框架式支架车驾驶员视线盲区人员保护系统设计与应用

李国军

（国家能源集团神东生产服务中心，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

1 概述

1.1 研究背景

神东煤炭集团位于神府东胜煤田，煤田地跨蒙、陕、晋三省区，神东自1985 年开发建设，依托先进的进口设备，整体产能超过2 亿吨，主要矿井采用无轨胶轮化运输，依托进口澳大利亚BOART LANGYER 公司生产的LWC40T 实现了综采工作面液压支架的快速安装回撤，为矿井生产接续提供优质的保障。

LWC40T 为澳大利亚BOART LANGYER 公司生产，设计载重量为40T。其同类产品还有350P、50T、55T 等，LWC40T 采用CAT3126TA 发动机为动力，静液压的驱动方式，前后部份采用铰接式，通过液压油缸实现转向，外形尺寸：9546×2287(3484)×1596，离地间隙：264，自重：22.5T，车速：6Km/ h(一档)、8Km/ h(二档)、12Km/ h(三档)、24Km/ h(一档)。

由于矿井辅助运输巷道宽度受限，井下运行噪音过大，LWC40T 液压支架车装载液压支架时车身尾部宽度超限，造成驾驶员出现视线盲区，倒车时无法确认后方人员是否处于安全位置，因此给矿井辅助运输管理带来巨大的安全隐患。

1.2 主要研究内容及技术路线

随着传感器技术、单片机、煤矿特种设备的飞速发展，以单片机/PLC 为核心的传感器的应用技术已越来越普遍，技术也越来越成熟。针对LWC40T 框架式支架搬运车周围人员的主动保护系统设计要求，研究LWC40T框架式支架搬运车的液压、气动控制、电气系统，根据LWC40T 框架式支架搬运车控制系统，分析LWC40T 框架式支架搬运车液压、气动、电气系统保护系统，使设计的针对车辆附近视线盲区内的人员保护系统能够与原系统充分结合。在对控制系统进行深入细致分析的基础上制定完善严谨且具有良好可行性的控制系统设计方案，根据设计方案将设计后的控制系统进行现场安装和调试，使系统满足设计要求，最终立足于模拟井下现场场景，开展现场工业性实验验证控制效果。

2 系统方案设计

LWC40T 框架式支架搬运车系统由液压系统、气动系统、电气系统组成。

由于矿井辅助运输巷道宽度受限，井下运行噪音过大，LWC40T 液压支架车装载液压支架时车身尾部宽度超限，造成驾驶员无法观测车辆后方全部区域，倒车时无法确认后方人员是否处于安全位置，因此给辅助运输管理带来巨大的安全隐患。

设计的基于LWC40T 框架式支架搬运车人员保护系统主要由人体传感器、控制程序及PCB 电路设计，系统测试等构成。

3 系统硬件设计

保护系统硬件主要包括传感器的选型设计、单片机控制器的选择、PCB 电路设计。

3.1 传感器

热释电红外探测人体传感器工作原理

人体接近传感器基于热释电红外感应技术，不但检测灵敏度度高，探测范围宽，而且工作非常可靠，一般没有误报，能在-15～+60 度的温度范围内稳定工作，是目前用于安全防范和自动监控的最佳产品。

热释电红外探测人体传感器选型：

设计选用DYP-ME003热释电红外人体感模块传感器。该传感器灵敏度高，可靠性强，具有超低电压工作模式。

DYP-ME003 该传感器的工作原理如图1 所示，由热释电敏感材料吸收外界的辐射，随后辐射进行热转换促使温度发生变化，从而释放电流，再由电流进行电转换，其最终转换为信号电压。

图1 热释电传感器工作原理

热释电红外传感器的工作原理是从光变为热的过程，反应到敏感元温度的变化，最后转换为电信号的过程。

3.2 单片机的选型及控制电路设计

框架式支架车驾驶员视线盲区人员保护系统设计单片机选型为PIC16F505。该型号单片机器件具有性能高成本低的优点。主要体现在该型号的单片机采用了独特的架构，其架构称之为RISC 架构。RISO 架构在数据压缩方面有着强大之处，与传统的单片机相比，该型号的单片机是传统单片机压缩速度的4 倍。由于PIC16F505器件具有的以上特点和突出优势，因此将该部件适用于驾驶员视线盲区人员保护系统的核心器件。

当人发生意外或者处于危险位置时，红外传感器感应到工作人员的存在，传感器发出接收到感应的信号，信号由控制模块接收并由程序处理，发出动作指令，使电路板内固态继电器进行动作，固态继电器通过线路连接机械继电器，机械继电器的三个常开触点分别连接煤矿定位报警模块，车辆电磁阀动作模块、声光高报警器模块，从而实现车辆主动停车，定位报警系统主动报警，车辆主动发出声光报警信号，对附近人员进行警告，促使其离开危险区域。电磁阀动作使机油回油压力降低，导致保护系统机油压力降低，触发发动机系统保护，从而导致发动机保护性熄火，从而避免车辆进一步运动导致对车辆附近人员的进一步伤害。

