doi:10.11799/ce201605041收稿日期:2015－07－09作者简介:田晓娟(1983—)，女，山西大同人，硕士，讲师，现在主要从事电气工程自动化方面的科研工作，E－mail:yzgcfx@163.com。引用格式:田晓娟，李景瑞．新型矿用辅助倒车报警装置的研究［J］．煤炭工程，2016，48(5):132－134，138．新型矿用辅助倒车报警装置的研究田晓娟，李景瑞(山西电力职业技术学院，山西太原030021)摘要:通过研究地面车辆采用的超声波倒车雷达测距装置，发现其压电陶瓷超声波发生器需要高电压供电，设计为本安型设备较为复杂，且有无法穿透玻璃、不易达到防护要求的缺点。文章设计并实现了一种采用红外测距传感器的矿用倒车报警影像装置，该装置集倒车影像、红外测距报警于一体，其主控制器采用多传感器巡回测距控制策略，减少了负载损耗，降低了本安设计难度。经过实验证明，该装置设计合理、运行可靠、结构紧凑，易于在空间狭小的无轨胶轮车上布置，具有较强的实用性。关键词:矿用倒车报警影像系统;红外测距报警;多传感器巡回测距;本安设计;无轨胶轮车中图分类号:TD525文献标识码:A文章编号:1671－0959(2016)05-0132-04ＲesearchonnewtypeauxiliaryreversingalarmdeviceformineTIANXiao－juan，LIJing－rui(ElectricPowerOccupationalTechnicalInstituteofSEPC，Taiyuan030021，China)Abstract:Accordingtothestudyofgroundvehiclesusingtheultrasonicreversingradarrangingdevice，thepressurepiezoelectricceramicultrasonicgeneratorrequireshighvoltagepowersupply，whichcomplicatestheintrinsicallysafeequipmentdesign，andcausesthedeficienciesinglasspenetrationandprotectionrequirements．Thispaperdesignsandimplementsaminereversingvisualalarmdevicewithinfrareddistancesensors，integratingreversingimageandinfraredrangealarm．Themaincontrollerusesmulti－sensorcircuitrangingcontrolstrategytoreducetheloadlossanddifficultyofintrinsicallysafedesign．Experimentsshowthat，thedevicedesignisreasonable，reliableandcompact，practicalfortracklessrubbertirevehicle，whosespaceisverylimited．Keywords:reversingalarmimagesystemformine;infraredrangealarm;multiplesensorsrangingtour;intrinsicallysafedesign;tracklessrubbertyredvehicle煤矿井下车辆在倒车过程中，由于视线差、巷道狭窄等原因经常会发生碰撞现象。国外煤矿井下重型矿用车辆多数采用敞开式客箱结构(例如支架搬运车)，由于体积庞大，存在司机视线差、倒车困难、存在盲区的问题。国内矿用梭车等车辆上，使用了倒车影像系统，通过摄像仪观察车后情况，提高了司机倒车的安全操作性。国内矿用轻型车方面，当前大型煤矿企业无轨胶轮车驾驶室均采用封闭结构，司机视线相对较差，冬季观察玻璃还受水汽影响，造成视线更差。