礦用無軌膠輪車視頻輔助駕駛系統(tǒng)研究

杜春暉

(1.中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西 太原 030006)

礦用無軌膠輪車是指以防爆柴油機(jī)和蓄電池為動(dòng)力，以阻燃膠輪為行走機(jī)構(gòu)的無軌輔助運(yùn)輸設(shè)備，主要用于煤礦井下人員、設(shè)備、物料等的運(yùn)輸[1]。隨著煤礦輔助運(yùn)輸系統(tǒng)的不斷發(fā)展，為更好地提高現(xiàn)代化大型煤礦安全生產(chǎn)效率，井下無軌膠輪車作為輔助運(yùn)輸工具，將在煤礦生產(chǎn)過程中發(fā)揮越來越重要的作用[2]。無軌膠輪車具有運(yùn)輸效率高、靈活機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在視覺盲區(qū)大的缺點(diǎn)，為彌補(bǔ)該缺點(diǎn)，各廠商也紛紛推出基于紅外、超聲波、毫米波和激光等倒車?yán)走_(dá)產(chǎn)品，但是都存在一定的弊端，而且均不可視?；诩t外測(cè)距的倒車?yán)走_(dá)受煤壁對(duì)紅外光吸收的影響，測(cè)距效果并不理想，經(jīng)常發(fā)生誤報(bào)[3]。基于超聲波雷達(dá)的倒車報(bào)警裝置，由于壓電陶瓷需要高壓供電才能產(chǎn)生超聲波，不利于本安設(shè)計(jì)[4]。毫米波雷達(dá)重量輕、體積小、空間分辨率高、測(cè)距范圍大、精度高、能夠穿透霧、煙、灰塵而不受惡劣天氣環(huán)境的影響，但是毫米波雷達(dá)抗電磁干擾能力較差，在井下容易受其他通信設(shè)備的電磁波干擾，另外，價(jià)格昂貴[5]。激光具有直線性好、能量密度高、傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，激光傳感器測(cè)距精度高、響應(yīng)速度快、工作穩(wěn)定，但是，激光能量集中會(huì)對(duì)人眼造成傷害，而且在井下高粉塵、高濕度環(huán)境中，激光傳感器性能受很大影響[6]。隨著圖像傳感器技術(shù)的發(fā)展，市面上出現(xiàn)了星光級(jí)、黑光級(jí)的攝像頭，專門用于黑暗環(huán)境下的圖像采集，非常適用于井下無軌膠輪車視頻輔助駕駛，另外，增加車載通信機(jī)還可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對(duì)講。

1 礦用視頻對(duì)講系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本質(zhì)安全型設(shè)備由于體積小、重量輕、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于煤礦井下弱電系統(tǒng)中，尤其是在井下移動(dòng)設(shè)備上，不僅可以減輕整機(jī)設(shè)備重量，而且安裝方便，不需要占用太大的空間，但是，本質(zhì)安全型設(shè)備與其他設(shè)備相互連接時(shí)，需要進(jìn)行關(guān)聯(lián)認(rèn)證，給設(shè)備改造或升級(jí)帶來很大不便。隔爆型設(shè)備體積大、重量大、價(jià)格昂貴，但是，隔爆型設(shè)備可以與其他隔爆或澆封型設(shè)備相互連接，不需要進(jìn)行關(guān)聯(lián)認(rèn)證，在設(shè)備改造或升級(jí)時(shí)，相比本質(zhì)安全型設(shè)備在電氣連接上更加方便。本文綜合考慮隔爆型設(shè)備和本質(zhì)安全型設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用隔爆兼本安型。

礦用視頻對(duì)講系統(tǒng)(如圖1所示)主要由1臺(tái)視頻控制箱、3個(gè)攝像頭、1臺(tái)顯示器和2臺(tái)車載通信機(jī)組成。視頻控制箱為隔爆兼本安型，主要功能為視頻存儲(chǔ)、車廂畫面與倒車畫面自動(dòng)切換，同時(shí)為攝像頭和顯示器提供本安電源。攝像頭為礦用本安型，采用紅外補(bǔ)光增加視頻清晰度，3個(gè)攝像頭分別安裝于駕駛室、車廂和車尾，行車攝像頭畫面只存儲(chǔ)不顯示，用于記錄車輛行駛軌跡，車廂攝像頭用于司機(jī)觀察車廂人員情況以及上下車情況，倒車攝像頭用于輔助司機(jī)看清車尾障礙物，避免碰撞事故發(fā)生。顯示器為礦用本安型，采用液晶顯示屏進(jìn)行視頻顯示，車輛正常行駛時(shí)顯示車廂畫面，車輛倒車時(shí)，自動(dòng)切換為倒車畫面。車載通信機(jī)為隔爆兼本安型，分別安裝于駕駛室與車廂內(nèi)，用于司機(jī)與乘車人員語音對(duì)講。所有本安設(shè)備均采用航空插頭進(jìn)行連接，便于安裝維護(hù)。

