基于TOF-AOA-蓝牙技术的航空用工具管理系统

基于tof-aoa-蓝牙技术的航空用工具管理系统
技术领域
1.本发明涉及工具管理技术领域，尤其涉及基于tof-aoa-蓝牙技术的航空用工具管理系统。


背景技术：

2.工具的管理是制造、维修等工程作业中十分重要的环节。工具遗落在机械内部通常会带来不可挽回的事故。在航空领域，由于工作后工具丢失到飞机上，造成的维修事故占到了总事故的40％；另外，对于飞机的起落架防误收上保险销、空速管套、军机的弹射座椅保险销等，由于飞机放飞前、环节较多、发动机开车后工作噪音很大，人会产生紧张焦躁加之特别是遇到处理临时故障后，极易造成忘记取掉，给飞行安全和生命安全带来危险。
3.为了避免工具丢失引起的事故，各单位对工具的借出、使用、归还等作业流程都有十分严格的规定。这些管理流程的实施,避免了很多潜在的风险，但是也花费了很多的人力和物力，并降低了作业的效率。
4.在工具管理方面，危险性最大、花费人力和物力最多的环节是工具丢失之后的寻找过程。在作业使用过程中，当某一工具没有归还时，整个系统都要停止运转开展工具的寻找工作。就飞机而言，如果工具丢失，航班就要延迟起飞，直到工具被找到或者有确凿的证据确定工具不在飞机上为止，飞机才能放飞。
5.在专利申请号cn201910336172.9中公开了一种基于rfid的工具防遗漏工具箱管理系统，包括管理员计算机、通信路由、服务器、服务器无线通信模块以及各个工具箱；工具箱包括箱体、显示屏、输入键盘、人员rfid读卡器、工具rfid读卡器、工具抽屉、抽屉锁定机构以及各个rfid标签单元。该发明提供了工具的借取数据自动记录功能，工具要放置到特定的区域，工具识别性较差，也并不具备工具的定位和丢失的找寻功能。
6.在专利申请号cn202010455540.4中公开了一种维修工具自动追踪、管理系统及方法。该专利采用rfid标签识别、gis定位、gsm传递信号，具有工具的管理和找寻遗漏工具的功能。然而，该技术方案所采用的rfid标签识别、gis定位、gsm传递信号方式、工具查找报警等，该工具箱需要专用的格子，必须工具很近才能识别，工具箱结构复杂，同时工具上的终端，体积较大，耗电量较大，当空速管套、起落架销等特殊形状的工具放置位置不到位时，容易提供错误信息，难以识别和对工具进行管理，且没有工具室对借出的工具的管理功能，和传统的航空领域工具管理难兼容。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对工具体积狭小，作业载体空间，如航空器及其他不允许有多余物存在的区域等，丢失之后难以寻找，且易造成重大安全的问题，提供了基于tof-aoa-蓝牙技术的航空用工具管理系统。
8.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
9.基于tof-aoa-蓝牙技术的航空用工具管理系统，包括一个收纳母机、多个便携式
母机、多个子机和设备管理室；所述子机安装于工具上，所述子机分别与收纳母机和便携式母机连接；所述设备管理室通过移动通信模块连接收纳母机，当维修人员需要从设备管理室借工具时，管理人员将使用的工具、使用到的机型、机号信息从设备管理室输入以及确认，并通过网络传送到现场对应型号的工具箱上的收纳母机，将借出工具纳入现场工具箱管理。
10.进一步的，所述收纳母机设置于工具箱上，包括处理器、蓝牙模块、显示器、电源和存储器；所述处理器分别连接电源、显示器、蓝牙模块、存储器和工具箱；所述蓝牙模块连接有tof标签发射器和aoa信号接收器，通过tof技术测量收纳母机与子机的距离，通过aoa技术测量与子机的相对于收纳母机的方向。
11.进一步的，其特征在于，所述便携式母机包括处理器、蓝牙模块、显示器、电源和存储器；所述处理器分别连接电源、显示器、蓝牙模块和存储器；所述蓝牙模块连接有tof标签发射器和aoa信号接收器，通过tof技术测量便携式母机与子机的距离，通过aoa技术测量与子机的相对于便携式母机的方向。
