基于毫米波雷達的井下防爆無軌膠輪車前防撞系統研究

胡鵬

(山西焦煤機械電氣有限公司， 山西 太原 030024)

0 引言

防爆無軌膠輪車是當前煤礦廣泛采用的運輸設備，具有易維護、機動靈活、安全穩定等特點，但井下能見度低，巷道彎道多，設備及人員安全性是影響井下工作面正常運行的關鍵問題。當前井下無軌輔助運輸設備使用的智能防撞及安全系統主要有紅外測距傳感器、人員接近開關及影像系統等，測量精度較高，但測量范圍小，受環境影響較大，障礙物定位能力差以及被動制動能力較差[1]。

本文對一種基于毫米波雷達的前防撞系統進行理論分析、電路、算法設計及車載試驗等研究，使其可以更有效地應用于井下特殊環境，實現對障礙物(如彎道、機械設備及工作人員等)的遠距離定位。系統具備報警及緊急制動等功能，同時可以在顯示器上精確定位障礙物位置信息[2]，彌補了現有產品的缺點。

1 毫米波雷達前防撞技術原理

1.1 線性調頻測距

電磁波從雷達系統到目標間往返傳播的時間內，發射信號的頻率已發生變化，根據兩者的差頻可以實現目標測距調制雷達發射信號，通過測量差拍頻率測量距離，即差拍-傅里葉體制原理，利用測定頻率按頻率調制信號的規律變化的發射信號和回波信號之間的頻率差來確定目標的距離和速度等信息。

1.2 相位法測角度

用于對前方障礙物角度檢測，利用多個天線所接收回波信號之間的相位差進行測角。設在θ方向有一遠區目標, 則到達接收點的目標所反射的電波近似為平面波。由于兩天線間距為d, 故它們所收到的信號由于存在波程差ΔR而產生相位差φ。

(1)

式中,λ為雷達波長，用相位計進行比相, 測出其相位差φ, 就可以確定目標方向θ。

2 毫米波雷達前防撞系統技術路線及方案設計

雷達傳感器采用矩陣式天線，通過ECU信號處理器對毫米波雷達高頻信號進行實時采樣，通過自適應濾波器去除雜波干擾信號。采用嵌入式開發技術，核心芯片為主流大廠的新型嵌入式芯片，功耗低，性能好，體積小。采用CAN總線控制自動識別、校準雷達信號以及控制緊急制動信號方法，雷達信號采集單元和ECU信號處理單元提取前方障礙物的相對速度、相對距離及相對角度信息，并將這些信息發送給信號控制單元，通過信號控制管理平臺對發送來的信息計算車輛行駛狀態，并對車輛安全程度進行評價控制[3],毫米波雷達前防撞系統的技術路線如圖1所示。

2.1 通信電路設計

毫米波雷達主控制電路如圖2所示，包含微計算機控制電路、雷達調試電路、雷達校準電路、喚醒輸入按鈕電路、輸出速度脈沖電路、輸出CAN總線控制電路、ECU信號處理通信接口電路、485輸出功能電路、穩壓電路、功率電路,各電路功能見表1。

傳感器采集系統 駕駛艙顯示裝置

圖2 前防撞雷達系統主控制電路

表1 電路功能

2.2 制動技術設計

車輛與障礙物發生碰撞前采取被動制動措施，增加電磁制動閥塊，通過單片機控制與前雷達裝置實現信號通信，控制電磁閥的通斷狀態，根據碰撞時間判斷是否系統報警或采取緊急制動措施，系統設定碰撞臨界值為2 s，雷達信號采集單元獲取來自雷達傳感器的車輛行駛信息，包括車輛本身的行駛速度v0，前方障礙物速度v1、相對距離R及車輛與障礙物的相對角度θ,制動系統邏輯如圖3所示。

當v0>v1時，車輛與前方障礙物發生碰撞時間t>2 s，車內蜂鳴器閃爍燈亮。

當車輛與前方障礙物發生碰撞時間t≤2 s，車輛制動安全距離Sbr

t和θ的計算公式為：

t=R/v0-v1

(2)

θ=2π/λ·ΔR

(3)

