本發(fā)明涉及一種安全帽，尤其是一種基于二維傾角判據(jù)的頭部姿態(tài)異常檢測安全帽。

背景技術(shù)：

佩戴安全帽的工作人員，尤其是特種作業(yè)的工作人員，往往工作的地方比較偏，危險(xiǎn)性較高，當(dāng)危險(xiǎn)狀況發(fā)生時(shí)，工作人員意識不清醒時(shí)無法通知周圍的工作人員，從而導(dǎo)致悲劇的發(fā)生。

現(xiàn)有技術(shù)中的安全帽只能起到保護(hù)頭部的功能，還有一些特殊功能的安全帽，但是功能比較單一，尤其不能實(shí)時(shí)檢測佩戴者的頭部姿態(tài)，特殊情況下不能挽救其性命。現(xiàn)有的安全帽沒有危險(xiǎn)狀況發(fā)生時(shí)報(bào)警的功能，通常不能及時(shí)營救。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)緊湊，頭部姿態(tài)異常時(shí)能夠及時(shí)報(bào)警和通知周圍的工作人員營救，穿戴更換方便，適用范圍廣的基于二維傾角判據(jù)的頭部姿態(tài)異常檢測安全帽。

一種基于二維傾角判據(jù)的頭部姿態(tài)異常檢測安全帽，包括安全帽本體，在安全帽本體上設(shè)置有傾角檢測裝置、定位模塊、通信模塊、控制器、報(bào)警裝置及電源，所述的控制器與傾角檢測裝置、報(bào)警裝置、定位模塊及通信模塊相連，電源給各裝置供電，所述的控制器與信息中心通訊連接，控制器每隔一段時(shí)間將位置信息傳輸給信息中心，以便信息中心實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場工作人員的位置。

當(dāng)傾角檢測裝置檢測的傾角數(shù)據(jù)和計(jì)算的傾角變化率與控制器預(yù)設(shè)的頭部異常姿態(tài)報(bào)警范圍匹配時(shí)，控制電路通過報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警，以提醒工作人員，控制電路還將狀態(tài)位置信息通過通信模塊傳輸給信息中心，以便信息中心通知周圍的工作人員實(shí)施營救。

所述的報(bào)警裝置先于通信模塊工作，報(bào)警裝置持續(xù)一段時(shí)間后仍異常時(shí)，控制電路再將狀態(tài)信息通過通信模塊傳輸給信息中心。

所述的報(bào)警裝置包括聲、光報(bào)警。

所述的報(bào)警裝置還包括主動(dòng)報(bào)警按鈕。

在安全帽上設(shè)置報(bào)警按鈕，方便佩戴人員主動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號。

所述的傾角檢測裝置包括有前端傾角傳感器、信號調(diào)節(jié)與過濾電路、A/D轉(zhuǎn)換電路；傾角傳感器感應(yīng)x,y軸兩個(gè)方向的傾角，傾角傳感器與信號調(diào)節(jié)與過濾電路相連，信號調(diào)節(jié)電路的輸出端與濾波電路相連，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號輸出給控制器。

傾角檢測裝置、定位模塊、通信模塊、控制器和電源設(shè)置于安全帽本體的內(nèi)部，報(bào)警裝置設(shè)置于安全帽的側(cè)面。

所述的基于二維傾角判據(jù)的頭部姿態(tài)異常檢測安全帽還包括有延時(shí)程序，報(bào)警電路啟動(dòng)時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)延時(shí)程序，等待一段時(shí)間后繼續(xù)檢測，增加延時(shí)程序，可以削除誤報(bào)的干擾。

