CN111537951A - 可被探测与主动寻向定位系统及定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可被探测与主动寻向定位系统及定位方法，所述系统包括井下作业人员携带的可被探测模块和救援人员使用的主动寻向定位模块；可被探测模块包括无源标签和天线，编入对应人员信息及唯一识别码；主动寻向定位模块包括核心控制单元及其连接的人机交互单元、SOS报警交互单元、电池保护单元和探测天线；探测天线用于探测所述可被探测模块，在探测到所述可被探测模块时接收所述人员信息及唯一识别码；SOS报警交互单元用于在识别到所述可被探测模块时发出提示。本发明的可被探测模块抗金属干扰，体积小、薄，可嵌入到大部分产品中，收录人员数据库信息；救援人员通过调节探测区间，逐级缩小搜索范围，实现对被救人员的精准定位。

Description

可被探测与主动寻向定位系统及定位方法
技术领域
本发明涉及矿上救援设备技术领域，特别是指一种可被探测与主动寻向定位系统及定位方法。
背景技术
目前对人类搜救技术主要有：RFID、wifi、蓝牙等无线技术可实现有源定位，有源定位需要人员佩戴装有电池的定位卡，而红外探测技术、微波技术可实现对人体的无源定位搜救。
经国内文献检索，无源定位多停留于理论研究。将UHF-RFID技术应用于无源搜救，设备无电情况下进行快速小区域定位探测，暂时还没有相关应用。
申请号为201810331584.9的专利《一种用于人员搜救的智能腕表》提到了无线模块(GPRS、3G、4G、5G、WIFI或蓝牙)，但这些技术限定用于无线通讯功能。人员定位采用GPS定位系统、北斗定位系统或无线基站定位系统。以上定位在煤矿井下和巷道施工等环境中，在没有定位基站和GPS、北斗等定位系统情况下，无法定位待救人员，灾后无法精准搜救。当人员佩戴的定位卡无电情况下，无法定位佩戴人员。该专利无法解决人员定位卡或其他供电设备无电情况下，设备无法被探测、无法定位搜救的问题。
申请号为20182103903.4的专利《一种雷达生命探测仪》提到通过调节高度组件来调节探测角度。但是机械式调节不灵活，精度差，不能便携应用，且没有自动寻向功能。虽然通过机械调节高度来调节探测角度，但是不能对人员进行主动寻向。
地震工程学报发表的论文《物联网技术在地震受困人员应急搜救中的应用研究》中提到“为能在搜救地震受困人员时，实时监测灾区情况，增强实时性及降低搜救误差，研究物联网技术在地震受困人员应急搜救中的应用，设计基于物联网的地震应急搜救系统，采用RFID识读器将采集的数据通过互联网传输至数据处理中心服务器上，再反馈至灾区信息处理子系统中的监测防御模块中，若出现异常情况则开启射频模块，命令现场报警装置响应报警应急搜救信号；通过蚁群算法获取最优搜救路线，及时搜救地震受困人员”。但是，在人员失去生命意识后无法感应热释电。
2017年08月发表于期刊《中国防汛抗旱》中的论文《洪涝灾害中人员搜救技术与装备浅析》指出了“目前，国内外灾害救援常用的搜索手段、仪器和设备主要有：人工搜索、搜索犬搜索、音频生命探测仪、光学生命探测仪、红外生命探测仪、雷达生命探测仪、机器人搜索、无人机搜索等”。
其中，光学生命探测仪俗称“蛇眼”，是一种成本低、坚固耐用的手持式视频监测系统，可利用光反射进行生命探测。热红外生命探测仪的基本原理是通过探测人体发出的热辐射，并将探测到的热辐射信息以图像的形式显示在屏幕上，进而提供被埋在废墟下的遇险人员的信息。缺点：该类仪器不具备穿透废墟的能力，只能对无障碍的环境进行探测搜救，比如光线暗、粉尘浓厚等环境。搜救对象一般处于非常黑暗的环境中，因此生命探测仪一般都有照明功能。然而，随着废墟内部照明空间和探测方位的改变，其探测效果可能变得很不理想，因此在生命探测搜索中具有一定的局限性。此外，热红外生命探测仪容易受到周围温度的影响，尤其是在温度较高的场所，仪器将失去作用同样存在设备断电无法探测的情况；热红外生命探测仪采用的是非接触测量方式，探测范围最高可达几十米。在有障碍物阻隔的状况下不能有效探测人体的热量，因此该类仪器不具备穿透废墟的能力，只能对无障碍的环境进行探测搜救，比如光线暗、粉尘浓厚等环境。此外，热红外生命探测仪容易受到周围温度的影响，尤其是在温度较高的场所，仪器将失去作用。
