一種礦用防爆型的防撞雷達系統的製作方法

2023-12-11 02:58:27

專利名稱：一種礦用防爆型的防撞雷達系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種礦用防爆型的防撞雷達系統，屬於礦區自動化及安全生產設備的 製造領域。
背景技術：
礦區一直是生產安全事故的高發地帶，礦用車在生產作業，特別是擦撞時極易釀成安 全事故，原因是礦井巷道中環境複雜，爆炸性氣體濃度高，障礙物多且雜。因此提高礦區 生產自動化和安全生產水平是當今礦區生產中急需解決的問題。中國專利200720141057.9 公開了一種汽車倒車雷達系統。這種汽車倒車雷達系統能顯示障礙物信息或提供語音報 警，又能實現自動剎車，只適合於普通的駕駛環境，但沒有電氣防爆措施，精度和實時性 也不能滿足礦用車的駕駛環境，不適合礦用車的使用場合，存在以下不足
1. 礦區的爆炸性氣體成分複雜，瓦斯氣體濃度高，倒車雷達沒有釆取防爆措施進行設 計，傳感器和控制電路在工作過程中產生的電氣誘因極易引爆空氣中的爆炸性氣體，釀成 嚴重的安全事故。
2. 礦區障礙物的特點是多、雜，普通的倒車雷達滿足不了防撞時所要求的實時性和準 確性。原因是傳感器發出超聲波後，雖然會適時收到發射形成的反射回波，但是反射回波 會由於障礙物自身的反射性質以及周圍環境等因素的影響而造成不同程度的頻率偏移而 發出無效或者錯誤的幹擾數據。'
3. 多個傳感器同時工作，特別是距離較近時，傳感器間存在幹擾。傳感器測試的原始 數據中夾雜著一些無效的或者錯誤的幹擾數據，不易剔除幹擾數據。
4. 倒車雷達系統使用電腦進行控制，體積較大，移植性差，成本比較高。
發明內容
本實用新型的目的是針對現有技術的不足而提供一種礦用防爆型的防撞雷達系統，其
特點是在提高防撞雷達精度和報警實時性同時，有效的防止了因電氣原因引起可燃性氣 體爆炸和車尾擦撞到障礙物等意外事故，滿足了礦用車在生產環境惡劣的條件下，為駕駛員正確判斷障礙物的方位和距離提供了保障。 本實用新型的目的由以下技術措施實現。 礦用防爆型的防撞雷達系統
礦用防爆型的防撞雷達系統含有超聲波傳感器、控制電路和報警裝置，控制電路由 MCU模塊、RS485模塊、CAN總線模塊組成，超聲波傳感器和報警裝置均與以RS485模 塊、MCU模塊，CAN總線模塊組成的控制電路連接，超聲波傳感器與保險槓垂直方向的 夾角a為3~5度安裝在工程車尾部保險槓上，超聲波傳感器測量的距離信息通過RS485總 線傳送給雷達控制器，雷達控制器對傳感器數據進行分析處理，綜合處理生成的障礙物距 離和方位信息，再通過CAN總線接口傳送到工程車的報警裝置。
MCU模塊由單片機PIC18F258、復位控制器STM809、晶振組成，單片機PIC18F258 的l、 9腳分別與復位控制器STM809的復位端、晶振3腳連接。
RS485模塊由SN65LBC184電平轉換晶片U9、 6N137光耦合器和整流器連接組成， U9的R腳經R13與6N137光耦合器U8的3腳連接，U8的6腳與MCU模塊中的PIC18F258 單片機18腳連接，U9的2、 3腳通過R11、 C7與6N137光耦合器U6連接，U6的3腳與 MCU模塊中的PIC18F258單片機16腳連接，U9的4腳通過R12、 C8與6N137光耦合器 U7連接，U7的3腳與MCU模塊中的PIC18F258單片機17腳連接。
CAN總線模塊由CAN收發器PCA82C250、6N137光耦合器組成，PCA82C250的TXD 腳與6N137光耦合器U2連接，U2的3腳與PIC18F258單片機23腳連接，PCA82C250 的RXD腳經R5與6N137光耦合器U3的3腳連接，U3的6腳與PIC18F258單片機24腳 連接.
