礦井蓄電池電機車防撞預警系統研究

成巖軍

（太原煤氣化集團公司爐峪口煤礦，山西 古交 030204）

引言

電機車是礦井巷道主要的長距離運輸設備，負責運送煤炭、人員、矸石、設備、材料等，發揮著不可替代的作用。目前，大部門電機車運輸系統仍然采用人工控制的方式進行駕駛，經常由于司機疲勞駕駛、僥幸心理或者操作失誤導致車輛之間發生碰撞事故；少數電機車系統采用地表遠程遙控駕駛，這種駕駛方式存在一定的滯后性，不能迅速反應車況；除此之外，由于運輸任務安排不規律、礦井下復雜的運輸環境、“信集閉”系統故障、車輛調度失誤等原因，電機車之間碰撞或追尾的情況時有發生[1-2]。

為了避免電機車在運輸過程中發生碰撞事故，提高煤礦運行的安全性，本文設計了一種電機車主動防撞系統。通過多傳感器技術、高清攝像技術可對電機車周圍的車輛、障礙物進行全方位檢測，同時通過工控機進行智能決策和處理，來判斷電機車是否有碰撞的可能性，并進行預警及制動。

1 主動避撞系統總體方案

蓄電池電機車主動避撞系統總體方案如圖1所示。整個系統由工控機、智能控制器、運動姿態傳感器、防撞信息檢測單元組成。防撞信息檢測單元包括高清攝像機、激光雷達傳感器、紅外雷達傳感器。

圖1 蓄電池電機車主動避撞系統總體方案

其中，工控機是主動避撞系統的核心大腦，內設上位機軟件，同時設計相應的智能處理算法，可將防撞信息檢測單元采集到的數據進行智能決策和處理，進行碰撞預警；防撞信息檢測單元分別用于檢測電機車周圍的圖像畫面、位置信息以及與相鄰電機車之間的距離信息、障礙物檢測，同時將檢測信息上傳給工控機，安裝于電機車前方；運動姿態傳感器負責實時檢測電機車的運動狀態信息，包括速度、加速度、車身姿態等，便于工控機更好地作出決策；智能控制器負責接收工控機發出的制動指令并向下控制電機車進行避撞制動，同時進行報警。工控機與防撞信息檢測單元、智能控制器、運動姿態傳感器之間皆通過CAN總線方式進行通信。

2 硬件部分方案設計與選型

2.1 工控機選型

工控機是主動避撞系統的核心設備，內置上位機軟件可做智能決策、處理以及數據顯示功能等。系統選用了超恩公司的RCS-9000F GTX1080系列工控機，將圖像處理算法和智能決策方案嵌入其中，完成對電機車周圍相鄰機車、障礙物的感知檢測。該系列工控機采用了第七代英特爾處理器，運行內存32 GB，可以同時處理多個傳感器、攝像機采集到的信息。

2.2 智能控制器單元設計

智能控制器是主動避撞系統的橋梁，由液晶顯示模塊、聲光報警模塊、機車制動模塊、供電單元、微控制器組成。當工控機檢測到電機車的狀態信息后，如有碰撞情況，工控機將自動發送制動指令下達給智能控制器。下頁圖2所示為智能控制器的硬件結構框圖。

圖2 智能控制器硬件結構框圖

微控制器選型為STM32F103C8T6單片機，采用72 MHz工作主頻[3]，完全滿足系統需求。液晶顯示屏采用OLED12864液晶屏，通過I2C通信接口與單片機進行通信，負責進行參數設定和狀態顯示；聲光報警模塊負責碰撞及追尾預警。機車制動模塊由單刀雙擲繼電器組成，接入機車制動控制電路，當有碰撞的威脅時，緊急發出制動信號，避免發生撞車事故。

2.3 感知傳感器及攝像機選型

雷達傳感器選用C16系列小型化16線混合固態激光雷達，該傳感器可通過360°全景掃描，獲取目標的三維空間數據，非常適合電機車避撞系統。

紅外雷達傳感器選用PBS-03JN障礙檢測傳感器，可檢測距離為3 m，寬度為2 m的區域，同時通過工控機可精準繪制檢測區域。

攝像機選用大華生產的DH-HAC-HMW3200-R型號攝像機。該型號攝像機性能好，像素高，能夠根據光照強度自動切換紅外濾光片實現晝夜監控。將攝像機安裝于電機車的上方，通過調整鏡頭角度可最大化地捕捉到地面軌道信息[4]。

2.4 CAN總線通信方案設計

系統工控機與攝像機、激光雷達與紅外雷達之間，工控機與智能控制器之間通過CAN總線通信電路進行數據傳輸。由工控機分別引出兩條子CAN總線，分別負責障礙物檢測避撞單元和智能控制器單元之間的通訊。圖3所示為障礙物檢測避撞單元與工控機的之間CAN總線通信的連接框圖。

圖3 障礙物檢測避撞單元與工控機之間CAN總線通信的連接框圖

圖4所示為工控機與智能控制器單元之間的CAN總線連接框圖。將環境感知決策信號傳輸給整車控制器。工控機中的環境感知處理系統對各個傳感器傳輸來的原始數據進行處理，將決策信號傳輸到總線控制器上。智能電機車整車控制器將車速信息傳輸到總線控制器上。

圖4 工控機與智能控制器單元之間的CAN總線連接框圖

3 工控機軟件方案設計

工控機軟件系統是整個電機車主動避撞系統的核心，集成了圖像處理技術和智能處理算法。本系統基于Windows7平臺，采用Microsoft Visual Studio集成開發環境進行開發，編程語言為C++語言，同時結合了計算機視覺類庫OpenCV[5]。

該軟件系統的主要功能是對視頻圖像和傳感器信息進行分析處理，根據預先設備的原則來判定電機車碰撞的可能性，將分析結果呈現出來并記錄。

根據系統的不同需求，電機車主動避撞預警系統分為數據存儲模塊、數據處理模塊和用戶交互模塊。圖5所示為電機車主動避撞系統軟件框圖。

圖5 電機車主動避撞系統軟件框圖

本文設計的系統屬于傳感器和高清攝像機的聯合檢測。對于障礙物，主要通過激光雷達傳感器進行檢測。當車輛在彎道上行駛時，僅僅借助激光雷達并不能實現對前方軌道上障礙物的檢測，此時，需要聯合攝像機進行數據融合來檢測障礙物。具體的檢測流程為首先采用高清攝像機對前面的軌道環境進行視頻提取處理，通過工控機判斷軌道為直道還是彎道。若前方軌道為直行軌道，通過激光雷達傳感器和紅外雷達傳感器便可實現對電機車和障礙物的檢測，來判斷電機車本身的碰撞可能性；若前面軌道為彎道，則需要激光雷達傳感器、紅外雷達傳感器和高清攝像機聯合檢測，通過視頻獲取的軌道位置信息與激光雷達獲取的目標點位置信息結合，檢測處于前方軌道內的障礙物。圖6所示為電機車及障礙物檢測的工作流程。

圖6 電機車及障礙物檢測工作流程

4 結論

基于多傳感器技術、高清攝像技術、CAN總線通信技術、上位機技術及微控制器技術設計的電機車主動預警、避撞系統，通過多個傳感器及攝像機的協同工作，可實時檢測運輸過程中電機車自身的速度、與其他電機車及障礙物之間的位置信息，并智能決策是否有碰撞的風險，對煤礦的安全運營具有非常重要的意義。