本發(fā)明涉及安全防護(hù)裝備，具體為一種單兵作業(yè)安全防護(hù)裝備系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在電力、礦山、建筑等高危作業(yè)環(huán)境中，單兵作業(yè)的安全防護(hù)問(wèn)題日益受到重視。尤其是在高壓電力設(shè)備作業(yè)中，作業(yè)人員面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)較高，如高壓導(dǎo)線接近、作業(yè)環(huán)境不穩(wěn)定等，都極大增加了作業(yè)人員的安全隱患。因此，為了提高作業(yè)人員的安全性，開(kāi)發(fā)了一系列單兵作業(yè)安全防護(hù)裝備，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作業(yè)環(huán)境、預(yù)警危險(xiǎn)、提供多重保護(hù)，確保作業(yè)人員能夠在復(fù)雜環(huán)境中安全操作。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，一些單兵作業(yè)安全防護(hù)系統(tǒng)主要通過(guò)簡(jiǎn)單的定位、危險(xiǎn)區(qū)域感知及報(bào)警裝置來(lái)保障作業(yè)人員的安全。這些系統(tǒng)通常依賴于激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等測(cè)距傳感器獲取作業(yè)環(huán)境的數(shù)據(jù)，并結(jié)合環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備判斷作業(yè)人員是否接近危險(xiǎn)區(qū)域。然而，這些技術(shù)方案普遍存在測(cè)距誤差較大、無(wú)法有效消除電磁干擾、無(wú)法融合多傳感器數(shù)據(jù)等缺點(diǎn)。

3、現(xiàn)有技術(shù)在多傳感器數(shù)據(jù)融合和環(huán)境干擾抑制方面存在明顯不足。例如，測(cè)距系統(tǒng)通常會(huì)受到電磁干擾和多徑效應(yīng)的影響，導(dǎo)致測(cè)距精度不高，無(wú)法精確判斷作業(yè)人員是否處于安全距離內(nèi)。此外，現(xiàn)有的報(bào)警系統(tǒng)也較為單一，無(wú)法根據(jù)危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行分級(jí)響應(yīng)。因此，現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法在復(fù)雜環(huán)境中提供準(zhǔn)確的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，難以滿足高危作業(yè)環(huán)境中的安全防護(hù)需求。針對(duì)這些問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種具有自適應(yīng)濾波、精確多傳感器融合和智能分級(jí)報(bào)警的單兵作業(yè)安全防護(hù)裝備系統(tǒng)，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中的測(cè)距精度和環(huán)境干擾問(wèn)題，提供了更為精準(zhǔn)和可靠的安全保障。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種單兵作業(yè)安全防護(hù)裝備系統(tǒng)，現(xiàn)有單兵作業(yè)安全防護(hù)系統(tǒng)在電磁干擾、測(cè)距精度和多傳感器數(shù)據(jù)融合方面的問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：一種單兵作業(yè)安全防護(hù)裝備系統(tǒng)，磁場(chǎng)干擾建模與自適應(yīng)濾波模塊，用于實(shí)時(shí)采集高壓導(dǎo)線周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度，基于非線性噪聲模型消除電磁干擾，輸出濾波后的測(cè)距信號(hào)；

3、多徑效應(yīng)抑制與測(cè)距優(yōu)化模塊，用于根據(jù)預(yù)存的反射路徑庫(kù)和最小二乘優(yōu)化算法，分離直達(dá)信號(hào)與反射信號(hào)，計(jì)算真實(shí)距離；

4、動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波與狀態(tài)估計(jì)模塊，用于融合激光測(cè)距與毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整噪聲協(xié)方差矩陣，輸出最優(yōu)距離估計(jì)；

5、風(fēng)險(xiǎn)決策與報(bào)警模塊，用于根據(jù)距離估計(jì)值觸發(fā)分級(jí)報(bào)警，包括本地聲光報(bào)警、后臺(tái)預(yù)警推送及設(shè)備自動(dòng)制動(dòng)；

6、冗余測(cè)距模塊，包含毫米波雷達(dá)傳感器，工作頻段為77ghz-80ghz，用于提供抗干擾測(cè)距數(shù)據(jù)；

7、其中，多徑效應(yīng)抑制與冗余測(cè)距模塊之間依次連接，風(fēng)險(xiǎn)決策與報(bào)警模塊的報(bào)警信號(hào)反饋至電磁場(chǎng)干擾建模與自適應(yīng)濾波模塊，用以動(dòng)態(tài)調(diào)整濾波器參數(shù)。