矿用倒车报警影像系统主要用于矿用无轨胶轮车的倒车警示，防止车辆倒车过程中发生碰撞破坏。当前地面车辆上主要使用的产品是超声波倒车雷达，在部分大型车辆上装有可视倒车雷达系统。可视倒车雷达系统兼有超声波倒车雷达和倒车影像，可以更加直观的显示倒车情况，消除驾驶员视线盲区，对车辆倒车安全具有至关重要的作用［1，2］。但是超声波发生器使用压电陶瓷，需要高电压供电，应用于煤矿本安型设备存在一定的困难;除此之外，超声波无法穿透玻璃，在煤矿恶劣的环境中不易达到防护的要求。相比较而言，红外线的波长比可见光光线长，有明显的热效应和较强的穿透雨雾能力。车载仪器通过接收前方物体反射回的红外线，依据信号强弱及波长的不同，通过分析时间差，可得出前方物体的性质及其与本车的距离［3－5］。由于红外线是不可见光，具有极强的隐蔽性，夜间同样不妨碍测距仪的工作，因此红外测距适合应用于煤231第48卷第5期煤炭工程COALENGINEEＲINGVol.48，No.5中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

矿井下的倒车测距［6，7］。1矿用倒车报警影像系统的结构设计本质安全型电气设备由于不需要笨重且昂贵的隔爆外壳，同时又能保证防爆安全，非常适合应用于煤矿井下弱电设备中，比如通信、传感器、仪表及矿用倒车报警影像装置等［8，9］。但是，由于矿用倒车报警影像装置的本安电路及关联设备中含有电容器、电感线圈、开关电源(属于容性负载)等储能元件，这些器件如果不符合本安性能要求时，则需要将它们接入限能电路，并将其浇封为一体或者装入隔爆箱体中。如果采用后者办法，则设备必将笨重、造价高;如果采用浇封方式，则设计出的装置简单易行、体积小重量轻，便于安装在无轨胶轮车或者其他设备的狭小部位。因此，本文采用浇封兼本安的思路进行设计。按照一辆轻型无轨胶轮车基本配置设计:车尾安装3～4个测距传感器负责倒车测距，安装1个摄像探头负责倒车影像视频信号采集，驾驶室布置1个显示屏和1个主机，主机收到视频信号和测距信号后进行分析处理，最终通过显示器及蜂鸣器报警输出。考虑到倒车系统未来扩容或者适用于其他车辆类型(例如工作面支架搬运车特种车辆体型尺寸巨大)的需要，测距传感器数量最终按照7路设计，系统结构如图1所示。图1矿用倒车报警影像系统结构矿用倒车报警影像系统由1个矿用浇封兼本安型控制器(简称控制器)、7个矿用本安型红外测距传感器(简称测距传感器)、1个矿用本安型摄像仪(简称摄像仪)、1个矿用本安型显示器(简称显示器)及相关电缆构成。控制器结构为浇封兼本安型，测距传感器、摄像仪、显示器结构为本安型。装置外部供电电源:DC24V，本安回路电压:DC5V。各组成部件之间通过航空插头连接，并采用防误插设计，简化了电缆的连接。2矿用倒车报警影像系统的本安设计2.1本安电源系统浇封结构的本安电源电路采用了双重化设计，符合ExmbIMb防爆要求［7］;PCB布线符合GB3836.4—2010关于印制电路板布线、电气间隙、爬电距离要求［9］。本安电路的功率大小是根据各路负载功率之和再乘以一个裕量系数(1.5～2倍)来确定，本主机系统共有9路负载，经过实验测量负载功率约10W左右。本安电源控制器电路如图2所示，DC24V输入采用过压保护、防止接反保护、限压保护，5V本安电源经过限流处理电路输出，设计功率为20W，满足系统总负载功率要求。图2本安电源控制器2.2本安摄像仪及显示系统矿用本安型摄像仪主要由防水外壳、摄像仪组成，属于简单设备。在最低环境照度10LuX下进行摄像，能够看清实物，将采集到的彩色图像信号转换为视频信号输出。显示屏背光电路供电电压为DC5V，避免了常用的显示屏升压电路，减少了防爆设计的难度。考虑到显示屏对电源供电质量要求较高，本安电路设计了电源波动滤波抑制环节。LED背光电路采用并联供电策略，提高了单个LED二极管的照度。