基于毫米波雷達實現(xiàn)遙控裝載機裝車防撞功能的應用研究

周利圓

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州545007）

遠程操控方式適用于對司機的人身安全具有重大威脅的工作環(huán)境，比如搶險救災時生命通道的開通或修復、高溫/高塵/高輻射環(huán)境中的物料鏟掘和搬運等。司機在遠程端遙控裝載機進行鏟裝作業(yè)，由于攝像頭的視野有限，司機會感覺遠程端的視頻畫面沒有人眼在現(xiàn)場觀察真實，因此在遠程端進行裝卸物料時，僅從視頻畫面無法精確地判斷當前裝載機與卡車之間的距離，在這種情況下，極易發(fā)生因距離判斷失誤而導致裝車失敗或者裝載機碰撞障礙物。這些問題會導致直接和間接的損失，而且工作效率低，因此，我們希望找到一種可靠的、準確的、輔助設備來協(xié)助司機探測裝載機和卡車之間的距離，盡可能減少碰撞事故和無法裝車的情況發(fā)生，從而提高生產(chǎn)效率。

1 遠程裝載機防碰撞系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

1.1 超聲波與毫米波雷達雷達防撞方案比較

1.1.1 超聲波雷達原理

超聲波測距原理是超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。通過時間差來測算距離。目前，常用探頭的工作頻率有40KHz、48KHz 和58KHz 三種。一般來說，頻率越高，靈敏度越高，但水平與垂直方向的探測角度就越小，故一般采用40KHz的探頭。

超聲波測距原理簡單、成本低、制作方便,但其應用有一定局限性，這是因為超聲波的傳輸速度受大氣影響較大，不同的大氣條件下傳播速度不一樣，另一方面是對于遠距離的障礙物，由于反射波過于微弱，使得靈敏度下降。故超聲波測距常用于短距離測距，最佳距離為4-5 米，一般應用在倒車防撞系統(tǒng)上[3]。

1.1.2 毫米波雷達原理

毫米波雷達測距是利用從目標處反射回來的電磁波發(fā)現(xiàn)目標并測定其位置，經(jīng)過分析判斷，對構成危險的目標按程度不同進行報警。在車輛行進中，雷達窄波束向前發(fā)射調頻連續(xù)波信號，當發(fā)射信號遇到目標時，被反射回來為同一天線接收，經(jīng)混頻放大處理后，可用其差拍信號間相差來表示雷達與目標的距離，把對應的脈沖信號經(jīng)微處理器處理計算可得到距離數(shù)值，由差頻信號與相對速度關系，計算出目標對雷達的相對速度，微處理器將上述兩個物理量代入危險時間函數(shù)數(shù)字模型后，即可算出危險時間，當危險程度達到各種不同級別時，分別輸出報警信號或通過車輛控制電路去控制車速或剎車[3]。

毫米波雷達克服了超聲波測距探測方式中的缺點，具有穩(wěn)定的探測性能，不易受被測物體表面形狀、顏色等的影響，調制簡單，價格低廉，可以全天候工作，不受天氣狀況如雨、雪、霧影響，探測距離遠、運行可靠等特點，且近年來隨著高頻器件和單片微波集成電路的出現(xiàn)和應用，毫米波雷達的性能有了很大的提高，成本也有所下降，并且雷達的外型尺寸可以做得很小，便于在車上安裝，故作為目前國內(nèi)外車用防撞雷達的普遍選擇方式[3]。

1.2 遙控裝載機現(xiàn)有的防撞措施

現(xiàn)有的防撞措施是靠安裝于車身兩側和后側的超聲波雷達裝置，只能預警后方和側方的障礙物，而前方無任何防撞措施。

圖1 遙控裝載機前雷達防碰撞系統(tǒng)流程圖

人在現(xiàn)場工作環(huán)境中可視范圍廣，看得清楚，此時事故不易發(fā)生，但在遠程遙控臺，由于攝像頭可視范圍受限，人眼觀測距離感直線下降，這勢必會造成視覺判斷錯誤，極大地提高碰撞事故的發(fā)生概率。