8、優(yōu)選的，所述電磁場(chǎng)干擾建模與自適應(yīng)濾波模塊包括：

9、法拉第屏蔽罩，覆蓋激光發(fā)射器與接收器，材質(zhì)為銅鎳合金；

10、雙通道信號(hào)采集單元，分別采集激光測(cè)距信號(hào)與電磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)；

11、動(dòng)態(tài)截止頻率濾波器，其截止頻率隨電場(chǎng)梯度幅值線性調(diào)整。

12、優(yōu)選的，所述多徑效應(yīng)抑制與測(cè)距優(yōu)化模塊包括：

13、反射路徑庫(kù)，預(yù)存變電站內(nèi)金屬支架、絕緣子串的反射路徑長(zhǎng)度；

14、迭代優(yōu)化單元，采用levenberg-marquardt算法求解最小二乘殘差平方和。

15、優(yōu)選的，所述動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波與狀態(tài)估計(jì)模塊包括：

16、狀態(tài)向量定義單元，包含距離與速度參數(shù)；

17、自適應(yīng)噪聲協(xié)方差單元，其過(guò)程噪聲協(xié)方差隨電場(chǎng)強(qiáng)度梯度指數(shù)衰減，觀測(cè)噪聲協(xié)方差隨反射系數(shù)平方和線性增加。

18、優(yōu)選的，所述風(fēng)險(xiǎn)決策與報(bào)警模塊的分級(jí)報(bào)警邏輯為：

19、當(dāng)距離估計(jì)值小于5.1-5.2米時(shí)觸發(fā)本地聲光報(bào)警，蜂鳴頻率為2khz，led閃爍頻率為1hz；

20、當(dāng)距離估計(jì)值小于4.9-4.8米時(shí)向后臺(tái)管理系統(tǒng)推送預(yù)警信息；

21、當(dāng)距離估計(jì)值小于4.5-4.4米時(shí)觸發(fā)吊車自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)。

22、優(yōu)選的，所述冗余測(cè)距模塊的毫米波雷達(dá)傳感器帶寬為4ghz-5ghz，最大測(cè)距為50-53米，測(cè)距精度±0.05米。

23、優(yōu)選的，所述冗余測(cè)距模塊還電性連接有環(huán)境監(jiān)測(cè)單元，其中包括集成溫濕度傳感器、氣體濃度傳感器及風(fēng)速傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作業(yè)環(huán)境參數(shù)并與距離估計(jì)值聯(lián)動(dòng)報(bào)警。

24、優(yōu)選的，所述動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波模塊的嵌入式處理器為cortex-m7內(nèi)核，主頻為400mhz-450mhz之間，實(shí)時(shí)處理延遲為15-9ms之間。

25、優(yōu)選的，所述環(huán)境監(jiān)測(cè)單元電性連接有人體狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元，其中包括集成心率傳感器與體溫傳感器，用于檢測(cè)作業(yè)人員生理狀態(tài)，當(dāng)心率超過(guò)120bpm或體溫超過(guò)38℃時(shí)觸發(fā)健康預(yù)警。

26、本發(fā)明提供了一種單兵作業(yè)安全防護(hù)裝備系統(tǒng)。具備以下有益效果：

27、1、本發(fā)明采用了電磁場(chǎng)干擾建模與自適應(yīng)濾波技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)高壓導(dǎo)線周圍的電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度，結(jié)合非線性噪聲模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)濾波。通過(guò)此技術(shù)，系統(tǒng)能夠有效抑制電磁干擾，輸出高精度的測(cè)距信號(hào)。相較于現(xiàn)有技術(shù)中未能有效消除電磁干擾的方案，本發(fā)明的電磁干擾建模與濾波技術(shù)解決了傳統(tǒng)方法中測(cè)距誤差增大的問(wèn)題，提高了作業(yè)環(huán)境中的安全性和測(cè)量精度。

28、2、本發(fā)明通過(guò)多徑效應(yīng)抑制與測(cè)距優(yōu)化模塊，引入反射路徑庫(kù)和最小二乘優(yōu)化算法，有效分離直達(dá)信號(hào)與反射信號(hào)，確保了真實(shí)距離的精準(zhǔn)計(jì)算。與現(xiàn)有技術(shù)中通常忽略反射信號(hào)影響的技術(shù)方案相比，本發(fā)明能夠精確計(jì)算復(fù)雜環(huán)境下的距離，克服了多徑效應(yīng)帶來(lái)的嚴(yán)重誤差，提升了測(cè)距系統(tǒng)的可靠性。