12.进一步的，所述子机包括电源、蓝牙模块、呼吸灯；所述蓝牙模块分别连接电源和呼吸灯；所述蓝牙模块连接有tof标签反射器和aoa信号发射器。
13.进一步的，所述子机上的电源为纽扣电池。
14.进一步的，所述子机可通过挂靠、粘贴和镶嵌的方式设置于工具上。
15.进一步的，系统包括两种工作状态；
16.一是子机待机的维修工作状态：子机处于待机状态，工具发生丢失时，携带收纳母机或便携式母机到达发生丢失的区域或者需要确认没有工具丢失的区域，在收纳母机或便携式母机到达子机信号连接范围内时，子机和收纳母机或便携式母机自动配对连接，通过收纳母机或便携式母机获得子机的相对位置；
17.二是子机工作的维修工作状态：收纳母机与子机建立配对连接，进行维修工作时，子机定时向发射信息；当工具所有工具都放回工具箱后，工具箱上收纳母机的绿灯亮起，表示工具箱内的工具齐全。
18.进一步的，所述工具箱具有工具添加功能，可将子机安装到使用的工具、空速管套和起落架销设备上，维修人员放飞飞机前帮助提醒工具、空速管套和起落架销设备是否全部收回。
19.本发明的有益效果：本发明针对工具体积狭小，作业载体空间封闭，丢失之后难以寻找，且易造成重大危险的问题；通过结合tof测距技术、aoa测向技术和蓝牙技术，设计了一款方便、实用的工具防丢失找回系统；优点包括：
20.1)体积小，子机体积小，方便在工具安装；
21.2)操纵简单，需要应用时，只需要打开手持终端的相关开关就可以使用；
22.3)确认该工具不在可能的区域；
23.4)杜绝外部干扰，防止放飞时的人为差错，提高飞行安全，进而提高工作效率；
24.5)子机的能耗低，工作时间长；
25.6)实现工具智能定位、追踪管理，防止工具丢失到航空器上危及飞行安全；
26.7)通过网络联接，实现临时借用工具的安全管理；
27.8)母机和子机已成为完成的、可实现全部功能的系统；便携式母机提供了工具丢
失情况下多个工作人员同时寻找工具的可能性。
附图说明
28.图1是本发明的系统组成框图。
29.图2是tof测距原理示意图。
30.图3是aoa测向原理示意图。
具体实施方式
31.应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
32.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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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。
33.本实施例中，如图1所示，基于tof-aoa-蓝牙技术的航空用工具管理系统，包括一个收纳母机、多个便携式母机、多个子机和设备管理室；所述子机安装于工具上，所述子机分别与收纳母机和便携式母机连接；所述设备管理室通过移动通信模块连接收纳母机，在需要从设备管理室借工具时，管理人员将使用的工具、使用到的机型、机号信息从设备管理室输入以及确认，并通过网络传送到现场对应型号的工具箱上的收纳母机，将借出工具纳入现场工具箱管理。
34.进一步的，所述收纳母机设置于工具箱上，包括处理器、蓝牙模块、显示器、电源和存储器；所述处理器分别连接电源、显示器、蓝牙模块、存储器和工具箱；所述蓝牙模块连接有tof标签发射器和aoa信号接收器，通过tof技术测量与子机的距离，通过aoa技术测量与子机的相对于收纳母机的方向。
35.进一步的，所述便携式母机包括处理器、蓝牙模块、显示器、电源和存储器；所述处理器分别连接电源、显示器、蓝牙模块和存储器；所述蓝牙模块连接有tof标签发射器和aoa信号接收器，通过tof技术测量与子机的距离，通过aoa技术测量与子机的相对于便携式母机的方向。
