馮 湘，劉 博，康棟梁

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450052;2.鄭州煤機(jī)液壓電控有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

煤炭是我國(guó)的主要能源，隨著科技的發(fā)展，綜采設(shè)備自動(dòng)化程度逐年提高。隨著電控系統(tǒng)的應(yīng)用，綜采工作面正朝著智能化、無(wú)人化方向發(fā)展，在安全生產(chǎn)前提下，準(zhǔn)確、及時(shí)感知工作人員活動(dòng)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(shí)，因成本較高，體積較大，尚未實(shí)現(xiàn)每架液壓支架安裝一臺(tái)。因此，在工作面人員感知中，需要一種簡(jiǎn)單可靠，僅對(duì)工作人員有感知效果的模塊，應(yīng)用到綜采自動(dòng)化設(shè)備中，提高綜采作業(yè)中的安全系數(shù)。

1 人員感知模塊設(shè)計(jì)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(dòng)作前，啟動(dòng)感知模塊，發(fā)出探測(cè)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(guān)信息后，完成相應(yīng)動(dòng)作，減少因人員視線等原因引起的安全隱患。

整個(gè)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(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)，各部分功能獨(dú)立，便于設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)式電源芯片降壓后，提供3.3V 和5V 電源，為增強(qiáng)穩(wěn)定性，提高抗干擾能力，增加了瞬變保護(hù)，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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳輸距離遠(yuǎn)，增加浪涌保護(hù)芯片和光隔離耦合器，提高抗干擾能力;復(fù)位電路，外部獨(dú)立看門狗，提高程序運(yùn)行穩(wěn)定性;溫度采集模塊用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度，為溫度補(bǔ)償提供數(shù)據(jù)支撐;AD 采樣，實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)工作電壓、電流，為支架控制器控制負(fù)載容量提供參考;聲光報(bào)警，用于警示液壓支架即將或正在執(zhí)行動(dòng)作，為人員提供安全保障。

2.1 微波主動(dòng)探測(cè)應(yīng)用

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，創(chuàng)新性使用了微波主動(dòng)探測(cè)和紅外被動(dòng)探測(cè)模式。微波探測(cè)為主動(dòng)探測(cè)模式，根據(jù)多普勒雷達(dá)效應(yīng)，利用反射波頻率的變化，感知人員的移動(dòng)與存在。多普勒理論是以時(shí)間為基礎(chǔ)的，當(dāng)微波行進(jìn)中觸碰物體時(shí)微波會(huì)被反射，反射波的頻率會(huì)隨觸碰物體移動(dòng)等情況而發(fā)生變化。如果物體朝著發(fā)射的方向移動(dòng)，則反射回來(lái)的微波會(huì)被壓縮，反射波的頻率會(huì)增加;反之反射波的頻率會(huì)減小。多普勒頻移效應(yīng)如圖3 所示。

圖3 多普勒頻移效應(yīng)

根據(jù)多普勒原理設(shè)計(jì)的微波探測(cè)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(shí)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(hào)反應(yīng)了物體移動(dòng)的速度，微波探測(cè)器信號(hào)輸出幅度與物體的大小、距離有關(guān)，輸出幅度與距離的平方成近似反比關(guān)系。

2.2 紅外探測(cè)應(yīng)用

紅外被動(dòng)探測(cè)模塊，根據(jù)被動(dòng)式熱釋電紅外探頭的工作原理及人體紅外特性設(shè)計(jì)而成。紅外探測(cè)原理框圖如圖4 所示。

圖4 紅外探測(cè)原理框圖

自然界任何高于絕對(duì)溫度(-273 度)時(shí)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(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)10 微米左右的紅外線，被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測(cè)人體發(fā)射的10 微米左右的紅外線而進(jìn)行工作的。熱釋電紅外傳感器，將波長(zhǎng)為8～12 微米之間的紅外信號(hào)作為電信號(hào)，其對(duì)白光信號(hào)具有抑制作用，探測(cè)器區(qū)域內(nèi)無(wú)作業(yè)人員時(shí)，探測(cè)到的為背景溫度，當(dāng)有人員作業(yè)時(shí)，通過(guò)具有聚焦和區(qū)分作用的菲涅爾透鏡，探測(cè)到人體溫度與背景溫度的差異信號(hào)。探測(cè)器接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，經(jīng)后續(xù)電路檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生探測(cè)信號(hào)。熱釋電紅外傳感器，采用雙靈敏元件互補(bǔ)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(shí)，調(diào)整元件電阻，即可完成距離的設(shè)定。

3 感知模塊軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)人員感知模塊功能需求，軟件設(shè)計(jì)主要完成與控制器通訊，探測(cè)模塊的開(kāi)啟與關(guān)閉，探測(cè)信號(hào)的監(jiān)測(cè)與處理，溫度探測(cè)，系統(tǒng)工作電壓、電流監(jiān)測(cè)等功能。同時(shí)，為提高模塊人員感知的準(zhǔn)確度，采用了模糊處理算法和全溫度補(bǔ)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(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)有煤礦工作面的特點(diǎn)和功能需求，設(shè)計(jì)了人員感知模塊，用于工作面人員感知。采取微波主動(dòng)探測(cè)和紅外被動(dòng)感知相結(jié)合的方式，結(jié)合軟件信息處理算法，提高人員感知準(zhǔn)確度。人員感知模塊的運(yùn)用，仿佛為液壓支架電控系統(tǒng)裝上了眼睛，感知?jiǎng)幼鞣秶鷥?nèi)的人員存在，為煤礦安全生產(chǎn)提供可靠保障，同時(shí)為綜采設(shè)備自動(dòng)化、無(wú)人化發(fā)展提供可靠支撐。

［1］何燕玲.雷達(dá)測(cè)速算法研究與軟件實(shí)現(xiàn)［D］.武漢:華中科技大學(xué)，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(xué)，2013.

［3］呂立波.紅外探測(cè)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用［J］.中國(guó)公共安全(市場(chǎng)版)，2007(6):93-96.

［4］王啟富.CAPP 系統(tǒng)中交互智能感知技術(shù)研究［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2007(7):1642-1645.