CN114111777A - 一种基于头部姿态监测的井下人员状态感知系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于头部姿态监测的井下人员状态感知系统，用于实时监测煤矿井下等工作现场人员疲劳状态。系统包括系统主要包括惯性测量单元、数据处理单元、声光预警单元、无线通信单元等；所述系统通过安装在安全帽上的惯性测量单元采集头部姿态相关的惯性数据，通过数据处理单元处理数据得到人员疲劳状态，当满足条件则进行预警。由于煤矿井下等工作现场必须佩带安全帽，所以本发明可实现对人员状态的无死角全面感知检测；本发明具有易于实施、安全性好、准确可靠等特点和优点，可广泛应用于矿山、基建、交通等行业的安全生产监控领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于头部姿态监测的井下人员状态感知系统，，该方法涉及九轴传感器信息采集、姿态融合和疲劳检测等领域。
背景技术
煤炭是我国的重要能源，煤炭生产过程中的伤亡事故时有发生。煤矿井下是相对昏暗与密闭的环境，当矿工在井下长时间作业后，会有头脑昏沉，注意力不集中，反应迟钝等症状，这就会导致在操作中出不安全行为，引发人为生产事故。
为了降低此类生产环境因疲劳发生事故的概率，对工作人员的疲劳检测也逐渐成为安全生产防控的关注重点之一。当前对于人的疲劳检测有通过生理信号检测，该检测方法需要通过接触人体提取生理信号特征，因此泛用性不广，还有通过眼睛状态进行疲劳监测，比如通过眨眼频率的变化、两次眨眼之间的时间间隔、瞳孔直径等眼部动作来进行判断，由卡内基隆提出的PERCLOS判定准则，根据在一个单位时间内眼睛闭合70％时所占时间的比例来设置的判定标准，该方法作为当前主流的眼部动作判定方法，在众多领域的疲劳检测中都被广泛使用，但该方法需要通过摄像头获取视频图像，在井下等光照环境复杂，且存在佩戴安全帽等遮挡物的条件下，难以实施通过眼部特征进行疲劳检测的方法，且无法保证检测的准确率。
鉴于上述方法存在的问题，需要一种适合煤矿井下等特定生产环境，易于实施，且准确率高的人员状态感知方法与系统，可准确感知机车司机等生产工作人员的疲劳状态，及时预警与报警，保证生产安全，预防因疲劳工作所导致的人为生产事故的发生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于头部姿态监测的井下人员状态感知系统，在矿工的安全帽上安装惯性测量单元，通过惯性测量单元采集角速度、加速度、磁场强度得到头部的转动的角度与幅度，对数据进行处理，判断作业人员是否处于疲劳状态，若处于疲劳状态便发出警报，提醒井下人员及时停止作业，以达到预防因疲劳工作所导致的人为生产事故的发生的目的。系统包括惯性测量单元、数据处理单元、声光预警单元、无线通信单元、通信网络、监控终端；所述惯性测量单元、数据处理单元和声光预警单元安装于井下人员佩戴的安全帽上；无线通信单元由井下人员随身佩戴，通过通信线缆连接数据处理单元；所述惯性测量单元采用九轴传感器，用于采集井下人员头部的九轴数据；所述九轴传感器包含三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计，所述九轴数据包括，三轴加速度ax,ay,az、三轴角速度rx,ry,rz、三轴磁强度mx,my,mz；所述声光预警单元用于发送疲劳声光预警信号；所述无线通信单元用于发送疲劳预警信号；所述数据处理单元用于处理头部姿态角数据，当监测到头部姿态角数据异常且并持续设定时间时，则判断为疲劳状态，控制声光预警单元发送疲劳声光预警信号，并控制无线通信单元通过通信网络向监控终端发送疲劳预警信号；所述监控终端负责显示所有井下人员的姿态信息，显示疲劳预警信号；所述井下人员状态感知系统工作过程为：
