矿用井下机动车辆人员接近自动感知系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明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】
[0002]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。
[0003]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】
[0004]本发明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。
[0005]按照本发明提供的技术方案，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；服务器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。
[0006]所述服务器中，根据车辆的实际情况和基站的布设情况，先构建位置数据库，在基站收到标签的数据之后，服务器开始计算各个标签的最终位置，并实时呈现在显示屏上。
[0007]所述服务器的告警信号控制及车辆控制功能包括:
1)将标签告警信号通过标签控制模块发送到标签；
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。
[0008]具体的，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，确保所有基站用相同的时间源，时间同步以后服务器才能进行位置计算。
[0009]所述时间同步器和基站之间的连接线缆的长度为固定值，可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。
[0010]所述标签和基站之间采用UWB模块进行数据传输和测距定位功能。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。
[0011]将I秒钟划分为500个2毫秒的时间间隙，在这2毫秒时间内，标签要和基站完成一次定位操作；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:当标签位于安全区域的时候，每秒完成I次定位；当标签处于黄色告警区域，每秒完成3次定位；当标签处于红色告警区域，每秒完成7次定位。
[0012]本发明的优点是: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】
[0013]图1是本发明的系统结构框图。
[0014]图2是标签结构图。
[0015]图3是基站结构图。
[0016]图4是服务器功能模块图。
[0017]图5是标签控制模块结构图。
[0018]图6是时间同步器结构图。
[0019]图7是车辆控制告警模块结构图。
[0020]图8是TWR测距原理图。
[0021]图9是本发明的数据传输示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0023]如图1所示，本发明所述系统包括: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I。
[0024]所述标签I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。
[0025]所述基站2通过无线收集标签I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。
[0026]以下分别介绍各组成部分。
[0027]1.标签I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。
[0028]如图2所示，标签I包括:与标签MCU相连的UWB模块、433MHz数传模块、电池和告警模块。
[0029]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；
UffB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。
[0030]2.基站2是安装在车辆上的设备，主要是实现标签I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。
[0031 ] 如图3所示，基站2包括:与基站MCU相连的UWB模块、LAN接口。
[0032]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；
UffB模块:收集标签的定位数据。
[0033]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。
[0034]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。
[0035]3.1位置计算及呈现。
[0036]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I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。
[0037]3.2告警功能。
[0038]告警功能主要有三种:
1)将标签I的告警信号通过标签控制模块5发送到标签I;
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。
[0039]3.3系统自检和设备管理。
[0040]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。
[0041]3.4时间同步控制。
[0042]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。
[0043]4.时间同步器4通过有线的方式，实现基站2间时间同步。
[0044]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。
[0045]本发明采用有线时间同步，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。
[0046]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。
[0047]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I，通过无线数传模块的数据通道去实现下发的功能。
[0048]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I。
[0049]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，月艮务器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。
[0050]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。
[0051]本发明中，标签I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I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。
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