36.进一步的，所述子机包括电源、蓝牙模块、呼吸灯；所述蓝牙模块分别连接电源和呼吸灯；所述蓝牙模块连接有tof标签反射器和aoa信号发射器。
37.进一步的，所述子机上的电源为纽扣电池。
38.进一步的，所述子机可通过挂靠、粘贴和镶嵌的方式设置于工具上。
39.在本实施例中，系统有两种工作方式：
40.1、平时子机安装到工具及可能忘记的工具和装置上，平时子机处于待机状态，在工具丢失时，携带收纳母机或便携式母机到达子机一定范围内，子机和收纳母机或便携式母机间自动配对连接，根据母机或便携式母机上显示器指出的方位，从而获得子机的相对位置。若子机和收纳母机或便携式母机没有自动配对连接，则收纳母机或便携式母机显示提示探查范围内没有工具，从而确认工具不在该区域范围内；
41.2、处于工作状态，子机和收纳母机间建立配对并连接，子机定时向母机发射信息，报告工具所在相对位置信息；当工具放回工具箱后，工具箱上的母机绿灯亮起，表示工具箱
内的工具齐全。工具箱上具有工具添加功能，可将子机安装到使用的工具、空速管套和起落架销等设备上，维修人员放飞飞机前帮助提醒工具和各种保险套销等所有工具是否全部收回。
42.利用移动通信网络(4g或5g)，实现工具室和母机联通，当需要从设备管理室借工具时，工具室管理人员将使用的工具、使用到的机型、机号等信息从从工具室输入，并确认。这些信息通过网络传送到现场对应型号的工具箱上的母机，将该工具纳入现场工具箱管理。
43.当该工具放到工具箱内后，工具箱上的收纳母机绿灯亮起，表示该从工具室借到的工具，在飞机上使用完成后，已经放到了机务工具箱内，同时也表示该工具不在飞机上；
44.子机呼吸灯在缺电一周前显示，采用纽扣电池供电；母机有缺电时一周显示，采用地面电和蓄电池双方式供电。
45.在本实施例中，子机在工具及装置上的固定方式为：蓝牙终端模块通过挂靠、粘贴、镶嵌等方式设置于工具或装置上，具体如下：
46.1、圆盘型：可以制成小圆盘，外部有螺纹，在工具上安装在工具上；
47.2、挂件型：制造成挂件，挂到工具上；
48.3、指环型：制造成指环型，内部有螺纹，旋拧到工具外部；
49.4、标牌型：制作成标牌型，固定到工具或装置上。
50.在本实施例中，收纳母机的处理器还与工具箱(工具收纳装置)上的电子锁连接，在所有工具都以归还后，收纳母机提醒使用者锁上工具箱；便携式母机的处理器也与工具箱(工具收纳装置)上的电子锁连接，在找寻到工具后，提醒使用者锁上工具箱。
51.在本实施例中，所有的蓝牙模块均采用蓝牙模块5.1；传统的蓝牙定位通常根据两种方式获取定位所需要的信息，一种根据rssi距离衰减模型计算基站到目标节点的距离并通过三边定位进行位置估计，另一种根据rssi建立指纹库，通过算法进行位置匹配估计。但传统方式精度普遍在米级以上，且很难进一步提升。本系统采用蓝牙5.1技术，借鉴蓝牙5.1技术，实现了蓝牙寻向、高精度定位等；并将蓝牙技术与tof测距技术、aoa测向技术结合起来。
52.1、tof测距方法
53.tof是飞行时间方法测距的简称，其基本原理是通过测量无线电波在基站和标签之间的飞行时间，然后乘以电磁波的速度从而得到基站和标签之间的距离。为了基站和标签之间的距离，需要记录发送无线电数据时的时间戳，并将其与接收到返回的无线电数据时的时间戳进行比较。然而，蓝牙数据包并不能被目标测量对象有意义的及时返回，而必须由接收对象收到数据包时主动返回。其电波传输过程如图2所示：
54.应用蓝牙设备进行这种测量，主要需要解决以下两个问题。
55.1)反射器在接收ping和传输pong之间使用的时间会影响到测量距离的精度。
56.2)光速情况下，约3.3ns走完一米，这意味着测量飞行时间的时钟频率需要至少为303mhz才能获得1米的空间分辨率。
57.通过在反射器设备中实现确定的周转时间，解决了第一个问题。而由于蓝牙本身的低功耗特性，仅通过增加时钟频率提高精度也并非合适的方案，这里通过采用统计方法测量距离来克服第二个问题。因为数据样本中存在抖动，并且抖动符合正态分布，通过对各
