CN114176280A - 一种基于可见光的井下人员定位与应急通信装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可见光的井下人员定位与应急通信装置及方法，包括智能矿用安全头盔、光电二极管定位模块和激光发射器；智能矿用安全头盔，其上安装有LED矿灯和电源，LED矿灯表面贴有透明偏振片；光电二极管定位模块包括光电检测器、信号放大器、MCU控制器、颜色传感器和贴有透明胶带的偏振薄膜。本方法通过光电检测器采集LED矿灯光线，并转化为电压值，从而得到光频信息，进而识别矿工身份；通过透明偏振片、透明胶带和偏振薄膜将LED矿灯发出的白色光线转化成彩色光线，颜色传感器将彩色光线转换成RGB值，通过RGB值得到LED矿灯的位置信息，进而得到矿工的位置，实现对矿工的定位。本发明定位精确，且成本低。

Description

一种基于可见光的井下人员定位与应急通信装置及方法

技术领域

本发明涉及一种应急通信装置与方法，具体是一种基于可见光的井下人员定位与应急通信装置及方法，属于井下定位与应急技术领域。

背景技术

目前，世界各地的突发矿难事故时常发生。在处理突发的矿难事故的过程中，由于硬件设施的损坏以及通信设备的缺失，无法确认井下被困人员的具***置以实施救援。另外，救援人员必须尽可能快地与被困人员取得联系，获取被困人员具***置以及人员伤亡情况，并且需要在48小时内给予井下被困人员食物、水以及医疗救助。在这种情况下，井下被困人员随身携带的可靠应急通信设备可以有效传递井下人员被困信息，为井下人员的顺利救援提供巨大支持，给救援工作带来极大的帮助。

伴随科技的进步，虽然基于现有通信设备的井下定位和应急通信技术已有广泛的研究，如：中国专利号为CN201910751933.7的日常与应急相结合的矿山应急通信方法与***，通过应急电源模块，为整个通讯***进行应急供电和实时通信,实现了与灾害现场的实时通信和对救援调度的支持。中国专利号为CN201721344681.9的全矿井应急通信***，包括井上透地通信设备、无线通信基站、抗灾变天线、移动通信终端等，通过透地双向通信方式和井下无线通信两种通信方式，实现了井上通信设备与井下移动终端设备的双向通信。但仍存在以下弊端：首先，专用应急通信模块在井下部署的作业量较大，难以大范围的部署和井下全范围的覆盖，并且设备维护开销较大，这造成了资源的浪费和设备的冗余。其次，灾害发生时，很难确保井下被困人员携带专用的通信设备模块，这使得联系被困人员力不从心，进而造成救援的延误。另外一点是，大多井下应急通信***功能单一，不具备精确的人员位置定位功能，灾害发生时，即使应急通信线路正常建立，被困人员也很难描述遇难的具***置，造成救援过程的推迟和延误。更重要的一点是，基于射频信号的通信设备耗电量大，在反复通信的过程中很容易由于电量耗尽而导致通信中断。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于可见光的井下人员定位与应急通信装置及方法，能够准确定位井下被困人员，且耗电量小，体积小便于携带，成本低。

为达到以上目的，本发明提供一种基于可见光的井下人员定位与应急通信装置，包括智能矿用安全头盔、光电二极管定位模块和激光发射器；

所述智能矿用安全头盔，其上安装有LED矿灯和电源，电源通过电源开关与LED矿灯相连，所述LED矿灯表面贴有透明偏振片；

所述光电二极管定位模块包括光电检测器、信号放大器、MCU控制器、颜色传感器和贴有透明胶带的偏振薄膜；所述光电检测器通过信号放大器与MCU控制器输入端相连，所述颜色传感器感应探头对准偏振薄膜，其输出端与MCU控制器输入端相连，MCU控制器输出端与激光发射器输入端相连，激光发射器输出端通过光纤电缆与地面控制中心相连。

一种基于可见光的井下人员定位与应急通信方法，包括以下步骤：

1)在井下安装光电二极管定位模块，并将光电二极管定位模块的位置信息存储在地面服务器中；

2)当矿工被困井下时，智能矿灯安全帽上的LED矿灯散发出带有基础光频V1的光线；

3)LED矿灯的光线，一部分光线摄入光电二极管定位模块中的光电检测器，光电检测器将接收到的光信号转化为电压值，再经信号放大器放大传送至MCU控制器；另一部分光线摄入偏振薄膜，光线穿过偏振薄膜后呈现出不同颜色的光线，摄入到颜色传感器的感应探头中，颜色传感器将不同颜色的光线转化为RGB值传送至MCU控制器；