所述定位模塊可以采用GPS、北斗等定位芯片，每隔一段時(shí)間采集工作人員的位置信息，然后傳輸給控制器。

所述通信模塊可以采用2G、3G、4G等通信技術(shù)，包括通信芯片和喇叭，主要功能是將狀態(tài)或位置信息傳輸給基地，還可以接受信息中心傳來的語音信號。

綜上所述的，本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)如下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明在安全帽本體上設(shè)置傾角檢測裝置，利用傾角傳感器檢測，控制器計(jì)算傾角和傾角變化率實(shí)現(xiàn)對工作人員頭部姿態(tài)的判斷，安全帽本體佩戴在運(yùn)行檢修人員的頭部，相對位置比較固定，檢測的準(zhǔn)確度較高，可準(zhǔn)確的判斷操作人員的頭部姿態(tài)，并能通過安全帽本體上的報(bào)警裝置進(jìn)行聲光報(bào)警?？刂齐娐放c定位模塊和通信模塊相連，當(dāng)異常狀態(tài)出現(xiàn)時(shí)，可以將狀態(tài)信息傳給信息中心，以便信息中心通知周圍的工作人員實(shí)施營救；并且還設(shè)置了主動(dòng)報(bào)警按鈕，可以發(fā)送主動(dòng)報(bào)警信號給信息中心。傾角檢測裝置、定位模塊、通信模塊、報(bào)警裝置及控制電路與安全帽本體的一體化設(shè)計(jì)，不會(huì)給運(yùn)行和操作人員增加額外的裝備，穿戴更換方便，適應(yīng)范圍廣。

附圖說明

圖1為本發(fā)明安全帽的原理框圖。

圖2為本發(fā)明安全帽內(nèi)傾角傳感器放置俯視圖。

圖3為本發(fā)明的硬件電路框圖。

圖4為本發(fā)明的系統(tǒng)軟件框圖

標(biāo)號說明：1-安全帽本體、2-傾角傳感器、3-傾角檢測模塊、4-前端感應(yīng)電路、5-信號調(diào)節(jié)與過濾電路、6-A/D轉(zhuǎn)換電路、7-控制器、8-報(bào)警電路、9-定位模塊、10-通信模塊、11-電源、12-開始、13-預(yù)處理、14-位置信息發(fā)送、15-傾角判斷、16-本地報(bào)警、17-延時(shí)再判斷、18-發(fā)報(bào)警信號給信息中心。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。

實(shí)施例1

一種基于二維傾角判據(jù)的頭部姿態(tài)異常檢測安全帽，包括安全帽本體，在安全帽本體上設(shè)置有傾角檢測裝置、定位模塊、通信模塊、控制器、報(bào)警裝置及電源，所述的控制器與傾角檢測裝置、報(bào)警裝置、定位模塊及通信模塊相連，電源給各裝置供電，所述的控制器與信息中心通訊連接，控制器每隔一段時(shí)將位置信息傳輸給信息中心，以便信息中心監(jiān)控工作人員的位置。所述的報(bào)警裝置先于通信模塊工作，報(bào)警裝置持續(xù)一段時(shí)間后仍異常時(shí)，控制電路再將狀態(tài)信息通過通信模塊傳輸給信息中心。所述報(bào)警裝置包括報(bào)警燈、報(bào)警鈴及主動(dòng)報(bào)警按鈕。傾角檢測裝置、定位模塊、通信模塊、控制器和電源設(shè)置于安全帽本體的內(nèi)部，報(bào)警裝置設(shè)置于安全帽的側(cè)面。

圖2是傾角傳感器放置俯視圖，傾角傳感器2是雙軸的，放置在安全帽本體1的內(nèi)部，x軸方向?yàn)樽笥曳较?，y軸方向?yàn)榍昂蠓较颍摪踩本褪峭ㄟ^感應(yīng)這兩個(gè)方向的傾角，計(jì)算傾角值和傾角變化率來判斷工作人員的頭部姿態(tài)。

圖3是本發(fā)明的硬件電路框圖，傾角檢測模塊3包括前端感應(yīng)電路4、信號調(diào)節(jié)與過濾電路5和A/D轉(zhuǎn)換電路6。本發(fā)明實(shí)施例中，通過前端感應(yīng)電路4感應(yīng)x,y軸的傾角，通過信號調(diào)節(jié)與過濾電路5，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路6轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號輸出給控制器，然后計(jì)算傾角值和傾角變化率，將計(jì)算值與控制器7內(nèi)設(shè)置的報(bào)警值范圍進(jìn)行比較，在報(bào)警值范圍內(nèi)時(shí)，控制電路通過報(bào)警電路進(jìn)行報(bào)警，經(jīng)過時(shí)間t₂后仍異常，則控制電路將狀態(tài)和位置信息通過通信模塊10傳輸給信息中心，定位模塊9每隔時(shí)間t₁通過通信模塊10將位置信息傳輸給信息中心，報(bào)警電路8設(shè)置主動(dòng)報(bào)警按鈕，按下報(bào)警按鈕后，將主動(dòng)報(bào)警信號傳輸給信息中心。

