矿用无轨胶轮车视频辅助驾驶系统研究

杜春晖

(1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.山西天地煤机装备有限公司，山西 太原 030006)

矿用无轨胶轮车是指以防爆柴油机和蓄电池为动力，以阻燃胶轮为行走机构的无轨辅助运输设备，主要用于煤矿井下人员、设备、物料等的运输[1]。随着煤矿辅助运输系统的不断发展，为更好地提高现代化大型煤矿安全生产效率，井下无轨胶轮车作为辅助运输工具，将在煤矿生产过程中发挥越来越重要的作用[2]。无轨胶轮车具有运输效率高、灵活机动性强等优点，但是也存在视觉盲区大的缺点，为弥补该缺点，各厂商也纷纷推出基于红外、超声波、毫米波和激光等倒车雷达产品，但是都存在一定的弊端，而且均不可视。基于红外测距的倒车雷达受煤壁对红外光吸收的影响，测距效果并不理想，经常发生误报[3]。基于超声波雷达的倒车报警装置，由于压电陶瓷需要高压供电才能产生超声波，不利于本安设计[4]。毫米波雷达重量轻、体积小、空间分辨率高、测距范围大、精度高、能够穿透雾、烟、灰尘而不受恶劣天气环境的影响，但是毫米波雷达抗电磁干扰能力较差，在井下容易受其他通信设备的电磁波干扰，另外，价格昂贵[5]。激光具有直线性好、能量密度高、传播距离远等特点，激光传感器测距精度高、响应速度快、工作稳定，但是，激光能量集中会对人眼造成伤害，而且在井下高粉尘、高湿度环境中，激光传感器性能受很大影响[6]。随着图像传感器技术的发展，市面上出现了星光级、黑光级的摄像头，专门用于黑暗环境下的图像采集，非常适用于井下无轨胶轮车视频辅助驾驶，另外，增加车载通信机还可实现实时对讲。

1 矿用视频对讲系统的结构设计

本质安全型设备由于体积小、重量轻、价格便宜等特点，非常适合应用于煤矿井下弱电系统中，尤其是在井下移动设备上，不仅可以减轻整机设备重量，而且安装方便，不需要占用太大的空间，但是，本质安全型设备与其他设备相互连接时，需要进行关联认证，给设备改造或升级带来很大不便。隔爆型设备体积大、重量大、价格昂贵，但是，隔爆型设备可以与其他隔爆或浇封型设备相互连接，不需要进行关联认证，在设备改造或升级时，相比本质安全型设备在电气连接上更加方便。本文综合考虑隔爆型设备和本质安全型设备的优缺点，系统设计采用隔爆兼本安型。

矿用视频对讲系统(如图1所示)主要由1台视频控制箱、3个摄像头、1台显示器和2台车载通信机组成。视频控制箱为隔爆兼本安型，主要功能为视频存储、车厢画面与倒车画面自动切换，同时为摄像头和显示器提供本安电源。摄像头为矿用本安型，采用红外补光增加视频清晰度，3个摄像头分别安装于驾驶室、车厢和车尾，行车摄像头画面只存储不显示，用于记录车辆行驶轨迹，车厢摄像头用于司机观察车厢人员情况以及上下车情况，倒车摄像头用于辅助司机看清车尾障碍物，避免碰撞事故发生。显示器为矿用本安型，采用液晶显示屏进行视频显示，车辆正常行驶时显示车厢画面，车辆倒车时，自动切换为倒车画面。车载通信机为隔爆兼本安型，分别安装于驾驶室与车厢内，用于司机与乘车人员语音对讲。所有本安设备均采用航空插头进行连接，便于安装维护。

