馮 湘，劉 博，康棟梁

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術學院，河南 鄭州 450052;2.鄭州煤機液壓電控有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

煤炭是我國的主要能源，隨著科技的發(fā)展，綜采設備自動化程度逐年提高。隨著電控系統(tǒng)的應用，綜采工作面正朝著智能化、無人化方向發(fā)展，在安全生產(chǎn)前提下，準確、及時感知工作人員活動成為必備條件。目前，工作面人員感知主要以視頻監(jiān)控形式完成，但工作面粉塵大，視野差，效果不是特別理想。同時，因成本較高，體積較大，尚未實現(xiàn)每架液壓支架安裝一臺。因此，在工作面人員感知中，需要一種簡單可靠，僅對工作人員有感知效果的模塊，應用到綜采自動化設備中，提高綜采作業(yè)中的安全系數(shù)。

1 人員感知模塊設計背景

人員感知模塊主要用于電液控系統(tǒng)中。支架執(zhí)行動作前，啟動感知模塊，發(fā)出探測信息，感知是否有人員存在，并將信息反饋。支架控制器處理相關信息后，完成相應動作，減少因人員視線等原因引起的安全隱患。

整個工作面的電控控制系統(tǒng)方案如圖1 所示。

圖1 工作面電控控制系統(tǒng)方案

2 感知模塊硬件設計

人員感知模塊原理框圖如圖2 所示。

圖2 人員感知模塊原理框圖

人員感知模塊硬件采用模塊化設計，各部分功能獨立，便于設計和調(diào)試。電源模塊，完成支架控制器12V 電源引入，經(jīng)電流采樣芯片及開關式電源芯片降壓后，提供3.3V 和5V 電源，為增強穩(wěn)定性，提高抗干擾能力，增加了瞬變保護，隔離了數(shù)字地和模擬地;485 通訊模塊，采用485 總線式通訊，結構簡單，傳輸距離遠，增加浪涌保護芯片和光隔離耦合器，提高抗干擾能力;復位電路，外部獨立看門狗，提高程序運行穩(wěn)定性;溫度采集模塊用于實時監(jiān)測環(huán)境溫度，為溫度補償提供數(shù)據(jù)支撐;AD 采樣，實時采集系統(tǒng)工作電壓、電流，為支架控制器控制負載容量提供參考;聲光報警，用于警示液壓支架即將或正在執(zhí)行動作，為人員提供安全保障。

2.1 微波主動探測應用

硬件系統(tǒng)設計中，創(chuàng)新性使用了微波主動探測和紅外被動探測模式。微波探測為主動探測模式，根據(jù)多普勒雷達效應，利用反射波頻率的變化，感知人員的移動與存在。多普勒理論是以時間為基礎的，當微波行進中觸碰物體時微波會被反射，反射波的頻率會隨觸碰物體移動等情況而發(fā)生變化。如果物體朝著發(fā)射的方向移動，則反射回來的微波會被壓縮，反射波的頻率會增加;反之反射波的頻率會減小。多普勒頻移效應如圖3 所示。

圖3 多普勒頻移效應

根據(jù)多普勒原理設計的微波探測器由FET 介質(zhì)DRO 微波震蕩源、功率分配器、發(fā)射天線、接收天線、混頻器、檢波器等電路組成。發(fā)射天線向外定向發(fā)射微波，遇到物體時被反射，反射波被接收天線接收，然后到混合器與振蕩波混合，混合、檢波后的低頻信號反應了物體移動的速度，微波探測器信號輸出幅度與物體的大小、距離有關，輸出幅度與距離的平方成近似反比關系。

2.2 紅外探測應用

紅外被動探測模塊，根據(jù)被動式熱釋電紅外探頭的工作原理及人體紅外特性設計而成。紅外探測原理框圖如圖4 所示。

圖4 紅外探測原理框圖

自然界任何高于絕對溫度(-273 度)時物體都將產(chǎn)生紅外光譜，人體的恒定體溫一般為37 度，所以會發(fā)出特定波長10 微米左右的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的10 微米左右的紅外線而進行工作的。熱釋電紅外傳感器，將波長為8～12 微米之間的紅外信號作為電信號，其對白光信號具有抑制作用，探測器區(qū)域內(nèi)無作業(yè)人員時，探測到的為背景溫度，當有人員作業(yè)時，通過具有聚焦和區(qū)分作用的菲涅爾透鏡，探測到人體溫度與背景溫度的差異信號。探測器接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，經(jīng)后續(xù)電路檢測處理后就能產(chǎn)生探測信號。熱釋電紅外傳感器，采用雙靈敏元件互補法抑制溫度變化產(chǎn)生的干擾，提高了傳感器的工作穩(wěn)定性。同時，調(diào)整元件電阻，即可完成距離的設定。

3 感知模塊軟件架構設計

根據(jù)人員感知模塊功能需求，軟件設計主要完成與控制器通訊，探測模塊的開啟與關閉，探測信號的監(jiān)測與處理，溫度探測，系統(tǒng)工作電壓、電流監(jiān)測等功能。同時，為提高模塊人員感知的準確度，采用了模糊處理算法和全溫度補償算法，提高抗干擾能力。軟件主流程框圖如圖5 所示。

圖5 軟件主流程框圖

4 結束語

本文針對現(xiàn)有煤礦工作面的特點和功能需求，設計了人員感知模塊，用于工作面人員感知。采取微波主動探測和紅外被動感知相結合的方式，結合軟件信息處理算法，提高人員感知準確度。人員感知模塊的運用，仿佛為液壓支架電控系統(tǒng)裝上了眼睛，感知動作范圍內(nèi)的人員存在，為煤礦安全生產(chǎn)提供可靠保障，同時為綜采設備自動化、無人化發(fā)展提供可靠支撐。

［1］何燕玲.雷達測速算法研究與軟件實現(xiàn)［D］.武漢:華中科技大學，2012.

［2］劉博.薄煤層液壓支架電液控制系統(tǒng)研制［D］.鄭州:鄭州大學，2013.

［3］呂立波.紅外探測技術的發(fā)展及應用［J］.中國公共安全(市場版)，2007(6):93-96.

［4］王啟富.CAPP 系統(tǒng)中交互智能感知技術研究［J］.計算機工程與設計，2007(7):1642-1645.