明实现高精度定位的方法：
进入火场前(室外)首先启动跟踪系统，系统利用三轴磁场传感器首先确定消防员由入口进入时的方向(以地球为参考平面的世界坐标系)。消防员进入楼体后，根据加速度传感器获取的信号，通过信号去噪，峰值检测来确定每一步的周期，并通过对每一个周期内的加速度信号进行二重积分来估测每一步的步长，然后对陀螺仪垂直于重力的角加速度分量进行二重积分来估算每一步的相对角度变化。将这些信息通过网络传回控制中心，在控制中心实时生成各个消防员由入口进入火场后所行走的路线图。
根据火场情况选择合适的入口作为起始点，并根据磁场传感器确定进入火场在世界参考系中的绝对方向作为参考方向。利用加速度传感器产生信号能量的周期性变化来判断消防员行走的频率。利用三轴加速度传感器在水平面上的加速度分量的二次积分估算消防员没走一步的距离。利用三轴陀螺仪角加速度在水平方向分量的二次积分确定消防员在行走过程中的方向的相对变化。由参考点沿参考方向出发，利用头盔中x-IMU计算出的步长和行进方向，实时描绘出消防员在火场中行进的路径，从而确定消防员所在的位置。
本发明装置主要特征：
1)头盔最外层设有气凝胶层11，可以集防砸、防弹、防火、防爆等多种功能于一身；气凝胶层11包裹在外壳层12的表面，防止在高温环境中外壳层12融化；
2)x-IMU精确定位装置包含三轴加速度传感器，三轴陀螺仪和三轴磁场传感器，加速度传感器用于获取空间内平移信息，磁场传感器获取转向信息，磁场传感器用于确定参考方向，根据垂直方向的加速度是否超过设定的阈值确定消防员是否正在上楼，利用计步算法确定台阶数，最终实现消防员在上楼过程中的定位，最终将消防员的具体定位信息，通过通信装置发送到远程控制指挥中心，以便实现远程实时定位监控；
3)人体体温探测器22，烟雾传感器23，有害气体传感器24，环境温度传感器25采集人体体温信息，烟雾浓度参数信息，有害气体浓度参数信息，通过通信装置发送到远程控制指挥中心，以便远程控制指挥中心实时监控、指挥协调，做救援部署，或下发是否撤离的指令；
4)设有骨传导耳机26，置于头盔内衬层14，与消防员头顶接触，使消防员在嘈杂的环境中也能较好的接收到来自远程控制指挥中心的语音指挥；
5)摄像和语音装置27用于对周围环境进行摄像和拍照，分别设置在头盔的前方、后方、左方、右方，4个摄像和语音装置27检测的区域角度总和为360°，实现全方位检测，摄像和语音装置27采集火灾现场的实时视频图像信息，通过通信装置发送到远程控制指挥中心，以便远程控制指挥中心实时监控、指挥协调，做救援部署；
6)数据处理装置28接收所有传感器传来的信号，并且将信号转换处理后发送至远程控制指挥中心终端；
7)所有传感器全部使用无线传感器，工作智能方便，克服有线的缺点，通信装置有多种设置方式；
8)设置通信装置，用于与远程控制指挥中心或其他消防人员通信，包括蓝牙装置、WIFI装置、3G装置和4G装置中的一种或几种；
9)震动传感危险预警装置3，设置超声波测距传感器31实时监测施工人员头顶上方空间的高空坠物危险，并通过震动警示装置32提示消防人员注意躲避，震动警示装置32分别设置在头盔内衬层14的前方、后方、左方和右方，与消防员头部接触，直接提示消防人员高空坠物的方向，高空坠物来自前方，位于头盔前方的震动警示装置32震动提示消防员，高空坠物来自后方，位于头盔后方的震动警示装置32震动提示消防员，高空坠物来自左方，位于头盔左方的震动警示装置32震动提示消防员，高空坠物来自右方，位于头盔右方的震动警示装置32震动提示消防员；
10)头盔还设有警报装置4，通过智能语音提示或者音乐提示危险警报；
11)电源用于向其他装置和传感器进行供电。
以上所述仅为本发明示意性具体实施方案，并非用以限制本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种多功能消防头盔，其特征在于，包括壳体(1)和智能控制装置(2)；所述壳体(1)包括气凝胶层(11)，外壳层(12)，缓冲层(13)和内衬层(14)，其中：气凝胶层(11)包裹在外壳层(12)的表面，缓冲层(13)位于外壳层(12)和内衬层(14)之间；所述智能控制装置(2)包括x-IMU精确定位装置(21)，人体体温探测器(22)，烟雾传感器(23)，有害气体传感器(24)，环境温度传感器(25)，骨传导耳机(26)，摄像和语音装置(27)，数据处理装置(28)，通信装置(29)和电源(210)；所述x-IMU精确定位装置(21)，人体体温探测器(22)，烟雾传感器(23)，有害气体传感器(24)，环境温度传感器(25)，骨传导耳机(26)，摄像和语音装置(27)，通信装置(29)和电源(210)均与数据处理装置(28)连接；所述x-IMU精确定位装置(21)包含三轴加速度传感器，三轴陀螺仪和三轴磁场传感器。
2.根据权利要求1所述的多功能消防头盔，其特征在于，所述x-IMU精确定位装置(21)，人体体温探测器(22)，烟雾传感器(23)，有害气体传感器(24)，环境温度传感器(25)均为无线传感器。
3.根据权利要求1所述的多功能消防头盔，其特征在于，所述x-IMU精确定位装置(21)通信装置(29)和电源(210)均固定在外壳层(12)下方，位于头盔外壳层(12)和缓冲层(13)之间；所述人体体温探测器(22)位于头盔内衬层(14)的前部；所述骨传导耳机(26)位于头盔内衬层的左部或右部靠近消防员耳骨处；所述烟雾传感器(23)，有害气体传感器(24)，环境温度传感器(25)均位于头盔气凝胶层(11)外部。
4.根据权利要求1所述的多功能消防头盔，其特征在于，所述摄像和语音装置(27)包括4个，分别设置在头盔的前方、后方、左方和右方，所有摄像和语音装置(27)检测区域角度总和为360°。
5.根据权利要求1所述的多功能消防头盔，其特征在于，所述通信装置(29)，为蓝牙装置、WIFI装置、3G装置和4G装置中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的多功能消防头盔，其特征在于，所述智能控制装置(2)还包括震动传感危险预警装置(3)，所述震动传感危险预警装置(3)与数据处理装置(28)相连。
7.根据权利要求6所述的多功能消防头盔，其特征在于，所述震动传感危险预警装置(3)包括超声波测距传感器(31)和震动警示装置(32)。
8.根据权利要求7所述的多功能消防头盔，其特征在于，所述震动警示装置(32)包括4个，分别设置在头盔内衬层(14)的前方、后方、左方和右方，与消防员头部接触；所述超声波测距传感器(31)位于头盔上方。
9.根据权利要求1所述的多功能消防头盔，其特征在于，所述头盔还包括与数据处理装置(28)连接的警报装置(4)。
10.根据权利要求9所述的多功能消防头盔，其特征在于，所述警报装置(4)包括智能语音提示装置或音乐提示装置。
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