(1)惯性测量单元以固定采样频率对井下人员头部的九轴数据进行采集；
(2)数据处理单元采集接收惯性测量单元采集的九轴数据传输；
(3)微处理单元对的九轴数据进行互补滤波融合，得到全姿态四元数；
(4)微处理单元处理全姿态四元数得到头部姿态角数据，包括头部航向角
俯仰角θ和横滚角γ；
(5)微处理单元对头部姿态角数据进行处理和判定，当满足疲劳状态设定条件，则继续执行步骤(6)；如不满足条件则返回执行步骤(1)；
(6)微处理单元控制声光预警单元发送疲劳声光预警信号；
(7)微处理单元控制无线通信单元通过通信网络向监控终端发送疲劳预警信号；
(8)监控终端显示疲劳预警信号。
1.所述井下人员状态感知系统进一步包括：所述三轴加速度与三轴角速度用于计算头部在固定坐标系下的头部偏移程度与速率，所述头部偏移程度与速率用于计算头部偏移角度数据；所述三轴磁强度用于确定头部航向角，并用于对陀螺仪长时间工作出现的零点漂移进行修正。
2.所述井下人员状态感知系统进一步包括：所述井下人员状态感知系统工作过程中的步骤(3)得到全姿态四元数的具体方法为：
(1)已知
表示从地理坐标系n系转换为机体坐标系b系的转换矩阵，用三轴加速度计测得的ax,ay,az值进行向量积计算对
进行修正，得到误差[ex1,ey1,ez1]T；
(2)利用三轴磁传感器测得的mx,my,mz值进行向量乘积后得到误差[ex2,ey2,ez2]T；
(3)将[ex1,ey1,ez1]T和[ex2,ey2,ez2]T叠加得到融合误差e，并对陀螺仪的角度误差δ进行修正，其关系式为：δ＝Kpe+KI∫e，其中Kp、KI为常数，可根据实际情况更改；
(4)将角度误差δ与角速度矩阵[rx,ry,rz]T进行累加补偿来对角速度进行更新，最后将陀螺仪更新后的角速度与初始姿态四元数进行关系运算后得到全姿态四元数。
3.所述井下人员状态感知系统进一步包括：所述井下人员状态感知系统工作过程中的步骤(4)具体方法包括：
(1)通过分解四元数法，对加速度与磁强度处理得到静态的四元数，对角速度积分得到动态四元数；
(2)将动态、静态四元数融合并转换为欧拉角；
(3)将上一步得到的欧拉角进行分解再合成，消除静态姿态误差，得到各个轴上的方向角四元数qθ,qγ,
合成公式如下：
(4)通过四元数乘法对各个方向上的分量进行合成，得到合成全姿态四元数qm＝[q0,q1,q2,q3]T，
(5)对合成全姿态四元数分解求得各个轴上的头部姿态角数据，包括航向角
俯仰角θ和横滚角γ，方法如下：
4.所述井下人员状态感知系统进一步包括：所述井下人员状态感知系统工作过程中的步骤(5)中判定疲劳状态的设定条件为，fNod＞FN，式中FN为设定阈值，fNod为点头频率，
KNod为时间T内的点头次数，NT为时间T内传感器采样次数。所述点头次数KNod的判定条件为|θ|≥26.0°或|γ|≥15.4°。
本发明到达的有益效果：本发明无需安装摄像机设备，通过安装在安全帽上的惯性测量单元采集角速度、加速度、磁场强度数据，直接获取数据，数据可靠；本发明采用静态数据、动态数据、累加补偿等多种处理方法，处理得到头部的转动的角度与幅度数据完整而准确；由于煤矿井下等工作现场必须佩带安全帽，所以本发明可实现对人员状态的无死角全面感知检测；本发明具有易于实施、安全性好、准确可靠等特点和优点，可广泛应用于矿山、基建、交通等行业的安全生产监控领域。
附图说明
图1一种基于头部姿态监测的井下人员状态感知系统部署示意图。
图2一种基于头部姿态监测的井下人员状态感知系统的前端设备结构示意图。
图3九轴传感器安装方向及头部姿态角示意图。