2.3多路巡回测距控制系统本安电源同时给7路红外测距传感器供电时，消耗功率较大，约3W左右;控制器采用7路分段循环供电策略，利用MOS管控制每一路红外传感器的供电端，当某一路测距传感器得电时，则51单片机AD口同时仅对这一路红外传感器输出信号进行采样，这样就减小了本质安全电路的总电流，降低了总的本安电源能量消耗，有效的降低了本安设计难度。总的消耗功率降到了0.4W左右，所设计的电路如图3所示。其中倒车报警信号由单片机PWM管脚信号驱动MOS管，最终控制蜂鸣器输出。测距传感器5V供电时，在不安装防爆外壳的情况下，测量有效范围为0.15～1.5m，对应输出DC2.75～DC0.45V非线性电压信号，测试距离与输出信号曲线如图4(a)所示;在安装防爆外壳(探头前端通过玻璃防护)后，分别在正常环境和恶劣环境下(粉尘+雨雾工况)对红外测距系统进行了试验，测量有效范围约为0.3～1.4m(正常环境)，对应输出DC2.6～DC0.3V(正常环境)非线性电压信号，测试距离与输出信号对应关系如图4(b)所示。由图4(a)、图4(b)对比可看出，红外测距传感器防爆处理前后，最远探测距离下降了0.1m，饱和探测距离减少了0.15m，这是因为红外探头前面增加了玻璃防护导致探测距离衰减的缘故。整体输出信号电压幅值略有下降，约0.15V左右，总体来看，测距指标仍然满足车辆倒车报警阀值要求。由图4(b)的正常和恶劣环境对比试验数据来3312016年第5期煤炭工程装备技术中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

图3多路巡回测距控制系统图4测试距离与输出信号关系曲线看，二者相差不大，同一测量距离下输出电压差值仅0.1V左右，这是因为红外线在通过雨雾和粉尘等充满悬浮离子的物质时，本身具有不易发生散射、有较强穿透能力的特点的缘故。2.4多路红外测距传感器实际距离计算红外测距存在一些缺点，比如探测距离受安装位置、被测障碍物的形状及大小等因素的限制，但是红外线具有比超声波传播速度更快、传播方向更好、发射功率可控性更强、防护性更好的优点，虽然多路测距分布在胶轮车尾部不同位置，但是基本处于同一平面，这几路传感器通过调整角度、联合测距，当井下车辆倒车时，可以实现对较大障碍物的距离判断，具体实际距离算法流程如图5所示。图5多路红外测距实际距离计算流程图3样机实验整套装置在一台5t四驱运人车上进行试验，实物如图6(a)所示。由于矿用胶轮车尾部近似呈平面，在车尾部平均布设安装4个红外测距传感器(根据车型需要可以增加)，基本覆盖了较大型障碍物探测区域。经过3个月井下工业性试验后，白天测试效果良好，显示器显示清晰，测距传感器工作准确;夜晚打开车辆后照明灯时，显示器可以清晰显示灯光有效范围内的景象，如图6(b)所示;测距传感器工作准确，距离小于1m时，间断报警，随着距离越近，报警声越急促，小于0.3m时，常鸣报警。图6矿用倒车报警影像系统实物4结语该装置采用浇封兼本安型防爆型式，将倒车影像和7路巡回测距报警结合到一起，并应用于煤矿井下爆炸性环境中，提高了车辆运行的安全性。实际应用效果表明，该装置性能稳定可靠、环境适应性强，能够有效监控0.3～1.4m的倒车距离，倒车视频图像能够在最低照度10LuX清晰显示，解决了轻、重型无轨胶轮车在视线较差区域倒车的安全问题，同时还能够满足轻型胶轮车上允许布置空间狭小的要求。(下转第138页)431装备技术煤炭工程2016年第5期中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