J1 为电源输入端，U1 为降压模块，C1、C2、C3、C4 为电容，R1、R2 是降流电阻,D1、D2 是LED 信号显示灯，U3是红外传感器，J2 为继电器控制触点，J3 为声光报警器触点，D3、D4 为续流二极管。

4 控制过程

U3 红外传感器感应人员，OUT 端发出感应信号，感应信号进入单片机U4，程序对信号进行处理，由GPIO1、GPIO2 发出控制信号，从而对J2 继电器进行控制，J3 控制报警器发出报警求助信号。（J2 继电器实现对闭锁开关和定位报警模块的控制，原闭锁按钮功能更改闭锁装置的复位开关）。

机械继电器采用欧姆龙MY4N-J 12V 继电器，四组常开常闭转换带电源指灯，安装方式采取螺栓固定或者导轨方式，在图2 中4 组常开触点，选择三组触点分别连接电磁阀、井下定位呼救模块，声光报警模块，以便以上三个系统能够同时对附近的危险区域内的人员作出反应。

图2 电路设计图

LWC40T 框式支架搬运车针对水、气、液压油等设计了多种保护方式，当框架式支架搬运车局部温度过高时，温度传感器控制阀开启，导致机油泵所供给的机油发生回油现象，机油压力降低，无法满足车辆运行保护系统要求，机油低油位先导阀开启，导致控制柴油关断缸的气压管路降低，柴油关断缸自动关闭，从而切断发动机柴油供给，发动机自动熄火，从而起到保护发动机及车辆的作用。

为使LWC40T 气压系统与原车其他保护系统相融合，在其原系统基础上增加新的电磁阀。安装电磁阀后的支架搬运车气压原理图如图3 所示。

图3 LWC40T 框架式支架搬运车控制系统改进图

信号探测模块采用DYP-ME003 人体感应模块红外传感器，在人出现在感应范围内时，信号探测模块能够将获取到的感应信号迅速精准地调制为数字信号，再将其传输至单片机处理模块，分析数据并发出处理动作信号，接收模块接收单片机发出信号，电磁阀动作使机油回油压力降低，导致保护系统机油压力降低，触发发动机系统保护，从而导致发动机保护性熄火，从而避免车辆进一步运动导致对车辆附近人员的进一步伤害。

5 工程测验及应用

本文设计了基于澳大利亚LWC40T 框架式支架搬运车的人员保护系统，用于对特种车辆附近的人员提供主动性保护。

5.1 系统安装及测试

结合LWC40T 车辆状况、体积和形状对各模块的安装位置进行合理布局。考虑传感器对盲区的监测范围有限，对传感器等配件进行合理布局和安装调试，最终目的是把此系统与车辆原有保护系统各个部分进行科学合理地组合，由此保证人员保护系统性能可靠、功能完善，满足实际应用需求。

系统各部分附件安装符合要求后将关闭测试环境内的部分照明系统，使测试环境处于弱光状态，尽力保持与井下条件相似的弱光环境，并使测试环境无电焊作业等高温高光作业，使其形成良好的测试环境。

系统整体测试及具体步骤如下：（1）按下传感器箱体的银色复位按钮，对控制模块进行复位。（2）按操作标准启动车辆，保持车辆处于停止状态，打开手动机油压力保护测试阀。（3）人员从车辆后方进入传感器感应范围内的危险区域，分别在距离传感器0-3 米、3-7 米、7 米以外的检测范围进行多次测试，被测人员进入在0-3 米内传感器感应范围内危险位置时，此保护系统能够主动发挥作用，车辆主动熄火停车，声光报警器发出报警，人员定位模块报警状态指示灯开始紧急闪烁。（4）在此期间驾驶员注意到声光报警器的报警信号后，无法继续启动操作车辆，在驾驶员下车检查车辆周边情况后，确认安全后按下感应模块箱体的银色闭锁按钮复位从，方可从新启动车辆。

5.2 结果及结论

以上结果表明，此系统在人员进入LWC40T 的人体接近传感器0 至3 米的感应范围内的危险区域时，系统能够使LWC40T 主动熄火停车并伴随声光报警器发出声光报警信号，同时煤矿定位报警模块进入报警状态，说明此系统能够有效地对接近传感器0 至3 米的感应范围内处于危险区域的人员起到保护和警示作用，通过此系统提高LWC40T 框架式支架运输过程中的安全性，从而进一步保障煤矿安全生产。随着科学技术的进步，传感器技术的进一步提高，系统的可靠性会进一步提升，从而使煤矿特种运输车辆的安全性进一步加强，以期为国家能源建设创造可观的安全效益和社会效益。