CN115426001A - 携带式移动低频透地应急通讯装置及其使用方法 - Google Patents

携带式移动低频透地应急通讯装置及其使用方法 Download PDF

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CN115426001A CN202211104305.8A CN202211104305A CN115426001A CN 115426001 A CN115426001 A CN 115426001A CN 202211104305 A CN202211104305 A CN 202211104305A CN 115426001 A CN115426001 A CN 115426001A
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杨绍国
纪欣
唐宇果
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Abstract

本发明属于通信技术领域，具体涉及了一种携带式移动低频透地应急通讯装置及其使用方法，旨在解决传统的移动透地通信装置通信距离较短、不得不增加固定通信装置的密集度的问题。本发明包括：外壳1、自对准天线组2、高精度磁传感器3、主控制器4和蓄电池5，其中所述自对准天线组2，配置为设置于第一空间101中的，可改变朝向的天线组，通过高精度磁传感器3和主控制器4实现使自对准天线组2时刻指向选定的固定通信基站，进而实现远距离通讯，更可进一步增加固定通信基站的间隔，降低布设成本。本发明通过设置自对准天线组时刻对准选定的固定通信基站，利用了机械磁天线在不同方向上的有效传输距离不同，可实现移动设备更远距离的通信。

Description

携带式移动低频透地应急通讯装置及其使用方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及了一种携带式移动低频透地应急通讯装置及其使用方法。
背景技术
现有的矿井下通信方式通常采用基于磁感应的通信设备，基于磁感应通信的主要方式有中频感应通信、动力线载波通信、矿用小灵通无线通信、VHF漏泄通信、小区蜂窝移动通信以及低频透地通信等，传统通信系统借助于专有的通信线路或已有的动力线以及使用无线信道等线路作为通信链路。
采用基于电流场发生磁感应的低频电磁波透地通信系统，能够利用旋转磁机械天线产生低频电磁波信号，可以穿透大型障碍物，在恶劣的环境中能够实现较好的通信效果。
透地通信系统是基于低频透地通信技术的通信系统，不需要缆线就能以大地为介质收发电磁波信号。现有的磁感应法因信号频率低，发射天线所需的尺寸也相应巨大。透地通信系统需要预先埋地安装占地巨大的环形天线进行发射源，无法将其安装于工作面，在井下人员被困于地下时，往往只有信号接收方法而没有信号发射的手段。
本发明采用了新型的机械天线技术，用尺寸小的天线即可发射低频交变磁场信号，便用于矿井工作人员的携带和应急使用，可在发生矿难被困时保障双向通信的畅通。更进一步的，传统的低频交变磁场信号在天线的不同方向上的传输距离存在很大区别，矿井工作人员无法针对通讯目标调整通讯设备的朝向，使得传统的地下通讯设备必须密集地设置固定通讯设备才能保障通讯。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即传统的移动透地通信装置通信距离较短、不得不增加固定通信装置的密集度的问题，本发明提供了一种携带式移动低频透地应急通讯装置，所述应急通讯装置包括：外壳1、自对准天线组2、高精度磁传感器3、主控制器4和蓄电池5；
所述外壳1，配置为覆盖于所述应急通讯装置最外层的保护外壳，并将外壳内部空间分隔为第一空间101、第二空间102和第三空间103；
所述自对准天线组2，配置为设置于第一空间101中的，可改变朝向的天线组；
所述高精度磁传感器3，配置为设置于第二空间102中的，可获取信号方向的磁传感器；
所述主控制器4，设置于第三空间103中，用于控制所述自对准天线组2的朝向和发射信息；