图4一种基于头部姿态监测的井下人员状态感知系统工作流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明具体实施例和本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅为本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
所述一种基于头部姿态监测的井下人员状态感知系统组成和实施部署如图1，包括：
1.数据处理单元(101)，安装在安全帽上，用于处理头部姿态角数据，控制声光预警单元发送疲劳声光预警信号，并控制无线通信单元通过通信网络向监控终端发送疲劳预警信号。具体元件在本文图2说明中阐述。
2.惯性测量单元(102)，用于采集井下人员头部姿态数据，安装在安全帽上，具体元件和安装方法在本文图2和图3说明中阐述。
3.无线通信单元(103)，不安装在安全帽上，由井下人员随身佩戴，用于通过无线方式发送疲劳预警信号。
4.声光预警单元(104)，用于发送疲劳声光预警信号，可安装在安全帽上也可由井下人员随身佩戴，本实施示例由井下人员随身佩戴。
5.无线接入设备(105)，是通信网络中负责无线通信接入的设备，在本示例中主要负责与无线通信单元的无线接入，通过通信线缆与井下交换机连接通信。
6.井下交换机(106)，是通信网络的井下交换设备，负责通信网络中井下设备的数据交换，部署在井下。
7.核心交换机(107)，是通信网络的核心交换设备，负责通信网络中所有设备的数据交换，部署在井上。
8.监控终端(106)，负责监控终端负责显示所有井下人员的姿态信息，显示疲劳预警信号，为系统使用人员提供人机管理界面和接口，部署在监控中心。
所述一种基于头部姿态监测的井下人员状态感知系统的前端设备结构如图2所示，所述前端设备可集成在矿灯中，其中数据处理单元(101)和惯性测量单元(102)可集成在矿灯的灯头部分，无线通信单元(103)、声光预警单元(104)和电源(201)可集成在矿灯的电源部分，前端设备具体包括：
1.数据处理单元(101)，选择TI公司的MSP430F147单片机，该型号为16位RISC结构，具有32k Flash，1kRAM。MSP430可在1.8～3.6V电压下工作，内置两路USART接口，一路用于与无线通信单元(103)进行通信，通过两个I/O口模拟I2C接口与惯性测量单元(102)进行通信
2.惯性测量单元(102)，采用GY-BNO055九轴姿态传感器模块，核心芯片为BOSCH公司的BNO055，集合多种传感器包括：3轴12-bit加速度传感器，3轴地磁传感器和3轴16-bit陀螺仪，模块通过I2C接口与数据处理单元(101)进行通信。
3.无线通信单元(103)，可采用Wifi、Zigbee、WSN通信模块或2G、3G、4G、5G移动通信模块，本实施示例采用Wifi通信模块，通过USART接口与数据处理单元(101)通信。
4.声光预警单元(104)，采用LED发送光信号，采用蜂鸣器发送声音信号，也可加振动马达用于发送振动报警信号。
5.电源(201)包括电池，电源转换电路和电池充电电路。
九轴传感器安装方向及头部姿态角实施示例如图3所示，九轴传感器的Y轴垂直于安全帽朝上，X轴水平朝安全帽左侧，Z轴朝向安全帽正前方；航向角
为绕Y轴的转动角度，俯仰角θ为绕X轴的转动角度，横滚角γ为绕Z轴的转动角度。
所述一种基于头部姿态监测的井下人员状态感知系统工作流程如图4所示，包括：
1.(401)惯性测量单元以固定采样频率对井下人员头部的九轴数据进行采集，包括三轴加速度ax,ay,az、三轴角速度rx,ry,rz、三轴磁强度mx,my,mz。
