基于毫米波雷達(dá)的井下防爆無軌膠輪車前防撞系統(tǒng)研究

胡鵬

(山西焦煤機(jī)械電氣有限公司， 山西 太原 030024)

0 引言

防爆無軌膠輪車是當(dāng)前煤礦廣泛采用的運(yùn)輸設(shè)備，具有易維護(hù)、機(jī)動(dòng)靈活、安全穩(wěn)定等特點(diǎn)，但井下能見度低，巷道彎道多，設(shè)備及人員安全性是影響井下工作面正常運(yùn)行的關(guān)鍵問題。當(dāng)前井下無軌輔助運(yùn)輸設(shè)備使用的智能防撞及安全系統(tǒng)主要有紅外測(cè)距傳感器、人員接近開關(guān)及影像系統(tǒng)等，測(cè)量精度較高，但測(cè)量范圍小，受環(huán)境影響較大，障礙物定位能力差以及被動(dòng)制動(dòng)能力較差[1]。

本文對(duì)一種基于毫米波雷達(dá)的前防撞系統(tǒng)進(jìn)行理論分析、電路、算法設(shè)計(jì)及車載試驗(yàn)等研究，使其可以更有效地應(yīng)用于井下特殊環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物(如彎道、機(jī)械設(shè)備及工作人員等)的遠(yuǎn)距離定位。系統(tǒng)具備報(bào)警及緊急制動(dòng)等功能，同時(shí)可以在顯示器上精確定位障礙物位置信息[2]，彌補(bǔ)了現(xiàn)有產(chǎn)品的缺點(diǎn)。

1 毫米波雷達(dá)前防撞技術(shù)原理

1.1 線性調(diào)頻測(cè)距

電磁波從雷達(dá)系統(tǒng)到目標(biāo)間往返傳播的時(shí)間內(nèi)，發(fā)射信號(hào)的頻率已發(fā)生變化，根據(jù)兩者的差頻可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)測(cè)距調(diào)制雷達(dá)發(fā)射信號(hào)，通過測(cè)量差拍頻率測(cè)量距離，即差拍-傅里葉體制原理，利用測(cè)定頻率按頻率調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化的發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)之間的頻率差來確定目標(biāo)的距離和速度等信息。

1.2 相位法測(cè)角度

用于對(duì)前方障礙物角度檢測(cè)，利用多個(gè)天線所接收回波信號(hào)之間的相位差進(jìn)行測(cè)角。設(shè)在θ方向有一遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo), 則到達(dá)接收點(diǎn)的目標(biāo)所反射的電波近似為平面波。由于兩天線間距為d, 故它們所收到的信號(hào)由于存在波程差ΔR而產(chǎn)生相位差φ。

(1)

式中,λ為雷達(dá)波長，用相位計(jì)進(jìn)行比相, 測(cè)出其相位差φ, 就可以確定目標(biāo)方向θ。

2 毫米波雷達(dá)前防撞系統(tǒng)技術(shù)路線及方案設(shè)計(jì)

雷達(dá)傳感器采用矩陣式天線，通過ECU信號(hào)處理器對(duì)毫米波雷達(dá)高頻信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，通過自適應(yīng)濾波器去除雜波干擾信號(hào)。采用嵌入式開發(fā)技術(shù)，核心芯片為主流大廠的新型嵌入式芯片，功耗低，性能好，體積小。采用CAN總線控制自動(dòng)識(shí)別、校準(zhǔn)雷達(dá)信號(hào)以及控制緊急制動(dòng)信號(hào)方法，雷達(dá)信號(hào)采集單元和ECU信號(hào)處理單元提取前方障礙物的相對(duì)速度、相對(duì)距離及相對(duì)角度信息，并將這些信息發(fā)送給信號(hào)控制單元，通過信號(hào)控制管理平臺(tái)對(duì)發(fā)送來的信息計(jì)算車輛行駛狀態(tài)，并對(duì)車輛安全程度進(jìn)行評(píng)價(jià)控制[3],毫米波雷達(dá)前防撞系統(tǒng)的技術(shù)路線如圖1所示。

