一种智能头盔系统

1.本发明涉及矿井安全、高效生产和救援、救灾、抢险等领域。


背景技术：

2.增强现实(后文简称ar)，是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像的技术，是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。随着随身电子产品运算能力的提升，ar的用途越来越广，在提高人机协作效率方面起到了举足轻重的作用。
3.当前矿井领域的井下巡视、检修、维护等作业受作业段环境的影响，存在劳动强度高、危险系数高、技术难度高、操作流程复杂等问题，对检修人员的专业性要求较高，并且人员操作监管和安全监测很难做到实时；当发生井下安全事故时，人员搜救定位和医疗救援准备也存在滞后性。
4.当前消防救援、救灾领域的救助人员所携带的必要设备和载荷往往独立且沉重，影响救援人员体力、且操作步骤繁琐，救援效率仍可提升；面临暴雨、山洪、泥石流、火灾等恶劣条件时，稳定的人员通讯和状态管理需要如通讯保障车等大型设备，现有通讯方案具备先天性的环境限制，无法快速部署。


技术实现要素：

5.1：本发明利用ar技术，能实现人员作业时的视前图像叠加，将来自网络的数据和头盔传感器的图像信息叠加到视前物体上，提升作业效率和安全性。
6.2：本发明基于mesh组网，将每一个头盔作为组网通讯节点，能利用头盔上的传感器采集实时数据并上报其他网络节点，且能与网络中的其他布线式式网关传感器节点或是人员节点或者无人机通讯节点进行数据通讯，实现人联网和物联网融合的在线信息互通体系。
7.3：本发明提出一种离线+在线融合的工单管理系统，可预先通过网络服务器下载智能作业工单，或通过网络推送实时工单，利用ar技术实现工单步骤的可视化操作，且能通过本地图像传感器和本地主机辅助判定作业步骤正确性，实时的将作业时的相关数据远程记录到网络服务器主机，保证作业流程可视、可控、可追溯、可规范。
8.4：本发明提出一种远程专家指导系统，利用mesh组网系统，智能头盔能连接到后台数据库，进行资料查询；能网络拨号在线专家，实现远程在线故障判断，故障排除，降低操作人员进行复杂设备检修、排险、救援等的技术难度。
9.5：本发明提出一种多传感器融合的人员在线管理系统，利用mesh网络中的各类传感器节点，能实现人员定位、人员体征监测、人员行为规范等功能，提升诸如井下等特种作业的安全系数，且能缩短应急险情时的处置周期，提高救援效率，挽救人员生命，降低财产损失。
10.6：本发明提出一种空地协同的快速组网通讯系统，救援人员的一体式智能头盔和
空中无人机集群通讯节点共同组成一套灵活轻便和快速部署的应急通讯救援系统。
附图说明
11.图1为一种智能头盔系统各分系统的硬件资源示意图；
12.图2为一种智能头盔系统各分系统的组网逻辑示意图(矿井领域)；
13.图3为一种智能头盔系统各分系统的组网逻辑示意图(地面或海上救援救灾领域)；
14.图4为一种智能头盔系统中智能工单子系统的运作逻辑原理图；
15.图5为一种智能头盔系统中知识库系统和专家系统的运作逻辑原理图；
16.图6为一种智能头盔系统井下救援场景示意图；
17.图7为一种智能头盔系统中智能头盔部分主视图；
18.图8为一种智能头盔系统中智能头盔部分主要传感器示意图；
19.图9为一种智能头盔系统中智能头盔ar投影模块示意图；
20.图10为一种智能头盔系统中智能头盔及腰带电池连接示意图；
21.图11为一种智能头盔系统中智能头盔ar显示区和显示内容示意图；
具体实施方式
22.下面对本发明做进一步说明：1：如图1，智能头盔系统由智能头盔、网关传感器、一级主网关、二级主网关和综合管理云平台组成，其中网关传感器分为布线式和无线式，根据实际应用场景，可选择包含无人机、无人车、无人船等但不限于上述形式的载具和安装形式。各部分硬件系统中包含但不仅限于如图所示模块。
23.2：如图2为矿井领域，多个智能头盔和多个布线式网关传感器以及井下二级主网关使用mesh无线组网通讯；多个布线式网关传感器与井下二级主网关使用poe网线连接；井下二级主网关与井上一级主网关使用网线连接，其中根据作业段的不同，不限于存在多个井下二级主网关，但每个井下二级主网关与井上一级主网关均使用独立的网络硬链接通路，以确保通讯硬件系统冗余度；井上一级主网关与综合管理云平台使用数字基站通讯，根据具体使用工况，不限于使用宽带、卫星天线、流量网卡等通讯形式。
24.3：如图3为救援救灾领域，多个智能头盔和多个无人机平台式网关传感器以及现场二级主网关使用mesh无线组网通讯；多个无人机平台式网关传感器与现场二级主网关使用无线连接；现场二级主网关与远程一级主网关使用无线连接，其中根据救援救灾场景的不同，不限于存在多个现场二级主网关，现场二级主网关可部署于无人车，移动指挥车，无人船等载具上。远程一级主网关与综合管理云平台使用数字基站通讯，根据具体使用工况，不限于使用宽带、卫星天线、流量网卡等通讯形式。
