一种井下狭长空间人员位姿监测系统和方法与流程

1.本发明涉及矿用监控技术领域，具体为一种井下狭长空间人员位姿监测系统和方法。


背景技术：

2.井下人员的安全是安全生产领域中关键的一个监控对象，尤其是综采工作面，都是重型设备在运行。巡检人员在综采工作面进行巡检时，会有危险发生的可能性。如果液压支架运动的时候没有发现有人员在附近，比如所在位置不合规定，或者被绊倒或者突发疾病摔倒等，很有可能会威胁人员的生命安全。为了判断出这种情况，需要时刻测量人员的位置，预判人员的行走路线，更需要判断人员是否跌倒，以确保井下人员的安全。因此综采工作面人员定位有实时性、精确性、全面性和预判性的要求，对设备本身还有轻巧性和可靠性的要求。
3.目前有一些技术实现了井下人员定位需求，主流的定位技术有超宽带(ultra wideband，uwb)。而wifi、蓝牙、超声波等技术在地面室内使用过，但是还没有井下工程实现。这些定位技术中，wifi定位的抗干扰性一般，部署难度中等，成本较低，定位精度达到米(m)级；蓝牙定位的抗干扰性一般，部署难度较低，成本一般，定位精度达到分米(dm)级；超宽带定位的抗干扰性强，部署难度高，成本较高，定位精度达到厘米(cm)级；超声波定位的抗干扰性强，部署难度低，成本较低，定位精度达到厘米(cm)级。因此研究使用超声波技术作为一种测量冗余具有工程实际意义。
4.室内人员跌倒等姿态的测量技术，主要分为四类：图像或视频式跌倒检测系统、环境式跌倒检测系统、基于声学的跌倒检测系统和基于惯性传感器的可穿戴式跌倒检测系统。对于井下特殊环境，图像、环境和声学方法都很难准确实现人员姿态的测量，惯性技术不仅不受环境制约，还具有灵活性、移植性强等特征，易于和现有井下人员定位技术相结合，具有明确的可实现性。同样，惯性技术本身的误差发散性导致如果长期使用惯导导航，必须有校准信息作为辅助，以抑制误差的发散。


