CN108036788A - 一种具有导航功能的安全帽及其定位方法 - Google Patents

一种具有导航功能的安全帽及其定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有导航功能的安全帽及其定位方法,安全帽包括帽体和安全保护装置，安全保护装置嵌入帽体内，所述安全保护装置包括安全帽微处理器、数据存储模块、导航模块、RFID读写模块和无线通讯模块，所述的数据存储模块、导航模块、RFID读写模块和无线通讯模块均与安全帽微处理器连接并接受和执行安全帽微处理器的指令；所述导航模块为组合定位导航模块。该安全帽具有定位监控功能，而且利用RFID读写模块可以读写安全帽佩戴者的相关数据，并把佩戴者的时空信息通过无线通讯模块发回后台管理系统。

Description

一种具有导航功能的安全帽及其定位方法
技术领域
本发明涉及安全防护技术领域，具体涉及一种具有导航功能的安全帽及其定位方法。
背景技术
目前，在电力、工矿、地下工程或建筑工地等恶劣工作环境中，为了保护工作人员的安全，工作人员需要佩戴安全帽。安全帽是预防物体打击和坠落时保护头部的装置。
现有的安全帽结构功能都非常单一，只能起到保护人体头部免受坠落物剧烈冲击的作用。但是当工人们在环境复杂、偏僻的野外工况中作业时，这种常规的安全帽很难给工人们提供较好的安全防护。现有安全帽结构简单，除了安全防护功能，少有其他功能，难以适应日益复杂的工作环境。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有导航功能的安全帽及其定位方法，用以解决现有安全帽功能单一、无法适应复杂工况的问题。
为实现上述目的，具体地，该具有导航功能的安全帽包括帽体和安全保护装置，安全保护装置嵌入帽体内，所述安全保护装置包括安全帽微处理器、数据存储模块、导航模块、RFID读写模块和无线通讯模块，所述的数据存储模块、导航模块、RFID读写模块、无线通讯模块均与安全帽微处理器连接；
所述导航模块为组合定位导航模块。
所述无线通讯模块包括第一无线通讯模块、第二无线通讯模块和第三无线通讯模块；
安全帽还包括手持控制设备，安全帽微处理器通过第一无线通讯模块连接手持控制设备；
安全帽微处理器通过第二无线通讯模块块与后台管理系统建立连接，通过第三无线通讯模块与其他安全帽的安全帽微处理器连接。
所述第一无线通讯模块优选为蓝牙模块，第二无线通讯模块优选为NB-IOT模块，第三无线通讯模块优选为ZIGBEE模块。
所述组合定位导航模块包括导航微处理器、卫星导航模块、惯性导航模块和外围电路，卫星导航模块、惯性导航模块、外围电路均与导航微处理器连接。
所述卫星导航模块采用北斗卫星导航模块；
所述北斗卫星导航模块包括北斗接收天线、低噪声放大电路、北斗信号射频处理模块和数字信号处理模块；
北斗接收天线用于接收北斗卫星传来的微弱信号；
低噪声放大电路，用于对北斗卫星信号进行滤波处理；
北斗信号射频处理模块用于将接收到的高频射频信号转变为中频信号，再对中频信号进行采样和数字化，将数字信息稳定地发给数字信号处理模块；
数字信号处理模块用于处理发送过来的中频信号，对信号进行捕获、跟踪、数据解调、提取观测量和导航解算，并将信息通过串口发给导航微处理器。
所述惯性导航模块包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计和气压高度计，三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计和气压高度计均与导航微处理器连接。
所述外围电路包括时钟电路、LED灯控制电路和稳压电路。
所述帽体上还设有求救按钮，求救按钮连接所述安全帽微处理器。
所述安全保护装置还包括芯片加密模块，芯片加密模块与安全帽微处理器连接。
安全帽的定位方法，其特征在于：安全帽内的组合定位导航模块包括导航微处理器、卫星导航模块和惯性导航模块，卫星导航模块、惯性导航模块均与导航微处理器连接；
所述定位方法具体包括以下步骤：
S1、RFID读写模块将安全帽佩戴者的信息录入数据存储模块，所述信息包括佩戴者的姓名、年龄、病史等；
S2、采用基于模糊推理系统的带宽自适应的载波相位跟踪回路，当卫星信号信噪比降低时缩小载波相位跟踪回路带宽，提高接收机的抗噪声干扰能力；