所述蓄电池5，用于对自对准天线组2、高精度磁传感器3和主控制器供电。
在一些优选的实施方式中，所述自对准天线组2，具体包括：
天线保护壳201，配置为空心圆柱形保护壳，用于对发射天线204提供保护和连接控制朝向的组件；
转向圆环202，配置为直径大于所述天线保护壳201且小于第一空间101边长的圆环导轨，用于控制发射天线204在水平方向上的转向；
旋转支撑杆203，配置为设置于所述天线保护壳201与转向圆环202之间的至少一端可旋转的支撑杆，所述旋转支撑杆203将所述天线保护壳201控制在转向圆环202的圆心；
发射天线204，配置为轴心处空心的圆柱形永磁体天线；
旋转电机205，配置为转速可控的电机，通过转轴206带动，实现对发射天线204的旋转控制；
天线保护壳201、发射天线204、旋转电机205和转轴206的轴心始终处于同一直线上。
在一些优选的实施方式中，所述发射天线204)，由过圆心的直线分割为两个半圆柱部分，第一半圆柱部分为S极，第二半圆柱部分为N极，圆柱轴心所在直线与旋转电机205)相反方向即为发射天线的朝向。
在一些优选的实施方式中，所述急通讯装置，还包括电能补充插槽6)，用于通过外接电源或发电装置对蓄电池5)进行充电。
在一些优选的实施方式中，所述急通讯装置，还包括手摇发电机组件7，配置为具有长、宽及边缘与所述外壳1一致的手摇发电机外壳701，手摇发电机外壳701的一端设置有与所述电能补充插口6尺寸一致的充电插口702，在充电插口702在手摇发电机外壳701的对面设置有手摇旋转把手703，手摇旋转把手703控制发电电路704产生电能向充电插口702输送电力。
在一些优选的实施方式中，可将所述外壳1替换为圆角外壳8或适宜手握持的外壳。
本发明的另一方面，提出了一种携带式移动低频透地应急通讯装置的使用方法，所述使用方法基于上述的携带式移动低频透地应急通讯装置实现，所述使用方法包括：
步骤S100，预先在地下埋入固定通信基站，所述固定通信基站持续向四周发送位置指示信号；
步骤S200，通过高精度磁传感器3接收所述位置指引信号；
步骤S300，基于所述位置指引信号，通过所述主控制器4分析选定的固定通信基站的相对角度和距离；
步骤S400，通过所述固定通信基站的相对角度和距离，确定自对准天线组2的朝向，使自对准天线组2对准固定通信基站；
步骤S500，通过自对准天线组2发射低频透地磁感应信号；
步骤S600，所述固定通信基站接收所述低频透地磁感应信号，并向地面通信基站或接力传播链条中的下一固定通信基站传输低频透地磁感应信号。
在一些优选的实施方式中，所述步骤S500，具体包括：
步骤S501，通过外置指令输入器将输入信号通过有线或无线的方式传输至所述控制器4；
步骤S502，所述控制器4将所述输入信号编码为转速控制信号并传输至所述自对准天线组2；
步骤S503，自对准天线组2中的旋转电机205根据所述转速控制信号控制发射天线204的转速，发出透地低频磁感应信号。
在一些优选的实施方式中，当所述应急通讯装置移动或改变位姿时，时刻通过位置指示信号改变自对准天线组2的朝向。
在一些优选的实施方式中，当所述应急通讯装置接收到多个位置指示信号时，可选择信号强度最高的位置指示信号或选择与当前应急通讯装置整体的朝向角度最小的位置指示信号对应的固定通信基站为选定的通信基站。
本发明的有益效果：(1)本发明通过设置自对准天线组时刻对准选定的固定通信基站，利用了机械磁天线在不同方向上的有效传输距离不同，可实现移动设备更远距离的通信，同时降低固定通信基站的布设密度。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明实施例中携带式移动低频透地应急通讯装置的结构示意图；
图2是本发明实施例中自对准天线组的结构示意图；
图3是本发明实施例中手摇发电机组件的结构示意图；
图4是本发明实施例中圆角外壳的结构示意图；
图5是本发明实施例中携带式移动低频透地应急通讯装置的使用方法的流程示意图；