技术实现要素：

5.针对上述情况，为弥补上述现有缺陷，为满足工作面人机连锁的需求，本发明提供了一种井下狭长空间人员位姿监测系统和方法，该系统利用消费级惯导设备和超声波定位系统相结合，通过集成在惯性里的微控制单元主控模块进行综合分析判断，正常情况下测量信息通过数据传输单元传送到集控中心，紧急情况下，直接通过蓝牙传输到锁机的液压支架进行急停，同时发送报警信息到中央控制中心，锁机是否结束由集控中心进行决策。
6.本发明提供如下的技术方案：本发明一种井下狭长空间人员位姿监测系统，包括人员定位测姿单元、超声波定位校准单元、数据传输单元、集控中心、供电模块和液压支架，所述人员定位测姿单元用于对人员位姿进行监测，所述超声波定位校准单元用于对人员进行定位，所述数据传输单元用于对人员定位测姿单元的监测信息进行传输通讯，所述集控
中心用于接收数据传输单元传输的信息，对人员状况进行地面监控，建立工作面人员运行轨迹图，并发出指令，所述液压支架用于接收集控中心发出的指令根据人员定位测姿单元的监测信息做出反馈，所述供电模块为人员定位测姿单元供电。
7.进一步地，所述人员定位测姿单元包括惯导设备和微控制单元主控模块，所述惯导设备用于监控采集人体位姿，所述微控制单元主控模块用于对惯导设备监控采集的人体位姿进行信号采集和计算。
8.进一步地，所述微控制单元主控模块为arm芯片。
9.进一步地，所述惯导设备内设有蓝牙模块，所述蓝牙模块通过数据传输单元与液压支架通讯连接，在紧急状态下，惯导设备可直接对液压支架发出紧急锁机的命令，以实现快速反应的效果。
10.进一步地，所述惯导设备包括低功耗的mems加速度计、mems陀螺仪和磁强计。
11.进一步地，所述惯导设备为低精度惯导设备，所述惯导设备的定位精度为巷道内每1米距离cep300mm，速度精度达到0.1m/s，姿态精度5
°
，方向精度1
°
。
12.进一步地，所述数据传输单元包括5g传输模块和蓝牙传输模块，所述数据传输单元与人员定位测姿单元通过5g传输或者蓝牙传输。
13.进一步地，所述供电模块为穿戴式供电模块，以实现便捷携带。
14.一种井下狭长空间人员位姿监测的方法，具体包括下列步骤：
15.(1)惯导设备对井下人员的位置、姿态、方向进行监测，超声波定位校准单元对人员位置进行定位，微控制单元主控模块计算处理之后将人员位姿信息传输；
16.(2)数据传输单元接收人员位姿信息，一方面将信息传输至液压支架，液压支架控制发出紧急锁机命令，保证人员的安全，另一方面将信息传输至集控中心，经集控中心处理建立工作面人员运行轨迹图，根据测量得到的人员运行方向和身体姿态，以及人员在工作面所处的位置，判断出人员的安全系数，建立安全系数计算模型，利用监控区相关设备的运行状态信息，采用合适的数据算法，得到安全性指标和危险预估信息，并准确无误的进行安全状态显示和报警，锁机是否结束由集控中心进行决策。
17.采用上述结构本发明取得的有益效果如下：本发明一种井下狭长空间人员位姿监测系统和方法，与现有的井下人员位姿监测系统相比，具有下列优点：
18.(1)人员定位测姿同时进行，没有布设成本，实现方便；
19.(2)联合校正算法：将惯导的零速校正和外界辅助定位的位置校正进行融合，提高定位测姿精度，用降低成本惯性器件实现室内人员定位；
20.(3)系统级判定算法：基于大数据分析功能和5g信号传输以及蓝牙传输，预判人员行进方向和可能出现危险的类型和可能性，对事故预防提供数据依据。
附图说明
21.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
22.图1为本发明一种井下狭长空间人员位姿监测系统和方法的整体结构框图。
23.其中，1、人员定位测姿单元，2、超声波定位校准单元，3、数据传输单元，4、集控中心，5、供电模块，6、液压支架，7、惯导设备，8、微控制单元主控模块，9、mems加速度计，10、
mems陀螺仪，11、磁强计。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
25.需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
26.如图1所示，本发明采取的技术方案如下：一种井下狭长空间人员位姿监测系统和方法，包括人员定位测姿单元1、超声波定位校准单元2、数据传输单元3、集控中心4、供电模块5和液压支架6，人员定位测姿单元1用于对人员位姿进行监测，超声波定位校准单元2用于对人员进行定位，数据传输单元3用于对人员定位测姿单元1的监测信息进行传输通讯，集控中心4用于接收数据传输单元3传输的信息，对人员状况进行地面监控，建立工作面人员运行轨迹图，并发出指令，液压支架6用于接收集控中心4发出的指令根据人员定位测姿单元1的监测信息做出反馈，供电模块5为人员定位测姿单元1供电。
27.其中，人员定位测姿单元1包括惯导设备7和微控制单元主控模块8，惯导设备7用于监控采集人体位姿，微控制单元主控模块8用于对惯导设备7监控采集的人体位姿进行信号采集和计算。微控制单元主控模块8为arm芯片。惯导设备7内设有蓝牙模块，蓝牙模块通过数据传输单元3与液压支架6通讯连接，在紧急状态下，惯导设备7可直接对液压支架6发出紧急锁机的命令，以实现快速反应的效果。惯导设备7包括低功耗的mems加速度计9、mems陀螺仪10和磁强计11。
28.惯导设备7为低精度惯导设备，惯导设备7的定位精度为巷道内每1米距离cep300mm，速度精度达到0.1m/s，姿态精度5
°
，方向精度1
°
。
29.数据传输单元3包括5g传输模块和蓝牙传输模块，数据传输单元3与人员定位测姿单元1通过5g传输或者蓝牙传输。
30.供电模块5为穿戴式供电模块，以实现便捷携带。
31.一种井下狭长空间人员位姿监测的方法，具体包括下列步骤：
32.(1)惯导设备7对井下人员的位置、姿态、方向进行监测，超声波定位校准单元2对人员位置进行定位，微控制单元主控模块8计算处理之后将人员位姿信息传输；
33.(2)数据传输单元3接收人员位姿信息，一方面将信息传输至液压支架6，液压支架6控制发出紧急锁机命令，保证人员的安全，另一方面将信息传输至集控中心4，经集控中心4处理建立工作面人员运行轨迹图，根据测量得到的人员运行方向和身体姿态，以及人员在工作面所处的位置，判断出人员的安全系数，建立安全系数计算模型，利用监控区相关设备的运行状态信息，采用合适的数据算法，得到安全性指标和危险预估信息，并准确无误的进行安全状态显示和报警，锁机是否结束由集控中心4进行决策。
34.要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非
排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物料或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物料或者设备所固有的要素。
35.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。