S3、采用基于模糊推理系统的量测噪声模型自适应的卡尔曼滤波组合导航算法，描述量测噪声变化，实时调整量测噪声方差阵，提高组合导航算法抗噪声干扰能力。
S4、安全帽微处理器把安全帽佩戴者的位置信息通过NB-IOT模块发回后台管理系统。
所述步骤S2具体步骤如下：
S201、根据经下变频和数模转换后的GPS数字信号计算信噪比C/N0，公式如下：
其中：
上两式中A是GPS信号幅度，ME是积分计数值，δiq为信号噪声标准差，TInt为积分时间。
S202、建立模糊控制系统，以C/N0为输入，以GPS跟踪回路带宽为输出，采用如下模糊推理规则：
(1)如果信噪比小于30dB，则锁相环带宽窄；
(2)如果信噪比为30～40dB，则锁相环带宽适中；
(3)如果信噪比高于40dB，则锁相环带宽宽；
将模糊控制系统当前输出作为下一次载波相位跟踪回路带宽值，实现载波回路带宽的自适应调整，提高GPS或北斗导航系统噪声抗干扰能力。
其中，所述的S3具体步骤如下：
S301、计算尔曼滤波器的新息，如式(4)
其中，zk为实际量测量，Hk为量测矩阵，为系统状态的一次估计。
S302、计算新息理论方差，可以由式(5)计算：
其中Fk/k-1为系统状态转移矩阵，Pk-1为估计状态方差阵，Qk-1为系统噪声阵，Rk-1为量测噪声阵。
S303、计算新息的实际方差，其可由最近N个新息向量计算得到，用式(6)表示：
S304、计算新息实际方差与理论方差的比值。由于和都被设置为对角阵，因此比值也为对角阵：
S305、设计模糊推理系统，以新息实际方差与理论方差的比值作为模糊推理系统的输入，以量测噪声模型的修正系数作为模糊推理系统的输出，模糊推理规则有以下三条：
(1)如果新息实际方差与理论方差的比值变低，则量测噪声模型的修正系数变小；
(2)如果新息实际方差与理论方差的比值不变(为1)，则量测噪声模型的修正系数不变(为1)；
(3)如果新息实际方差与理论方差的比值变高，则量测噪声模型的修正系数变大。
基于模糊推理系统的自适应卡尔曼滤波算法可以保证组合导航系统在量测噪声变化较大的情况下量测噪声模型仍是准确的，系统状态估计值仍是最优的。
本发明具有如下优点：
1、本发明在帽体内部嵌入有安全保护装置，使安全帽具有定位监控，给使用者提供定位导航服务；而且本发明所述的安全保护装置内置RFID读写模块，可以读写安全帽佩戴者的相关数据，并把佩戴者的时空信息通过NB-IOT发回后台管理系统，安全保护装置可以通过ZIGBEE网络进行数据通信，两个安全帽的佩戴者之间可以进行相互联系。
2、本发明所述的安全保护装置，通过内置蓝牙模块、NB-IOT模块和ZIGBEE模块，分别与手持控制设备、后台管理系统、另一个安全保护装置进行数据交互。
3、通过设置一键紧急求救按钮，安全保护装置可通过NB-IOT网络发送带位置的求救信息到手持控制设备或相关求助组织的终端设备上或后台管理系统，以便救援人员更好的采取救援措施。
4、采用卫星导航和惯性导航系统进行融合，实现了组合定位，互为补充，极大的提高定位的可靠性。
5、本发明不仅对卫星信号接收机带宽进行实时调整，同时对组合导航算法中的量测噪声模型也进行自适应修正，使得组合导航系统在子系统层面以及组合算法层面的抗噪声干扰能力都得到增强。明显提升了组合导航系统抗噪声干扰能力，在卫星信号信噪比较低以及噪声变化较大的情况下组合导航系统的精度明显提升。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图。
图2为安全保护装置的结构框图。
图3为本发明实施例2的结构框图。
图4为本发明实施例3的结构示意图。
图5为本发明实施例4中组合定位导航模块的原理框图。
图6为实现本发明的实施例4的定位方法的示意图。
图7为接收机噪比与带宽关系。
图8为传统方法与新型方法噪声模型对比结果。
图9为传统方法与新型方法导航精度对比结果。
图中：1-帽体；2-照明灯；3-缓冲带；4-缓冲垫；5-求救按钮；6-安全保护装置。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
参见图1，该具有导航功能的安全帽包括帽体1和安全保护装置6，安全保护装置6嵌入帽体1的顶部内侧。帽体1前端设有照明灯2，帽体1的内部设有缓冲带3，缓冲带3与帽体1的上部内壁间隔设置，在遇到重物打击时能够起到缓冲作用，起到安全防护的效果。为了进一步地提高安全性，在帽体1的上部内壁还设有缓冲垫4。