图6是本发明实施例中携带式移动低频透地应急通讯装置对准的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本发明提供一种携带式移动低频透地应急通讯装置，本装置通过设置自对准天线组时刻对准选定的固定通信基站，利用了机械磁天线在不同方向上的有效传输距离不同，可实现移动设备更远距离的通信，同时降低固定通信基站的布设密度。
本发明的一种携带式移动低频透地应急通讯装置，包括：外壳1、自对准天线组2、高精度磁传感器3、主控制器4和蓄电池5；
所述外壳1，配置为覆盖于所述应急通讯装置最外层的保护外壳，并将外壳内部空间分隔为第一空间101、第二空间102和第三空间103；
所述自对准天线组2，配置为设置于第一空间101中的，可改变朝向的天线组；
所述高精度磁传感器3，配置为设置于第二空间102中的，可获取信号方向的磁传感器；
所述主控制器4，设置于第三空间103中，用于控制所述自对准天线组2的朝向和发射信息；
所述蓄电池5，用于对自对准天线组2、高精度磁传感器3和主控制器供电。
为了更清晰地对本发明携带式移动低频透地应急通讯装置进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各组件展开详述。
本发明第一实施例的携带式移动低频透地应急通讯装置，包括包括：外壳1、自对准天线组2、高精度磁传感器3、主控制器4和蓄电池5，各组件详细描述如下：
所述外壳1，配置为覆盖于所述应急通讯装置最外层的保护外壳，并将外壳内部空间分隔为第一空间101、第二空间102和第三空间103。
所述自对准天线组2，配置为设置于第一空间101中的，可改变朝向的天线组；
在本实施例中，所述自对准天线组2，如图2所示，具体包括：
天线保护壳201，配置为空心圆柱形保护壳，用于对发射天线204提供保护和连接控制朝向的组件；
转向圆环202，配置为直径大于所述天线保护壳201且小于第一空间101边长的圆环导轨，用于控制发射天线204在水平方向上的转向；
旋转支撑杆203，配置为设置于所述天线保护壳201与转向圆环202之间的至少一端可旋转的支撑杆，所述旋转支撑杆203将所述天线保护壳201控制在转向圆环202的圆心。
发射天线204，配置为轴心处空心的圆柱形永磁体天线；
在本实施例中，所述发射天线204，由过圆心的直线分割为两个半圆柱部分，第一半圆柱部分为S极，第二半圆柱部分为N极，圆柱轴心所在直线与旋转电机205相反方向即为发射天线的朝向；通过S极和N极在空间上的交替，可生成与转速相关的变化的磁场，以此携带信息，发射天线可选用半径为5cm，磁感应强度大于1T，长度为10cm，发射磁矩为M的铷铁硼永磁体实现，传统的地下移动通讯设备，因为无法实现天线的对准，时而在有效通信范围内时而又超出有效通信范围，进而导致通信断断续续或信号不佳。在天线朝向的方向能够实现天线侧方约两倍的传输距离。本实施例的天线可实现地层中传输1000m的通信，控制发射信号的频率在1-30Hz。
旋转电机205，配置为转速可控的电机，通过转轴206带动，实现对发射天线204的旋转控制；
天线保护壳201、发射天线204、旋转电机205和转轴206的轴心始终处于同一直线上。
所述高精度磁传感器3，配置为设置于第二空间102中的，可获取信号方向的磁传感器。
所述主控制器4，设置于第三空间103中，用于控制所述自对准天线组2的朝向和发射信息。
所述蓄电池5，用于对自对准天线组2、高精度磁传感器3和主控制器供电。
在本实施例中，所述急通讯装置，还包括电能补充插槽6，用于通过外接电源或发电装置对蓄电池5进行充电。
在本实施例中，所述急通讯装置，还包括手摇发电机组件7，如图3所示，配置为具有长、宽及边缘与所述外壳1一致的手摇发电机外壳701，手摇发电机外壳701的一端设置有与所述电能补充插口6尺寸一致的充电插口702，在充电插口702在手摇发电机外壳701的对面设置有手摇旋转把手703，手摇旋转把手703控制发电电路704产生电能向充电插口702输送电力。在受困状态下，无法回避电量不足的问题，对此通常可以采用通过外置手摇充电器的方式对通讯设备进行供电，而常规的通信设备在充电过程中难以保持最佳的信号发射朝向，所以难以进行边充电边保持良好的通信状态，而本申请由于设置了自动对准的天线组，即使改变整个装置的姿态都能保持准确的通信状态，提出的特有的手摇发电机组件7能够实现边充电边通信，更能进一步实现边移动边充电边通信。