4)MCU控制器在采样时间内连续对光电检测器输出的电压值进行采样，作为原始信号，并将该采样数据传送至MCU控制器存储；

5)MCU控制器将接收到的RGB值***步骤3)中的原始信号包头，作为包含位置信息的处理信号传送至激光发射器；

6)激光发射器将接收到的包含位置信息的原始信号转化为激光信号，并通过光纤电缆传送至地面服务器；

7)地面服务器对接收到的激光信号进行处理，得到光频信息和光信号发射端的位置信息，通过光频信息识别出矿工身份，通过光信号发射端的位置信息得到LED矿灯的位置信息，即矿工的位置信息，实现对井下矿工的定位。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)在井下部署二极管定位模块，二极管定位模块中的光电检测器采集LED矿灯的光线的电压值，作为原始信号；另外，本发明通过在LED矿灯上透明偏振片，在二极管定位模块中设有贴有透明胶带的偏振薄膜，一方面使LED矿灯发出的光仍然是白色的，不影响照明，另一方面LED矿灯发出的白色光线依次经透明偏振片、透明胶带和偏振薄膜后变成彩色的光线，二极管定位模块中颜色传感器采集彩色光线，并将彩色光线转化为RGB值，***到原始信号包头中，作为包含有位置信息的原始信号，并将该原始信号传送至激光发射器，激光发射器对信号处理后，通过光纤电缆传送至地面服务器，地面服务器对接收到的信号进行处理，通过接收的原始信号中的电压值得到LED矿灯的光频信息，由于每一个光频对应一个矿工身份，因此，通过光频信息即可得到矿工的身份。地面服务器通过原始信号中的RGB值得到LED矿灯的位置信息，进而得到矿工的位置信息。无需在井下部署大量的应急通信模块，直接用井下原有的光纤电缆与地面服务器通讯即可，节省了大量的成本，降低了企业的生产成本。

2)本发明无需使用GPRS导航定位，通过二极管定位模块即可实现井下的精准定位；本发明耗电量小，使用时间长，体积小便于携带，且成本低。

3)本发明无需使用高分辨率摄像头，避免了井下高粉尘带来的噪声干扰问题。

附图说明

图1是本发明智能安全头盔结构示意图；

图2是本发明电原理框图。

图中：1.智能矿用安全头盔，11.LED矿灯，12.透明偏振片12，21.光电检测器，22.激光发射器，23.颜色传感器，24.偏振薄膜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明一种基于可见光的井下人员定位与应急通信装置，包括智能矿用安全头盔1、光电二极管定位模块和激光发射器22；

如图1所示，所述智能矿用安全头盔1，其上安装有电源和LED矿灯11，电源通过电源开关与LED矿灯11相连，所述LED矿灯11表面贴有透明偏振片；

所述LED矿灯11用于发出带有光频的光线，以定位矿工位置，同时提供照明功能；

如图2所示，所述光电二极管定位模块包括光电检测器21、信号放大器、MCU控制器、颜色传感器23和贴有透明胶带的偏振薄膜24；所述光电检测器21通过信号放大器与、MCU 控制器输入端相连，所述颜色传感器23感应探头对准偏振薄膜24，其输出端与、MCU控制器输入端相连；所述MCU控制器输出端与激光发射器22输入端相连，所述激光发射器22输出端通过光纤电缆与地面控制中心相连。

所述MCU控制器与井下电线相连，通过井下电线对MCU控制器。

所述光电二极管定位模块用于采集LED矿灯11发出的光线，并根据采集到的光线确定光线发射端的位置，即发出光线的LED矿灯11的位置，从而确定矿工的所在位置；其中，所述光电检测器21为光电二极管，用于采集LED矿灯11发出的光线，并将LED矿灯11发出的光信号转化为电信号；所述激光发射器22用于将电信号转化为激光信号，所述偏振薄膜24用于将LED矿灯11发出的光线呈现不同颜色的光线，所述颜色传感器23用于将光线的颜色信息转化为RGB值。

所述光电二极管定位模块还可以包括可充电电池组，可充电电池组与MCU控制器相连，正常情况下，通过井下电线对MCU控制器进行供电，应急情况下，电线受损，不能正常通电，MCU控制器启动可充电电池组对其进行供电，从而保证了光电二极管定位模块始终处于通电状态。