2 遙控裝載機前進裝車防撞系統(tǒng)設計

2.1 遙控裝載機前進裝車防撞系統(tǒng)流程設計（見圖1）

整個系統(tǒng)包括兩個雷達探頭模塊、一個雷達控制器模塊，該部分與裝載機和遠程操控臺以及遠程操控臺上的儀表顯示屏共同實現(xiàn)防碰撞預警功能。

2.2 毫米波雷達選型

與超聲波雷達原理相比，毫米波雷達探測性能穩(wěn)定，適合運用在復雜和惡劣工況下的主動防撞預警功能。因此，從安全可靠性、穩(wěn)定性、可行性和成本等各方面考慮，采用AUTOSTAR 公司的G3-24G 型號的毫米波雷達來實現(xiàn)遙控裝載機前進防碰撞預警系統(tǒng)。雷達主要性能參數(shù)，工作頻率：24.00GHz～24.25GHz；最大可追蹤目標數(shù)：32 個；水平探測角度:±45°@-6db/±75°@-10db；垂直探測角度:±15°@-6db/±22°@-10db；工作帶寬：200MHz；探測能力:50m@RCS=10m^2 目標。

圖2 右前和左前雷達安裝位置圖

3 毫米波雷達探頭安裝位置及報警定義

3.1 毫米波雷達探頭安裝位置

經(jīng)過多次安裝測試，最終選擇安裝在前左和前右車燈下方，距地面2.06 米高。探頭支架與水平呈前傾19°夾角，這樣可以避免動臂和鏟斗在卸料點進行卸料時，雷達探測到裝載機的工作裝置，而出現(xiàn)錯誤的距離預警。（見圖2）

3.2 毫米波雷達報警距離定義

毫米波雷達通過不斷地發(fā)射雷達波束，對一個±45°（水平）×±15°(垂直)的圓錐形區(qū)域進行檢測，在檢測到范圍內(nèi)任何物體時均有距離報告。檢測區(qū)域定義三個區(qū)域：紅色區(qū)域、橙色區(qū)域和黃色區(qū)域。

Alarm(報警紅色區(qū)):距離2 米內(nèi)。當在紅色區(qū)域雷達檢測到障礙物時，遠程操控臺儀表顯示裝載機車前輪與障礙物的距離，并閃爍紅字警示司機注意。

Warning(警告橙色區(qū)):距離2～5 米。當在橙色區(qū)域雷達檢測到障礙物時，遠程操控臺儀表顯示裝載機車前輪與障礙物的距離并文字提示司機注意。

Info(提示黃色區(qū)):距離5～8 米。當在黃色區(qū)域雷達檢測到障礙物時，遠程操控臺儀表顯示裝載機車前輪與障礙物的距離。

4 遙控裝載機測距防碰撞系統(tǒng)程序實現(xiàn)

確定以上方案后，涉及到最重要的是對裝載機和遠程遙控臺程序的更改，實現(xiàn)了遙控裝載機前進行走防碰撞的保護，程序流程圖見圖3。

圖3 程序流程圖

5 遙控裝載機測距防碰撞系統(tǒng)使用效果

加裝雷達測距防撞系統(tǒng)后與原有的防撞系統(tǒng)配合更好地實現(xiàn)安全行走和裝卸物料。經(jīng)過雷達控制器處理，把8 個有效障礙物點發(fā)到總線上,再通過PCAN 畫出曲線圖(見圖4)，這8 個點中的最小值可以認為是裝載機與卡車之間的最近距離。用測距儀測試裝載機與卡車之間的距離(見圖5)，將雷達測距和測距儀測試的結果進行比較，連續(xù)監(jiān)測測試，接收信號始終非常強烈而且穩(wěn)定，并且誤差都在±10cm 以內(nèi)。

圖4 有效障礙物點

圖5 測距儀測試裝載機與卡車的距離

自從安裝該系統(tǒng)后，遙控裝載機碰撞事故大大降低。該系統(tǒng)的工作狀態(tài)良好，基本上沒有任何誤動作，滿足可靠性和安全性的要求，也得到了客戶的認可。

6 結論

在裝載機安裝雷達測距防撞裝置實施中，我們創(chuàng)新地使用了雷達毫米波測距系統(tǒng)，充分發(fā)揮利器工作特性，增加其靈敏度及動作可靠性，并對控制程序做相應的改動，實現(xiàn)了裝載機與卡車，以及裝載機與其它障礙物的檢測和防撞保護，極大提高了安全性，防止事故的發(fā)生。司機可以在遠程遙控臺通過視頻畫面的數(shù)據(jù)提示直觀地看到裝載機與卡車或障礙物之間的距離，從而更精準地進行裝卸物料，可有效確保生產(chǎn)作業(yè)安全、提高卸料效率，為裝卸流程的順暢運行帶來直接效益。