本发明的第二实施例中，如图4所示，可将所述外壳1替换为圆角外壳8或适宜手握持的外壳。
本发明的第三实施例，公开了一种携带式移动低频透地应急通讯装置的使用方法，所述使用方法基于上述的携带式移动低频透地应急通讯装置实现，所述使用方法如图5所示包括：
步骤S100，预先在地下埋入固定通信基站，所述固定通信基站持续向四周发送位置指示信号。
步骤S200，通过高精度磁传感器3接收所述位置指引信号。
步骤S300，基于所述位置指引信号，通过所述主控制器4分析选定的固定通信基站的相对角度和距离。
步骤S400，通过所述固定通信基站的相对角度和距离，确定自对准天线组2的朝向，使自对准天线组2对准固定通信基站。
将自对准天线的朝向对准固定通信基站的原理如图6所示，具体为：采用的高精度磁传感器3选用分别设置于空间坐标系xyz轴方向的3个mems磁强计，表头可选用微电子磁场敏感铁镍板，以高精度磁传感器3的中心记录坐标为x1y1z1，x1y1z1的方向与空间坐标系xyz轴相同获取x1、y1和z1方向上的磁感应强度ex1、ey1和ez1；通过各方向上的磁感应强度衡量相对角度和距离；
以转向圆环202的初始位置的圆心记为x2y2z2，计算外环旋转角θ1为：
Figure BDA0003840838830000091
旋转支撑杆的旋转角θ2为：
Figure BDA0003840838830000092
当选定的固定通信基站的位置超出自对准天线组的朝向时，可将朝向的反方向对准选定的固定通信基站。本发明虽然坐标x1y1z1与x2y2z2存在一定的偏差，可能导致对准角度不够精确，可通过设置多个传感器并计算时差的方式进行朝向校正。但仅依据未校正的朝向角对准也能实现常规透地通信的两倍距离的准确通信。
步骤S500，通过自对准天线组2发射低频透地磁感应信号；
在本实施例中，所述步骤S500，具体包括：
步骤S501，通过外置指令输入器将输入信号通过有线或无线的方式传输至所述控制器4；
步骤S502，所述控制器4将所述输入信号编码为转速控制信号并传输至所述自对准天线组2；
步骤S503，自对准天线组2中的旋转电机205根据所述转速控制信号控制发射天线204的转速，发出透地低频磁感应信号。
步骤S600，所述固定通信基站接收所述低频透地磁感应信号，并向地面通信基站或接力传播链条中的下一固定通信基站传输低频透地磁感应信号。
在本实施例中，当所述应急通讯装置移动或改变位姿时，时刻通过位置指示信号改变自对准天线组2的朝向。
在本实施例中，当所述应急通讯装置接收到多个位置指示信号时，可选择信号强度最高的位置指示信号或选择与当前应急通讯装置整体的朝向角度最小的位置指示信号对应的固定通信基站为选定的通信基站。
上述实施例中虽然将各个步骤按照上述先后次序的方式进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本实施例的效果，不同的步骤之间不必按照这样的次序执行，其可以同时(并行)执行或以颠倒的次序执行，这些简单的变化都在本发明的保护范围之内。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种携带式移动低频透地应急通讯装置，其特征在于，所述应急通讯装置包括：外壳(1)、自对准天线组(2)、高精度磁传感器(3)、主控制器(4)和蓄电池(5)；
所述外壳(1)，配置为覆盖于所述应急通讯装置最外层的保护外壳，并将外壳内部空间分隔为第一空间(101)、第二空间(102)和第三空间(103)；
所述自对准天线组(2)，配置为设置于第一空间(101)中的，可改变朝向的天线组；
所述高精度磁传感器(3)，配置为设置于第二空间(102)中的，可获取信号方向的磁传感器；
所述主控制器(4)，设置于第三空间(103)中，用于控制所述自对准天线组(2)的朝向和发射信息；