圖1 視頻對(duì)講系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 礦用視頻對(duì)講系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

2.1 隔爆兼本安型視頻控制箱的設(shè)計(jì)

視頻控制箱主要由DC/DC電源模塊、本安電源模塊、硬盤錄像機(jī)、視頻隔離器和固態(tài)繼電器等組成，如圖2所示。視頻控制箱采用DC24V電源供電，通過DC/DC模塊將24V電壓降壓為12V，為硬盤錄像機(jī)進(jìn)行供電。本安電源模塊輸出為5V，為攝像頭和顯示器進(jìn)行供電。硬盤錄像機(jī)采用非本安電路設(shè)計(jì)，無法與本安型攝像頭直接連接使用，必須使用視頻隔離器進(jìn)行本安與非安信號(hào)隔離才能滿足防爆要求，視頻隔離器的輸入輸出端至少要滿足1500VAC的隔離耐壓要求?？紤]到移動(dòng)設(shè)備的振動(dòng)性，選用固態(tài)硬盤進(jìn)行視頻存儲(chǔ)。圖2中X+和X-分別連接倒車燈的電源正負(fù)極，當(dāng)車輛倒車時(shí)，固態(tài)繼電器由常閉觸點(diǎn)切換至常開觸點(diǎn)，顯示屏畫面由車廂畫面切換為倒車畫面，固態(tài)繼電器不僅可以實(shí)現(xiàn)視頻切換的功能，而且還能滿足非安控制信號(hào)與本安視頻信號(hào)之間的隔離耐壓要求。

圖2 視頻控制箱電氣原理圖

2.2 本安型紅外補(bǔ)光攝像頭的設(shè)計(jì)

紅外補(bǔ)光攝像頭采用本安電路設(shè)計(jì)，由攝像頭模組和紅外補(bǔ)光燈兩部分組成。攝像頭模組電氣原理如圖3所示，5V本安電源經(jīng)過防倒流保護(hù)電路和雙重限壓保護(hù)電路后給圖像處理電路供電。圖像處理電路中電源管理單元將5V電壓降為3.3V和1.2V為其他單元供電，圖像傳感器選用索尼IMX385，該傳感器為CMOS有源像素型固態(tài)圖像傳感器，具備高靈敏度、低暗電流、無污跡等特點(diǎn)[7]，物理照度：彩色為0.005Lux@F1.0，黑白為0.002Lux@F1.0，配合使用F1.0大通光量鏡頭，即使在低光照條件下，成像效果也是相當(dāng)?shù)某霰姡浅＿m合于井下黑暗環(huán)境中使用。圖像處理的主控芯片選用海思3516EV300，基于Cortex-A7內(nèi)核，主頻最高可達(dá)900MHz，數(shù)據(jù)緩存和指令緩存為32kB，輔助緩存128kB，支持8/10/12bit RGB Bayer DC時(shí)序視頻輸入，支持BT.1120輸入，處理器內(nèi)部集成了ISP，可以完成Bayer圖到Y(jié)UV的格式轉(zhuǎn)換，同時(shí)可以對(duì)輸入圖像進(jìn)行去噪、壞點(diǎn)校正、強(qiáng)光抑制、鏡頭畸變校正、數(shù)字防抖等操作，視頻編碼器支持H.264、H.265、JPEG、MGPEG等多種格式。Hi3516EV300內(nèi)置1Gbit DDR3 SDRAM用于運(yùn)行嵌入式Linux，同時(shí)外接一塊256Mbit的SPI NOR Flash用于存放引導(dǎo)Linux啟動(dòng)的u-boot、Linux內(nèi)核鏡像、文件系統(tǒng)。圖像處理后的視頻信號(hào)較弱，經(jīng)過輸出信號(hào)放大電路后對(duì)外輸出CVBS信號(hào)[8，9]。