图1 视频对讲系统结构图

2 矿用视频对讲系统的电路设计

2.1 隔爆兼本安型视频控制箱的设计

视频控制箱主要由DC/DC电源模块、本安电源模块、硬盘录像机、视频隔离器和固态继电器等组成，如图2所示。视频控制箱采用DC24V电源供电，通过DC/DC模块将24V电压降压为12V，为硬盘录像机进行供电。本安电源模块输出为5V，为摄像头和显示器进行供电。硬盘录像机采用非本安电路设计，无法与本安型摄像头直接连接使用，必须使用视频隔离器进行本安与非安信号隔离才能满足防爆要求，视频隔离器的输入输出端至少要满足1500VAC的隔离耐压要求。考虑到移动设备的振动性，选用固态硬盘进行视频存储。图2中X+和X-分别连接倒车灯的电源正负极，当车辆倒车时，固态继电器由常闭触点切换至常开触点，显示屏画面由车厢画面切换为倒车画面，固态继电器不仅可以实现视频切换的功能，而且还能满足非安控制信号与本安视频信号之间的隔离耐压要求。

图2 视频控制箱电气原理图

2.2 本安型红外补光摄像头的设计

红外补光摄像头采用本安电路设计，由摄像头模组和红外补光灯两部分组成。摄像头模组电气原理如图3所示，5V本安电源经过防倒流保护电路和双重限压保护电路后给图像处理电路供电。图像处理电路中电源管理单元将5V电压降为3.3V和1.2V为其他单元供电，图像传感器选用索尼IMX385，该传感器为CMOS有源像素型固态图像传感器，具备高灵敏度、低暗电流、无污迹等特点[7]，物理照度：彩色为0.005Lux@F1.0，黑白为0.002Lux@F1.0，配合使用F1.0大通光量镜头，即使在低光照条件下，成像效果也是相当的出众，非常适合于井下黑暗环境中使用。图像处理的主控芯片选用海思3516EV300，基于Cortex-A7内核，主频最高可达900MHz，数据缓存和指令缓存为32kB，辅助缓存128kB，支持8/10/12bit RGB Bayer DC时序视频输入，支持BT.1120输入，处理器内部集成了ISP，可以完成Bayer图到YUV的格式转换，同时可以对输入图像进行去噪、坏点校正、强光抑制、镜头畸变校正、数字防抖等操作，视频编码器支持H.264、H.265、JPEG、MGPEG等多种格式。Hi3516EV300内置1Gbit DDR3 SDRAM用于运行嵌入式Linux，同时外接一块256Mbit的SPI NOR Flash用于存放引导Linux启动的u-boot、Linux内核镜像、文件系统。图像处理后的视频信号较弱，经过输出信号放大电路后对外输出CVBS信号[8，9]。

图3 摄像头电气原理图

煤矿井下光照强度不足，对摄像头所采集到的图像质量造成了很大影响，需要考虑额外补光来改善图像质量，但是白光补光较为刺眼，所以选择红外补光[10，11]，红外补光灯电气原理如图4所示，采用5V本安电源供电，光敏电阻CDS在强光条件下，阻值仅有几百至数千欧姆，在黑暗环境下，阻值可达几兆欧姆，所以，在正常光照环境下，光敏电阻阻值较小，与R1电阻进行分压时，几乎所有电压全部加在R1两端，这就导致三极管Q1基极电位太高，无法导通，当光照强度降低时，光敏电阻的阻值增大，三极管Q1基极电位减小，当发射极正偏时，三极管导通，红外发光管点亮。该红外补光灯在地面时处于关闭状态，在井下黑暗环境中自动开启，为摄像头提供光照。

图4 红外补光灯电气原理图

2.3 本安型液晶显示器的设计

图5 液晶显示器电气原理图

液晶显示器采用本安电路设计，电气原理如图5所示，由视频控制箱提供DC5V本安电源供电，5V本安电源经过防倒流保护电路和双重限压保护电路后给图像处理电路供电。图像处理电路中电源管理单元将5V电压降为3.3V、2.5V和1.2V为其他单元供电，液晶显示屏驱动单元选用模拟液晶电视驱动芯片TSUMV29LU作为主控芯片，该芯片集成度高、功能强大、性价比高，支持PAL、NTSC、SECAM 制式解调，兼容RF、CVBS、YPBPR、VGA、HDMI1.4信号输入，标置2×8W的D类功放，可输出标清、高清的LVDS 信号。背光驱动采用恒流电路，由主控芯片TSUMV29LU控制背光驱动电路的通断，从而控制背光灯的开启，为满足本安电路设计要求，背光驱动电路需要增加限压限流保护。液晶显示屏选用奇美EJ070NA-01J 7寸TFT屏，分辨率为1024×600，背光灯功耗为1.6W，面板功耗为0.45W。