音频生命探测仪可用于搜索因地震、坍塌、建筑物倒塌等被压埋在废墟下的幸存者，其原理是通过探测废墟或掩埋体下遇险人员呻吟、呼喊、爬动、敲打等产生的音频声波和振动波来判断生命是否存在。缺点：如果幸存者已经不能说话，只要用手指轻轻敲击，发出微小的声响，也能够被识别，关键是周围环境中噪声的影响不能太大。
雷达生命探测仪是基于多普勒效应的原理制成的，通过一个发送、接收天线发射超宽谱电磁波，信号穿透非金属介质(墙体)照射到遇险人员后，雷达波将被人体生命信息调制并反射，接收机接收包含有人体生命特征信息的反射波后，对其信号进行生命信息分析处理，进而提取出微弱的人体生命特征信息。“雷达生命探测仪采用主动探测方式，不易受到温度、湿度、噪音、现场地形等因素的影响，能实现特殊场合的全天候探测。雷达生命探测仪有效克服了热红外生命探测仪受温度影响严重、遇物体阻挡失效的缺点，也克服了音频生命探测仪空间传播衰减大，受环境杂物反射干扰，受水、冰、泥土阻挡失效等问题。雷达生命探测仪具有非接触、穿透力强、探测灵敏度高、抗干扰能力强、多目标识别能力强、探测距离远且定位精确等特点，已成为目前最具活力和潜力的生命探测技术。但是不能通过无源探测识别人员信息。
综上，目前人员搜救及定位多采用有源RFID卡、音频生命探测仪、光学生命探测仪、红外生命探测仪、雷达生命探测仪、机器人搜索、无人机搜索等方法，其技术存在以下所述：人员佩戴手表或RFID卡在无电情况下无法进行使用；人员无体温释放红外时无法搜索；虽然雷达生命探测仪一定程度上满足大部分需求，但是只能探测，不能通过无源探测识别人员信息。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供可被探测与主动寻向定位系统及定位方法，以解决目前在灾后救援方面缺少可靠装备来实现人员快速探测定位搜救的问题。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种可被探测与主动寻向定位系统，包括井下作业人员携带的可被探测模块和救援人员使用并用于查找所述可被探测模块的主动寻向定位模块；
所述可被探测模块包括无源标签和天线，所述无源标签和天线布置在PCB板上，编入对应人员信息及唯一识别码；
所述主动寻向定位模块包括核心控制单元及其连接的人机交互单元、SOS报警交互单元、电池保护单元和探测天线；所述电池保护单元连接所述核心控制单元、人机交互单元、SOS报警交互单元、网状网传输单元、云台和综合探测单元，用于提供工作电源；所述人机交互单元用于接收人为操作信息和信息显示；所述探测天线用于探测所述可被探测模块，在探测到所述可被探测模块时接收所述人员信息及唯一识别码；所述SOS报警交互单元用于在识别到所述可被探测模块时发出提示；所述核心控制单元用于控制其他单元和探测天线工作。
所述PCB板上设有若干个过孔。
所述SOS报警交互单元包括蜂鸣器和/或发光二极管。
所述人机交互单元包括按键和触摸屏。
还包括网状网传输单元和/或综合探测单元；
所述网状网传输单元连接所述核心控制单元，用于与其他具有mesh组网功能的产品组成蓝牙mesh或WIFI mesh网状网；所述系统还包括井下作业人员携带的声光震应答设备，用于与所述网状网传输单元组网，在接收广播探测信息时发出声光；
所述综合探测单元连接所述核心控制单元，包括雷达生命探测仪、热释电红外探测仪、声音频段探测仪及UWB定位模块；所述系统还包括井下作业人员携带的定位卡，用于与所述综合探测单元进行交互。
所述探测天线包括固定轴及其连接的三个屏蔽板，还包括三个陶瓷天线；所述三个屏蔽板在平面上均分为三个信号隔离扇区，每个信号隔离扇区内设置一个陶瓷天线，所述陶瓷天线均连接所述探测天线。
所述系统还包括云台，所述云台包括支撑轴、水平舵机和俯仰舵机；所述支撑轴竖向固定；所述水平舵机连接在所述支撑轴的顶部，用于在水平方向上旋转；所述俯仰舵机连接水平舵机，并固定在所述支撑轴的垂直方向，用于在竖直方向上旋转并跟随所述水平舵机的旋转而旋转；所述水平舵机和俯仰舵机连接所述核心控制单元，所述核心控制单元用于控制所述水平舵机和俯仰舵机的动作；所述探测天线固定在俯仰舵机的输出轴上。