控制器對於傳感器數據進行了分析處理，通過數據融合算法處理生成了障礙物的距離 和方位信息。
警示裝置控制器提供的距離及方位信息，通過警示裝置的顯示器或者語音提示系統發 出警示信息。
超聲波傳感器為防爆型的。
防撞雷達系統各部分均由本質安全電源供電，該本質安全電源由電子科技大學測控研 殼所提供。
警示裝置由主控制器提供距離及方位信息，通過警示裝置的顯示器或者語音提示系統 發出警示信息。
防撞雷達系統各部分均由本質安全電源進行供電，本質安全電源由電子科技大學測控研究所提供。
防撞雷達系統進行了多次的靜態和動態性能檢測試驗，詳見圖7、 8所示，結果表明防撞雷達系統提供的距離和方位數據具有較高的精確性和實時性，滿足了在礦區複雜環境下安全生產的要求。本實用新型具有以下有優點
1. 各個模塊均是按照國家標準GB 3836.4 ^2000《爆炸性氣體環境用電氣設備》要求進行防爆設計，滿足了礦區的防爆要求。
2. 傳感器傳回的數據通過數據融合算法進行了綜合處理，提高了距離和方位數據的精確性和實時性，滿足在礦區複雜的環境下進行安全生產作業的要求。
3. 本實用新型各模塊結構緊湊，佔用體積小，安裝方便，移植性好。


圖l為本實用新型的結構框圖。
l.超聲波傳感器，2.控制電路，3.MCU模塊，4.RS485模塊，5.CAN總線模塊，6.報警裝置。
圖2為本實用新型的傳感器的安裝示意圖。7.工程車保險槓。
圖3為本實用新型的MCU模塊電路原理圖。圖4為本實用新型的RS485模塊電路原理圖。圖5為本實用新型的CAN模塊電路原理圖。圖6為本實用新型的檢測範圍示意圖。圖7為本實用新型的檢測靜態數據時的效果圖。圖8是本實用新型的檢測動態數據時的效果圖。
在圖7和圖8中紅色為傳感器傳出的原始數據，藍色為算法處理過的數據。
具體實施方式

下面通過實施例對本實用新型進行具體描述，有必要在此指出的是本實施例只用於對本實用新型進行進一步說明，不能理解為對本實用新型保護範圍的限制，該領域的技術熟練人員可以根據上述本實用新型的內容做出一些非本質的改進和調整。
實施例
如圖1所示，本實用新型的防撞雷達系統含有超聲波傳感器1、控制電路2和報警裝置6，控制電路由MCU模塊3、 RS485模塊4、 CAN總線模塊5組成，超聲波傳感器和報警裝置均與以RS485模塊、MCU模塊，CAN總線模塊組成的控制電路連接，超聲波傳感器測量的距離信息通過RS485總線傳送給雷達控制器，雷達控制器對傳感器數據進行分析處理，綜合處理生成的障礙物距離和方位信息，通過CAN總線接口傳送到工程車的主控制器，主控制器根據距離和方位信息生成警示信息，由報警裝置提供給駕駛員。
防撞雷達控制器及工作電源為焊接好器件的電路板，安裝在隔爆箱內，5條外接線由防爆箱內引出。
如圖2所示，超聲波傳感器1與保險槓7垂直方向的夾角a為3~5度，三個傳感器以等間距安裝在工程車尾部保險槓上。
如圖3所示，MCU模塊由單片機PIC18F258、復位控制器STM809、晶振組成，單片機PIC18F258的1、 9腳分別與復位控制器STM809的復位端、晶振3腳連接。MCU模塊控制晶片釆用的是PIC18F258單片機。PIC18F258是美國微芯公司生產的一種集成了 CAN總線模塊，採用RISC指令系統、哈佛總線結構、低功耗、高速率的單片機。