25.4：如图4，对于诸如井下作业，智能工单通过综合管理云平台统一调度，下发至各地的井上一级主网关，操作人员在下井之前，可提供井上主网关预置操作工单；其中智能工单将操作人员要执行的操作流程分解到步序并图像化处理，并能通过实时回传的操作记录进行操作判定和全流程的归档记录；其中回传的操作记录不限于图像和相关传感器等数据信息。当有操作调整和任务修正时，也可通过网络系统实时更新和改派工单到操作人员的智能头盔。
26.5：如图5，综合管理系统内置知识库系统和专家系统。通过智能头盔上多媒体设备，能连接知识库系统进行远程资料查询，无需携带操作手册或是说明书；当出现疑难问题：诸如化学品泄漏、特殊设备紧急关停等操作时，可直接拨号专家系统的在线技术专家，实现第一视角的音视频沟通，提高问题解决效率。
27.6：如图6，以矿井救援为例，当发生安全事故(5)时，救援人员(1)可在井上一级主网关(2)处接入整个智能头盔系统，依靠井下二级主网关(4)和链路中有效的布线式网关传感器(3)实现智能头盔(7)的wifi定位(6)，快速辅助开挖救援孔(10)；借助智能头盔(7)内置的体征采集传感，获取被困人员(8)的身体状态，制定有针对性的救援方案；借助智能头盔(7)的前置摄像头，获取直观的事故毁伤效果评估。其中井下主网关(4)、布线式网关传感器(3)以及井上一级主网关之间通过防爆布线管路(9)连接，保证诸如塌方等安全事故时的系统稳定性。同时在正常作业时定位功能可实现危险区域和非授权区域管控，通过智能头盔上的声光报警灯(22)或骨传导耳机模块(12)进行人员报警。
28.7：如图7，智能头盔主要由体态+体征采集传感模块(11)、骨传导耳机模块(12)、防爆盔体(13)、前视摄像头模块(14)、探照灯模块(15)、眼球追踪摄像头模块(16)、防护衍射面罩(17)、降噪麦克风阵列(18)、盔带(图7—25)、防爆主电路盒(20)、全向增益天线(21)、声光报警灯(22)、投影模块(图8—28)、腰带电池(图9—30)组成，各电路模块通过多芯防爆通讯线(19)连接。
29.8：如图11，防护衍射面罩(图7—17)上使用透明镀膜形式设置倒u型投影区(38)，承接来自衍射屏幕(图9—29)的投影信息，倒u型投影区(38)上示例显示了包含但不限于粉尘含量、有毒气体含量、环境温度、体温、心率等本地信息(37)。
30.9：如图11，示例显示了智能工单(39)，智能工单将操作步骤图形化处理后，经过投影与被操作的现实设备进行叠加，并逐条显示，并能通过网络在工单显示区域获取来自设备传感器显示的诸如温度和开关状态的信息，利用ar技术，设备的运行状态一目了然。智能工单操作时，来自综合管理云平台(图1)的判据可实时通过骨传导耳机模块(12)语音播报，或是声光报警灯(22)管控人员操作；在救援抢险时，比如化工厂火灾，救援人员操作专业化工设备时也可直接通过智能工单(39)传输紧急解决方案。
31.10：如图11，示例显示了专家系统图标(40)，通过网络音视频接入后，远程专家可以通过前视摄像头模块(14)获取第一人称操作视角，通过骨传导耳机模块(12)和降噪麦克风阵列(18)与操作人员实时交流。
32.11：如图7，通过眼球追踪摄像头模块(16)，操作人员可以释放双手，在倒u型投影区(38)上进行点击、确认等操作，并能通过降噪麦克风阵列(18)输入诸如知识库查询等指令。
33.12：如图8，体态+体征采集传感模块电路(23)搭载三轴陀螺仪和三轴加速度传感器，可以监测人员运动状态，上报异常运动，实现诸如跌倒、奔跑等状态的监测；体态+体征采集传感模块电路(23)搭载体温和心率传感器，能监测人员心理状态，提供诸如危险操作前判定失误几率阈值并终止操作等判据，同时提供救援时的健康状态监控。
34.13：如图8，骨传导耳机模块电路(24)可配合防爆盔体(13)实现共振式声音传输，保证强噪声状态下的声音传输稳定性；本地图像解析主机(26)安装于防爆主电路盒(20)内，基于操作时前视摄像头模块(14)反馈的图像数据，能提供离线操作正确性判据，作为远
程综合管理云平台(图1)的线上判据的本地补充和比对。
35.14：如图10，腰带电池(30)由可伸缩腰带(35)、锁扣(36)、供电插头(32)、弹簧供电线(33)、防爆电池组(34)组成。供电插头(32)与防爆主电路盒(20)上的受电插头(27)连接，进行供电。腰带电池(30)也可提供24v应急电源为其他设备供电。
36.此外，以上实施方式仅用以说明本发明的具体实施方式而不是对其限制，本领域技术人员应当理解，还可以对其中部分技术特征进行同等替换，这些修改和替换亦属于本发明保护范围。