2.1 通信電路設(shè)計(jì)

毫米波雷達(dá)主控制電路如圖2所示，包含微計(jì)算機(jī)控制電路、雷達(dá)調(diào)試電路、雷達(dá)校準(zhǔn)電路、喚醒輸入按鈕電路、輸出速度脈沖電路、輸出CAN總線控制電路、ECU信號(hào)處理通信接口電路、485輸出功能電路、穩(wěn)壓電路、功率電路,各電路功能見表1。

傳感器采集系統(tǒng) 駕駛艙顯示裝置

圖2 前防撞雷達(dá)系統(tǒng)主控制電路

表1 電路功能

2.2 制動(dòng)技術(shù)設(shè)計(jì)

車輛與障礙物發(fā)生碰撞前采取被動(dòng)制動(dòng)措施，增加電磁制動(dòng)閥塊，通過單片機(jī)控制與前雷達(dá)裝置實(shí)現(xiàn)信號(hào)通信，控制電磁閥的通斷狀態(tài)，根據(jù)碰撞時(shí)間判斷是否系統(tǒng)報(bào)警或采取緊急制動(dòng)措施，系統(tǒng)設(shè)定碰撞臨界值為2 s，雷達(dá)信號(hào)采集單元獲取來自雷達(dá)傳感器的車輛行駛信息，包括車輛本身的行駛速度v0，前方障礙物速度v1、相對(duì)距離R及車輛與障礙物的相對(duì)角度θ,制動(dòng)系統(tǒng)邏輯如圖3所示。

當(dāng)v0>v1時(shí)，車輛與前方障礙物發(fā)生碰撞時(shí)間t>2 s，車內(nèi)蜂鳴器閃爍燈亮。

當(dāng)車輛與前方障礙物發(fā)生碰撞時(shí)間t≤2 s，車輛制動(dòng)安全距離Sbr

t和θ的計(jì)算公式為：

t=R/v0-v1

(2)

θ=2π/λ·ΔR

(3)

式中,λ為雷達(dá)波長，ΔR為波程差。

圖3 前防撞雷達(dá)制動(dòng)系統(tǒng)邏輯

2.3 硬件設(shè)計(jì)

2.3.1 傳感器及箱體設(shè)計(jì)

雷達(dá)傳感器裝置主要包含雷達(dá)天線、信號(hào)處理模塊、ECU處理模塊，對(duì)前方障礙物進(jìn)行LFMCQ頻率、回波信號(hào)以及差拍信號(hào)進(jìn)行采集、濾波，并通過CAN信號(hào)連接監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，雷達(dá)傳感器前蓋采用特殊材質(zhì)，保證雷達(dá)天線信號(hào)的發(fā)射與采集。前防撞雷達(dá)傳感器前蓋及箱體如圖4所示。

雷達(dá)箱體采用不銹鋼后端設(shè)計(jì)，保留特殊材料前蓋，電路板放置箱體內(nèi)進(jìn)行澆封處理，采用航空插頭進(jìn)線端連接，同時(shí)連接蜂鳴報(bào)警器、車載保護(hù)裝置中車輛速度脈沖信號(hào)線及車輛制動(dòng)電磁閥信號(hào)線[4]。

2.3.2 顯示端設(shè)計(jì)

通過LabView建立通信及顯示模型，采用嵌入式開發(fā)技術(shù)，通過算法控制和協(xié)議控制將雷達(dá)采集的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為可顯示的模擬信號(hào)，并通過自適應(yīng)濾波器去除雜波干擾信號(hào)精確定位前方25 m范圍內(nèi)障礙物，位置、角度信息以點(diǎn)的形式在顯示器上顯示，為駕駛員提供安全保障。前防撞雷達(dá)傳感器顯示裝置如圖5所示。前防撞雷達(dá)傳感器顯示界面如圖6所示。