所述蓄电池(5)，用于对自对准天线组(2)、高精度磁传感器(3)和主控制器供电。
2.根据权利要求1所述的携带式移动低频透地应急通讯装置，其特征在于，所述自对准天线组(2)，具体包括：
天线保护壳(201)，配置为空心圆柱形保护壳，用于对发射天线(204)提供保护和连接控制朝向的组件；
转向圆环(202)，配置为直径大于所述天线保护壳(201)且小于第一空间(101)边长的圆环导轨，用于控制发射天线(204)在水平方向上的转向；
旋转支撑杆(203)，配置为设置于所述天线保护壳(201)与转向圆环(202)之间的至少一端可旋转的支撑杆，所述旋转支撑杆(203)将所述天线保护壳(201)控制在转向圆环(202)的圆心；
发射天线(204)，配置为轴心处空心的圆柱形永磁体天线；
旋转电机(205)，配置为转速可控的电机，通过转轴(206)带动，实现对发射天线(204)的旋转控制；
天线保护壳(201)、发射天线(204)、旋转电机(205)和转轴(206)的轴心始终处于同一直线上。
3.根据权利要求2所述的携带式移动低频透地应急通讯装置，其特征在于，所述发射天线(204)，由过圆心的直线分割为两个半圆柱部分，第一半圆柱部分为S极，第二半圆柱部分为N极，圆柱轴心所在直线与旋转电机(205)相反方向即为发射天线的朝向。
4.根据权利要求1所述的携带式移动低频透地应急通讯装置，其特征在于，所述急通讯装置，还包括电能补充插槽(6)，用于通过外接电源或发电装置对蓄电池(5)进行充电。
5.根据权利要求4所述的携带式移动低频透地应急通讯装置，其特征在于，所述急通讯装置，还包括手摇发电机组件(7)，配置为具有长、宽及边缘与所述外壳(1)一致的手摇发电机外壳(701)，手摇发电机外壳(701)的一端设置有与所述电能补充插口(6)尺寸一致的充电插口(702)，在充电插口(702)在手摇发电机外壳(701)的对面设置有手摇旋转把手(703)，手摇旋转把手(703)控制发电电路(704)产生电能向充电插口(702)输送电力。
6.根据权利要求5所述的携带式移动低频透地应急通讯装置，其特征在于，可将所述外壳(1)替换为圆角外壳(8)或适宜手握持的外壳。
7.一种携带式移动低频透地应急通讯装置的使用方法，其特征在于，所述使用方法基于如权利要求1-6任一项所述的携带式移动低频透地应急通讯装置实现，所述使用方法包括：
步骤S100，预先在地下埋入固定通信基站，所述固定通信基站持续向四周发送位置指示信号；
步骤S200，通过高精度磁传感器(3)接收所述位置指引信号；
步骤S300，基于所述位置指引信号，通过所述主控制器(4)分析选定的固定通信基站的相对角度和距离；
步骤S400，通过所述固定通信基站的相对角度和距离，确定自对准天线组(2)的朝向，使自对准天线组(2)对准固定通信基站；
步骤S500，通过自对准天线组(2)发射低频透地磁感应信号；
步骤S600，所述固定通信基站接收所述低频透地磁感应信号，并向地面通信基站或接力传播链条中的下一固定通信基站传输低频透地磁感应信号。
8.根据权利要求7所述的携带式移动低频透地应急通讯装置的使用方法，其特征在于，所述步骤S500，具体包括：
步骤S501，通过外置指令输入器将输入信号通过有线或无线的方式传输至所述控制器(4)；
步骤S502，所述控制器(4)将所述输入信号编码为转速控制信号并传输至所述自对准天线组(2)；
步骤S503，自对准天线组(2)中的旋转电机(205)根据所述转速控制信号控制发射天线(204)的转速，发出透地低频磁感应信号。
9.根据权利要求7所述的携带式移动低频透地应急通讯装置的使用方法，其特征在于，当所述应急通讯装置移动或改变位姿时，时刻通过位置指示信号改变自对准天线组(2)的朝向。
10.根据权利要求7所述的携带式移动低频透地应急通讯装置的使用方法，其特征在于，当所述应急通讯装置接收到多个位置指示信号时，可选择信号强度最高的位置指示信号或选择与当前应急通讯装置整体的朝向角度最小的位置指示信号对应的固定通信基站为选定的通信基站。
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