作为本发明的改进，智能矿用安全头盔1上还安装有MCU控制模块和信息输入模块，所述LED矿灯11和信息输入模块均与MCU控制模块相连，所述LED矿灯11为可调频LED 矿灯11。所述信息输入模块用于输入信息；所述MCU控制模块用于对信息输入模块输入的信息进行处理，并将处理后的信号传送至通信驱动电路，通信驱动电路根据接收到的信号控制LED矿灯11的光频，地面服务器通过光频识别井下矿工所传递的信息。

作为本发明的优选方式，所述信息输入模块为数字键盘或字母键盘，若信息输入模块为数字键盘，则对每个数字键具有不同的频率，当矿工被困井下时，通过数字键盘上的数字按键输入按键信息，并传送至MCU控制模块，MCU控制模块将接收到的信息与其内部存储光频数据集进行匹配，匹配出该数字按键所对应的光频V2，然后通过驱动通信电路控制LED 矿灯11的光频为V1+V2，LED矿灯11按照V1+V2的光频闪烁设定时间后再通过驱动通信电路控制LED矿灯11光频为V1，所述设定时间可根据实际需求设定，如30s、60s等等，地面服务器对接收到的信号进行处理，得到光频信息，通过光频信息识别数字键盘输入的信息，如：数字1对应的频率所表达的信息为“被困人员为2-5人”、数字2对应的频率所表达的信息为：“有人员轻度受伤”等，从而得到了解井下被困人员的情况，及时做好井下救援应急措施。

上述装置在具体应用时，所述光电二极管定位模块设有多个，均安装在井下巷道的顶壁或侧壁，其安装位置需要保证光电检测器21能够采集到智能安全头盔上LED矿灯11发出的光线，以及LED矿灯11发出的光线能通过偏振薄膜24摄入颜色传感器23的探头。工作人员可根据实际需要每隔一段距离安装一个光电二极管定位模块，光电二极管定位模块的位置是已知的，存储在地面服务器中。光电二极管定位模块的数量根据实际需要而定。

基于上述装置的井下人员定位与应急通信方法，包括以下步骤：

1)在井下每隔一段距离安装一个光电二极管定位模块，并将光电二极管定位模块的位置信息存储在地面服务器中；

所述光电二极管定位模块可安装在井下巷道的顶壁或侧壁，其安装位置需要保证光电检测器21能够采集到智能安全头盔上LED矿灯11发出的光线，以及LED矿灯11发出的光线能通过偏振薄膜24摄入颜色传感器23的探头。工作人员可根据实际需要每隔一段距离安装一个光电二极管定位模块，如每隔3米安装一个光电二极管定位模块。

2)当矿工被困井下时，智能矿灯安全帽上的LED矿灯11散发出带有基础光频V1的光线；

预先设置每个LED矿灯11的基础频率V1，且每个LED矿灯11的基础光频V1不同；

3)LED矿灯11发出的光线，一部分光线摄入光电二极管定位模块中的光电检测器21，光电检测器21将接收到的光信号转化为电压值，再经信号放大器放大传送至MCU控制器；另一部分光线摄入偏振薄膜24，光线穿过偏振薄膜24后呈现出不同颜色的光线，并摄入到颜色传感器23的感应探头中，颜色传感器23将不同颜色的光线(光信号)转化为RGB值传送至MCU控制器；

4)MCU控制器在采样时间内连续对光电检测器21输出的电压值进行采样，作为原始信号，并将该采样数据存储在MCU控制器中；

5)MCU控制器将接收到的RGB值***步骤3)中的原始信号包头，作为包含位置信息的原始信号，传送至激光发射器22；

6)激光发射器22将接收到的包含位置信息的原始信号转化为激光信号，并通过井下光纤电缆传送至地面服务器；

7)地面服务器对接收到的激光信号进行处理，得到光频信息和光信号发射端的位置信息，通过光频信息识别出矿工身份，通过光信号发射端的位置信息得到LED矿灯11的位置信息，即矿工的位置信息，实现对井下矿工的定位。

所述光频信息通过以下方法获得：

7.1)地面服务器通过带通滤波器对接收到的激光信号中的电压值进行过滤，得到包含预设光频范围内的电压值的激光信号，所述预设光频范围为1000Hz至7000Hz，LED矿灯11 的光频在预设光频范围内设定；