个独立数据包进行过采样，可以提高最终测量的准确性。为了获得更高的准确度，可以在多个设备上的许多ping/pong交换过程中测量飞行时间。
58.不考虑不同节点之间时钟漂移，以及非视距(nlos)等影响，tof的求解方式为：
[0059][0060]
在光速c确定并已知的前提下，此时收纳母机/便携式母机与子机之间的距离之间的距离为：
[0061]
d＝c*tof
[0062]
其中，tof表示飞行时间，t
round
表示应答信号被接收到的时刻；t
reply
表示配对信号发出时刻；d表示收纳母机/便携式母机与子机之间的距离；c表示光速。
[0063]
2、基于相位干涉仪的aoa角度测量方法。
[0064]
aoa适用于具有rf开关，多个天线，并可以在接收测向数据包时切换天线及捕获i/q样本的接收器。本发明采用相位干涉仪测向方法测量信号到达角，相位干涉仪通过测量不同位置的天线所接收到信号的相位差来估计信号方位。
[0065]
aoa测量分为如下三个步骤：
[0066]
1)采集i/q信息
[0067]
母机蓝牙设备内置一组阵列天线，通过这组阵列天线采集i/q信息，当两个或以上天线以固定距离间隔放置时，它们接收到的rf信号将具有与它们各自距发射器的距离之间的差值成比例的相位差。通常，来自一个天线的信号将是来自另一个天线的信号的延迟版本。这些路径长度差异将取决于相对于阵列中的天线的输入rf波的方向。
[0068]
2)计算到达天线信号之间的相位差
[0069]
通过将至少两个天线顺序地连接到同一接收器来测量相位差φ。如果所有天线都在线并且具有固定距离d，则相邻天线之间的相位差应是恒定的。
[0070]
3)将相位差转换为到达角
[0071]
最后一步是将相位差φ转换为到达角aoa(θ)，入射波和天线阵列之间的角度是θ，天线之间间距为d，由于入射波从远场入射到均匀线性阵列，到达每个阵元的方向都可以看作是平行的，为入射波到达相邻两天线之间的波程差，λ为入射波波长。
[0072][0073]
其中，θ为入射波和天线阵列之间的角度；d为天线之间的间距；r表示信号源到天线阵列的距离；λ表示入射波波长；φ表示相位差。
[0074]
本系统在使用时：使用者取出所需工具，开始作业，工具上的子机定时发送信息。当作业完成后，使用者将工具归还至收纳母机。当所有工具归还后，收纳母机提醒工具已完全归还，提醒使用者可以上锁，并向设备管理室发送工具已完成归还，设备管理室自动记录相关数据。当外场飞机上，有从工具室借到，临时使用的工具时，工具室将借到工具，在某一架航空器上使用的信息，通过网络传递给机务工具箱上的母机，只有当该工具放到工具箱内，母机才显示绿灯，表示该机飞机的有可能使用的所用工具，已经收集齐全，也就是表示该借到的工具不在飞机上。当作业完成后使用者并未将工具完全归还而试图上锁时，收纳
母机同时向使用者和设备管理室发出预警，提醒使用者归还全部工具。当使用者不确定工具位置时，使用者可以使用母机或便携式母机查找工具。通过母机或便携式母机可以指引使用快速找到工具。若顺利找到工具，正常归还即可。若使用者没有找到工具，通过母机或便携式母机确认工具不在存在危险的区域，并向设备管理室报告工具丢失，消除潜在危险。
[0075]
在本发明中，子机通过挂靠、粘贴、镶嵌等方式，和工具连接到一起。当工具丢失时，可以用便携式母机至可能发生丢失的区域激活子机。当便携式母机接近到携带有子机的工具时，设备上的蓝牙模块会自动匹配连接，并指示出工具的方位和距离，引导人员找到该工具。也可以确认装有该子机的工具或装置，是否在飞机的该区域。本发明也可以用于航空用开发，飞船、火箭、动车、轮船以及其他需要管控工具的设备制造、维修行业等。
[0076]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。