煤礦井下掘進(jìn)設(shè)備智能防撞及人員安全預(yù)警系統(tǒng)

趙振華

(山西焦煤 機(jī)械電氣有限公司， 山西 太原 030024)

煤礦井下掘進(jìn)工作面設(shè)備較多，設(shè)備之間交替作業(yè)，往來(lái)穿梭，且掘進(jìn)設(shè)備體積較大,司機(jī)視覺(jué)盲區(qū)也大，司機(jī)無(wú)法直接觀察到盲區(qū)內(nèi)的設(shè)備與人員，在設(shè)備行進(jìn)過(guò)程中容易發(fā)生碰撞、碾壓等事故。因此，研制人員安全防碰撞系統(tǒng)尤為重要。隨著智慧礦山技術(shù)的不斷發(fā)展，井下掘進(jìn)設(shè)備具備智能防碰撞功能成為必然要求，本文提出了一套基于毫米波雷達(dá)前防撞原理以及熱成像原理的掘進(jìn)設(shè)備智能防撞及人員安全預(yù)警系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備主動(dòng)避害、人員闖入報(bào)警以及監(jiān)測(cè)預(yù)警等功能，具有雙向防護(hù)、高清成像以及速度補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)。

1 智能防撞及人員安全預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)原理

1.1 毫米波雷達(dá)前防碰撞技術(shù)

毫米波雷達(dá)防碰撞主要采用線(xiàn)性調(diào)頻測(cè)距和相位法測(cè)角度原理。線(xiàn)性調(diào)頻測(cè)距主要是通過(guò)電磁波從雷達(dá)系統(tǒng)到目標(biāo)間往返傳播的時(shí)間內(nèi)，發(fā)射信號(hào)的頻率已發(fā)生變化，根據(jù)兩者的差頻可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)測(cè)距調(diào)制雷達(dá)發(fā)射信號(hào)，通過(guò)測(cè)量差拍頻率測(cè)量距離，即差拍-傅立葉體制原理，利用測(cè)定頻率按頻率調(diào)制信號(hào)規(guī)律變化的發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)之間的頻率差來(lái)確定目標(biāo)的距離速度信息[1].

相位法測(cè)角度用于對(duì)前方障礙物角度檢測(cè)，利用多個(gè)天線(xiàn)所接收回波信號(hào)之間的相位差進(jìn)行測(cè)角。設(shè)在θ方向有一遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo), 則到達(dá)接收點(diǎn)的目標(biāo)所反射的電波近似為平面波。由于兩天線(xiàn)間距為d, 故它們所收到的信號(hào)由于存在波程差ΔR而產(chǎn)生一相位差φ.

式中，λ為雷達(dá)波長(zhǎng)，用相位計(jì)進(jìn)行比相, 測(cè)出其相位差φ, 就可以確定目標(biāo)方向θ.

1.2 熱紅外高清成像技術(shù)

紅外熱成像技術(shù)運(yùn)用的是斯特藩定律，即當(dāng)在特定溫度下，由于物體材料、表面特性存在細(xì)微差別，導(dǎo)致物體輻射系數(shù)差異，進(jìn)而導(dǎo)致被測(cè)物體與背景的輻射度存在差異，通過(guò)信號(hào)處理把差異放大，在特定顯示器中顯示，就能得到被測(cè)物體的紅外熱成像圖。其原理為當(dāng)目標(biāo)溫度高于絕對(duì)零度，自發(fā)的向外輻射能量，這種能量以紅外線(xiàn)的形式表現(xiàn)出來(lái)，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)物體的紅外輻射進(jìn)行匯聚成像，經(jīng)紅外探測(cè)器將目標(biāo)物體的紅外輻射轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)，再將電子信號(hào)通過(guò)電子信息處理，最終顯示出紅外熱圖[2-3]，熱成像流程示意圖見(jiàn)圖1.