圖3 攝像頭電氣原理圖

煤礦井下光照強(qiáng)度不足，對(duì)攝像頭所采集到的圖像質(zhì)量造成了很大影響，需要考慮額外補(bǔ)光來改善圖像質(zhì)量，但是白光補(bǔ)光較為刺眼，所以選擇紅外補(bǔ)光[10，11]，紅外補(bǔ)光燈電氣原理如圖4所示，采用5V本安電源供電，光敏電阻CDS在強(qiáng)光條件下，阻值僅有幾百至數(shù)千歐姆，在黑暗環(huán)境下，阻值可達(dá)幾兆歐姆，所以，在正常光照環(huán)境下，光敏電阻阻值較小，與R1電阻進(jìn)行分壓時(shí)，幾乎所有電壓全部加在R1兩端，這就導(dǎo)致三極管Q1基極電位太高，無法導(dǎo)通，當(dāng)光照強(qiáng)度降低時(shí)，光敏電阻的阻值增大，三極管Q1基極電位減小，當(dāng)發(fā)射極正偏時(shí)，三極管導(dǎo)通，紅外發(fā)光管點(diǎn)亮。該紅外補(bǔ)光燈在地面時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，在井下黑暗環(huán)境中自動(dòng)開啟，為攝像頭提供光照。

圖4 紅外補(bǔ)光燈電氣原理圖

2.3 本安型液晶顯示器的設(shè)計(jì)

圖5 液晶顯示器電氣原理圖

液晶顯示器采用本安電路設(shè)計(jì)，電氣原理如圖5所示，由視頻控制箱提供DC5V本安電源供電，5V本安電源經(jīng)過防倒流保護(hù)電路和雙重限壓保護(hù)電路后給圖像處理電路供電。圖像處理電路中電源管理單元將5V電壓降為3.3V、2.5V和1.2V為其他單元供電，液晶顯示屏驅(qū)動(dòng)單元選用模擬液晶電視驅(qū)動(dòng)芯片TSUMV29LU作為主控芯片，該芯片集成度高、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高，支持PAL、NTSC、SECAM 制式解調(diào)，兼容RF、CVBS、YPBPR、VGA、HDMI1.4信號(hào)輸入，標(biāo)置2×8W的D類功放，可輸出標(biāo)清、高清的LVDS 信號(hào)。背光驅(qū)動(dòng)采用恒流電路，由主控芯片TSUMV29LU控制背光驅(qū)動(dòng)電路的通斷，從而控制背光燈的開啟，為滿足本安電路設(shè)計(jì)要求，背光驅(qū)動(dòng)電路需要增加限壓限流保護(hù)。液晶顯示屏選用奇美EJ070NA-01J 7寸TFT屏，分辨率為1024×600，背光燈功耗為1.6W，面板功耗為0.45W。

2.4 隔爆兼本安型車載通信機(jī)的設(shè)計(jì)

車載通信機(jī)電路分為音頻采集與前置放大電路和音頻功率放大電路。音頻采集與前置放大電路如圖6所示，手麥采用本安電路設(shè)計(jì)，非安12V電源經(jīng)過隔離變壓器N5進(jìn)行隔離，而后再經(jīng)過自恢復(fù)保險(xiǎn)F1的限流保護(hù)和穩(wěn)壓二極管VD2、VD3的限壓保護(hù)，為手麥進(jìn)行供電，當(dāng)按下手麥上的對(duì)講按鈕時(shí)，ib-I和ib-O短接，固態(tài)繼電器N4導(dǎo)通，由麥克輸入至MIC+和MIC-兩端的信號(hào)經(jīng)過T2隔離變壓器后輸入至前置放大電路，經(jīng)過前置放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理后從AFO端輸出。前置放大電路使用MC4558低噪聲雙運(yùn)算放大器，內(nèi)含相位補(bǔ)償回路，速度高，頻帶寬[12]。

圖6 音頻采集與前置放大電路

音頻功率放大電路如圖7所示，選用NXP公司生產(chǎn)的TDA8932BT高效率D類音頻功率放大器，該芯片功耗低，發(fā)熱小，無需增加散熱裝置[13，14]。麥克所采集的音頻信號(hào)經(jīng)過前置放大電路后從AFO端輸出，并從音頻功率放大電路的AFI端輸入，經(jīng)過功率放大后再通過T1隔離變壓器輸出至5Ω8W的防水喇叭，并且在喇叭信號(hào)輸入端串并聯(lián)4個(gè)二極管1N4737A，實(shí)現(xiàn)雙重雙向穩(wěn)壓保護(hù)。