式中,λ為雷達波長，ΔR為波程差。

圖3 前防撞雷達制動系統邏輯

2.3 硬件設計

2.3.1 傳感器及箱體設計

雷達傳感器裝置主要包含雷達天線、信號處理模塊、ECU處理模塊，對前方障礙物進行LFMCQ頻率、回波信號以及差拍信號進行采集、濾波，并通過CAN信號連接監測數據，雷達傳感器前蓋采用特殊材質，保證雷達天線信號的發射與采集。前防撞雷達傳感器前蓋及箱體如圖4所示。

雷達箱體采用不銹鋼后端設計，保留特殊材料前蓋，電路板放置箱體內進行澆封處理，采用航空插頭進線端連接，同時連接蜂鳴報警器、車載保護裝置中車輛速度脈沖信號線及車輛制動電磁閥信號線[4]。

2.3.2 顯示端設計

通過LabView建立通信及顯示模型，采用嵌入式開發技術，通過算法控制和協議控制將雷達采集的數字信號轉化為可顯示的模擬信號，并通過自適應濾波器去除雜波干擾信號精確定位前方25 m范圍內障礙物，位置、角度信息以點的形式在顯示器上顯示，為駕駛員提供安全保障。前防撞雷達傳感器顯示裝置如圖5所示。前防撞雷達傳感器顯示界面如圖6所示。

煤礦無軌輔助運輸設備的工作環境噪聲大，如果只采用報警模式，有時駕駛員無法聽清警鳴聲，會導致無法正確判斷前方狀況，所以本文研究的毫米波雷達前方裝系統需實現前方障礙物具體位置顯示功能，同時具備三維坐標顯示功能，以便進行后續的維修調試。

圖4 前防撞雷達傳感器前蓋及箱體

(a)

(a)

顯示界面可以直觀顯示出車輛自身所在位置、速度信息、行駛距離、前方障礙物位置信息以及速度等，方便駕駛員觀測，從而可以有效采取防范措施。

2.3.3 電氣系統設計

目前礦用防爆柴油機車上主要電氣箱體包含柴油機安全保護系統和電源控制箱，多數電氣器件取電時通過這兩種電控箱，然而24 V電源箱通常采用4口喇叭嘴，不便獨立引出雷達系統電源線，柴油機安全保護系統電控箱體通常預留4～5個接線口,便于雷達系統從柴油機安全保護系統中取電，電氣系統如圖7所示。

雷達系統ECU信號處理模塊、信號采集模塊、信號處理模塊放置于雷達系統控制箱內，發射天線位于雷達傳感器中，通過柴油機車保護裝置電源控制器取24 V電壓，最終采集到的數字信號轉化為模擬信號，并在行車顯示器上顯示出障礙物等位置及坐標信息，同時雷達系統控制箱控制蜂鳴器報警。

3 毫米波雷達前防撞系統試驗分析

為驗證本文研究的毫米波雷達系統的可靠性，對雷達傳感器有效測試距離、蜂鳴器有效報警范圍以及顯示器對障礙物正確顯示范圍進行試驗測試。試驗所使用的主要計量器具為基線測長系統設備，長度為26 m，準確度等級為U=(0.5+0.5L)μm,k=2，溫度為20 ℃。

表2 測試結果

試驗測試結果如表2所示,由表2可知,車輛前方25 m內障礙物都可以正確判斷，比目前多數使用的前防撞傳感器探測距離都廣，最小在15 m范圍處出現障礙物時可實現蜂鳴報警，進一步提高了本系統的安全可靠性。

圖7 電氣系統

4 結語

本文研究的基于毫米波雷達的澆封型前防撞系統，屬于煤礦井下提高無軌膠輪車輛行駛安全及工作面人員安全的技術領域。該毫米波前防撞雷達系統具有較大量程,是針對煤礦井下防爆無軌膠輪車環境可見度低、彎道多的運行情況而特別設計的，主要采用了線性調頻測距、相位法測角度及數字圖像處理等關鍵技術，可應用到井下設備定位、人員定位及設備限速裝置等產品[5]，同時是煤機自動化采掘、智能控制系統及無人駕駛等研究方向的關鍵技術，也是實現煤礦生產中“機械化換人，自動化減人”目標的關鍵技術手段。