如圖4所示，RS485模塊由SN65LBC184電平轉換晶片U9、 6N137光耦合器和整流器連接組成，U9的R腳通過R13與6N137光耦合器U8的3腳連接，U8的6腳與MCU模塊中的PIC18F258單片機18腳連接，U9的2、 3腳通過R11、 C7與6N137光耦合器U6連接，U6的3腳與MCU模塊中的PIC18F258單片機16腳連接，U9的4腳通過R12、 C8與6N137光耦合器U6連接，U6的3腳與MCU模塊中的PIC18F258單片機17腳連接。RS-485—般由5V電源供電,信號輸出電壓都在5V之內，正常工作輸出電流很小，短路電流最大100毫安，完全滿足國家標準GB3836.4 —2000《爆炸性氣體環境用電氣設備第4部分本質安全型"i"》對於本質安全電路的要求。同時RS-485總線作為一個基於單對平衡線的多點、雙向、半雙工通信鏈路,採用平衡發送和差分接收，具有相當高的噪聲抑制能力(-7 +12V總線共模範圍)，完全滿足本實用新型的設計要求。
如圖5所示，CAN總線模塊由CAN收發器PCA82C250、 6N137光耦合器組成，PCA82C250的TXD腳與6N137光耦合器U2連接，U2的3腳與PIC18F258單片機23腳連接，PCA82C250的RXD腳通過R5與6N137光耦合器U3的3腳連接，U3的6腳與PIC18F258單片機24腳連接。PIC18F258的CAN控制器模塊和高速CAN收發器PCA82C250共同用於與其它晶片和控制器進行通信，這種接口協議能在較大的噪聲環境中進行通信，具有良好的抗幹擾能力。同時CAN總線是一種採用多主工作方式、適合於分布式的控制系統，且具有很高的實時性和可靠性，因此適用於在礦區環境中使用,能滿足本實用新型的設計要求。
防撞雷達系統RS485模塊和CAN總線模塊中均釆用6N137光耦合器。該光耦合器使信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現了電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗幹擾能力強，工作穩定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高，能滿足本實用新型的設計要求。
防撞雷達系統針對礦區障礙物情況複雜，障礙物反射面情況多變，易使超聲波傳感器產生錯誤和無效數據的特點，對控制器接收到的數據進行了數據融合算法處理，剔除了無效數據和錯誤數據，滿足了本實用新型對實時性和準確性的要求。具體過程介紹如下首先處理盲區數據(50cm以內，700cm以外)，然後對數據進行過濾處理，剔除錯誤或無效數據，找出有用數據，根據數據變化的情況判定障礙物的相對運動情況，不斷調整模糊處理參數，代入預先設定的加權算法公式中，計算出障礙物準確的距離信息。同時單片機根據左、中、右三個傳感器各自測得距離值之間的差值，得到障礙物的方位信息，從而得到障礙物距離和方位信息，達到了本實用新型對於實時性和準確性的要求。
如圖6所示，為了確定本雷達系統的檢測範圍，在實驗中以長度為150cm,截面積為
15x20cm2的木條為障礙物，木棍垂直放置。以保險槓為X軸，保險槓垂直方向為Y軸建立直角坐標系，木棍相對於中間傳感器探頭圓心位置為數值點.木棍在X軸-60 60cm， Y軸0 700cm的範圍內移動，將防撞雷達檢測到的數值點輸入matlab中，生成有效檢測點坐標圖，即得到本實用新型的檢測範圍。
如圖7所示，為了確定本系統檢測靜態數據的效果，以面積為80x60c^2的薄金屬板為障礙物，靜止放置在離傳感器探頭200cm的位置，將防撞雷達檢測的數值點輸入matlab中，生成檢測點的坐標(X軸為時間，Y軸為距離值)，紅色為傳感器傳出的原始數據，藍色為算法處理過的數據。本實用新型的檢測靜態數據時的效果圖。
如圖8所示，為了確定本系統檢測動態數據的效果，以面積為80x60C/"2的薄金屬板為障礙物，在保險槓的垂直方向上來回移動金屬板，將防撞雷達檢測的數值點輸入matlab中，生成檢測點的坐標(X軸為時間，Y軸為距離值)，紅色為傳感器傳出的原始數據，藍色為算法處理過的數據。