2.(402)数据处理单元采集接收惯性测量单元采集的九轴数据，本实施示例采用I2C接口进行数据传输。
3.(403)微处理单元对的九轴数据进行互补滤波融合，得到全姿态四元数，具体包括以下步骤：
(1)将加速度计测量值转化为单位向量，得到重力向量gn＝[0 0 1]T
(2)用已知的从地理坐标系n系转换为机体坐标系b系的转换矩阵
对gn进行转换，转换后的值为gb＝[vx,vy,vz]T。
(3)ab为经转换矩阵
转换后的加速度值，将ab与gb进行向量积计算，得到误差[ex1,ey1,ez1]T，通过该误差对由b系到n系的转换矩阵
进行修正。
(4)已知磁强计在b系中的输出为mb＝[mx,my,mz]T，经过
矩阵转换后得到mn＝[hx,hy,hz]T。在地理坐标系中让x轴对准北边获得一个地磁向量[bx 0 bz]T，其中
bz＝hz。
(5)将地磁向量经过
转换后得到向量[wx,wy,wz]T，将向量[wx,wy,wz]T与[mx,my,mz]T进行向量积计算，得到误差[ex2,ey2,ez2]T。
(6)将两次计算的误差[ex1,ey1,ez1]T与[ex2,ey2,ez2]T叠加得到融合误差e，并通过该e对陀螺仪进行修正来得到最终的姿态四元数。
(7)通过误差e对陀螺仪进行修正，并更新姿态四元数。通过加速度计与磁力计进行积分与叠加，可以获得角度误差δ，角度误差可由e组成，其关系式为：δ＝Kpe+KI∫e其中Kp、KI为常数，可根据实际情况更改，同时对陀螺仪测得的角速度ωg＝[rx,ry,rz]T进行修正，可得：ω＝ωg+δ。再利用一阶龙格库塔法求解微分方程，方法公式如下：
根据该方法最后进行四元数矩阵微分方程求解，用公式表示为：
将更新后的四元数规范化，得到新的全姿态四元数。
4.(404)微处理单元处理全姿态四元数得到头部姿态角数据，包括头部航向角
俯仰角θ和横滚角γ，具体包括以下步骤：
(1)通过分解四元数法，对加速度与磁强度处理得到静态的四元数，对角速度积分得到动态四元数；
(2)将动态、静态四元数融合并转换为欧拉角；
(3)将上一步得到的欧拉角进行分解再合成，消除静态姿态误差，得到各个轴上的方向角四元数qθ,qγ,
合成公式如下：
(4)通过四元数乘法对各个方向上的分量进行合成，得到合成全姿态四元数qm＝[q0,q1,q2,q3]T，
(5)对合成全姿态四元数分解求得各个轴上的头部姿态角数据，包括航向角
俯仰角θ和横滚角γ，方法如下：
5.(405)微处理单元对头部姿态角数据进行处理和判定，当满足疲劳状态设定条件，则继续执行步骤(406)；如不满足条件则返回执行步骤(401)。判定疲劳状态的设定条件为，fNod＞FN，式中FN为设定阈值，fNod为点头频率，
KNod为时间T内的点头次数，NT为时间T内传感器采样次数。所述点头次数的判定条件为或。
6.(406)微处理单元控制声光预警单元发送疲劳声光预警信号。
7.(407)微处理单元控制无线通信单元通过通信网络向监控终端发送疲劳预警信号。
8.(408)监控终端显示疲劳预警信号。
Claims (6)
1.一种基于头部姿态监测的井下人员状态感知系统，其特征在于：系统包括惯性测量单元、数据处理单元、声光预警单元、无线通信单元、通信网络、监控终端；所述惯性测量单元、数据处理单元和声光预警单元安装于井下人员佩戴的安全帽上；无线通信单元由井下人员随身佩戴，通过通信线缆连接数据处理单元；所述惯性测量单元采用九轴传感器，用于采集井下人员头部的九轴数据；所述九轴传感器包含三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计，所述九轴数据包括，三轴加速度ax,ay,az、三轴角速度rx,ry,rz、三轴磁强度mx,my,mz；所述声光预警单元用于发送疲劳声光预警信号；所述无线通信单元用于发送疲劳预警信号；所述数据处理单元用于处理头部姿态角数据，当监测到头部姿态角数据异常且并持续设定时间时，则判断为疲劳状态，控制声光预警单元发送疲劳声光预警信号，并控制无线通信单元通过通信网络向监控终端发送疲劳预警信号；所述监控终端负责显示所有井下人员的姿态信息，显示疲劳预警信号；所述井下人员状态感知系统工作过程为：
