矿井蓄电池电机车防撞预警系统研究

成岩军

（太原煤气化集团公司炉峪口煤矿，山西 古交 030204）

引言

电机车是矿井巷道主要的长距离运输设备，负责运送煤炭、人员、矸石、设备、材料等，发挥着不可替代的作用。目前，大部门电机车运输系统仍然采用人工控制的方式进行驾驶，经常由于司机疲劳驾驶、侥幸心理或者操作失误导致车辆之间发生碰撞事故；少数电机车系统采用地表远程遥控驾驶，这种驾驶方式存在一定的滞后性，不能迅速反应车况；除此之外，由于运输任务安排不规律、矿井下复杂的运输环境、“信集闭”系统故障、车辆调度失误等原因，电机车之间碰撞或追尾的情况时有发生[1-2]。

为了避免电机车在运输过程中发生碰撞事故，提高煤矿运行的安全性，本文设计了一种电机车主动防撞系统。通过多传感器技术、高清摄像技术可对电机车周围的车辆、障碍物进行全方位检测，同时通过工控机进行智能决策和处理，来判断电机车是否有碰撞的可能性，并进行预警及制动。

1 主动避撞系统总体方案

蓄电池电机车主动避撞系统总体方案如图1所示。整个系统由工控机、智能控制器、运动姿态传感器、防撞信息检测单元组成。防撞信息检测单元包括高清摄像机、激光雷达传感器、红外雷达传感器。

图1 蓄电池电机车主动避撞系统总体方案

其中，工控机是主动避撞系统的核心大脑，内设上位机软件，同时设计相应的智能处理算法，可将防撞信息检测单元采集到的数据进行智能决策和处理，进行碰撞预警；防撞信息检测单元分别用于检测电机车周围的图像画面、位置信息以及与相邻电机车之间的距离信息、障碍物检测，同时将检测信息上传给工控机，安装于电机车前方；运动姿态传感器负责实时检测电机车的运动状态信息，包括速度、加速度、车身姿态等，便于工控机更好地作出决策；智能控制器负责接收工控机发出的制动指令并向下控制电机车进行避撞制动，同时进行报警。工控机与防撞信息检测单元、智能控制器、运动姿态传感器之间皆通过CAN总线方式进行通信。

2 硬件部分方案设计与选型

2.1 工控机选型

工控机是主动避撞系统的核心设备，内置上位机软件可做智能决策、处理以及数据显示功能等。系统选用了超恩公司的RCS-9000F GTX1080系列工控机，将图像处理算法和智能决策方案嵌入其中，完成对电机车周围相邻机车、障碍物的感知检测。该系列工控机采用了第七代英特尔处理器，运行内存32 GB，可以同时处理多个传感器、摄像机采集到的信息。

2.2 智能控制器单元设计

智能控制器是主动避撞系统的桥梁，由液晶显示模块、声光报警模块、机车制动模块、供电单元、微控制器组成。当工控机检测到电机车的状态信息后，如有碰撞情况，工控机将自动发送制动指令下达给智能控制器。下页图2所示为智能控制器的硬件结构框图。

图2 智能控制器硬件结构框图

微控制器选型为STM32F103C8T6单片机，采用72 MHz工作主频[3]，完全满足系统需求。液晶显示屏采用OLED12864液晶屏，通过I2C通信接口与单片机进行通信，负责进行参数设定和状态显示；声光报警模块负责碰撞及追尾预警。机车制动模块由单刀双掷继电器组成，接入机车制动控制电路，当有碰撞的威胁时，紧急发出制动信号，避免发生撞车事故。

2.3 感知传感器及摄像机选型

雷达传感器选用C16系列小型化16线混合固态激光雷达，该传感器可通过360°全景扫描，获取目标的三维空间数据，非常适合电机车避撞系统。

红外雷达传感器选用PBS-03JN障碍检测传感器，可检测距离为3 m，宽度为2 m的区域，同时通过工控机可精准绘制检测区域。

摄像机选用大华生产的DH-HAC-HMW3200-R型号摄像机。该型号摄像机性能好，像素高，能够根据光照强度自动切换红外滤光片实现昼夜监控。将摄像机安装于电机车的上方，通过调整镜头角度可最大化地捕捉到地面轨道信息[4]。

2.4 CAN总线通信方案设计

系统工控机与摄像机、激光雷达与红外雷达之间，工控机与智能控制器之间通过CAN总线通信电路进行数据传输。由工控机分别引出两条子CAN总线，分别负责障碍物检测避撞单元和智能控制器单元之间的通讯。图3所示为障碍物检测避撞单元与工控机的之间CAN总线通信的连接框图。

图3 障碍物检测避撞单元与工控机之间CAN总线通信的连接框图

图4所示为工控机与智能控制器单元之间的CAN总线连接框图。将环境感知决策信号传输给整车控制器。工控机中的环境感知处理系统对各个传感器传输来的原始数据进行处理，将决策信号传输到总线控制器上。智能电机车整车控制器将车速信息传输到总线控制器上。

图4 工控机与智能控制器单元之间的CAN总线连接框图

3 工控机软件方案设计

工控机软件系统是整个电机车主动避撞系统的核心，集成了图像处理技术和智能处理算法。本系统基于Windows7平台，采用Microsoft Visual Studio集成开发环境进行开发，编程语言为C++语言，同时结合了计算机视觉类库OpenCV[5]。

该软件系统的主要功能是对视频图像和传感器信息进行分析处理，根据预先设备的原则来判定电机车碰撞的可能性，将分析结果呈现出来并记录。

根据系统的不同需求，电机车主动避撞预警系统分为数据存储模块、数据处理模块和用户交互模块。图5所示为电机车主动避撞系统软件框图。

图5 电机车主动避撞系统软件框图

本文设计的系统属于传感器和高清摄像机的联合检测。对于障碍物，主要通过激光雷达传感器进行检测。当车辆在弯道上行驶时，仅仅借助激光雷达并不能实现对前方轨道上障碍物的检测，此时，需要联合摄像机进行数据融合来检测障碍物。具体的检测流程为首先采用高清摄像机对前面的轨道环境进行视频提取处理，通过工控机判断轨道为直道还是弯道。若前方轨道为直行轨道，通过激光雷达传感器和红外雷达传感器便可实现对电机车和障碍物的检测，来判断电机车本身的碰撞可能性；若前面轨道为弯道，则需要激光雷达传感器、红外雷达传感器和高清摄像机联合检测，通过视频获取的轨道位置信息与激光雷达获取的目标点位置信息结合，检测处于前方轨道内的障碍物。图6所示为电机车及障碍物检测的工作流程。

图6 电机车及障碍物检测工作流程

4 结论

基于多传感器技术、高清摄像技术、CAN总线通信技术、上位机技术及微控制器技术设计的电机车主动预警、避撞系统，通过多个传感器及摄像机的协同工作，可实时检测运输过程中电机车自身的速度、与其他电机车及障碍物之间的位置信息，并智能决策是否有碰撞的风险，对煤矿的安全运营具有非常重要的意义。