矿井机车防撞预警系统设计.pdf

第44卷 第 “ 期 2018年9月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 9 Sep. 2018 ; 2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室， 重 庆 400037 摘要 针对现有井下机车防撞系统对于弯道、 坡道、 道岔等复杂地形没有相应的处理措施、 易引起误报的 问题， 设计了 一种矿井机车防撞预警系统。该系统利用二维扫描激光雷达实现了障碍物检测， 雷达扫描角度 为 270， 识别距离大于60 m;通 过 RFID 技术实现了弯道等特殊地形的检测及机车实时定位， 并可获取机车 速度、 方向、 所在轨道等运行状态； 通 过 Lora无线数据透传技术实现了与相邻机车间的信息交互。现场工业 性试验结果表明， 该系统能够实现机车准确定位， 特殊巷道地形识别、 障碍物/地形识别实时性好， 可满足井 下应用需求。 关键词 矿井机车；防撞预警；障碍物检测； 机车定位；激光雷达； RFID 中图分类号TD524.3 文献标志码A 网络出版地址 Lttp //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. tp. 20180816. 1108. 004. html Design of anti-collision warning system for mine locomotive FANG Chongquan1 , 2 1.CCTEG Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China; 2. State Key Laboratory of the Gas Disaster Detecting, Preventing and Emergency Controlling, Chongqing 400037, China Abstract In view of problem that existing underground locomotive anti-collision system had no corresponding treatment measures for complex terrain such as corners, ramps and ballasts, and it was easy to cause false alarms, an anti-collision warning system for mine locomotive was designed. The system uses two-dimensional scanning laser radar to realize obstacle detection, radar scanning angle is 270 and recognition distance is more than 60 m. Special terrain detection such as corners and real-time positioning of the locomotive are realized by RFID technology, and operating status of the locomotive speed, direction, and track can be obtained. Ination interaction with adjacent locomotive is realized by Lora wireless data transparent transmission technology. The on-site industrial test results show that the system can accurately locate the locomotive, and the special roadway terrain identification and obstacle/terrain recognition have good real-time perance, which can meet the needs of underground applications. Key words mine locomotive; anti-collision warning； obstacle detection； locomotive positioning； laser radar； RFID 收稿日期2018-04-02;修回日期2018-07-20;责任编辑 胡娴。 基金项目 重庆市社会民生科技创新专项资助项目（cstc2016shmszx0008。 