圖1 熱成像流程示意圖

2 智能防撞系統(tǒng)技術(shù)路線(xiàn)及方案設(shè)計(jì)

本文研究的掘進(jìn)設(shè)備智能防撞及人員安全預(yù)警系統(tǒng)主要包括毫米波雷達(dá)傳感器裝置、高清熱成像儀、聲光報(bào)警器以及集成式控制顯示裝置等。

2.1 毫米波雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雷達(dá)傳感器裝置采用矩陣式天線(xiàn)，通過(guò)ECU處理單元對(duì)雷達(dá)高頻信號(hào)采樣，并由自適應(yīng)濾波器去除雜波干擾信號(hào)；使用嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù)，采用CAN總線(xiàn)控制自動(dòng)識(shí)別、校準(zhǔn)雷達(dá)信號(hào)以及控制信號(hào)方法，雷達(dá)信號(hào)采集單元和ECU信號(hào)處理單元提取前方障礙物的相對(duì)速度、相對(duì)距離及相對(duì)角度信息，并將這些信息發(fā)送給信號(hào)控制單元，通過(guò)信號(hào)控制管理平臺(tái)對(duì)發(fā)送來(lái)的信息進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)人員及設(shè)備精準(zhǔn)測(cè)距功能[4]. 毫米波雷達(dá)前防撞系統(tǒng)技術(shù)路線(xiàn)圖見(jiàn)圖2.

圖2 毫米波雷達(dá)前防撞系統(tǒng)技術(shù)路線(xiàn)圖

2.1.1 通訊電路設(shè)計(jì)

毫米波雷達(dá)主控制電路包括微計(jì)算機(jī)控制電路、雷達(dá)信號(hào)調(diào)試電路及信號(hào)校準(zhǔn)電路、輸入按鈕電路、輸出速度脈沖電路、CAN總線(xiàn)控制電路、ECU信號(hào)處理電路、485輸出功能電路、穩(wěn)壓電路以及功率電路等，主要功能見(jiàn)表1.

表1 電路主要功能表

2.1.2 制動(dòng)技術(shù)設(shè)計(jì)

掘進(jìn)設(shè)備增加電磁制動(dòng)閥塊，實(shí)現(xiàn)在碰撞前設(shè)備自動(dòng)制動(dòng)措施。毫米波雷達(dá)系統(tǒng)制動(dòng)控制流程圖見(jiàn)圖3. 系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)控制雷達(dá)信號(hào)通訊以及電磁閥的通斷，通過(guò)判斷碰撞時(shí)間采取報(bào)警或緊急制動(dòng)。該系統(tǒng)設(shè)定碰撞時(shí)間的臨界值為2 s，雷達(dá)信號(hào)采集單元獲取設(shè)備運(yùn)行信息，包括行駛速度v0、障礙物速度v1、相對(duì)距離R及相對(duì)角度θ.

圖3 毫米波雷達(dá)系統(tǒng)制動(dòng)控制流程圖

當(dāng)v0>v1時(shí)，設(shè)備與前方障礙物發(fā)生碰撞時(shí)間t>2 s，蜂鳴器閃爍燈亮。

碰撞時(shí)間t≤2 s，制動(dòng)安全距離Sbr

其中，λ為雷達(dá)波長(zhǎng)，ΔR為波程差。

2.2 熱成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置圓形報(bào)警范圍，主要分為報(bào)警區(qū)和停機(jī)區(qū)，對(duì)應(yīng)不同報(bào)警范圍會(huì)有相應(yīng)的聲光報(bào)警信號(hào)與開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸出，通過(guò)開(kāi)關(guān)量信號(hào)控制設(shè)備停機(jī)等操作[5].掘進(jìn)設(shè)備報(bào)警區(qū)域示意圖見(jiàn)圖4.