權利要求1. 一種礦用防爆型的防撞雷達系統，其特徵在於該防撞雷達系統含有超聲波傳感器(1)、控制電路(2)和報警裝置(6)，控制電路由MCU模塊(3)、RS485模塊(4)、CAN總線模塊(5)組成，超聲波傳感器和報警裝置均與以RS485模塊、MCU模塊，CAN總線模塊組成的控制電路連接，超聲波傳感器與保險槓垂直方向的夾角α為3～5度安裝在工程車尾部保險槓上，超聲波傳感器測量的距離信息通過RS485總線傳送給雷達控制器，雷達控制器對傳感器數據進行分析處理，綜合處理生成的障礙物距離和方位信息，再通過CAN總線接口傳送到工程車的報警裝置。
2. 根據權利要求1所述礦用防爆型的防撞雷達系統，其特徵在於MCU模塊由單片 機PIC18F258、復位控制器STM809、晶振組成，單片機PIC18F258的1、 9腳分別與復位 控制器STM809的復位端、晶振3腳連接。
3. 根據權利要求1所述礦用防爆型的防撞雷達系統，其特徵在於RS485模塊由 SN65LBC184電平轉換晶片U9、 6N137光耦合器和整流器連接組成，U9的R腳通過R13 與6N137光耦合器U8的3腳連接，U8的6腳與MCU模塊中的PIC18F258單片機18腳 連接，U9的2、 3腳通過R11、 C7與6N137光耦合器U6連接，U6的3腳與MCU模塊 中的PIC18F258單片機16腳連接，U9的4腳通過R12、 C8與6N137光耦合器U6連接， U6的3腳與MCU模塊中的PIC18F258單片機17腳連接。
4. 根據權利要求1所述礦用防爆型的防撞雷達系統，其特徵在於CAN總線模塊由 CAN收發器PCA82C250、 6N137光耦合器組成，PCA82C250的TXD腳與6N137光耦合 器U2連接，U2的3腳與PIC18F258單片機23腳連接，PCA82C250的RXD腳通過R5 與6N137光耦合器U3的3腳連接，U3的6腳與PIC18F258單片機24腳連接.
5. 根據權利要求1所述礦用防爆型的防撞雷達系統，其特徵在於控制器對於傳感器 數據進行了分析處理，通過數據融合算法處理生成了障礙物的距離和方位信息。
6. 根據權利要求1所述礦用防爆型的防撞雷達系統，其特徵在於警示裝置控制器提 供的距離及方位信息，通過警示裝置的顯示器或者語音提示系統發出警示信息。
7. 根據權利要求1所述礦用防爆型的防撞雷達系統，其特徵在於超聲波傳感器為防 爆型的。 '
8. 根據權利要求1所述礦用防爆型的防撞雷達系統，其特徵在於防撞雷達系統各部分均由本質安全電源進行供電。
專利摘要本實用新型公開了一種礦用防爆型的防撞雷達系統，其特點是該防撞雷達系統含有超聲波傳感器(1)、控制電路(2)和報警裝置(6)，控制電路由MCU模塊(3)、RS485模塊(4)、CAN總線模塊(5)組成，超聲波傳感器和報警裝置均與以RS485模塊、MCU模塊，CAN總線模塊組成的控制電路連接，超聲波傳感器與保險槓垂直方向的夾角α為3～5度安裝在工程車尾部保險槓上，超聲波傳感器測量的距離信息通過RS485總線傳送給雷達控制器，雷達控制器對傳感器數據進行分析處理，綜合處理生成的障礙物距離和方位信息，再通過CAN總線接口傳送到工程車的報警裝置。
文檔編號G01S15/93GK201307163SQ20082022295
公開日2009年9月9日 申請日期2008年11月27日 優先權日2008年11月27日
發明者健 張, 張天宇, 張錦峰, 李小兵, 胡天友 申請人:四川芯科力創電子科技有限責任公司