圖3是系統(tǒng)軟件框圖，包括：步驟13，各變量初始化；步驟14，發(fā)送位置信息給信息中心；步驟15，傾角判斷，先計(jì)算傾角值和傾角變化率，然后通過查詢表格，找到所屬類別，從而判斷頭部姿態(tài)是否正常，異常時(shí)，執(zhí)行步驟16，本地聲光報(bào)警并計(jì)時(shí)，正常時(shí)，重新讀取數(shù)據(jù)；步驟17，延時(shí)再判斷是否異常，異常時(shí)，執(zhí)行步驟18，發(fā)送報(bào)警信號給信息中心，以便信息中心通知周圍的工作人員實(shí)施營救，正常時(shí)，重新讀取數(shù)據(jù)。

在上述技術(shù)方案中，所述步驟還包括：判斷是否有主動(dòng)報(bào)警信號，當(dāng)工作人員按下主動(dòng)報(bào)警按鈕，立即執(zhí)行步驟18，發(fā)送報(bào)警信號給信息中心。

本發(fā)明傾角計(jì)算和頭部姿態(tài)分類算法具體如下：

按照某一角度旋轉(zhuǎn)的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為角度值的函數(shù)為：

其中：D_out表示X或Y通道的數(shù)字輸出量，表示數(shù)值抵消，α表示角度，Sens表示芯片敏感度。

在離線狀態(tài)下獲取N組x,y方向的傾角數(shù)據(jù)，設(shè)描述對象為x,y方向的傾角θ_x,θ_y，傾角范圍為[-90°,90°」，x,y方向的傾角變化率為Δθ_x/Δt,Δθ_y/Δt，傾角變化率的計(jì)算方法為

首先對傾角數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，訓(xùn)練樣本的歸一化，有

其中傾角最小值min(θ_x),min(θ_y)為-90°，傾角最大值man(θ_x),man(θ_y)為90°，min(Δθ/Δt)表示傾角變化率的最小值，max(Δθ/Δt)表示傾角變化率的最大值。

將歸一化后的數(shù)據(jù)在平面坐標(biāo)系中分別表示成(θ′_x,θ′_y)，(Δθ′_x/Δt,Δθ′_y/Δt)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，可以表示為

將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)點(diǎn)分別在直角坐標(biāo)系中表示成z＝(θ′_x,θ′_y),Δz/Δt＝(Δθ′_x/Δt,Δθ′_y/Δt)，然后根據(jù)數(shù)據(jù)大小將傾角和傾角變化率數(shù)據(jù)點(diǎn)各分成八類，z,Δz/Δt各類的中心為其中m,n＝1,2，采用基于距離分類方法，對頭部姿態(tài)進(jìn)行分類。

取各類的幾何中心作為各類的中心，用各點(diǎn)到中心的距離來表征相似性，距離越遠(yuǎn)，相似性越小。通過對每個(gè)元組和各個(gè)類中心相似度來比較，從而可以找出他的最近的類中心，得到確定的類別標(biāo)記，最終得到頭部姿態(tài)可能情況的表格1。

在線獲取數(shù)據(jù),重復(fù)上面的數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟，計(jì)算數(shù)據(jù)點(diǎn)與各中心的距離，取最小的中心點(diǎn)所在的類別為該數(shù)據(jù)點(diǎn)所屬類別，根據(jù)兩個(gè)類別查詢表格，確定頭部姿態(tài)情況。

表1頭部姿態(tài)分類

a,b,c,d,m_x′,m_y′取值的大小跟本發(fā)明運(yùn)用的行業(yè)和所選取的樣本數(shù)據(jù)有關(guān)，樣本數(shù)據(jù)確定時(shí)，其值的大小由上述算法計(jì)算得到。

本實(shí)施例未述部分與現(xiàn)有技術(shù)相同。