2.4 隔爆兼本安型车载通信机的设计

车载通信机电路分为音频采集与前置放大电路和音频功率放大电路。音频采集与前置放大电路如图6所示，手麦采用本安电路设计，非安12V电源经过隔离变压器N5进行隔离，而后再经过自恢复保险F1的限流保护和稳压二极管VD2、VD3的限压保护，为手麦进行供电，当按下手麦上的对讲按钮时，ib-I和ib-O短接，固态继电器N4导通，由麦克输入至MIC+和MIC-两端的信号经过T2隔离变压器后输入至前置放大电路，经过前置放大电路对信号进行放大处理后从AFO端输出。前置放大电路使用MC4558低噪声双运算放大器，内含相位补偿回路，速度高，频带宽[12]。

图6 音频采集与前置放大电路

音频功率放大电路如图7所示，选用NXP公司生产的TDA8932BT高效率D类音频功率放大器，该芯片功耗低，发热小，无需增加散热装置[13，14]。麦克所采集的音频信号经过前置放大电路后从AFO端输出，并从音频功率放大电路的AFI端输入，经过功率放大后再通过T1隔离变压器输出至5Ω8W的防水喇叭，并且在喇叭信号输入端串并联4个二极管1N4737A，实现双重双向稳压保护。

图7 音频功率放大电路

驾驶室内车载通信机的音频采集与前置放大电路的信号输出端与车厢车载通信机的音频功率放大电路的信号输入端连接，当驾驶室司机讲话时，车厢内车载通信机发出声音，同理，当车厢人员讲话时，驾驶室内车载通信机发出声音。车载通信机分为全双工和半双工两种工作模式，当音频采集与前置放大电路中的XS3端子短接时，车载通信机为全双工模式，当XS3端子断开时，车载通信机为半双工模式。

3 样机测试

为验证该系统的可靠性，将该系统安装于30座运人车上进行为期6个月的工业性试验。行车摄像头安装于驾驶室前部顶棚上，防止人员上下车磕碰；车厢摄像头安装于车厢前部顶棚上，避免人员或其他物体遮挡；倒车摄像头安装于车厢尾部中间靠上方位置，避免摄像头位置太低造成污损，同时，也尽量减小两侧的盲区；驾驶室车载通信机安装于司机座位右侧，使喇叭朝向副驾驶座一侧，便于司机拿放手麦，同时也避免麦克与喇叭正对，电路产生自激振荡发出啸叫；车厢车载通信机安装于车厢内侧面，便于乘车人员使用。经过测试，红外补光摄像头在地面光照较强的环境下，视频图像为彩色，当进入井下黑暗环境后，红外补光灯自动开启，摄像头画面变为黑白画面。尤其在车厢无光照环境下，完全依靠红外补光才能清晰成像，行车画面、车厢画面和倒车画面如图8(a)、(b)、(c)所示。从图中可以看出，视频画面比较清晰，完全可以辅助司机看清车尾和车厢内的情况。当车辆正常行驶时，显示屏上显示车厢摄像头画面，当车辆倒车时，自动切换为倒车画面。三路摄像头视频数据实时存储，固态硬盘存满后会循环覆盖。对于车载通信机的测试，司机与车厢人员正常音量对讲时，喇叭声音清晰洪亮，无杂音、无啸叫。使用声级计进行检测，在喇叭正前方1m处，声音可达到85dB以上。

图89 摄像头视频画面

4 结 论

1)相比于倒车雷达，该视频辅助系统可以更加直观地看清车辆后方的障碍物情况，避免碰撞事故发生。

2)通过车厢摄像头，司机可以观察车厢内人员活动情况以及人员上下车情况，保证人员上下车的安全。

3)倒车画面自动切换，简化了司机的操作，更加自动化、人性化。

4)视频数据实时存储，而且存储时间长达1个月，事故发生后可以作为事故责任认定的依据。

5)车载通信机实现了司机与车厢人员的实时对讲，结束了双方靠敲玻璃、晃灯的交流方式。