本发明还提供一种可被探测与主动寻向定位方法，井下作业人员携带可被探测模块，在救援时执行以下步骤：
主动寻向定位模块在某一方向上以初始发射功率探测所述被探测模块；
在没有探测到被探测模块的情况下，逐级增加发射功率进行探测；
当探测到可被探测模块时，通过SOS报警交互单元发出提示，返回RSSI信号强度信息以及接收所述人员信息及唯一识别码；
当发射功率增加至最大功率时仍没有探测到可被探测模块时，调整探测方向继续探测。
在开始救援时，还包括：
通过人机交互单元接收模式选择信息，根据所述模式选择信息执行对应的工作模式；
所述工作模式包括：权利要求8所述的步骤，和/或，通过网状网传输单元与其他具有mesh组网功能的产品组成蓝牙mesh或WIFI mesh网状网，和/或，通过综合探测单元与井下作业人员携带的定位卡进行交互。
本发明具有以下优点及有益效果：
1、本发明的可被探测模块，抗金属干扰，体积小、薄，可嵌入到大部分产品中，在人员佩戴前，收录人员数据库信息；当事故发生时，救援人员可通过寻向功能查找待救人员方向及反馈信息，通过调节探测区间，逐级缩小搜索范围，实现对被救人员的精准定位。
2、本发明由于被探测模块无需供电，且抗干扰强，适合复杂环境使用，实现了主动无电救援探测；通过云台寻向功能实现了人员方向的快速定位；通过预先写入的人员数据库信息，可快速识别探测区域人员数量及人员信息。将UHF-RFID技术应用在探测搜救无源模块的策略，能够解决现有基站灾后损坏无法实现人员快速探测定位问题，解决人员信息无法快速确认问题，对于加强我国职业安全健康保护能力、提高矿山救援技术装备水平具有重要意义。
3、本发明既可以对人员进行寻向搜救，又可以同时发现所在区域的人员数量及人员信息识别，便携手持方便灵活，特别适用煤矿人员安全管理，灾后救援。
4、本发明包括多种定位方式，可灵活使用，既有有源双向定位(定位卡有电时通过发射信息，识别定位卡)又有快速区域探测无源定位(定位卡无电或短路时，通过无源卡实现定位)功能，将待救人员快速锁定在探测围栏内，为营救争取更宝贵的时间。通过配戴可被探测的蓝牙、wifi或其他MESH无线设备可以与探测器进行交互，语音求助或快速求助；通过旋转动态探测和静态探测两种方案进行人员搜索，并进行身份识别；救援人员之间可以结合MESH网进行语音交互，井上人员也可以通过mesh进行指导；云台结合传感器进行方向定位，适合不同应用场合。
附图说明
图1为本发明实施例的主动寻向定位模块的结构示意图；
图2为本发明实施例的可被探测模块的结构示意图；
图3为本发明实施例的云台装置示意图；
图4为本发明实施例的探测天线装置示意图；
图5为本发明实施例的可被探测模块装置示意图。
图中：900核心控制单元，901人机交互单元，902SOS报警交互单元，903电池保护单元，904综合探测单元，905云台，906网状网传输单元，907探测天线，920主动寻向定位装置，908可被探测模块，910高度集成单芯片无源标签，909天线，905云台，854水平舵机，855俯仰舵机，851支撑轴，850陶瓷天线，852信号隔离板，912过孔。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明提出的可被探测模块与主动寻向定位模块如图1-2所示，由可被探测模块908和主动寻向定位模块920两部分组成。可被探测模块908由高度集成单芯片无源标签910电连接天线909组成；主动寻向定位装置920，以核心控制单元900为核心，分别电连接人机交互单元901、SOS报警交互单元902、电池保护单元903、综合探测单元904、云台905、网状网传输单元906及探测天线907。
核心控制单元900由STM32F407单片机+NRF52832射频单片机组成或其他CPU、DSP、单片机或ARM。
电池保护单元903由锰酸锂电芯电连接双重保护板组成(用于煤矿场合)；用在非煤矿场合时，电芯可用三元锂或钴酸锂电芯，保护板可用单重保护。保护板具有限流、限压、过冲、过放保护功能。
网状网传输单元906由具有mesh组网功能的芯片或模块实现，可实现蓝牙MESH或WIFI mesh网状网，快速组网功能，可与其他具有mesh组网功能的产品进行快速网络拓展，实现求救信息网络快速拓展。