由于井下除了LED矿灯11散发出的光源，还有可能存在其他光源，因此，地面服务器通过带通滤波器对激光信号中的电压值进行过滤，过滤掉其他光源，保留包含预设光频范围内的电压值的激光信号，提高了定位的准确性；

7.2)地面服务器对步骤7.1)得到的激光信号中的电压值执行傅里叶变化处理，得到光谱信息，所述光谱信息包含光频信息及其相应的功率值；

7.3)地面服务器将步骤7.2)得到光频信息与其内部存储的预设光频数据集进行匹配识别，得到光频信息相对应的矿工信息，从而识别矿工身份。

所述预设光频数据集包括矿工身份信息及其对应的基础光频V1，每个矿工身份信息对应一个基础光频V1，由于每个LED矿灯11的基础光频V1不同，因此，通过将接收到的光频与预设光频数据集中的光频进行匹配，即可得到矿工身份，从而对矿工身份进行识别。

进一步，为了了解被困矿工的需求，所述预设光频数据集还包括矿工的需求信息及其对应的光频，矿工的需求信息可以根据需求设定，如：数字1的光频对应的信息为：“被困人员为2-5人”、数字2的光频对应的信息为：“有人员轻度受伤”、数字3的光频对应的信息为：“有人员重度受伤”、数字4的光频对应的信息为：“缺少食物及饮用水”、数字5的光频对应的信息为：“需要电源设备”等。如信息输入模块为数字键盘：当矿工被困井下时，通过数字键盘上的数字按键输入按键信息，并传送至MCU控制模块，MCU控制模块将接收到的按键信息与其内部存储光频数据集进行匹配，匹配出该按键信息所对应的光频V2，然后通过驱动通信电路控制LED矿灯11的光频为V1+V2，设定时间后再通过驱动通信电路控制LED矿灯11光频为V1，所述设定时间可根据实际需求设定，如30s、60s等等。地面服务器对接收到的信号进行处理，得到光频信息，并与内部存储的预设光频数据集中的光频信息进行匹配，得到该光频所对应的需求，从而了解被困人员的需求，以便更好的展开应急救援工作。

所述光频数据集包括按键信息及其对应的光频。如信息输入模块为数字键盘，则按键信息为数字，每个数字对应一个光频；当然，信息输入模块也可以为带有字母的键盘，每个按键信息为字母，每个字母对应一个光频。

所述光信号发射端位置信息通过以下方法获得：

地面服务器将激光信号中的RGB值与其内部存储的定位指纹信息做对比，筛选出与定位指纹信息中RGB值差异最小的RGB值所对应的点，作为标定点，利用标定点的位置信息计算光信号发射端的位置，即LED矿灯11的位置，从而得到矿工位置；

所述定位指纹信息通过以下方法获得：

关闭井下其他光源，保留一个LED白光光源，作为原点，在LED光源上依次粘贴透明偏振片、透明胶带和透明偏振片。在LED光源照射的范围内，选取3*3的范围，垂直(Y)、水平(X)、纵深(Z)三个方向上，每间隔10cm利用颜色传感器23进行一次采样，记录每点RGB信息及其对应的位置信息作为定位指纹信息。由于三层结构是光线发生显色偏振效应，因此，不同位置颜色值不会重复。如想让定位更加精确，也可间隔1cm采集一次。由于每10cm采集一个点的RGB信息及其对应的位置信息，已经满足了精确定位的要求，因此，本实施例选择每间隔10cm采集一个点的RGB信息及其对应的位置信息。

上述定位方法仅适用于对一个LED矿灯11进行准确定位，当多个矿工聚集在一起时，控制一个LED矿灯11发光，通过智能矿用安全头盔1上的电源开关其他LED矿灯11的电源，从而关闭其他LED矿灯11。

Claims (10)

1.一种基于可见光的井下人员定位与应急通信装置，其特征在于，包括智能矿用安全头盔、光电二极管定位模块和激光发射器；

所述智能矿用安全头盔，其上安装有LED矿灯和电源，电源通过电源开关与LED矿灯相连，所述LED矿灯表面贴有透明偏振片；

所述光电二极管定位模块包括光电检测器、信号放大器、MCU控制器、颜色传感器和贴有透明胶带的偏振薄膜；所述光电检测器通过信号放大器与MCU控制器输入端相连，所述颜色传感器感应探头对准偏振薄膜，其输出端与MCU控制器输入端相连，MCU控制器输出端与激光发射器输入端相连，激光发射器输出端通过光纤电缆与地面控制中心相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于可见光的井下人员定位与应急通信装置，其特征在于，智能矿用安全头盔上还安装有MCU控制模块和信息输入模块，所述LED矿灯和信息输入模块均与MCU控制模块相连，所述LED矿灯为可调频LED矿灯。

