CN204631242U

CN204631242U - 矿用井下机动车辆人员接近自动感知系统

Info

Publication number: CN204631242U
Application number: CN201520297910.0U
Authority: CN
Inventors: 刘小东; 吴玖阳; 翟佳丽; 袁博
Original assignee: WUXI JUNGONG INTELLIGENT ELECTRICAL CO Ltd
Current assignee: WUXI JUNGONG INTELLIGENT ELECTRICAL CO Ltd
Priority date: 2015-05-08
Filing date: 2015-05-08
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2025-05-08

Abstract

本实用新型涉及一种矿用井下机动车辆人员接近自动感知系统，包括：佩戴在人员身上的标签，以及安装在车辆上的基站、服务器、时间同步器、标签控制模块和车辆控制告警模块，所述服务器分别连接时间同步器、标签控制模块、车辆控制告警模块以及各基站；时间同步器通过线缆连接各基站，通过有线的方式实现基站间时间同步；标签控制模块通过无线数传的数据通道将服务器的控制信号下发到标签。基站通过无线收集标签定位信息，并将定位信息通过有线回传到服务器。本实用新型实现了车辆和人员之间的位置快速检测，并在车和人两端同时实现告警，并且可以实现快速停车。

Description

矿用井下机动车辆人员接近自动感知系统

技术领域

本实用新型涉及一种安全防护系统，具体是一种矿用井下机动车辆人员接近自动感知系统。

背景技术

煤矿的一些大型车辆，由于驾驶员在车辆中所处的位置，决定了其视线非常不佳，无法做有效的观测，容易对周边的工作人员产生挤压；另外一个方面，由于工作环境下的噪声/视线都不好，工作人员也无法有效地觉察到车辆的到来，而快速的避让。

现有技术中不论采用RFID技术还是雷达技术，在工作距离（需要不低于100米）、双向告警上均无法满足需要，且容易形成天线死角，产生漏读的现象。在煤矿工作面，由于工作环境所限，噪声干扰、视线差等环境因素，也极大影响其他一些技术的应用。目前，尚无一个较好的系统能解决此问题。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种矿用井下机动车辆和人员接近自动感知系统，通过无线测距定位来了解人和车的位置关系以实现防撞功能。

按照本实用新型提供的技术方案，所述的矿用井下机动车辆人员接近自动感知系统包括：佩戴在人员身上的标签，以及安装在车辆上的基站、服务器、时间同步器、标签控制模块和车辆控制告警模块，所述服务器分别连接时间同步器、标签控制模块、车辆控制告警模块以及各基站；时间同步器通过线缆连接各基站，通过有线的方式实现基站间时间同步；标签控制模块通过无线数传的数据通道将服务器的控制信号下发到标签；所述标签包括与标签MCU相连的无线定位模块、无线数传模块、告警模块以及电池，所述基站通过无线收集标签定位信息，并将定位信息通过有线回传到服务器；车辆控制告警模块接收来自服务器的控制信号，再向执行机构输出告警控制信号或停车控制信号。

所述时间同步器包括依次连接的通信接口、时间同步器MCU、信号源和放大器，时间同步器MCU先接收来自服务器的控制命令，决定是否启动信号源，产生固定频率的时钟信号，然后通过放大器放大，输出多个同步信号，用线缆传送到所有的基站；基站收到信号之后，整形处理，然后输入到与标签通信的无线定位模块。

所述时间同步器和基站之间的连接线缆的长度为固定值。

所述基站和标签中的无线定位模块采用UWB模块。

所述标签控制模块通过RS232接口接收来自服务器的控制信号，然后通过无线数传模块发送到标签。

本实用新型的优点是：本专利实现了车辆和人员之间的位置快速检测，并在车和人两端同时实现告警，车辆可以快速停车，人员也可以通过告警快速避让。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构框图。

图2是标签结构图。

图3是基站结构图。

图4是服务器功能模块图。

图5是标签控制模块结构图。

图6是时间同步器结构图。

图7是车辆控制告警模块结构图。

图8是TWR测距原理图。

图9是本实用新型的数据传输示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实用新型所述系统包括：标签1、基站2、服务器3、时间同步器4、标签控制模块5以及车辆控制告警模块6。所述服务器3分别连接时间同步器4、标签控制模块5、车辆控制告警模块6以及各基站2；时间同步器4通过线缆连接各基站2，通过有线的方式实现基站2间时间同步；标签控制模块5通过无线数传的数据通道将服务器3的控制信号下发到标签1。

