微波及红外探测在人员感知模块中的应用

冯 湘，刘 博，康栋梁

(1.郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 450052;2.郑州煤机液压电控有限公司，河南 郑州 450000)

0 引言

煤炭是我国的主要能源，随着科技的发展，综采设备自动化程度逐年提高。随着电控系统的应用，综采工作面正朝着智能化、无人化方向发展，在安全生产前提下，准确、及时感知工作人员活动成为必备条件。目前，工作面人员感知主要以视频监控形式完成，但工作面粉尘大，视野差，效果不是特别理想。同时，因成本较高，体积较大，尚未实现每架液压支架安装一台。因此，在工作面人员感知中，需要一种简单可靠，仅对工作人员有感知效果的模块，应用到综采自动化设备中，提高综采作业中的安全系数。

1 人员感知模块设计背景

人员感知模块主要用于电液控系统中。支架执行动作前，启动感知模块，发出探测信息，感知是否有人员存在，并将信息反馈。支架控制器处理相关信息后，完成相应动作，减少因人员视线等原因引起的安全隐患。

整个工作面的电控控制系统方案如图1 所示。

图1 工作面电控控制系统方案

2 感知模块硬件设计

人员感知模块原理框图如图2 所示。

图2 人员感知模块原理框图

人员感知模块硬件采用模块化设计，各部分功能独立，便于设计和调试。电源模块，完成支架控制器12V 电源引入，经电流采样芯片及开关式电源芯片降压后，提供3.3V 和5V 电源，为增强稳定性，提高抗干扰能力，增加了瞬变保护，隔离了数字地和模拟地;485 通讯模块，采用485 总线式通讯，结构简单，传输距离远，增加浪涌保护芯片和光隔离耦合器，提高抗干扰能力;复位电路，外部独立看门狗，提高程序运行稳定性;温度采集模块用于实时监测环境温度，为温度补偿提供数据支撑;AD 采样，实时采集系统工作电压、电流，为支架控制器控制负载容量提供参考;声光报警，用于警示液压支架即将或正在执行动作，为人员提供安全保障。

2.1 微波主动探测应用

硬件系统设计中，创新性使用了微波主动探测和红外被动探测模式。微波探测为主动探测模式，根据多普勒雷达效应，利用反射波频率的变化，感知人员的移动与存在。多普勒理论是以时间为基础的，当微波行进中触碰物体时微波会被反射，反射波的频率会随触碰物体移动等情况而发生变化。如果物体朝着发射的方向移动，则反射回来的微波会被压缩，反射波的频率会增加;反之反射波的频率会减小。多普勒频移效应如图3 所示。

图3 多普勒频移效应

根据多普勒原理设计的微波探测器由FET 介质DRO 微波震荡源、功率分配器、发射天线、接收天线、混频器、检波器等电路组成。发射天线向外定向发射微波，遇到物体时被反射，反射波被接收天线接收，然后到混合器与振荡波混合，混合、检波后的低频信号反应了物体移动的速度，微波探测器信号输出幅度与物体的大小、距离有关，输出幅度与距离的平方成近似反比关系。

2.2 红外探测应用

红外被动探测模块，根据被动式热释电红外探头的工作原理及人体红外特性设计而成。红外探测原理框图如图4 所示。

图4 红外探测原理框图

自然界任何高于绝对温度(-273 度)时物体都将产生红外光谱，人体的恒定体温一般为37 度，所以会发出特定波长10 微米左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10 微米左右的红外线而进行工作的。热释电红外传感器，将波长为8～12 微米之间的红外信号作为电信号，其对白光信号具有抑制作用，探测器区域内无作业人员时，探测到的为背景温度，当有人员作业时，通过具有聚焦和区分作用的菲涅尔透镜，探测到人体温度与背景温度的差异信号。探测器接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，经后续电路检测处理后就能产生探测信号。热释电红外传感器，采用双灵敏元件互补法抑制温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性。同时，调整元件电阻，即可完成距离的设定。

3 感知模块软件架构设计

根据人员感知模块功能需求，软件设计主要完成与控制器通讯，探测模块的开启与关闭，探测信号的监测与处理，温度探测，系统工作电压、电流监测等功能。同时，为提高模块人员感知的准确度，采用了模糊处理算法和全温度补偿算法，提高抗干扰能力。软件主流程框图如图5 所示。

图5 软件主流程框图

4 结束语

本文针对现有煤矿工作面的特点和功能需求，设计了人员感知模块，用于工作面人员感知。采取微波主动探测和红外被动感知相结合的方式，结合软件信息处理算法，提高人员感知准确度。人员感知模块的运用，仿佛为液压支架电控系统装上了眼睛，感知动作范围内的人员存在，为煤矿安全生产提供可靠保障，同时为综采设备自动化、无人化发展提供可靠支撑。

［1］何燕玲.雷达测速算法研究与软件实现［D］.武汉:华中科技大学，2012.

［2］刘博.薄煤层液压支架电液控制系统研制［D］.郑州:郑州大学，2013.

［3］吕立波.红外探测技术的发展及应用［J］.中国公共安全(市场版)，2007(6):93-96.

［4］王启富.CAPP 系统中交互智能感知技术研究［J］.计算机工程与设计，2007(7):1642-1645.