采煤机视频监控系统设计

2021-07-30周国慧储婷婷

电子元器件与信息技术 2021年4期

周国慧，储婷婷

（1.上海寅唯讯包装机械有限公司，上海 201401；2.天地上海采掘装备科技有限公司，上海 201401）

0 引言

视频监控在地面上是非常成熟的技术，已经应用于各行各业[1]。煤矿井下的大巷、变电所等场所已经广泛使用这项技术但是在采煤机中，由于其在工作中常处于移动状态，且受采煤恶劣工作环境的限制，目前国内很少有使用集成摄像机的采煤机。而远程视频监控是实现采煤机自动化少人甚至无人生产的一个必要条件[2]，因此研究并设计适合于采煤机使用的机载摄像机及视频传输系统，其不仅对于提高井下采煤装备自动化技术水平和技术含量有着重大意义，也是满足我国煤矿井下采掘装备远距离遥控和安全作业需要的技术基础。

1系统整体原理结构

采煤机视频监控系统，从视频信号的采集，到视频信号的采样量化、压缩处理、调制、传输，然后是视频数据接收端的解调、解码，最后是视频信号的还原再现。系统的电气原理框图如图1所示。

图1 机载摄像及顺槽视频监视系统原理框图

2 采煤机机载摄像机选型

工作面上低照度甚至零照度的环境，要求采煤机机载摄像机必须在低照度条件下能采集到清晰的图像；另外井下工人随身携带的高亮照明灯有可能照过被摄区域，这就要求摄像机需同时具有低照度、宽动态范围、响应时间快等特点。采煤机在牵引割煤过程中振动强烈，刚性连接到采煤机摇臂和机身上的摄像机如果没有防抖措施，那么采集到的视频图像会产生抖动甚至虚影，导致视频图像质量的下降。

综上所述，项目设计中选用的摄像头具有如下特点：

低照度功能，能满足最低照度0.002Lux的要求，同时具备自动电子快门与自动增益功能（AGC），可适应不同监控环境[3]。宽动态范围，动态范围超过75dB；有效像素976×582，水平解析度可达700TVL满足监视图像质量的要求；具有电子防抖动功能，能有效的降低低频机械振动对图像采集的影响；单线复合视频信号输出形式，便于简化应用线路连接。

3 摄像机辅助照明系统

本文中所选用的摄像头不能满足井下采煤工作面零照度的要求，需要外加辅助照明光源。如外加单独的辅助照明装置，采煤机特别是薄煤层采煤机机身空间有限，难以为辅助照明装置寻找合适的安装位置，同时需增加电缆单独给照明装置供电，增加设备的复杂度和维护难度。项目中采用如下方案：把辅助照明灯集成于摄像机的内部，使其易于安装、维护。为了达到以上效果，需综合考虑摄像机、照明灯的电源、信号走线、照明灯的散热问题。

项目中采用的电气结构如图2所示。

图2 摄像机电气结构框图

其中摄像机对外只有一根四芯带编织金属丝屏蔽的矿用隔爆电缆，四根芯线两两双绞：其中一组双绞线负责给摄像机提供24VAC电源；另外一组双绞线负责把摄像机采集到的模拟视频信号传输给编码器，利用双绞线传输视频信号，可以提高视频信号抗干扰能力。

照明灯驱动模块采用MORNSUN的超宽压范围输入的大功率LED恒流源驱动模块KC24RT-700，最大能提供700mA的驱动电流，配合Illumitex生产的高亮LED点阵，两米处的照度能达到150Lux，使得摄像机在没有额外光源的情况下，也能采集到清晰的图像信号。给摄像头供电的电源模块采用金升阳的宽压输入隔离稳压DC/DC模块URB2412JMD-3W，能为摄像头提供稳定的12VDC电压，使其可靠工作。

4 摄像机的结构设计

摄像机内部要集成摄像头、驱动接口模块、高亮LED点阵及其散热装置，另外摄像机还需要满足GB3836-2010标准中隔爆设备的要求。摄像机壳体整体采用黄铜材料加工而成，发热量大的器件——LED驱动器与高亮LED点阵直接或通过导热性好的铜支架与壳体大面积连接，其结合面在安装过程中涂抹导热硅脂，以利于热量可以更快地通过摄像机外壳散发到外部空间，避免摄像机隔爆腔内热量的持续累积，导致摄像机和照明灯驱动等电路失效，提高摄像机的可靠性。

图3 摄像机外形效果图

另外，为了方便外挂于采煤机特别是薄煤层采煤机机身上，摄像机的体积尽量小。同时为了满足GB3836-2010标准中隔爆设备的要求,最终确定其内部容积不超过100CM3，这样可以进一步减小隔爆接合面的宽度。因此在设计结构时尽可能地合理利用空间，在满足散热条件的同时尽量压缩隔爆腔体积。实际设计中，摄像机内部高度集成，空间利用非常紧凑，其外形效果图如图3所示。

5 视频传输设计

由于煤矿井下通信线路及通信方式的限制，为了保证视频流数据传输的实时性和稳定性，要求视频信号的压缩格式在保证视频质量的前提下尽可能少的占用传输带宽[4-7]。在本文中，我们通过视频传输延时实验得出视频编码与解码延时对于整个视频传输系统具有重要影响。经过权衡和验证，我们最终采用了硬件编码方式，并采用H.264视频编码压缩技术[8]。