帽体1上还设有求救按钮5，求救按钮5连接安全保护装置6。本发明中求救按钮5安装在帽体1内侧上部，这样可以避免求救按钮5被误触。求救按钮5设置在缓冲带3的上侧，上端伸入帽体1内连接安全保护装置6，下端伸出缓冲垫0.5～1mm，这样既可以使安全帽的佩戴者能够快速找到求救按钮5，以进行快速的求救，还可以在遇到撞击时自动发出求救信号，具体是在遇到撞击时，缓冲带3提供缓冲，当撞击不足以触发求救按钮5时，佩戴者受到的撞击并不严重，不会丧失行动能力，当受到严重撞击时，佩戴者此时可能会失去行动能力，缓冲带3会与缓冲垫4接触并触发求救按钮5，自动发送求救信号，求救按钮5的位置既可以防止误触，又可以在紧急情况下自动发送求救信号。
参见图2，安全保护装置6包括安全帽微处理器、数据存储模块、组合定位导航模块、RFID读写模块和无线通讯模块，数据存储模块、组合定位导航模块、RFID读写模块、无线通讯模块均与安全帽微处理器连接并接受和执行安全帽微处理器的指令。无线通讯模块包括第一无线通讯模块、第二无线通讯模块和第三无线通讯模块；安全帽微处理器通过第一无线通讯模块连接手持控制设备，通过第二无线通讯模块块与后台管理系统建立连接，通过第三无线通讯模块与其他安全帽的安全帽微处理器连接。作为优选的方案，安全帽微处理器通过蓝牙模块连接手持控制设备，安全帽微处理器通过NB-IOT模块与后台管理系统建立连接，安全帽微处理器通过ZIGBEE模块与其他安全帽内的安全保护装置6连接，可以进行相互通讯。求救按钮5与安全帽微处理器连接，安全保护装置6可通过NB-IOT网络发送带位置的求救信息到手持控制设备或相关求助组织的终端设备上或后台管理系统，以便救援人员更好的采取救援措施。
组合定位导航模块包括北斗卫星导航模块和惯性导航模块，用于接收北斗卫星导航信号、接收内部射频和基带芯片数据和获取原始惯性测量数据，分别对其进行解算处理，将解算结果进行组合导航滤波，输出滤波结果。采用卫星导航和惯性导航系统进行融合，实现了组合定位，互为补充，极大的提高定位的可靠性。
实施例2
参见图3，本实施例中的安全保护装置6包括安全帽微处理器、数据存储模块、组合定位导航模块、RFID读写模块、芯片加密模块、蓝牙模块、NB-IOT模块和ZIGBEE模块，数据存储模块、组合定位导航模块、RFID读写模块、芯片加密模块、蓝牙模块、NB-IOT模块和ZIGBEE模块均与安全帽微处理器连接并接受和执行安全帽微处理器的指令。
实施例3
参见图4，本实施例中的帽体1由前至顶部具有一个向上凸起的隆起部，安全保护装置6嵌入隆起部内，求救按钮5设置在隆起部的后侧，这样也可以避免误触。
实施例4
参见图5，本实施例中的组合定位导航模块包括导航微处理器、北斗卫星导航模块、惯性导航模块和外围电路。北斗卫星导航模块、惯性导航模块、外围电路均与导航微处理器连接。
北斗卫星导航模块包括北斗接收天线、低噪声放大电路、北斗信号射频处理模块和数字信号处理模块。
北斗接收天线用于接收北斗卫星传来的微弱信号。
低噪声放大电路，用于对北斗卫星信号进行滤波处理。
北斗信号射频处理模块用于将接收到的高频射频信号转变为中频信号，再对中频信号进行采样和数字化，将数字信息稳定地发给数字信号处理模块。
数字信号处理模块用于处理发送过来的中频信号，对信号进行捕获、跟踪、数据解调、提取观测量和导航解算，并将信息通过串口发给导航微处理器。
惯性导航模块包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计和气压高度计，三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计和气压高度计均与导航微处理器连接。三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计和气压高度计用于获取原始惯性测量数据，并分别对其进行解算处理。
外围电路包括时钟电路、LED灯控制电路、稳压电路等。软件上通过数据融合算法，采用扩展卡尔曼滤波技术，对惯性导航模块测量的数据进行融合，提高单点卫星定位精度。
参见图6，该具有导航功能的安全帽的定位方法，包括以下步骤：