人机交互单元901包含按键和触摸屏，通过选择探测模式，如:雷达探测、搜索无源可被探测模块、红外探测。一种方式是通过广播探测信息，人员佩戴相关声光震应答设备发出声光，快速查找人员；一种是通过MESH组网与待救人员佩戴的定位卡能交互的设备进行互动，一种是待测无源标签，每个人携带的可被探测模块提前编入人员信息及唯一识别码，当主动寻向定位模块920发射广播探测时，被探测到可被探测模块将提前预置的信息返回给主动寻向定位模块920，进一步通过调节发射功率确定被救人员位置，实现快速求助。
SOS报警交互单元902包含蜂鸣器和发光二极管，当识别到求救信息时，指示灯及声音提示是否探测到信息。
综合探测单元904由雷达生命探测仪、热释电红外探测仪及声音频段探测仪组成，具有雷达生命探测、热释电红外探测及声音频段探测功能。这样在不同场合可以实现多种探测方法，进行人员快速定位。当被救人员佩戴有电装置时，可探测有源设备；当佩戴设备无电情况下，通过探测可被探测模块908实现人员搜救定位，因为可被探测模块908无需供电且体积尺寸小，便于嵌入和携带。
云台905包括支撑轴851、水平舵机854和俯仰舵机855。支撑轴851竖向固定，水平舵机854连接在支撑轴851的顶部，用于在水平方向上旋转；俯仰舵机855连接水平舵机854，并固定在支撑轴851的垂直方向，用于在竖直方向上旋转并跟随所述水平舵机854的旋转而旋转。水平舵机854和俯仰舵机855连接核心控制单元900，核心控制单元900用于控制水平舵机854和俯仰舵机855的动作，可以在软件上实现水平旋转角度和俯仰旋转角度的高精度识别；探测天线907固定在俯仰舵机855的输出轴上。
探测天线907主要包括固定轴及其连接的信号隔离板852及陶瓷天线850，固定轴的另一端连接俯仰舵机855的输出轴，信号隔离板852用于将3组陶瓷天线850按360度平面均分3个信号隔离扇区，信号隔离板852带屏蔽涂层，每个扇区120度，避免发射接收天线之间干扰，主要用于确定待救人员或待寻装置的方位，陶瓷天线850用于将无缘探测信息发射出去。结构顶视图如图4所示。
在本发明的另一个实施例中，云台905中的水平舵机854可以替换为水平旋转电机，俯仰舵机855可以替换为旋转俯仰电机，结合角度传感器实现反馈达到控制旋转和俯仰角度。角度传感器为2个，其中一个固定在水平旋转电机的输出轴上，另一个固定在俯仰旋转电机的输出轴上。
可被探测模块908由高度集成单芯片无源标签910电连接天线909组成。高度集成单芯片无源标签910采用意联科技Higgs IC系列无源RFID芯片或其他厂家无源RFID芯片，利用RFID UHF频段，通过绑定加工工艺绑定在PCB天线板上或软PCB天线上。其中，天线909采用PCB天线或PCB软排线，也可以用定向和全向天线。
可被探测模块908设计如图5所示。通过设计天线909到软排线或者PCB板上，在PCB板上通过增加多个过孔912，可提高信号接收方向的灵敏度。高度集成单芯片无源标签910通过绑定工艺将晶元直接绑定在PCB板上。此模块可嵌入到任何产品中，且无需供电，可预先将人员信息写入到模块的存储器内，当主动寻向定位模块920探测时，可将预制身份相关信息传出。
方向定位功能使用方法如下：
动态旋转探测：通过水平旋转，让三个方向的陶瓷天线按一定速度旋转，通过角度传感器853，在液晶屏上显示三个方向天线检测到可被探测模块908的能量大小和灵敏度大小，结合位置传感器、角度传感器计算出相对位置坐标，进行定向。
静态不旋转：将探测器水平放置，接收各个方向可被探测模块的信息、能量。通过返回可被探测模块908能量rssi值和单位时间读取次数的灵敏度，判断哪个方向探测信号最强，判定是哪个探测器探测到的方向数据，进一步确定方向。
主动寻向定位方法：由于无源被探测模块接收能量的边界范围明显，当不同功率探测时，返回的RSSI信号强度稳定，根据这一特性，在开机后通过发射器发射功率逐级递增，也就是将探测区域逐级扩大，当有可被探测模块返回rssi信息以及接收信息，通过调整天线方向，可快速锁定发射位置，并进行方向定位，人员根据方向携带主动寻向定位装置，根据接收信息强弱和灵敏度判定的方向接近待救无源信息模块进而找到待救人员。
通过动态旋转探测与静态不旋转探测实现有源探测。
