煤礦井下掘進設備智能防撞及人員安全預警系統

趙振華

(山西焦煤 機械電氣有限公司， 山西 太原 030024)

煤礦井下掘進工作面設備較多，設備之間交替作業，往來穿梭，且掘進設備體積較大,司機視覺盲區也大，司機無法直接觀察到盲區內的設備與人員，在設備行進過程中容易發生碰撞、碾壓等事故。因此，研制人員安全防碰撞系統尤為重要。隨著智慧礦山技術的不斷發展，井下掘進設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前防撞原理以及熱成像原理的掘進設備智能防撞及人員安全預警系統，主要實現設備主動避害、人員闖入報警以及監測預警等功能，具有雙向防護、高清成像以及速度補償等特點。

1 智能防撞及人員安全預警系統技術原理

1.1 毫米波雷達前防碰撞技術

毫米波雷達防碰撞主要采用線性調頻測距和相位法測角度原理。線性調頻測距主要是通過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-傅立葉體制原理，利用測定頻率按頻率調制信號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速度信息[1].

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而產生一相位差φ.

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.

1.2 熱紅外高清成像技術

紅外熱成像技術運用的是斯特藩定律，即當在特定溫度下，由于物體材料、表面特性存在細微差別，導致物體輻射系數差異，進而導致被測物體與背景的輻射度存在差異，通過信號處理把差異放大，在特定顯示器中顯示，就能得到被測物體的紅外熱成像圖。其原理為當目標溫度高于絕對零度，自發的向外輻射能量，這種能量以紅外線的形式表現出來，通過光學系統對目標物體的紅外輻射進行匯聚成像，經紅外探測器將目標物體的紅外輻射轉換成電子信號，再將電子信號通過電子信息處理，最終顯示出紅外熱圖[2-3]，熱成像流程示意圖見圖1.

圖1 熱成像流程示意圖

2 智能防撞系統技術路線及方案設計

本文研究的掘進設備智能防撞及人員安全預警系統主要包括毫米波雷達傳感器裝置、高清熱成像儀、聲光報警器以及集成式控制顯示裝置等。

2.1 毫米波雷達系統設計

雷達傳感器裝置采用矩陣式天線，通過ECU處理單元對雷達高頻信號采樣，并由自適應濾波器去除雜波干擾信號；使用嵌入式開發技術，采用CAN總線控制自動識別、校準雷達信號以及控制信號方法，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進行計算，實現人員及設備精準測距功能[4]. 毫米波雷達前防撞系統技術路線圖見圖2.

圖2 毫米波雷達前防撞系統技術路線圖

2.1.1 通訊電路設計

毫米波雷達主控制電路包括微計算機控制電路、雷達信號調試電路及信號校準電路、輸入按鈕電路、輸出速度脈沖電路、CAN總線控制電路、ECU信號處理電路、485輸出功能電路、穩壓電路以及功率電路等，主要功能見表1.

表1 電路主要功能表

2.1.2 制動技術設計

掘進設備增加電磁制動閥塊，實現在碰撞前設備自動制動措施。毫米波雷達系統制動控制流程圖見圖3. 系統通過單片機控制雷達信號通訊以及電磁閥的通斷，通過判斷碰撞時間采取報警或緊急制動。該系統設定碰撞時間的臨界值為2 s，雷達信號采集單元獲取設備運行信息，包括行駛速度v0、障礙物速度v1、相對距離R及相對角度θ.

圖3 毫米波雷達系統制動控制流程圖

當v0>v1時，設備與前方障礙物發生碰撞時間t>2 s，蜂鳴器閃爍燈亮。

碰撞時間t≤2 s，制動安全距離Sbr

其中，λ為雷達波長，ΔR為波程差。

2.2 熱成像系統設計

根據實際需求設置圓形報警范圍，主要分為報警區和停機區，對應不同報警范圍會有相應的聲光報警信號與開關量信號輸出，通過開關量信號控制設備停機等操作[5].掘進設備報警區域示意圖見圖4.

如圖4所示，當人員進入設備報警區域時，聲光報警器黃燈閃爍，發出“人員靠近請注意”的報警聲，設備執行相應的避險動作；當人員進入設備停機區域時，聲光報警器紅燈閃爍，發出“人員危險請停機”的報警聲，設備停機避險。掘進機司機在掘進機的報警區與停機區內屬于免報警，但是掘進機司機進入其他設備的報警區域停機區時會正常報警。當兩臺設備相互靠近，其中一臺設備進入另一臺設備的報警區或停機區時，聲光報警器發出相應的報警信號，并執行相應的避險動作，避免兩臺設備發生碰撞。

圖4 掘進設備報警區域示意圖

同時，為有效防止毫米波雷達探測系統發生誤報的情況，掘進設備前段增加視頻采集裝置，掘進設備運行發生報警時，駕駛員可根據視頻畫面判斷前方是否有人員來執行操作，防止誤報警時影響設備正常運行。熱成像系統安裝示意圖見圖5，設備前端人員畫面顯示見圖6. 熱成像視頻監控畫面見圖7.

圖5 熱成像系統安裝示意圖

圖6 設備前端人員畫面

圖7 熱成像視頻監控畫面

2.3 控制及顯示系統設計

控制顯示裝置集成雷達采集到的人員信息以及熱成像儀采集到的視頻信息，通過LabView建立通訊模型，使用嵌入式開發技術，并通過協議控制將采集到信號實現數模轉換，由自適應濾波排除干擾信號，實現設備附近3 m內的障礙物精確定位[6].

3 智能防撞系統試驗分析

為驗證掘進設備智能防撞及人員安全預警系統的可靠性，分別對毫米波雷達裝置和熱成像儀進行試驗分析，主要通過基線測長系統設備，準確精度為U=(0.5+0.5L) um、k=2，測試環境溫度為20 ℃，固定雷達裝置，移動金屬小車平移，人員橫穿探測范圍，記錄信號并觀測報警情況，測試結果見表2.

表2 測試結果表

根據上述實驗數據可知，該系統可實現3 m內有效探測，系統成像清晰，比目前多數安全防撞探測裝置精度高，2 m范圍內可實現報警，進一步提高系統的安全性。

4 結 語

本文研制的煤礦井下掘進設備智能防撞及人員安全預警系統，屬煤礦井下提高掘進設備安全及工作面人員安全的技術領域。它是針對煤礦井下掘進工作面設備較多、可見度低等情況，設計的一種高精人員定位及視頻監控系統，集成了毫米波雷達探測技術和熱成像技術的優點，實現了掘進設備前方人員定位以及側后方人員設備的視頻實時監控，大幅度地提高了人員、設備的安全性。同時，該技術也是煤礦實現智能化采掘、智能控制等的關鍵技術，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。