成巖軍

（太原煤氣化集團(tuán)公司爐峪口煤礦，山西 古交 030204）

引言

電機(jī)車是礦井巷道主要的長(zhǎng)距離運(yùn)輸設(shè)備，負(fù)責(zé)運(yùn)送煤炭、人員、矸石、設(shè)備、材料等，發(fā)揮著不可替代的作用。目前，大部門(mén)電機(jī)車運(yùn)輸系統(tǒng)仍然采用人工控制的方式進(jìn)行駕駛，經(jīng)常由于司機(jī)疲勞駕駛、僥幸心理或者操作失誤導(dǎo)致車輛之間發(fā)生碰撞事故；少數(shù)電機(jī)車系統(tǒng)采用地表遠(yuǎn)程遙控駕駛，這種駕駛方式存在一定的滯后性，不能迅速反應(yīng)車況；除此之外，由于運(yùn)輸任務(wù)安排不規(guī)律、礦井下復(fù)雜的運(yùn)輸環(huán)境、“信集閉”系統(tǒng)故障、車輛調(diào)度失誤等原因，電機(jī)車之間碰撞或追尾的情況時(shí)有發(fā)生[1-2]。

為了避免電機(jī)車在運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生碰撞事故，提高煤礦運(yùn)行的安全性，本文設(shè)計(jì)了一種電機(jī)車主動(dòng)防撞系統(tǒng)。通過(guò)多傳感器技術(shù)、高清攝像技術(shù)可對(duì)電機(jī)車周圍的車輛、障礙物進(jìn)行全方位檢測(cè)，同時(shí)通過(guò)工控機(jī)進(jìn)行智能決策和處理，來(lái)判斷電機(jī)車是否有碰撞的可能性，并進(jìn)行預(yù)警及制動(dòng)。

1 主動(dòng)避撞系統(tǒng)總體方案

蓄電池電機(jī)車主動(dòng)避撞系統(tǒng)總體方案如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由工控機(jī)、智能控制器、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器、防撞信息檢測(cè)單元組成。防撞信息檢測(cè)單元包括高清攝像機(jī)、激光雷達(dá)傳感器、紅外雷達(dá)傳感器。

圖1 蓄電池電機(jī)車主動(dòng)避撞系統(tǒng)總體方案

其中，工控機(jī)是主動(dòng)避撞系統(tǒng)的核心大腦，內(nèi)設(shè)上位機(jī)軟件，同時(shí)設(shè)計(jì)相應(yīng)的智能處理算法，可將防撞信息檢測(cè)單元采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能決策和處理，進(jìn)行碰撞預(yù)警；防撞信息檢測(cè)單元分別用于檢測(cè)電機(jī)車周圍的圖像畫(huà)面、位置信息以及與相鄰電機(jī)車之間的距離信息、障礙物檢測(cè)，同時(shí)將檢測(cè)信息上傳給工控機(jī)，安裝于電機(jī)車前方；運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，包括速度、加速度、車身姿態(tài)等，便于工控機(jī)更好地作出決策；智能控制器負(fù)責(zé)接收工控機(jī)發(fā)出的制動(dòng)指令并向下控制電機(jī)車進(jìn)行避撞制動(dòng)，同時(shí)進(jìn)行報(bào)警。工控機(jī)與防撞信息檢測(cè)單元、智能控制器、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器之間皆通過(guò)CAN總線方式進(jìn)行通信。

2 硬件部分方案設(shè)計(jì)與選型

2.1 工控機(jī)選型

工控機(jī)是主動(dòng)避撞系統(tǒng)的核心設(shè)備，內(nèi)置上位機(jī)軟件可做智能決策、處理以及數(shù)據(jù)顯示功能等。系統(tǒng)選用了超恩公司的RCS-9000F GTX1080系列工控機(jī)，將圖像處理算法和智能決策方案嵌入其中，完成對(duì)電機(jī)車周圍相鄰機(jī)車、障礙物的感知檢測(cè)。該系列工控機(jī)采用了第七代英特爾處理器，運(yùn)行內(nèi)存32 GB，可以同時(shí)處理多個(gè)傳感器、攝像機(jī)采集到的信息。

2.2 智能控制器單元設(shè)計(jì)

智能控制器是主動(dòng)避撞系統(tǒng)的橋梁，由液晶顯示模塊、聲光報(bào)警模塊、機(jī)車制動(dòng)模塊、供電單元、微控制器組成。當(dāng)工控機(jī)檢測(cè)到電機(jī)車的狀態(tài)信息后，如有碰撞情況，工控機(jī)將自動(dòng)發(fā)送制動(dòng)指令下達(dá)給智能控制器。下頁(yè)圖2所示為智能控制器的硬件結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 智能控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖

微控制器選型為STM32F103C8T6單片機(jī)，采用72 MHz工作主頻[3]，完全滿足系統(tǒng)需求。液晶顯示屏采用OLED12864液晶屏，通過(guò)I2C通信接口與單片機(jī)進(jìn)行通信，負(fù)責(zé)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和狀態(tài)顯示；聲光報(bào)警模塊負(fù)責(zé)碰撞及追尾預(yù)警。機(jī)車制動(dòng)模塊由單刀雙擲繼電器組成，接入機(jī)車制動(dòng)控制電路，當(dāng)有碰撞的威脅時(shí)，緊急發(fā)出制動(dòng)信號(hào)，避免發(fā)生撞車事故。