3.根据权利要求1所述的一种基于可见光的井下人员定位与应急通信装置，其特征在于，所述信息输入模块为数字键盘或字母键盘。

4.一种基于可见光的井下人员定位与应急通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在井下安装光电二极管定位模块，并将光电二极管定位模块的位置信息存储在地面服务器中；

2)当矿工被困井下时，智能矿灯安全帽上的LED矿灯散发出带有基础光频V1的光线；

3)LED矿灯的光线，一部分光线摄入光电二极管定位模块中的光电检测器，光电检测器将接收到的光信号转化为电压值，再经信号放大器放大传送至MCU控制器；另一部分光线摄入偏振薄膜，光线穿过偏振薄膜后呈现出不同颜色的光线，摄入到颜色传感器的感应探头中，颜色传感器将不同颜色的光线转化为RGB值传送至MCU控制器；

4)MCU控制器在采样时间内连续对光电检测器输出的电压值进行采样，作为原始信号，并将该采样数据传送至MCU控制器存储；

5)MCU控制器将接收到的RGB值***步骤3)中的原始信号包头，作为包含位置信息的处理信号传送至激光发射器；

6)激光发射器将接收到的包含位置信息的原始信号转化为激光信号，并通过光纤电缆传送至地面服务器；

7)地面服务器对接收到的激光信号进行处理，得到光频信息和光信号发射端的位置信息，通过光频信息识别出矿工身份，通过光信号发射端的位置信息得到LED矿灯的位置信息，即矿工的位置信息，实现对井下矿工的定位。

5.根据权利要求4所述的一种基于可见光的井下人员定位与应急通信方法，其特征在于，所述光频信息通过以下方法获得：

7.1)地面服务器通过带通滤波器对激光信号中的电压值进行过滤，得到包含预设光频范围内的电压值的激光信号，所述预设光频范围为1000Hz至7000Hz；

7.2)地面服务器对步骤7.1)得到的电压值执行傅里叶变化处理，得到光谱信息，所述光谱信息包含光频信息及其相应的功率值；

7.3)地面服务器将步骤7.2)得到光频信息与其内部存储的预设光频数据集进行匹配识别，得到光频信息相对应的矿工信息，从而识别矿工身份。

6.根据权利要求5所述的一种基于可见光的井下人员定位与应急通信方法，其特征在于，所述预设光频数据集包括矿工身份信息及其对应的基础光频V1，每个矿工身份信息对应一个基础光频V1。

7.根据权利要求6所述的一种基于可见光的井下人员定位与应急通信方法，其特征在于，所述预设光频数据集还包括矿工的需求信息及其对应的光频，当矿工被困井下时，通过信息输入模块上的按键输入按键信息，并传送至MCU控制模块，MCU控制模块将接收到的信息与其内部存储光频数据集进行匹配，匹配出该按键信息所对应的光频V2，然后通过驱动通信电路控制LED矿灯的光频为V1+V2，设定时间后再通过驱动通信电路控制LED矿灯光频为V1。

8.根据权利要求7所述的一种基于可见光的井下人员定位与应急通信方法，其特征在于，所述光频数据集包括按键信息及其对应的光频。

9.根据权利要求4所述的一种基于可见光的井下人员定位与应急通信方法，其特征在于，所述光信号发射端位置信息通过以下方法获得：

地面服务器将激光信号中的RGB值与其内部存储的定位指纹信息做对比，筛选出与定位指纹信息中RGB值差异最小的RGB值所对应的点，作为标定点，利用标定点的位置信息计算光信号发射端的位置，即LED矿灯的位置，从而得到矿工位置。

10.根据权利要求9所述的一种基于可见光的井下人员定位与应急通信方法，其特征在于，所述定位指纹信息通过以下方法获得：

关闭其他光源，保留一个LED白光光源，作为原点，在LED光源上依次粘贴透明偏振片、透明胶带和透明偏振片，在LED光源照射的范围内，垂直(Y)、水平(X)、纵深(Z)三个方向上，每间隔设定距离利用颜色传感器进行一次采样，记录每点RGB信息及其对应的位置信息作为定位指纹信息。

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