作者筒介 方崇全（1978 ） ， 男 ， 四川广安人， 副研究员， 硕 士 ， 主要研究方向矿山自动化、 煤矿安全监测监控，E-mail79214626qq. com。 引用格式 方崇全.矿 井 机 车 防 撞 预 警 系 统 设 计 工 矿 自 动 化 ，2018,449-4. FANG Chongquan. Design of anti-collision warning system for mine locomotive[J]. Industry and Mine Automation, 2018 449 1-4. 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 〇 引言 近年来， 煤矿机车运输的伤亡事故呈现不断上 升的趋势[1]。 有的煤矿轨道 监控 只针对 机车运行信号进行监控， 而忽视机车行驶环境安全， 机车撞人、 车 撞等安全 。 实现对 机车 ， 目前主要 [12]、 电 [3]、 [ 4 6] 对机车前方障 测 。现有的机车防撞系统 机车 轨道中 ， 对 道 、 坡道、 道 地 有相应 ， 。 对井下机车 地 ， 在 车防撞预警技术[79] 车防撞预警技 术[1 0 1 1 ] 上％ 、 RFID 技术和 Lorn无线通信技术的机车防撞系统。 测 机车 境％ ， 测 〖度更 ， 指向 ， 备 ， 可以应用在低照明和无照明环境中。利 用 RFID 技 术可以实现对井 地 识 别 ， 避免因地 。该 成功实 测 、 弯 道识别及定位机车所在轨道、 位置、 速度和运行方向 等功能。当机车前方出 时 ， 能够及时报警 提醒司机， 避免机车撞人、 车 撞 。 1系统工作原理 矿井机车防撞预警系统主要包括二维扫描激光 雷达、 标签采集器、 速度传感器、 告警终端、 Lorn无 线数据透传模块、 2 台摄像机及布置在机车运行轨 道上 子标签。 结构如图1 所示。 Lora无线通信 电子标签速度传感器 图1矿 井 机 车 防 撞 预 警 系 统 结 构 Fig. 1 Structure of anti-collision warning system for mine locomotive 在机车 过程中， 二维扫描激光雷达持续对 机车 270G ， 输出点云数据到告警 终端。告警终端对点云数据 应 ， 并根 据告警算法和预设的告警区域实现障碍物准确识 别 ， 输出告警信号。标签采集器定时 有无新标 签 。告警终端根据电子标签信息和速度传感器信息 融合解算出机车的位置、 速度、 方向 轨道等状 态信息。 Lorn 数据透传模块用于广播当前机 车信息和接收附近机车的关联信息。机车司机在驾 室内视野有限％ 仪增大司机视野， 监测 机车 。 2系统硬件设计 2.1 二维扫描激光雷达 矿井机车防撞预警系统采用二维扫描激光雷达 实现障碍物的准确识别。所选激光雷达的激光波长 为 905 nm， 扫描角度为270， 扫描频率为25 Hz， 能 够测量的距离范围为0. 5〜100 m， 整机功耗小于 8 d 。经测试 算 ， 所 角 分辨率为0.25， 光发散角为0. 6。因此， 在扫描过 程中， 相邻 束 斑之间存在重叠， 没有盲 区， 如 图 2 所示。 道中所呈现的点云 如 图 3 所示， 可以看到， 巷道壁对激光雷达光束遮 ， 成 道图案。 图2二 维 扫 描 激 光 雷 达 光 束 及 光 斑 Fig. 2 Beam and spot of 2D scanning laser radar 图3二 维 扫 描 激 光 雷 达 点 云 Fig. 3 Point cloud of 2D scanning laser radar 2.2 超高频R FID 电子标签 特殊地形如弯道、 岔道、 巷道壁等会对障碍物识 别造成 ， 故需根据机车的位置、 所在轨道、 运行 2 0 1 8 年 第 9 期方 崇 全 矿 井 机 车 防 撞 预 警 系 统 设 计 方向等信息调整预设的告警区域， 防止误报。在弯 道 、 道岔等地方， 机车需要减速通过。故 采 用 RFID 技术对特殊地形进行识别， 提前对机车司机进行告 警提示， 防止机车脱轨等事故。 在机车运行轨道上布置R FID 电子标签， 在机 车上安装标签米集器。在机车运彳了过程中， 标签米 集器读取电子标签， 得到机车所在轨道、 运行方向及 位置信息。R FID 系统工作频率包括低频、 高频和 超高频3 种 ， 相比于低频和高频， 超 高 频 RFID 系统 具有读写速度快和读写距离远等优点。所 以 ， 标签 采集器采用超高频中距离RFID 技 术 ， 读卡距离可 以通过调整输出增益进行更改。针对井下湿度大、 轨道容易被煤灰覆盖的情况， 同时为了避免铁轨和 机车 ， 子标签 频 A B S抗金属标签。 2.3 速度传感器 标签采集器在识别过程中存在一个识别范围。 标签 布置 离大 读器 频识别 离 ， 2 个标签中间， 机车无法判断实时位置。