2.3 感知傳感器及攝像機(jī)選型

雷達(dá)傳感器選用C16系列小型化16線混合固態(tài)激光雷達(dá)，該傳感器可通過(guò)360°全景掃描，獲取目標(biāo)的三維空間數(shù)據(jù)，非常適合電機(jī)車避撞系統(tǒng)。

紅外雷達(dá)傳感器選用PBS-03JN障礙檢測(cè)傳感器，可檢測(cè)距離為3 m，寬度為2 m的區(qū)域，同時(shí)通過(guò)工控機(jī)可精準(zhǔn)繪制檢測(cè)區(qū)域。

攝像機(jī)選用大華生產(chǎn)的DH-HAC-HMW3200-R型號(hào)攝像機(jī)。該型號(hào)攝像機(jī)性能好，像素高，能夠根據(jù)光照強(qiáng)度自動(dòng)切換紅外濾光片實(shí)現(xiàn)晝夜監(jiān)控。將攝像機(jī)安裝于電機(jī)車的上方，通過(guò)調(diào)整鏡頭角度可最大化地捕捉到地面軌道信息[4]。

2.4 CAN總線通信方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工控機(jī)與攝像機(jī)、激光雷達(dá)與紅外雷達(dá)之間，工控機(jī)與智能控制器之間通過(guò)CAN總線通信電路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由工控機(jī)分別引出兩條子CAN總線，分別負(fù)責(zé)障礙物檢測(cè)避撞單元和智能控制器單元之間的通訊。圖3所示為障礙物檢測(cè)避撞單元與工控機(jī)的之間CAN總線通信的連接框圖。

圖3 障礙物檢測(cè)避撞單元與工控機(jī)之間CAN總線通信的連接框圖

圖4所示為工控機(jī)與智能控制器單元之間的CAN總線連接框圖。將環(huán)境感知決策信號(hào)傳輸給整車控制器。工控機(jī)中的環(huán)境感知處理系統(tǒng)對(duì)各個(gè)傳感器傳輸來(lái)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將決策信號(hào)傳輸?shù)娇偩€控制器上。智能電機(jī)車整車控制器將車速信息傳輸?shù)娇偩€控制器上。

圖4 工控機(jī)與智能控制器單元之間的CAN總線連接框圖

3 工控機(jī)軟件方案設(shè)計(jì)

工控機(jī)軟件系統(tǒng)是整個(gè)電機(jī)車主動(dòng)避撞系統(tǒng)的核心，集成了圖像處理技術(shù)和智能處理算法。本系統(tǒng)基于Windows7平臺(tái)，采用Microsoft Visual Studio集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行開(kāi)發(fā)，編程語(yǔ)言為C++語(yǔ)言，同時(shí)結(jié)合了計(jì)算機(jī)視覺(jué)類庫(kù)OpenCV[5]。

該軟件系統(tǒng)的主要功能是對(duì)視頻圖像和傳感器信息進(jìn)行分析處理，根據(jù)預(yù)先設(shè)備的原則來(lái)判定電機(jī)車碰撞的可能性，將分析結(jié)果呈現(xiàn)出來(lái)并記錄。

根據(jù)系統(tǒng)的不同需求，電機(jī)車主動(dòng)避撞預(yù)警系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和用戶交互模塊。圖5所示為電機(jī)車主動(dòng)避撞系統(tǒng)軟件框圖。

圖5 電機(jī)車主動(dòng)避撞系統(tǒng)軟件框圖

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)屬于傳感器和高清攝像機(jī)的聯(lián)合檢測(cè)。對(duì)于障礙物，主要通過(guò)激光雷達(dá)傳感器進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)車輛在彎道上行駛時(shí)，僅僅借助激光雷達(dá)并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)前方軌道上障礙物的檢測(cè)，此時(shí)，需要聯(lián)合攝像機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合來(lái)檢測(cè)障礙物。具體的檢測(cè)流程為首先采用高清攝像機(jī)對(duì)前面的軌道環(huán)境進(jìn)行視頻提取處理，通過(guò)工控機(jī)判斷軌道為直道還是彎道。若前方軌道為直行軌道，通過(guò)激光雷達(dá)傳感器和紅外雷達(dá)傳感器便可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)車和障礙物的檢測(cè)，來(lái)判斷電機(jī)車本身的碰撞可能性；若前面軌道為彎道，則需要激光雷達(dá)傳感器、紅外雷達(dá)傳感器和高清攝像機(jī)聯(lián)合檢測(cè)，通過(guò)視頻獲取的軌道位置信息與激光雷達(dá)獲取的目標(biāo)點(diǎn)位置信息結(jié)合，檢測(cè)處于前方軌道內(nèi)的障礙物。圖6所示為電機(jī)車及障礙物檢測(cè)的工作流程。

圖6 電機(jī)車及障礙物檢測(cè)工作流程

4 結(jié)論

基于多傳感器技術(shù)、高清攝像技術(shù)、CAN總線通信技術(shù)、上位機(jī)技術(shù)及微控制器技術(shù)設(shè)計(jì)的電機(jī)車主動(dòng)預(yù)警、避撞系統(tǒng)，通過(guò)多個(gè)傳感器及攝像機(jī)的協(xié)同工作，可實(shí)時(shí)檢測(cè)運(yùn)輸過(guò)程中電機(jī)車自身的速度、與其他電機(jī)車及障礙物之間的位置信息，并智能決策是否有碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)煤礦的安全運(yùn)營(yíng)具有非常重要的意義。