所述标签1包括与标签MCU相连的无线定位模块、无线数传模块、告警模块以及电池。无线定位技术可以采用UWB（超宽带）技术，也可以是CSS 技术或高精度的WiFi 技术。以下实施例以UWB为例，无线数传技术以433MHz数传为例。

所述基站2通过无线收集标签1定位信息，并将定位信息通过有线回传到服务器3；服务器3进行标签位置计算及呈现、系统自检和设备管理、时间同步控制、告警信号控制及车辆控制，车辆控制告警模块6接收来自服务器3的控制信号，再向执行机构输出告警控制信号或停车控制信号。

以下分别介绍各组成部分。

1. 标签1是工人随身佩戴的设备，主要功能包括：测距定位功能、数传功能、声音告警功能。

如图2所示，标签1包括：与标签MCU相连的UWB模块、433MHz 数传模块、电池和告警模块。

标签的MCU（微控制器）：采用Cortex M3 的MCU 实现，管理标签的工作，主要是控制UWB 和数传功能；

UWB模块：主要是完成测距定位的功能；

433MHz 数传模块：实现接收来自服务器3的数据；

电池：采用高容量锂电池供电；

告警模块：采用声音报警的器件实现。

2. 基站2是安装在车辆上的设备，主要是实现标签1定位信息的收集功能，并将定位信息通过有线回传到服务器3。

如图3所示，基站2包括：与基站MCU相连的UWB模块、LAN接口。

基站MCU：实现对UWB的管理和控制，将UWB输出的数据通过有线转发到服务器；

LAN接口：局域网有线接口，支持10/100M bps 速率；

UWB模块：收集标签的定位数据。

图中的同步信号只是一个来自时间同步器4 的时间同步信息，以确保所有的基站时间一致。

3. 服务器3是系统的核心部分，主要包括4大功能模块，如图4所示。

3.1 位置计算及呈现。

系统建设的时候，需要根据车辆的实际情况和基站2的布设情况，先构建位置数据库。在基站2收到标签1的数据之后，开始计算，算出各个标签的最终位置，并实时呈现在显示屏上。

3.2 告警功能。

告警功能主要有三种：

1）将标签1的告警信号通过标签控制模块5 发送到标签1 ；

2）当有人进入危险区域的时候，控制声光报警；

3）当有人非常靠近的时候，启动车辆停止功能，在没有检测到系统安全的情况下，系统禁止车辆启动。

3.3 系统自检和设备管理。

系统自检主要是自动检测定位系统的所有设备工作是否正常，在不正常的情况下，系统提示告警，根据告警级别，决定是否启动车辆；

设备管理，主要是对这个系统所有的设备进行管理/配置/升级等功能。

3.4 时间同步控制。

在系统启动完成自检之后，控制时间同步启动，开始定位计算。

4. 时间同步器4通过有线的方式，实现基站2间时间同步。

如图6，时间同步器4包括依次连接的RS232通信接口、时间同步器MCU、信号源和放大器。时间同步器4先接收来自服务器3的控制命令，决定是否启动信号源，信号源通过放大器放大之后，输出多个同步信号，通过有线将同步信号传送到各个基站2上。

本实用新型采用有线时间同步，通过一个时间信号发生器，产生固定频率的时钟信号，然后通过放大器放大，用线缆传送到所有的基站，基站收到信号之后，整形处理，然后输入到自身UWB的射频模块，确保所有基站用相同的时间源，时间同步以后才能进行位置计算。

为了使系统安装更为简单，本系统中，时间同步器和基站的线缆的长度为固定值，保证时间同步器信号通过线缆传送到基站所用的时间相等。

5. 标签控制模块5主要是将服务器3测距协调的功能下发到标签1，通过无线数传模块的数据通道去实现下发的功能。

如图5，标签控制模块5包括与MCU相连的RS232接口和433MHz数传模块。标签控制模块5是无线传输控制通道，通过RS232接口接收来自服务器3的控制信号，然后通过433MHz 数传模块发送到标签1。

