基于紅外探測(cè)的人員搜索及定位技術(shù)研究*

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(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)煤炭行業(yè)發(fā)展迅猛，但在煤炭開采過程中卻時(shí)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(duì)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(shí)、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(chǎng)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(xiǎn)性，此時(shí)搜救人員很難在第一時(shí)間內(nèi)進(jìn)入到礦難現(xiàn)場(chǎng)對(duì)遇險(xiǎn)人員實(shí)施救援。通常情況下，由救援鉆機(jī)打通救援孔并下放測(cè)量探頭至井下的礦難現(xiàn)場(chǎng)，探測(cè)到遇險(xiǎn)人員位置后采用大直徑鉆孔實(shí)施營(yíng)救措施。因此對(duì)遇險(xiǎn)人員進(jìn)行精確搜索及定位會(huì)極大影響鉆孔救援的效率[2-4]。

目前，用于鉆孔救援的測(cè)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(cè)遇險(xiǎn)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(cè)方式的工作距離有限，很難精確觀測(cè)所有遇險(xiǎn)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(cè)和空間探測(cè)的人員搜索及定位技術(shù)，不僅可以精確、直觀顯示遇險(xiǎn)人員的空間位置，而且可以對(duì)礦井下的環(huán)境實(shí)現(xiàn)空間探測(cè)，對(duì)后續(xù)實(shí)施高效營(yíng)救具有重要的參考價(jià)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(xiǎn)人員在礦井下的位置，需要實(shí)現(xiàn)礦井環(huán)境的三維空間探測(cè)和遇險(xiǎn)人員的生命探測(cè)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(shí)現(xiàn)礦井環(huán)境的三維空間探測(cè)功能，首先，采用深度測(cè)量模塊實(shí)現(xiàn)測(cè)量探頭的縱向深度測(cè)量；其次，當(dāng)測(cè)量探頭位于不同的縱向深度時(shí)，采用搭載激光測(cè)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(tái)以固定角度間隔實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)360°旋轉(zhuǎn)，并在不同角度測(cè)量探頭與巖壁之間的距離；最后，當(dāng)測(cè)量探頭在不同深度，依照特定精度隨著轉(zhuǎn)臺(tái)依次采集不同角度方向的距離后，對(duì)所有采集點(diǎn)進(jìn)行空間擬合后便能實(shí)現(xiàn)礦井的三維空間探測(cè)。另一方面，由于絕對(duì)零度之上的物體會(huì)發(fā)出熱輻射，因此當(dāng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上搭載的紅外攝像模塊可以有效探測(cè)礦井環(huán)境內(nèi)的遇險(xiǎn)人員，并結(jié)合電子羅盤、激光測(cè)距以及深度測(cè)量模塊的測(cè)量數(shù)據(jù)繪制出遇險(xiǎn)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(cè)裝備的硬件模塊包括：深度測(cè)量模塊、激光測(cè)距模塊、紅外攝像模塊、電子羅盤模塊以及測(cè)量主機(jī)，其連接關(guān)系如圖2所示。

圖2 探測(cè)裝備的硬件原理框圖

為了驗(yàn)證該技術(shù)是否可行，本文開發(fā)了深度測(cè)量模塊，選型了激光測(cè)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(cè)量主機(jī)，接收各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)傳輸。以下將對(duì)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(cè)量模塊

通常，光電編碼器是用于深度測(cè)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(duì)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(hào)，而后者可以直接讀出轉(zhuǎn)動(dòng)軸的絕對(duì)位置信息[6-8]。考慮到不需要獲取轉(zhuǎn)動(dòng)軸的絕對(duì)位置，且增量型具備傳輸距離較長(zhǎng)、抗干擾能力較強(qiáng)和成本低等優(yōu)點(diǎn)，本文選取長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)測(cè)量探頭的深度測(cè)量，其工作原理與實(shí)物照片如圖3所示。該編碼器包含A、B、C三個(gè)輸出端，其中,A、B端輸出兩相互差90°的脈沖信號(hào)(即所謂的兩組正交輸出信號(hào))，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(shí)只發(fā)出一個(gè)標(biāo)志信號(hào)，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(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)A、B端可輸出1 024個(gè)脈沖，Z端只輸出一個(gè)脈沖。

