劉耀波

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國煤炭行業(yè)發(fā)展迅猛，但在煤炭開采過程中卻時有發(fā)生瓦斯爆炸、礦井失火、頂板塌方及透水等重特大事故，對礦工的生命安全造成了嚴(yán)重的威脅[1]。礦難發(fā)生后，及時、迅速地發(fā)現(xiàn)被困礦工是開展高效救援的前提；然而煤礦事故現(xiàn)場環(huán)境十分復(fù)雜，尤其在發(fā)生瓦斯、煤塵等爆炸事故以后，容易引發(fā)二次爆炸等事故，環(huán)境存在高危險性，此時搜救人員很難在第一時間內(nèi)進(jìn)入到礦難現(xiàn)場對遇險人員實施救援。通常情況下，由救援鉆機(jī)打通救援孔并下放測量探頭至井下的礦難現(xiàn)場，探測到遇險人員位置后采用大直徑鉆孔實施營救措施。因此對遇險人員進(jìn)行精確搜索及定位會極大影響鉆孔救援的效率[2-4]。

目前，用于鉆孔救援的測量探頭主要采用鉆孔窺視儀，即采用光源照亮礦井后使用攝像頭肉眼探測遇險人員的位置[5]；然而復(fù)雜的礦井環(huán)境以及救援孔直徑的限制，使得該探測方式的工作距離有限，很難精確觀測所有遇險人員的位置。為了克服上述問題，本文研究了一種基于生命探測和空間探測的人員搜索及定位技術(shù)，不僅可以精確、直觀顯示遇險人員的空間位置，而且可以對礦井下的環(huán)境實現(xiàn)空間探測，對后續(xù)實施高效營救具有重要的參考價值。

1 工作原理

由于礦井下的環(huán)境十分復(fù)雜，為了能夠精確獲取遇險人員在礦井下的位置，需要實現(xiàn)礦井環(huán)境的三維空間探測和遇險人員的生命探測及定位，圖1為人員搜索及定位技術(shù)的工作原理示意圖。

圖1 人員搜索及定位技術(shù)的工作原理示意圖

為了實現(xiàn)礦井環(huán)境的三維空間探測功能，首先，采用深度測量模塊實現(xiàn)測量探頭的縱向深度測量；其次，當(dāng)測量探頭位于不同的縱向深度時，采用搭載激光測距模塊、紅外攝像模塊以及電子羅盤模塊的特定旋轉(zhuǎn)平臺以固定角度間隔實現(xiàn)水平面內(nèi)360°旋轉(zhuǎn)，并在不同角度測量探頭與巖壁之間的距離；最后，當(dāng)測量探頭在不同深度，依照特定精度隨著轉(zhuǎn)臺依次采集不同角度方向的距離后，對所有采集點(diǎn)進(jìn)行空間擬合后便能實現(xiàn)礦井的三維空間探測。另一方面，由于絕對零度之上的物體會發(fā)出熱輻射，因此當(dāng)旋轉(zhuǎn)平臺在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)平臺上搭載的紅外攝像模塊可以有效探測礦井環(huán)境內(nèi)的遇險人員，并結(jié)合電子羅盤、激光測距以及深度測量模塊的測量數(shù)據(jù)繪制出遇險人員在礦井中的具體位置。

2 硬件組成

根據(jù)人員搜索及定位技術(shù)的原理可知探測裝備的硬件模塊包括：深度測量模塊、激光測距模塊、紅外攝像模塊、電子羅盤模塊以及測量主機(jī)，其連接關(guān)系如圖2所示。

圖2 探測裝備的硬件原理框圖

為了驗證該技術(shù)是否可行，本文開發(fā)了深度測量模塊，選型了激光測距模塊、紅外攝像模塊和電子羅盤模塊，并采用中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司的YSK(D)鉆孔成像儀作為測量主機(jī)，接收各個模塊的數(shù)據(jù)傳輸。以下將對不同模塊的參數(shù)選型及相關(guān)電路開發(fā)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 深度測量模塊