(1)惯性测量单元以固定采样频率对井下人员头部的九轴数据进行采集；
(2)数据处理单元采集接收惯性测量单元采集的九轴数据传输；
(3)微处理单元对的九轴数据进行互补滤波融合，得到全姿态四元数；
(4)微处理单元处理全姿态四元数得到头部姿态角数据，包括头部航向角
俯仰角θ和横滚角γ；
(5)微处理单元对头部姿态角数据进行处理和判定，当满足疲劳状态设定条件，则继续执行步骤(6)；如不满足条件则返回执行步骤(1)；
(6)微处理单元控制声光预警单元发送疲劳声光预警信号；
(7)微处理单元控制无线通信单元通过通信网络向监控终端发送疲劳预警信号；
(8)监控终端显示疲劳预警信号。
2.如权利要求1所述的井下人员状态感知系统，其特征在于：所述三轴加速度与三轴角速度用于计算头部在固定坐标系下的头部偏移程度与速率，所述头部偏移程度与速率用于计算头部偏移角度数据；所述三轴磁强度用于确定头部航向角，并用于对陀螺仪长时间工作出现的零点漂移进行修正。
3.如权利要求1所述的井下人员状态感知系统，其特征在于：所述井下人员状态感知系统工作过程步骤(3)得到全姿态四元数的具体方法为：
(1)已知
表示从地理坐标系n系转换为机体坐标系b系的转换矩阵，用三轴加速度计测得的ax,ay,az值进行向量积计算对
进行修正，得到误差[ex1,ey1,ez1]T；
(2)利用三轴磁传感器测得的mx,my,mz值进行向量乘积后得到误差[ex2,ey2,ez2]T；
(3)将[ex1,ey1,ez1]T和[ex2,ey2,ez2]T叠加得到融合误差e，并对陀螺仪的角度误差δ进行修正，其关系式为：δ＝Kpe+KI∫e，其中Kp、KI为常数，可根据实际情况更改；
(4)将角度误差δ与角速度矩阵[rx,ry,rz]T进行累加补偿来对角速度进行更新，最后将陀螺仪更新后的角速度与初始姿态四元数进行关系运算后得到全姿态四元数。
4.如权利要求1所述的井下人员状态感知系统，其特征在于：所述井下人员状态感知系统工作过程步骤(4)具体方法包括：
(1)通过分解四元数法，对加速度与磁强度处理得到静态的四元数，对角速度积分得到动态四元数；
(2)将动态、静态四元数融合并转换为欧拉角；
(3)将上一步得到的欧拉角进行分解再合成，消除静态姿态误差，得到各个轴上的方向角四元数qθ,qγ,
合成公式如下：
(4)通过四元数乘法对各个方向上的分量进行合成，得到合成全姿态四元数qm＝[q0,q1,q2,q3]T，
(5)对合成全姿态四元数分解求得各个轴上的头部姿态角数据，包括航向角
俯仰角θ和横滚角γ，方法如下：
5.如权利要求1所述的井下人员状态感知系统，其特征在于：所述井下人员状态感知系统工作过程步骤(5)中判定疲劳状态的设定条件为，fNod＞FN，式中FN为设定阈值，fNod为点头频率，
KNod为时间T内的点头次数，NT为时间T内传感器采样次数。
6.如权利要求5所述的井下人员状态感知系统，其特征在于：所述点头次数KNod的判定条件为|θ|≥26.0°或|γ|≥15.4°。
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Application publication date: 20220301 |