S1、RFID读写模块将安全帽佩戴者的信息录入数据存储模块，所述信息包括佩戴者的姓名、年龄、病史等；
S2、对卫星信号接收机带宽自适应调整，是通过以卫星信号的信噪比(即C/N0)为输入的模糊推理系统实现的。若信噪比降低，说明噪声变大，卫星接收机的锁相环带宽应降低以获得更好的滤波效果，即更强的抗噪声干扰能力；若信噪比升高，说明噪声变小，为获得更好的动态性能，卫星接收机的锁相环带宽应相应提高。由于信噪比和带宽之间没有明确的数学关系，且不同噪声、不同动态条件下锁相环带宽没有唯一最优值，因此从简化调整原则、提高鲁棒性角度出发，适于采用模糊推理系统对接收机锁相环带宽进行调整。具体步骤如下：
S201、根据经下变频和数模转换后的GPS数字信号计算信噪比C/N0，公式如下：
其中：
上两式中A是GPS信号幅度，ME是积分计数值，δiq为信号噪声标准差，TInt为积分时间。
S202、建立模糊控制系统，以C/N0为输入，以GPS跟踪回路带宽为输出，采用如下模糊推理规则：
(1)如果信噪比小于30dB，则锁相环带宽窄；
(2)如果信噪比为30～40dB，则锁相环带宽适中；
(3)如果信噪比高于40dB，则锁相环带宽宽；
将模糊控制系统当前输出作为下一次载波相位跟踪回路带宽值，实现载波回路带宽的自适应调整，提高GPS或北斗导航系统噪声抗干扰能力。
模糊推理系统的输入C/N0是根据接收机“积分-清零”过程产生的跟踪结果(同相信号和正交信号)，采用“方差求和算法(VSM)”计算得到的。
S3、在接收机带宽自适应调整的基础上，本发明还采用了自适应卡尔曼滤波技术对组合导航系统的量测噪声模型进行实时调整，此方法也是通过模糊推理系统实现的。量测噪声模型调整的基本原则是使得卡尔曼滤波器的理论新息方差与实际新息方差一致。具体步骤如下：
S301、计算尔曼滤波器的新息，新息是指卡尔曼滤波器中预测量测量和实际量测量的区别，如式(4)
其中，zk为实际量测量，Hk为量测矩阵，为系统状态的一次估计。
S302、新息表明卡尔曼滤波算法状态：如果系统状态建模和量测矩阵正确，并且系统噪声和量测噪声模型准确，卡尔曼滤波正常，则新息应该是零均值的白噪声，计算新息理论方差，可以由式(5)计算：
其中Fk/k-1为系统状态转移矩阵，Pk-1为估计状态方差阵，Qk-1为系统噪声阵，Rk-1为量测噪声阵。
S303、计算新息的实际方差，其可由最近N个新息向量计算得到，用式(6)表示：
S304、计算新息实际方差与理论方差的比值。由于和都被设置为对角阵，因此比值也为对角阵：
S305、设计模糊推理系统，以新息实际方差与理论方差的比值作为模糊推理系统的输入，以量测噪声模型的修正系数作为模糊推理系统的输出，模糊推理规则有以下三条：
(1)如果新息实际方差与理论方差的比值变低，则量测噪声模型的修正系数变小；
(2)如果新息实际方差与理论方差的比值不变(为1)，则量测噪声模型的修正系数不变(为1)；
(3)如果新息实际方差与理论方差的比值变高，则量测噪声模型的修正系数变大。
如果卡尔曼滤波器工作正常，那么新息和实际方差和理论方差应该是一致的。若理论方差与实际方差发生偏差，则说明理论方差计算有误，其原因可能是系统模型错误或噪声模型不准确。
一般而言，Fk/k-1、Pk-1和Qk-1都容易获得或测量的且准确度较高，而量测噪声阵Rk-1则是随量测噪声变化而变化的，在不同情况下可能变化较剧烈。对卫星和惯性组合导航系统来说，量测量可以是所有可见卫星的伪距和伪距率，其中伪距率由锁相环获得，若卫星信号噪声变化较大，伪距率噪声也会发生变化，此时就要修正量测噪声阵Rk-1。
伪距率噪声发生变化时，新息的实际方差会相应变化，这样就可以根据理论方差与实际方差的区别修正量测噪声模型Rk-1，从而实现自适应卡尔曼滤波算法，即实时在线修正量测噪声模型。
基于模糊推理系统的自适应卡尔曼滤波算法可以保证组合导航系统在量测噪声变化较大的情况下量测噪声模型仍是准确的，系统状态估计值仍是最优的。
S4、安全帽微处理器把安全帽佩戴者的位置信息通过NB-IOT模块发回后台管理系统。
参见图7，为验证方案有效性，在第20秒时人为加入噪声，使得信噪比从45dB-Hz变为25dB-Hz，第30s时又缓慢回升，直至45dB-Hz。从图1可以看出，信噪比降低时锁相环带宽迅速减小，从而增强了接收机噪声抗干扰能力。