通常，光電編碼器是用于深度測量需求的常用元件，根據(jù)工作原理的不同，該種元件分為增量型和絕對型，兩者之間的差別在于前者能夠產(chǎn)生與位移增量等值的脈沖信號，而后者可以直接讀出轉(zhuǎn)動軸的絕對位置信息[6-8]?？紤]到不需要獲取轉(zhuǎn)動軸的絕對位置，且增量型具備傳輸距離較長、抗干擾能力較強(qiáng)和成本低等優(yōu)點(diǎn)，本文選取長春三峰光電儀器制造有限公司的PIB6C-1024-5V增量型光電編碼器實現(xiàn)測量探頭的深度測量，其工作原理與實物照片如圖3所示。該編碼器包含A、B、C三個輸出端，其中,A、B端輸出兩相互差90°的脈沖信號(即所謂的兩組正交輸出信號)，用于判斷正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，Z端每當(dāng)碼盤旋轉(zhuǎn)一周時只發(fā)出一個標(biāo)志信號，用于指示機(jī)械位置或?qū)Ψe累量清零。本文選取的光電編碼器為1 024線，即轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動一圈時A、B端可輸出1 024個脈沖，Z端只輸出一個脈沖。

圖3 增量型光電編碼器的工作原理與實物照片

為了實現(xiàn)深度測量，需要設(shè)計專用電路對光電編碼器的脈沖信號進(jìn)行去噪處理、采集和傳輸。 經(jīng)過調(diào)研后，核心處理器選用意法半導(dǎo)體的基于ARM的32位微控制器——STM32F103C8T6芯片，采集電路原理圖如圖4所示。該處理器的內(nèi)核為ARM Cortex-M3，最高工作頻率為72 MHz，內(nèi)置512 K字節(jié)的Flash存儲器和64 K字節(jié)的SRAM存儲器，包含4個通用16位定時器，2個PWM定時器，2個基本定時器，2個I2C接口(支持SMBus/PMBus)，5個USART接口，3個SPI接口，1個CAN接口(2.0B 主動) 。并且為了方便使用，所有接口都可以通過寄存器配置映射到相應(yīng)的外部引腳。為了滿足不同的工作模式需求，該處理器支持3種低功耗模式：休眠、停止、待機(jī)。

為了保證光電編碼器的脈沖信號不受外界干擾，本文在編碼器A、B、C脈沖輸出處分別加一個1K的上拉電阻，并在脈沖采集輸入與大地間連接一個1nF的濾波電容。當(dāng)濾波后的脈沖經(jīng)過反相器74HC14進(jìn)行兩次反向后，可以使得脈沖信號的沿更加陡峭和平穩(wěn)。經(jīng)過74HC14的脈沖信號A、B、C輸入至STM32F103C8T6芯片的PB5、PB6、PB7引腳。脈沖信號輸入至STM32F103C8T6芯片后，經(jīng)過計算可以得到深度信息，并通過SP3232E芯片傳輸至測量主機(jī)。

圖4 光電編碼器的采集電路原理圖

2.2 激光測距模塊

由于激光具有單色性好、方向性強(qiáng)、亮度高等優(yōu)點(diǎn)，因此激光測距是一種常用的光波距離測量手段。根據(jù)工作原理的不同，激光測距可分為脈沖式和相位式，前者是通過測定脈沖激光在測線上往返所經(jīng)過的時間進(jìn)而計算距離，而后者是根據(jù)發(fā)射信號與回波信號之間的相位差所包含的信息來間接完成測距的測量；相比較而言，前者的測量距離更長，后者的測量精度更高。綜合考慮后，本文采用成都景瑞特科技有限公司的LRB605B型相位式激光測距模塊，實物照片如圖5所示。

該模塊供電電壓為DC2.0～3.3 V，模塊體積為72 mm×40 mm×18 mm，有效測量范圍為0.03～120 m，測量誤差最大不超過±3.0 mm，單次測量時間為0.125～4 s，測量數(shù)據(jù)可通過RS232接口按照既定協(xié)議上傳至上位機(jī)。

圖5 LRB605B型相位式激光測距模塊照片

2.3 紅外攝像模塊

理論上，所有溫度在熱力學(xué)絕對零度以上的物體自身都會發(fā)射電磁輻射，一般自然界物體的溫度所對應(yīng)的輻射峰值都在紅外波段。為了能夠有效探測遇險人員，本文利用紅外探測器和光學(xué)成像物鏡捕捉其自身發(fā)出的紅外輻射能量，并反映到紅外探測器的光敏元件上，最終通過視頻格式傳送至上位機(jī)。本文采用的紅外攝像模塊為浙江大立科技股份有限公司的D880型紅外攝像模塊，實物照片如圖6所示。