圖7 音頻功率放大電路

駕駛室內(nèi)車載通信機(jī)的音頻采集與前置放大電路的信號(hào)輸出端與車廂車載通信機(jī)的音頻功率放大電路的信號(hào)輸入端連接，當(dāng)駕駛室司機(jī)講話時(shí)，車廂內(nèi)車載通信機(jī)發(fā)出聲音，同理，當(dāng)車廂人員講話時(shí)，駕駛室內(nèi)車載通信機(jī)發(fā)出聲音。車載通信機(jī)分為全雙工和半雙工兩種工作模式，當(dāng)音頻采集與前置放大電路中的XS3端子短接時(shí)，車載通信機(jī)為全雙工模式，當(dāng)XS3端子斷開時(shí)，車載通信機(jī)為半雙工模式。

3 樣機(jī)測(cè)試

為驗(yàn)證該系統(tǒng)的可靠性，將該系統(tǒng)安裝于30座運(yùn)人車上進(jìn)行為期6個(gè)月的工業(yè)性試驗(yàn)。行車攝像頭安裝于駕駛室前部頂棚上，防止人員上下車磕碰；車廂攝像頭安裝于車廂前部頂棚上，避免人員或其他物體遮擋；倒車攝像頭安裝于車廂尾部中間靠上方位置，避免攝像頭位置太低造成污損，同時(shí)，也盡量減小兩側(cè)的盲區(qū)；駕駛室車載通信機(jī)安裝于司機(jī)座位右側(cè)，使喇叭朝向副駕駛座一側(cè)，便于司機(jī)拿放手麥，同時(shí)也避免麥克與喇叭正對(duì)，電路產(chǎn)生自激振蕩發(fā)出嘯叫；車廂車載通信機(jī)安裝于車廂內(nèi)側(cè)面，便于乘車人員使用。經(jīng)過測(cè)試，紅外補(bǔ)光攝像頭在地面光照較強(qiáng)的環(huán)境下，視頻圖像為彩色，當(dāng)進(jìn)入井下黑暗環(huán)境后，紅外補(bǔ)光燈自動(dòng)開啟，攝像頭畫面變?yōu)楹诎桩嬅妗Ｓ绕湓谲噹麩o光照環(huán)境下，完全依靠紅外補(bǔ)光才能清晰成像，行車畫面、車廂畫面和倒車畫面如圖8(a)、(b)、(c)所示。從圖中可以看出，視頻畫面比較清晰，完全可以輔助司機(jī)看清車尾和車廂內(nèi)的情況。當(dāng)車輛正常行駛時(shí)，顯示屏上顯示車廂攝像頭畫面，當(dāng)車輛倒車時(shí)，自動(dòng)切換為倒車畫面。三路攝像頭視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，固態(tài)硬盤存滿后會(huì)循環(huán)覆蓋。對(duì)于車載通信機(jī)的測(cè)試，司機(jī)與車廂人員正常音量對(duì)講時(shí)，喇叭聲音清晰洪亮，無雜音、無嘯叫。使用聲級(jí)計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，在喇叭正前方1m處，聲音可達(dá)到85dB以上。

圖89 攝像頭視頻畫面

4 結(jié) 論

1)相比于倒車?yán)走_(dá)，該視頻輔助系統(tǒng)可以更加直觀地看清車輛后方的障礙物情況，避免碰撞事故發(fā)生。

2)通過車廂攝像頭，司機(jī)可以觀察車廂內(nèi)人員活動(dòng)情況以及人員上下車情況，保證人員上下車的安全。

3)倒車畫面自動(dòng)切換，簡(jiǎn)化了司機(jī)的操作，更加自動(dòng)化、人性化。

4)視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，而且存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1個(gè)月，事故發(fā)生后可以作為事故責(zé)任認(rèn)定的依據(jù)。

5)車載通信機(jī)實(shí)現(xiàn)了司機(jī)與車廂人員的實(shí)時(shí)對(duì)講，結(jié)束了雙方靠敲玻璃、晃燈的交流方式。