圖3 增量型光電編碼器的工作原理與實(shí)物照片

為了實(shí)現(xiàn)深度測(cè)量，需要設(shè)計(jì)專用電路對(duì)光電編碼器的脈沖信號(hào)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(chǔ)器和64 K字節(jié)的SRAM存儲(chǔ)器，包含4個(gè)通用16位定時(shí)器，2個(gè)PWM定時(shí)器，2個(gè)基本定時(shí)器，2個(gè)I2C接口(支持SMBus/PMBus)，5個(gè)USART接口，3個(gè)SPI接口，1個(gè)CAN接口(2.0B 主動(dòng)) 。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(hào)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(gè)1K的上拉電阻，并在脈沖采集輸入與大地間連接一個(gè)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(hào)的沿更加陡峭和平穩(wěn)。經(jīng)過74HC14的脈沖信號(hào)A、B、C輸入至STM32F103C8T6芯片的PB5、PB6、PB7引腳。脈沖信號(hào)輸入至STM32F103C8T6芯片后，經(jīng)過計(jì)算可以得到深度信息，并通過SP3232E芯片傳輸至測(cè)量主機(jī)。

圖4 光電編碼器的采集電路原理圖

2.2 激光測(cè)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(cè)距是一種常用的光波距離測(cè)量手段。根據(jù)工作原理的不同，激光測(cè)距可分為脈沖式和相位式，前者是通過測(cè)定脈沖激光在測(cè)線上往返所經(jīng)過的時(shí)間進(jìn)而計(jì)算距離，而后者是根據(jù)發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)之間的相位差所包含的信息來間接完成測(cè)距的測(cè)量；相比較而言，前者的測(cè)量距離更長(zhǎng)，后者的測(cè)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(cè)距模塊，實(shí)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(cè)量范圍為0.03～120 m，測(cè)量誤差最大不超過±3.0 mm，單次測(cè)量時(shí)間為0.125～4 s，測(cè)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(cè)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(duì)零度以上的物體自身都會(huì)發(fā)射電磁輻射，一般自然界物體的溫度所對(duì)應(yīng)的輻射峰值都在紅外波段。為了能夠有效探測(cè)遇險(xiǎn)人員，本文利用紅外探測(cè)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(cè)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(shí)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(cè)波長(zhǎng)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(huì)下降。

2.4 電子羅盤模塊

為了測(cè)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(cè)量探頭的方位信息，實(shí)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(cè)量方案，通過STM32微處理器實(shí)時(shí)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(cè)量誤差小于±1.5°，傾角和橫滾角的測(cè)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(zhǎng)×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(chǎng)，但為了保證產(chǎn)品達(dá)到最佳測(cè)量效果，應(yīng)盡可能使其安裝位置遠(yuǎn)離鐵、鎳、磁鐵、發(fā)動(dòng)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(jì)

根據(jù)探測(cè)裝備的硬件組成可知：激光測(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)傳送至YSK(D)鉆孔成像儀測(cè)量主機(jī)，紅外攝像模塊可通過同軸電纜將視頻信號(hào)傳送至YSK(D)鉆孔成像儀測(cè)量主機(jī)，唯獨(dú)深度測(cè)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(jì)算深度后通過RS232接口將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送至YSK(D)鉆孔成像儀測(cè)量主機(jī)。通常STM32103C8T6通過定時(shí)器采集光電編碼器數(shù)據(jù)，根據(jù)計(jì)數(shù)方式的不同分為三種模式：僅在TL1計(jì)數(shù)(A相)、僅在TL2計(jì)數(shù)(B相)以及在TL1和TL2都計(jì)數(shù)(A相和B相都計(jì)數(shù))。前兩種模式精度相同，編程簡(jiǎn)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(cè)量精度較高，因此采用了第三種模式。以下為本文采用定時(shí)器4采集光電編碼器數(shù)據(jù)時(shí)的相關(guān)寄存器參數(shù)配置，并可通過公式(1)計(jì)算深度信息。