6. 车辆控制告警模块6实现车辆控制功能和告警控制的功能，当紧急情况下，服务器3将告警信号发出，通过车辆控制告警模块6实现声光告警，更为紧急情况下，实现停车功能。

如图7，车辆控制告警模块6通过RS232接口接收来自服务器3的控制信号，MCU再将控制信号输出到“告警控制”和“停车控制”执行机构上。

本实用新型中，标签1和基站2之间采用UWB模块进行数据传输和测距定位功能。在这个系统中，采用了IR-UWB 测距的功能，来计算标签1和某个特定基站2之间的距离，由于IR-UWB采用脉冲的方式，其测距的精准度非常高，采用TWR（Two way Range）的方式测距，精度达到10厘米以内，测距距离可以超过100米。确保系统应用的可用性。

关于TWR测距的方法，参考图8。

电磁波飞行时间 = （2T_RR-T_sp-2T_SR+T_RP+T_RF-T_SF）/4

两点之间距离= 光速* 电磁波飞行时间。

这样方法，可以消除由于测距两端的时间处理带来的误差，达到高精度测距。

在本实用新型中，采用了TDoA 和TWR 测距两种技术的融合。在采用TDoA 的方式实现定位，若要得到比较好的定位精度，基站必须位于四周，标签位于基站中间，才能用双曲线算法求解得到标签的位置。而采用TWR 测距的方式实现定位，标签需要和所有的基站完成测距，测距时间长，系统容纳的标签数量有限。通过这两种技术的融合，通过时间和距离的转化，解决了定位精度/基站架设/标签数量等多种问题的局限性。

本系统中，数据传输采用433MHz 的无线传输方式，实现从服务器3到标签1的数据和命令下发的功能。标签1的433MHz数传模块，只需要有接收功能，标签控制模块5只需要有发送功能，这样简化了系统的设计。标签1若有任何数据需要上传，可以通过UWB 在定位报文中直接上传。具体实现参考图9。即，系统中数据上传采用UWB 的方式，数据下行采用433MHz 的数传的方式，极大简化了系统的设计的复杂度，提高了系统的可靠性。

系统的具体实施，以下就两个方面进行说明：系统建设和定位。

一、系统建设分为系统安装和系统配置。

系统安装主要有两个方面，一个是车辆上设备的安装，一个是人和标签1的配对。除标签1外，所有的其他设备都是安装在车辆上。

安装在车辆上的设备中，基站2需要根据实际情况，分布在车辆四周，若可以，最好是所有基站2在同一个平面上。

系统配置包括：

1. Anchor 配置，主要是要配置基站的位置，特别是相对于车辆的具体位置，计算的精度和位置安装有非常大的相关性。其他就是网络参数的配置。

2. 标签配置，主要是和人进行关联，建立一一对应关系。

3. 系统告警区域配置，根据需要配置告警区域，系统可以配置多个等级，至少具有“非告警区域”/“黄色告警区域”/“红色告警区域”。对这些区域进行定义。当标签1 处于不同区域的时候，需要动态调整策略。

二、系统定位过程如下：

1 系统自检。

系统上电之后，系统开始自检。系统自检主要有下面几个方面：

1）服务器3 系统软件自检，配置确认是否正常；

2）基站自检是否正常，开启心跳并和服务器建立关联；

3）服务器2 向时间同步器4发送时间同步指令；

2 人车位置检测及车辆启动。

系统的时间同步开启之后，标签1 的位置可以被基站检测到，但服务器2 需要通过标签控制模块5 进行时隙分配，决定每个标签的工作时隙，及工作频率。然后服务器计算每个标签相对与车辆的位置。

若发现有人停留在红色告警区域，车辆将无法启动，除非人离开红色告警区域。在系统确认安全的情况下，指示灯会显示车辆可以启动。

3 系统动态定位。

后续的系统正常运行阶段，标签1 发送定位测距报文到基站2 ，服务器计算标签1 的位置，通过标签控制模块5动态调整标签1 的工作频率和时隙。当遇到紧急情况的时候，服务器通过车辆控制告警模块6 进行告警，包括：车身的三色灯告警，以及标签1 的蜂鸣器告警；当发现告警无效的时候，系统需要通过车辆控制告警模块6 自动停车。