69.48m3，煤体破裂压力22MPa，9134工作面顶板压裂瞬时压力曲线如图5所示。压裂前后采用瞬变电磁探测仪考察本次压裂的有效影响半径为35m。水力压裂后通过对抽采数据考察，标况平均瓦斯流量为286L/min，最高达723.7L/min，与临近未受压裂影响区域瓦斯抽采流量相比，抽采效果提高了19倍。图49134工作面顶板压裂瞬时流量曲线图图59134工作面顶板压裂瞬时压力曲线图4结语我国复杂地质条件下的煤层低渗特性，决定了无论进行瓦斯灾害防治还是进行煤层气(瓦斯)资源开发，技术创新与突破是解决难题的根本途径。水力压裂在提高煤层渗透率、改善瓦斯渗流条件方面具有潜在优势，在对地面压裂装备及工艺“引进、集成、创新”的基础上，井下水力压裂泵组的研制无论在研究内容的制定、泵组结构的设计、性能指标的实现，还是安全保障系数的提升方面，都充分体现了煤矿生产特点和切实需求。不同矿区多个生产矿井的现场试验和应用表明，研制的井下水力压裂泵组不但在技术参数上能够完全满足作业需要，而且卸压增透效果显著，在瓦斯治理甚至冲击地压防治、顶板软化管理方面值得推广。参考文献:［1］张子敏，张玉贵．瓦斯地质规律与瓦斯预测［M］．北京:煤炭工业出版社，2007．［2］傅雪海，秦勇，韦重韬．煤层气地质学［M］．徐州:中国矿业大学出版社，2007．［3］倪小明，苏现波，张小东．煤层气开发地质学［M］．北京:化学工业出版社，2009．［4］孟昭平，田永东，李国富．煤层气开发地质理论与方法［M］．北京:科学出版社，2010．［5］张德江．大力推进煤矿瓦斯抽采利用［J］．求是，2009(24):3－5．［6］林柏泉．矿井瓦斯防治理论与技术［M］．徐州:中国矿业大学出版社，2010．［7］李春芹．水平井分段压裂在特低渗透油藏开发中的应用［J］．西南石油大学学报，2011，33(6):85－88．［8］朱天寿，丁云宏．超低渗透油藏压裂改造技术［M］．北京:石油工业出版社，2012．［9］郭红玉．基于水力压裂的煤矿井下瓦斯抽采理论与技术［D］．焦作:河南理工大学，2010．［10］富向．井下点式水力压裂增透技术研究［J］．煤炭学报，2011，36(8):1317－1321．［11］黄炳香，程庆迎，陈树亮，等．突出煤层深孔水力致裂驱赶与浅孔抽采消突研究［J］．中国矿业大学学报，2013，42(5):701－711．［12］翟成，李贤忠，李全贵．煤层脉动水力压裂卸压增透技术研究与应用［J］．煤炭学报，2011，36(12):1996－2001．［13］ZhangGuangqing，ChenMian，Dynamicfracturepropagationinhydraulicre－fracturing［J］．JournalofPetroleumScienceandEngineering，2010，(7):266－272．［14］吕有厂．水力压裂技术在高瓦斯低透气性矿井中的应用［J］．重庆大学学报，2010，33(7):102－107．［15］黄炳香，程庆迎，刘长友，等．煤岩体水力致裂理论及其工艺技术框架［J］．采矿与安全工程学报，2011，28(2):167－173．(责任编辑赵巧芝櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗)(上接第134页)参考文献:［1］李媛．矿用自卸车障碍物检测及倒车监测装置［J］．煤矿安全，2013(2):34－36．［2］王安，等．无轨胶轮车在矿井辅助运输系统中的应用［J］．煤炭科学技术，2000(11):47－50．［3］宁要武，朱香卫．速度传感器在跑车防护装置中的应用［J］．煤炭工程，2012，44(3):112－114．［4］郭昭华，池君洲，黄国君，等．露天矿卡车事故分析及防撞预警系统的应用［J］．煤炭工程，2009，41(2):92－93．［5］张安然．一种倒车防碰撞系统的设计与实现［J］．压电与声光，2014(4):32－34．［6］牛洪科，孙峰．红外测距技术在采煤机位置动态监测中的应用［J］．煤矿机械，2012(3):123－125．［7］李明．矿用红外瓦斯传感器系统抗干扰设计与信号处理［J］．煤矿开采，2010(8):57－59．［8］GB3836.9—2006，爆炸性气体环境用电气设备(第9部分:浇封型“m”)［S］．［9］GB3836.4—2010，爆炸性环境第4部分:由本质安全型“i”保护的设备［S］．(责任编辑赵巧芝)831装备技术煤炭工程2016年第5期中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net