工作原理：当事故发生时，救援人员可携带主动寻向定位装置，通过寻向功能查找待救人员距离和方位及反馈信息，通过调节探测区间，逐级缩小搜索范围，实现对被救人员的精准定位。由于可被探测模块无需供电，且抗干扰强，适合复杂环境使用，实现了主动无电救援探测；通过云台寻向功能实现了人员方向的快速定位；通过预先写入的人员数据库信息，可快速识别探测区域人员数量及人员信息，并及时将人员信息发送给探测器，实现人员的快速搜救，提高救援效率。

Claims (9)

1.一种可被探测与主动寻向定位系统，其特征在于，包括井下作业人员携带的可被探测模块和救援人员使用并用于查找所述可被探测模块的主动寻向定位模块；
所述可被探测模块包括无源标签和天线，所述无源标签和天线布置在PCB板上，编入对应人员信息及唯一识别码；
所述主动寻向定位模块包括核心控制单元及其连接的人机交互单元、SOS报警交互单元、电池保护单元和探测天线；所述电池保护单元连接所述核心控制单元、人机交互单元、SOS报警交互单元、网状网传输单元、云台和综合探测单元，用于提供工作电源；所述人机交互单元用于接收人为操作信息和信息显示；所述探测天线用于探测所述可被探测模块，在探测到所述可被探测模块时接收所述人员信息及唯一识别码；所述SOS报警交互单元用于在识别到所述可被探测模块时发出提示；所述核心控制单元用于控制其他单元和探测天线工作。
2.根据权利要求1所述的可被探测与主动寻向定位系统，其特征在于，所述PCB板上设有若干个过孔。
3.根据权利要求1所述的可被探测与主动寻向定位系统，其特征在于，所述SOS报警交互单元包括蜂鸣器和/或发光二极管。
4.根据权利要求1所述的可被探测与主动寻向定位系统，其特征在于，所述人机交互单元包括按键和触摸屏。
5.根据权利要求1所述的可被探测与主动寻向定位系统，其特征在于，还包括网状网传输单元和/或综合探测单元；
所述网状网传输单元连接所述核心控制单元，用于与其他具有mesh组网功能的产品组成蓝牙mesh或WIFI mesh网状网；所述系统还包括井下作业人员携带的声光震应答设备，用于与所述网状网传输单元组网，在接收广播探测信息时发出声光；
所述综合探测单元连接所述核心控制单元，包括雷达生命探测仪、热释电红外探测仪、声音频段探测仪及UWB定位模块；所述系统还包括井下作业人员携带的定位卡，用于与所述综合探测单元进行交互。
6.根据权利要求1所述的可被探测与主动寻向定位系统，其特征在于，所述探测天线包括固定轴及其连接的三个屏蔽板，还包括三个陶瓷天线；所述三个屏蔽板在平面上均分为三个信号隔离扇区，每个信号隔离扇区内设置一个陶瓷天线，所述陶瓷天线均连接所述探测天线。
7.根据权利要求6所述的可被探测与主动寻向定位系统，其特征在于，所述系统还包括云台，所述云台包括支撑轴、水平舵机和俯仰舵机；所述支撑轴竖向固定；所述水平舵机连接在所述支撑轴的顶部，用于在水平方向上旋转；所述俯仰舵机连接水平舵机，并固定在所述支撑轴的垂直方向，用于在竖直方向上旋转并跟随所述水平舵机的旋转而旋转；所述水平舵机和俯仰舵机连接所述核心控制单元，所述核心控制单元用于控制所述水平舵机和俯仰舵机的动作；所述探测天线固定在俯仰舵机的输出轴上。
8.一种可被探测与主动寻向定位方法，其特征在于，井下作业人员携带可被探测模块，在救援时执行以下步骤：
主动寻向定位模块在某一方向上以初始发射功率探测所述被探测模块；
在没有探测到被探测模块的情况下，逐级增加发射功率进行探测；
当探测到可被探测模块时，通过SOS报警交互单元发出提示，返回RSSI信号强度信息以及接收所述人员信息及唯一识别码；
当发射功率增加至最大功率时仍没有探测到可被探测模块时，调整探测方向继续探测。
9.根据权利要求8所述的可被探测与主动寻向定位方法，其特征在于，在开始救援时，还包括：
通过人机交互单元接收模式选择信息，根据所述模式选择信息执行对应的工作模式；
所述工作模式包括：权利要求8所述的步骤，和/或，通过网状网传输单元与其他具有mesh组网功能的产品组成蓝牙mesh或WIFI mesh网状网，和/或，通过综合探测单元与井下作业人员携带的定位卡进行交互。
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