圖6 D880型紅外攝像模塊照片

該元件的探測波長范圍為8～14 um，攝像分辨率為384×288像素，視頻輸出格式可選模擬PAL制式或者數(shù)字視頻格式。此外，由于該元件具備圖像降噪功能， 可以在復(fù)雜的外部環(huán)境中抑制各種干擾，繼而保證圖像質(zhì)量不會下降。

2.4 電子羅盤模塊

為了測量旋轉(zhuǎn)探頭的方位，進(jìn)而為后續(xù)的空間建模及人員定位提供必要的參數(shù)信息，本文采用中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司研制的PNI高精度全姿態(tài)三維羅盤通過RS485接口按照既定協(xié)議提供測量探頭的方位信息，實物照片如圖7所示。該模塊采用了PNI三軸磁感傳感器和MEMS加速度傳感器的組合測量方案，通過STM32微處理器實時解算方位角、傾角和橫滾角，可以保證全空間范圍內(nèi)方位角的測量誤差小于±1.5°，傾角和橫滾角的測量誤差小于±0.3°。此外，該模塊的外形尺寸為72 mm×16 mm×8 mm(長×寬×高)，工作電流小于40 mA，具有體積小和功耗低的優(yōu)點(diǎn)。盡管該模塊能夠通過算法補(bǔ)償外界環(huán)境中的固定磁場，但為了保證產(chǎn)品達(dá)到最佳測量效果，應(yīng)盡可能使其安裝位置遠(yuǎn)離鐵、鎳、磁鐵、發(fā)動機(jī)和其他磁性物質(zhì)，因此探頭材料應(yīng)進(jìn)行無磁化處理[9-10]。

圖7 PNI高精度全姿態(tài)三維羅盤照片

3 軟件設(shè)計

根據(jù)探測裝備的硬件組成可知：激光測距模塊和電子羅盤模塊可以通過RS232接口按照既定協(xié)議將其測量數(shù)據(jù)傳送至YSK(D)鉆孔成像儀測量主機(jī)，紅外攝像模塊可通過同軸電纜將視頻信號傳送至YSK(D)鉆孔成像儀測量主機(jī)，唯獨(dú)深度測量模塊需要通過微處理器STM32103C8T6采集光電編碼器數(shù)據(jù)并計算深度后通過RS232接口將測量數(shù)據(jù)傳送至YSK(D)鉆孔成像儀測量主機(jī)。通常STM32103C8T6通過定時器采集光電編碼器數(shù)據(jù)，根據(jù)計數(shù)方式的不同分為三種模式：僅在TL1計數(shù)(A相)、僅在TL2計數(shù)(B相)以及在TL1和TL2都計數(shù)(A相和B相都計數(shù))。前兩種模式精度相同，編程簡單，第三種模式精度提高了4倍，編程較為復(fù)雜，由于本文要求的測量精度較高，因此采用了第三種模式。以下為本文采用定時器4采集光電編碼器數(shù)據(jù)時的相關(guān)寄存器參數(shù)配置，并可通過公式(1)計算深度信息。

TIM4->PSC = 0x0；//預(yù)分頻器

TIM4->ARR = 15-1；//設(shè)定計數(shù)器自動重裝值

TIM4->CR1 &=～(3<<8)；//選擇時鐘分頻：不分頻

TIM4->CR1 &=～(3<<5)；//選擇計數(shù)模式：邊沿對齊模式

TIM4->CCMR1 |= 1<<0；//CC1S='01'，IC1FP1映射到TI1

TIM4->CCMR1 |= 1<<8；//CC2S='01'，IC2FP2映射到TI2

TIM4->CCER &= ～(1<<1)；//CC1P='0' IC1FP1不反相，IC1FP1=TI1

TIM4->CCER &= ～(1<<5)；//CC2P='0' IC2FP2不反相，IC2FP2=TI2

TIM4->CCMR1 |= 3<<4；// IC1F='1000'，輸入捕獲1濾波器

TIM4->SMCR |= 3<<0；//SMS='011'，所有的輸入均在上升沿和下降沿有效

TIM4->CNT = 0；

TIM4->CR1 |= 0x01；//CEN=1，使能定時器

(1)