煤礦無軌輔助運(yùn)輸設(shè)備的工作環(huán)境噪聲大，如果只采用報(bào)警模式，有時(shí)駕駛員無法聽清警鳴聲，會(huì)導(dǎo)致無法正確判斷前方狀況，所以本文研究的毫米波雷達(dá)前方裝系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)前方障礙物具體位置顯示功能，同時(shí)具備三維坐標(biāo)顯示功能，以便進(jìn)行后續(xù)的維修調(diào)試。

圖4 前防撞雷達(dá)傳感器前蓋及箱體

(a)

(a)

顯示界面可以直觀顯示出車輛自身所在位置、速度信息、行駛距離、前方障礙物位置信息以及速度等，方便駕駛員觀測(cè)，從而可以有效采取防范措施。

2.3.3 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前礦用防爆柴油機(jī)車上主要電氣箱體包含柴油機(jī)安全保護(hù)系統(tǒng)和電源控制箱，多數(shù)電氣器件取電時(shí)通過這兩種電控箱，然而24 V電源箱通常采用4口喇叭嘴，不便獨(dú)立引出雷達(dá)系統(tǒng)電源線，柴油機(jī)安全保護(hù)系統(tǒng)電控箱體通常預(yù)留4～5個(gè)接線口,便于雷達(dá)系統(tǒng)從柴油機(jī)安全保護(hù)系統(tǒng)中取電，電氣系統(tǒng)如圖7所示。

雷達(dá)系統(tǒng)ECU信號(hào)處理模塊、信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊放置于雷達(dá)系統(tǒng)控制箱內(nèi)，發(fā)射天線位于雷達(dá)傳感器中，通過柴油機(jī)車保護(hù)裝置電源控制器取24 V電壓，最終采集到的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，并在行車顯示器上顯示出障礙物等位置及坐標(biāo)信息，同時(shí)雷達(dá)系統(tǒng)控制箱控制蜂鳴器報(bào)警。

3 毫米波雷達(dá)前防撞系統(tǒng)試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證本文研究的毫米波雷達(dá)系統(tǒng)的可靠性，對(duì)雷達(dá)傳感器有效測(cè)試距離、蜂鳴器有效報(bào)警范圍以及顯示器對(duì)障礙物正確顯示范圍進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)所使用的主要計(jì)量器具為基線測(cè)長系統(tǒng)設(shè)備，長度為26 m，準(zhǔn)確度等級(jí)為U=(0.5+0.5L)μm,k=2，溫度為20 ℃。

表2 測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表2所示,由表2可知,車輛前方25 m內(nèi)障礙物都可以正確判斷，比目前多數(shù)使用的前防撞傳感器探測(cè)距離都廣，最小在15 m范圍處出現(xiàn)障礙物時(shí)可實(shí)現(xiàn)蜂鳴報(bào)警，進(jìn)一步提高了本系統(tǒng)的安全可靠性。

圖7 電氣系統(tǒng)

4 結(jié)語

本文研究的基于毫米波雷達(dá)的澆封型前防撞系統(tǒng)，屬于煤礦井下提高無軌膠輪車輛行駛安全及工作面人員安全的技術(shù)領(lǐng)域。該毫米波前防撞雷達(dá)系統(tǒng)具有較大量程,是針對(duì)煤礦井下防爆無軌膠輪車環(huán)境可見度低、彎道多的運(yùn)行情況而特別設(shè)計(jì)的，主要采用了線性調(diào)頻測(cè)距、相位法測(cè)角度及數(shù)字圖像處理等關(guān)鍵技術(shù)，可應(yīng)用到井下設(shè)備定位、人員定位及設(shè)備限速裝置等產(chǎn)品[5]，同時(shí)是煤機(jī)自動(dòng)化采掘、智能控制系統(tǒng)及無人駕駛等研究方向的關(guān)鍵技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)中“機(jī)械化換人，自動(dòng)化減人”目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)手段。