R FID 电子 标签布置如图所示。为了提高机车定位精度并获 得机车实时运行速度， 采用霍尔式速度传感器监测 机车运行速度。测量机车的实时运行速度有以下作 用 ①机车超速行驶时， 提醒司机降速， 尤其是在弯 道等特殊地形处。②通过基于卡尔曼滤波器的速 度和位置的融合算法， 得到机车的准确位置。 RFID 标签采集器 标签 识别区域 图 RFID电 子 标 签 布 置 Fig. 4 RFID tag deployment 速度测量通常通过编码器实现， 现有的旋转编 码器可分为有轴型和轴套型。有轴型旋转编码器需 通过联轴器与机车轮轴连接， 轴套型旋转编码器则 直接套装在需测速的机车轮轴上。通过实地调研发 现 ， 上述安装方式在实际安装过程中均存在较大难 度 ， 需要对机车轮对进行拆装， 不易实现。因此， 本 文提出了一种新的易于实现的安装结构。首先， 编 码器码盘设计为带有磁钢的胶轮， 安装在机车轮对 附近， 通过与机车轮对的摩擦带动胶轮转动。其次， 在小轮附近安装霍尔传感器， 通过计算霍尔开关元 件在单位时间内的脉冲数， 得到当前机车的运行 速。 3系统软件设计 矿井机车防撞预警系统软件主要包括障碍物识 别告警和机车定位2 个部分。 3. 1 障碍物识别告警流程 基于二维扫描激光雷达的障碍物识别步骤 ① 告警终端从标签采集器中读取电子标签的卡号， 获取关于告警区域的信息， 对告警区域进行设置。 ② 告警终端从二维扫描激光雷达中读取点云数据。 ③ 通过多边形告警算法判断在预设告警区域内是 否存在障碍物。④如果存在障碍物， 则进行语音告 警 ， 提示机车司机减速； 如果不存在障碍物， 则返回 继续检测。障碍物识别告警流程如图5 所示。 图5障 碍 物 识 别 告 警 流 程 Fig. 5 Flow of obstacle identification and alarm 井下巷道中包含直道、 岔道、 坡道和弯道等， 考 虑到在不同路况下， 扫描激光雷达的成像不同， 机车 在直道和其他复杂地形中行进时采用的告警算法有 所不同。在直道中， 采用方形告警算法， 告警区域的 尺寸由所在巷道的宽度和相关的告警技术参数来确 定 。在其他复杂地形中， 需要结合巷道的地图信息 确定当前地形， 然后根据地形实时调整多边形设置 点 数 。 3.2 机车定位算法 机车定位算法用于实现机车在井下轨道运行时 的精确定位。其输入为来自速度传感器的实时车速 信息和来自标签采集器的机车位置、 方向和轨道信 息 ， 输出为通过卡尔曼滤波器融合后的机车位置、 速 度 、 方向和所在轨道信息。基于传感器融合的机车 定位算法步骤 ①从标签采集器处读取初始位置。 ②从速度传感器处读取机车实时运行速度。③ 对 速度进行积分， 预测机车位置。④如果有新标签出 现 ， 则根据新标签的位置信息对机车位置、 速度、 方 向和所在轨道等信息进行更新， 然后返回步骤②。 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 3.3 告警终端界面 告 警 终 端 软 件 采 用 Windows Presentation Foundation/C 进行开发， 可显示告警信息、 机车运 行状态及 ， 如图 所示。告警终端 主 要分为4 分 。左上部分显示 当前机车和相 邻机车在轨道上的位置。当出现告警信号时， 左上 分 会 ， 并发出 提示， 提醒司机 应操作。右上部分显示 实时视频图像。 分显示 当前机车在轨道 状 态 ， 包含速度、 位置、 方向和轨道。 图 告 警 终 端 界 面 Fig. 6 Interface of alarm terminal 4系统功能特点 1 采用基于二维扫描激光雷达的障碍物识别 方法， 实现人、 车 识别与告警。识别 广 ， 可 实 现 270G 内 准确识别， 且 识别距离大于60 m。 2 ； RFID 定位技术实现了井下机车的精 确定位及弯道、 岔道 地 识别， 以及机车运 状 态 、 位 置 、 速度（方向及所在轨道的实时 监控。 3 采用工业级平板电脑进行各项运算， 运算 能力强大， 障碍物识别和弯道 地形识别的实 时性好， 均小于1 s。 3结语 基于二维扫描激光雷达的矿井机车防撞预警系 统解决了现有轨道 监控 法提供实时的机 车 问题。该 接照明设 备 ， 适 井下低 或 。该 已 四川芙蓉集团实业有限责任公司杉木树煤矿现场 进行了工 试验， 结果表明， 该 够实现机车 准确定位， 道地形识别、 / 地形识别实 时性好， 可满足井下应 求 。 参考文献（ References [ I ] 牛 犇 . 基 于 单 目 视 觉 的 矿 井 机 车 防 撞 预 警 系 统 设 计 [D *.重 庆 重 庆 大 学 ，2009. 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