式中,H為深度；n為計數(shù)器值；L為光電編碼器線數(shù)；C為與光電編碼器固定的滑輪周長。

4 實驗與仿真

由于LRB605B型相位式激光測距模塊和PNI高精度全姿態(tài)三維羅盤都是成熟的工業(yè)化產(chǎn)品，因此本文著重測試了深度測量模塊的測量精度和紅外攝像模塊探測效果。

首先，量取50 m電纜并從0 m開始間隔10 m做出標(biāo)記，將計數(shù)器與YSK(D)鉆孔成像儀測量主機(jī)連接，打開串口調(diào)試助手，對深度信息清零后，將電纜通過深度計數(shù)器滑輪拉出，當(dāng)電纜標(biāo)記通過10 m、20 m、30 m、40 m、50 m電纜時分別讀取并記錄主機(jī)上的深度測量值，其測量誤差可按照如下公式計算：

(2)

式中,LS為測量誤差；LO為標(biāo)準(zhǔn)電纜長度；Li為實測電纜長度；LR為測量范圍。

分別計算出5個測試點(diǎn)的測量誤差，其最大值即為計數(shù)器的測量誤差。經(jīng)過測量后，深度測量數(shù)據(jù)如表1所示。測試結(jié)果表明：深度測量雖然滿足實際測量要求，但確實存在誤差，這是由于線纜材料具有彈性引起的。在實際應(yīng)用中為了提高深度的測量精度，應(yīng)當(dāng)根據(jù)測量誤差對深度測量結(jié)果進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

表1 深度測量數(shù)據(jù)/m

其次，為了驗證紅外攝像模塊針對人體輻射的探測效果，本文采用D880型紅外攝像模塊進(jìn)行了測試，測量效果如圖8所示。顯然，本文選用的D880型紅外攝像模塊不僅可以清楚探測到人體目標(biāo)，而且可以清楚觀測到人體目標(biāo)手中的打火機(jī)，驗證了本文采用紅外攝像模塊完成煤礦井下對遇險人員進(jìn)行搜索識別的設(shè)計思路。

圖8 紅外攝像模塊采集圖像

最后，為了進(jìn)一步驗證空間測量及人體定位技術(shù)的正確性，本文選用了長為6 m、寬為3.6 m的密閉房間作為測試環(huán)境，被測目標(biāo)位于房間內(nèi)；為了實現(xiàn)對被測目標(biāo)進(jìn)行搜索及定位，在房間的正中位置安置簡易測量探頭，即將深度測量模塊、激光測距模塊、紅外攝像模塊和電子羅盤模塊固定于機(jī)械式轉(zhuǎn)臺上，并從特定高度緩慢垂下探頭逐層掃描周圍空間。為了提高測量效率，本文在測量探頭的縱向深度方向每隔0.1 m對周圍空間進(jìn)行測量，由于被測人體高度為1.70 m，因此設(shè)置最高測量高度為2 m，圖9為使用Matlab對采集數(shù)據(jù)整理后繪制的空間三維圖。顯然，該方法很好地實現(xiàn)了測量環(huán)境的空間探測，并且能直觀顯示出被測人員在測量環(huán)境中的位置，即人員與測量探頭的直線距離約為2.63 m，位于偏北197.745°。

圖9 MATLAB模擬的空間三維圖及人員定位

5 結(jié) 論

本文研究了一種基于紅外探測的人員搜索及定位技術(shù)，分析了該種探測技術(shù)的工作原理，并對相應(yīng)探測裝備的硬件組成進(jìn)行了設(shè)計，主要包括激光測距模塊、紅外探測模塊和電子羅盤模塊的參數(shù)選型以及深度測量模塊的硬件設(shè)計。此外，為了提高深度測量的精確性，采用了4倍頻定時器計數(shù)模式，并對相關(guān)寄存器參數(shù)進(jìn)行了配置。最后，著重測試了深度測量模塊的測量精度和紅外攝像模塊探測效果，并針對密閉房間中的目標(biāo)人員進(jìn)行了搜索與定位。試驗結(jié)果表明：本文設(shè)計的深度測量模塊和選用的紅外攝像模塊均能滿足實際測量要求，設(shè)計的簡易探測設(shè)備能夠準(zhǔn)確搜索及定位被測人員，被測人員與測量探頭的直線距離約為2.63 m，位于偏北197.745°。綜上所述，本文研究的人員搜索及定位技術(shù)可以精確、直觀搜索及定位遇險人員的空間位置，能夠顯著提高井下救援的工作效率。