以下再对系统的一些实施细节进行描述和分析。

1、有线时间同步。

由于系统的局限性，基站围绕车布置，没有任何一个基站能实现对所有基站的无线可视（中间都有阻挡），所以采用有线时间同步的方式，保证基站间时间的同步精度高于0.01ns。这样只会带来极小的距离误差，满足系统精度的要求。

2、高精度。

在本系统中，定位精度可以达到0.3 米以内。高精度主要是通过下面几个技术得到保障：

1）高精度的有线时间同步，系统有线时间同步精度达到0.01 ns，转换为距离是3毫米；

2）高精度的测距，采用TWR 的方式进行测距，测距精度达到3厘米（1万次测距，标准差为2.5厘米）

3）算法保障，在系统中，采用多次滤波，保证了定位数据更精准。

但由于采用无线的方式定位，会受到一些环境的影响，比如人体的遮挡等，会导致系统的定位精度降低。整体定位精度为0.3米。

3、时分调度。

在本系统中，引入了TD (时分) 的概念，将1秒钟划分为500 个时间间隙，每个时间隙为2毫秒，在这2毫秒时间内，标签1 要和基站完成一次定位操作。同时，根据标签所处的位置不同，动态调整其工作的时间间隙的数量。当位于安全区域的时候，每秒完成1 次定位；当标签处于黄色告警区域，每秒完成3 次定位；当处于红色告警区域，每秒完成7 次定位。

通过时分调度，保障了系统的容量，同时，也保证了标签佩戴人员的安全。

4、高容量。

在这个系统中，系统标签的容量可以达到256 个(当然，进入黄色告警的不超过20%，进入红色告警区域的不超过10%)，高容量主要是通过上面的几个技术作为保障：

1) 时分调度；

2) TDoA 和TWR 定位技术融合。

5、低成本高可靠性。

在本系统中，系统均采用极为简单的单芯片方案实现，系统成本相对于雷达等技术，具有更低的成本，系统覆盖不存在死角。

Claims

1.矿用井下机动车辆人员接近自动感知系统，其特征是，包括：佩戴在人员身上的标签（1），以及安装在车辆上的基站（2）、服务器（3）、时间同步器（4）、标签控制模块（5）和车辆控制告警模块（6），所述服务器（3）分别连接时间同步器（4）、标签控制模块（5）、车辆控制告警模块（6）以及各基站（2）；时间同步器（4）通过线缆连接各基站（2），通过有线的方式实现基站（2）间时间同步；标签控制模块（5）通过无线数传的数据通道将服务器（3）的控制信号下发到标签（1）；所述标签（1）包括与标签MCU相连的无线定位模块、无线数传模块、告警模块以及电池，所述基站（2）通过无线收集标签（1）定位信息，并将定位信息通过有线回传到服务器（3）；车辆控制告警模块（6）接收来自服务器（3）的控制信号，再向执行机构输出告警控制信号或停车控制信号。

2.如权利要求1所述的矿用井下机动车辆人员接近自动感知系统，其特征是，所述时间同步器（4）包括依次连接的通信接口、时间同步器MCU、信号源和放大器，时间同步器MCU先接收来自服务器（3）的控制命令，决定是否启动信号源，产生固定频率的时钟信号，然后通过放大器放大，输出多个同步信号，用线缆传送到所有的基站（2）；基站（2）收到信号之后，整形处理，然后输入到与标签（1）通信的无线定位模块。

3.如权利要求1所述的矿用井下机动车辆人员接近自动感知系统，其特征是，所述时间同步器（4）和基站（2）之间的连接线缆的长度为固定值。

4. 如权利要求1或2所述的矿用井下机动车辆人员接近自动感知系统，其特征是，所述无线定位模块采用UWB模块。

5.如权利要求1所述的矿用井下机动车辆人员接近自动感知系统，其特征是，所述标签控制模块（5）通过RS232接口接收来自服务器（3）的控制信号，然后通过无线数传模块发送到标签（1）。