如圖4所示，當(dāng)人員進(jìn)入設(shè)備報(bào)警區(qū)域時(shí)，聲光報(bào)警器黃燈閃爍，發(fā)出“人員靠近請(qǐng)注意”的報(bào)警聲，設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的避險(xiǎn)動(dòng)作；當(dāng)人員進(jìn)入設(shè)備停機(jī)區(qū)域時(shí)，聲光報(bào)警器紅燈閃爍，發(fā)出“人員危險(xiǎn)請(qǐng)停機(jī)”的報(bào)警聲，設(shè)備停機(jī)避險(xiǎn)。掘進(jìn)機(jī)司機(jī)在掘進(jìn)機(jī)的報(bào)警區(qū)與停機(jī)區(qū)內(nèi)屬于免報(bào)警，但是掘進(jìn)機(jī)司機(jī)進(jìn)入其他設(shè)備的報(bào)警區(qū)域停機(jī)區(qū)時(shí)會(huì)正常報(bào)警。當(dāng)兩臺(tái)設(shè)備相互靠近，其中一臺(tái)設(shè)備進(jìn)入另一臺(tái)設(shè)備的報(bào)警區(qū)或停機(jī)區(qū)時(shí)，聲光報(bào)警器發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)，并執(zhí)行相應(yīng)的避險(xiǎn)動(dòng)作，避免兩臺(tái)設(shè)備發(fā)生碰撞。

圖4 掘進(jìn)設(shè)備報(bào)警區(qū)域示意圖

同時(shí)，為有效防止毫米波雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)發(fā)生誤報(bào)的情況，掘進(jìn)設(shè)備前段增加視頻采集裝置，掘進(jìn)設(shè)備運(yùn)行發(fā)生報(bào)警時(shí)，駕駛員可根據(jù)視頻畫(huà)面判斷前方是否有人員來(lái)執(zhí)行操作，防止誤報(bào)警時(shí)影響設(shè)備正常運(yùn)行。熱成像系統(tǒng)安裝示意圖見(jiàn)圖5，設(shè)備前端人員畫(huà)面顯示見(jiàn)圖6. 熱成像視頻監(jiān)控畫(huà)面見(jiàn)圖7.

圖5 熱成像系統(tǒng)安裝示意圖

圖6 設(shè)備前端人員畫(huà)面

圖7 熱成像視頻監(jiān)控畫(huà)面

2.3 控制及顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制顯示裝置集成雷達(dá)采集到的人員信息以及熱成像儀采集到的視頻信息，通過(guò)LabView建立通訊模型，使用嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù)，并通過(guò)協(xié)議控制將采集到信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，由自適應(yīng)濾波排除干擾信號(hào)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備附近3 m內(nèi)的障礙物精確定位[6].

3 智能防撞系統(tǒng)試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證掘進(jìn)設(shè)備智能防撞及人員安全預(yù)警系統(tǒng)的可靠性，分別對(duì)毫米波雷達(dá)裝置和熱成像儀進(jìn)行試驗(yàn)分析，主要通過(guò)基線(xiàn)測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)設(shè)備，準(zhǔn)確精度為U=(0.5+0.5L) um、k=2，測(cè)試環(huán)境溫度為20 ℃，固定雷達(dá)裝置，移動(dòng)金屬小車(chē)平移，人員橫穿探測(cè)范圍，記錄信號(hào)并觀測(cè)報(bào)警情況，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 測(cè)試結(jié)果表

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)3 m內(nèi)有效探測(cè)，系統(tǒng)成像清晰，比目前多數(shù)安全防撞探測(cè)裝置精度高，2 m范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)報(bào)警，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文研制的煤礦井下掘進(jìn)設(shè)備智能防撞及人員安全預(yù)警系統(tǒng)，屬煤礦井下提高掘進(jìn)設(shè)備安全及工作面人員安全的技術(shù)領(lǐng)域。它是針對(duì)煤礦井下掘進(jìn)工作面設(shè)備較多、可見(jiàn)度低等情況，設(shè)計(jì)的一種高精人員定位及視頻監(jiān)控系統(tǒng)，集成了毫米波雷達(dá)探測(cè)技術(shù)和熱成像技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)設(shè)備前方人員定位以及側(cè)后方人員設(shè)備的視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控，大幅度地提高了人員、設(shè)備的安全性。同時(shí)，該技術(shù)也是煤礦實(shí)現(xiàn)智能化采掘、智能控制等的關(guān)鍵技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)中“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)手段。