参见图8，上图为量测噪声标准差对比，下图为理论新息方差与实际新息方差比值的对比结果。从图中可以看出，本发明提出的系统方案可以对量测噪声模型进行在线调整，使得理论新息方差与实际新息方差比值一直为1(即0dB)，而传统系统则无法调整量测噪声模型，在噪声发生变化时新息方差与实际新息方差比值变化可达20dB。
参见图9，从图中可以明显看出，在卫星信号信噪比较低和噪声变化明显时(20s-35s)，组合导航模块的导航精度明显优于传统组合导航系统。
本发明通过模糊自适应锁相环带宽与模糊自适应卡尔曼滤波算法相结合，使得组合导航系统抗噪声能力明显增强，在卫星信号信噪比较低和噪声变化较大的情况下仍能保持较高精度的导航输出，对比结果图可见说明书附图7～9。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种具有导航功能的安全帽，其特征在于：所述安全帽包括帽体和安全保护装置，安全保护装置嵌入帽体内，所述安全保护装置包括安全帽微处理器、数据存储模块、导航模块、RFID读写模块和无线通讯模块，所述的数据存储模块、导航模块、RFID读写模块、无线通讯模块均与安全帽微处理器连接；
所述导航模块为组合定位导航模块。
2.根据权利要求1所述的具有导航功能的安全帽，其特征在于：所述无线通讯模块包括第一无线通讯模块、第二无线通讯模块和第三无线通讯模块；
安全帽还包括手持控制设备，安全帽微处理器通过第一无线通讯模块连接手持控制设备；
安全帽微处理器通过第二无线通讯模块块与后台管理系统建立连接，通过第三无线通讯模块与其他安全帽的安全帽微处理器连接。
3.根据权利要求2所述的具有导航功能的安全帽，其特征在于：所述第一无线通讯模块为蓝牙模块，第二无线通讯模块为NB-IOT模块，第三无线通讯模块为ZIGBEE模块。
4.根据权利要求1所述的具有导航功能的安全帽，其特征在于：所述组合定位导航模块包括导航微处理器、卫星导航模块、惯性导航模块和外围电路，卫星导航模块、惯性导航模块、外围电路均与导航微处理器连接。
5.根据权利要求4所述的具有导航功能的安全帽，其特征在于：所述卫星导航模块采用北斗卫星导航模块；
所述北斗卫星导航模块包括北斗接收天线、低噪声放大电路、北斗信号射频处理模块和数字信号处理模块；
北斗接收天线用于接收北斗卫星传来的微弱信号；
低噪声放大电路，用于对北斗卫星信号进行滤波处理；
北斗信号射频处理模块用于将接收到的高频射频信号转变为中频信号，再对中频信号进行采样和数字化，将数字信息稳定地发给数字信号处理模块；
数字信号处理模块用于处理发送过来的中频信号，对信号进行捕获、跟踪、数据解调、提取观测量和导航解算，并将信息通过串口发给导航微处理器。
6.根据权利要求4所述的具有导航功能的安全帽，其特征在于：所述惯性导航模块包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计和气压高度计，三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计和气压高度计均与导航微处理器连接。
7.根据权利要求4所述的具有导航功能的安全帽，其特征在于：所述外围电路包括时钟电路、LED灯控制电路和稳压电路。
8.根据权利要求1所述的具有导航功能的安全帽，其特征在于：所述帽体上还设有求救按钮，求救按钮连接所述安全帽微处理器。
9.根据权利要求1所述的具有导航功能的安全帽，其特征在于：所述安全保护装置还包括芯片加密模块，芯片加密模块与安全帽微处理器连接。
10.权利要求1所述的安全帽的定位方法，其特征在于：安全帽内的组合定位导航模块包括导航微处理器、卫星导航模块和惯性导航模块，卫星导航模块、惯性导航模块均与导航微处理器连接；
所述定位方法具体包括以下步骤：
S1、RFID读写模块将安全帽佩戴者的信息录入数据存储模块；
S2、采用基于模糊推理系统的带宽自适应的载波相位跟踪回路，当卫星信号信噪比降低时缩小载波相位跟踪回路带宽，提高接收机的抗噪声干扰能力；
S3、采用基于模糊推理系统的量测噪声模型自适应的卡尔曼滤波组合导航算法，描述量测噪声变化，实时调整量测噪声方差阵，提高组合导航算法抗噪声干扰能力；
S4、安全帽微处理器把安全帽佩戴者的位置信息通过NB-IOT模块发回后台管理系统。
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