TIM4->PSC = 0x0；//預(yù)分頻器

TIM4->ARR = 15-1；//設(shè)定計(jì)數(shù)器自動(dòng)重裝值

TIM4->CR1 &=～(3<<8)；//選擇時(shí)鐘分頻：不分頻

TIM4->CR1 &=～(3<<5)；//選擇計(jì)數(shù)模式：邊沿對(duì)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(shí)器

(1)

式中,H為深度；n為計(jì)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(zhǎng)。

4 實(shí)驗(yàn)與仿真

由于LRB605B型相位式激光測(cè)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(cè)試了深度測(cè)量模塊的測(cè)量精度和紅外攝像模塊探測(cè)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(jì)數(shù)器與YSK(D)鉆孔成像儀測(cè)量主機(jī)連接，打開串口調(diào)試助手，對(duì)深度信息清零后，將電纜通過深度計(jì)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(shí)分別讀取并記錄主機(jī)上的深度測(cè)量值，其測(cè)量誤差可按照如下公式計(jì)算：

(2)

式中,LS為測(cè)量誤差；LO為標(biāo)準(zhǔn)電纜長(zhǎng)度；Li為實(shí)測(cè)電纜長(zhǎng)度；LR為測(cè)量范圍。

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

表1 深度測(cè)量數(shù)據(jù)/m

其次，為了驗(yàn)證紅外攝像模塊針對(duì)人體輻射的探測(cè)效果，本文采用D880型紅外攝像模塊進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)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(cè)到人體目標(biāo)，而且可以清楚觀測(cè)到人體目標(biāo)手中的打火機(jī)，驗(yàn)證了本文采用紅外攝像模塊完成煤礦井下對(duì)遇險(xiǎn)人員進(jìn)行搜索識(shí)別的設(shè)計(jì)思路。

圖8 紅外攝像模塊采集圖像

最后，為了進(jìn)一步驗(yàn)證空間測(cè)量及人體定位技術(shù)的正確性，本文選用了長(zhǎng)為6 m、寬為3.6 m的密閉房間作為測(cè)試環(huán)境，被測(cè)目標(biāo)位于房間內(nèi)；為了實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)目標(biāo)進(jìn)行搜索及定位，在房間的正中位置安置簡(jiǎn)易測(cè)量探頭，即將深度測(cè)量模塊、激光測(cè)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(tái)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(cè)量效率，本文在測(cè)量探頭的縱向深度方向每隔0.1 m對(duì)周圍空間進(jìn)行測(cè)量，由于被測(cè)人體高度為1.70 m，因此設(shè)置最高測(cè)量高度為2 m，圖9為使用Matlab對(duì)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(shí)現(xiàn)了測(cè)量環(huán)境的空間探測(cè)，并且能直觀顯示出被測(cè)人員在測(cè)量環(huán)境中的位置，即人員與測(cè)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(cè)的人員搜索及定位技術(shù)，分析了該種探測(cè)技術(shù)的工作原理，并對(duì)相應(yīng)探測(cè)裝備的硬件組成進(jìn)行了設(shè)計(jì)，主要包括激光測(cè)距模塊、紅外探測(cè)模塊和電子羅盤模塊的參數(shù)選型以及深度測(cè)量模塊的硬件設(shè)計(jì)。此外，為了提高深度測(cè)量的精確性，采用了4倍頻定時(shí)器計(jì)數(shù)模式，并對(duì)相關(guān)寄存器參數(shù)進(jìn)行了配置。最后，著重測(cè)試了深度測(cè)量模塊的測(cè)量精度和紅外攝像模塊探測(cè)效果，并針對(duì)密閉房間中的目標(biāo)人員進(jìn)行了搜索與定位。試驗(yàn)結(jié)果表明：本文設(shè)計(jì)的深度測(cè)量模塊和選用的紅外攝像模塊均能滿足實(shí)際測(cè)量要求，設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易探測(cè)設(shè)備能夠準(zhǔn)確搜索及定位被測(cè)人員，被測(cè)人員與測(cè)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(xiǎn)人員的空間位置，能夠顯著提高井下救援的工作效率。