29、3、本發(fā)明引入了動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波與狀態(tài)估計(jì)模塊，通過(guò)自適應(yīng)噪聲協(xié)方差調(diào)整，融合激光測(cè)距與毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)，輸出最優(yōu)距離估計(jì)。這一技術(shù)有效克服了單一傳感器數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的問(wèn)題，相較于現(xiàn)有技術(shù)中無(wú)法有效融合多傳感器數(shù)據(jù)的方案，本發(fā)明顯著提高了距離估計(jì)的準(zhǔn)確性，保證了系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的精確測(cè)量能力。

技術(shù)特征：

1.一種單兵作業(yè)安全防護(hù)裝備系統(tǒng)，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單兵作業(yè)安全防護(hù)裝備系統(tǒng)，其特征在于，所述電磁場(chǎng)干擾建模與自適應(yīng)濾波模塊包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單兵作業(yè)安全防護(hù)裝備系統(tǒng)，其特征在于，所述多徑效應(yīng)抑制與測(cè)距優(yōu)化模塊包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單兵作業(yè)安全防護(hù)裝備系統(tǒng)，其特征在于，所述動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波與狀態(tài)估計(jì)模塊包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單兵作業(yè)安全防護(hù)裝備系統(tǒng)，其特征在于，所述風(fēng)險(xiǎn)決策與報(bào)警模塊的分級(jí)報(bào)警邏輯為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單兵作業(yè)安全防護(hù)裝備系統(tǒng)，其特征在于，所述冗余測(cè)距模塊的毫米波雷達(dá)傳感器帶寬為4ghz-5ghz，最大測(cè)距為50-53米，測(cè)距精度±0.05米。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單兵作業(yè)安全防護(hù)裝備系統(tǒng)，其特征在于，所述冗余測(cè)距模塊還電性連接有環(huán)境監(jiān)測(cè)單元，其中包括集成溫濕度傳感器、氣體濃度傳感器及風(fēng)速傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作業(yè)環(huán)境參數(shù)并與距離估計(jì)值聯(lián)動(dòng)報(bào)警。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單兵作業(yè)安全防護(hù)裝備系統(tǒng)，其特征在于，所述動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波模塊的嵌入式處理器為cortex-m7內(nèi)核，主頻為400mhz-450mhz之間，實(shí)時(shí)處理延遲為15-9ms之間。

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種單兵作業(yè)安全防護(hù)裝備系統(tǒng)，其特征在于，所述環(huán)境監(jiān)測(cè)單元電性連接有人體狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元，其中包括集成心率傳感器與體溫傳感器，用于檢測(cè)作業(yè)人員生理狀態(tài)，當(dāng)心率超過(guò)120bpm或體溫超過(guò)38℃時(shí)觸發(fā)健康預(yù)警。

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)涉及安全防護(hù)裝備技術(shù)領(lǐng)域，公開(kāi)了一種單兵作業(yè)安全防護(hù)裝備系統(tǒng)，包括：電磁場(chǎng)干擾建模與自適應(yīng)濾波模塊，用于實(shí)時(shí)采集高壓導(dǎo)線周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度，基于非線性噪聲模型消除電磁干擾，輸出濾波后的測(cè)距信號(hào)；多徑效應(yīng)抑制與測(cè)距優(yōu)化模塊，用于根據(jù)預(yù)存的反射路徑庫(kù)和最小二乘優(yōu)化算法，分離直達(dá)信號(hào)與反射信號(hào)，計(jì)算真實(shí)距離；動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波與狀態(tài)估計(jì)模塊，用于融合激光測(cè)距與毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整噪聲協(xié)方差矩陣，輸出最優(yōu)距離估計(jì)。本發(fā)明采用了電磁場(chǎng)干擾建模與自適應(yīng)濾波技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)高壓導(dǎo)線周圍的電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度，結(jié)合非線性噪聲模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)濾波。

技術(shù)研發(fā)人員：呂曉祿,鄭連勇,王斌,李魯,唐曉森,綦浩楠,劉況,李修齊,周新泉
受保護(hù)的技術(shù)使用者：山東網(wǎng)源電力工程有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15