專利名稱：一種礦用防爆型的防撞雷達(dá)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種礦用防爆型的防撞雷達(dá)系統(tǒng)，屬于礦區(qū)自動(dòng)化及安全生產(chǎn)設(shè)備的制造 領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
礦區(qū)一直是生產(chǎn)安全事故的高發(fā)地帶，礦用車在生產(chǎn)作業(yè)，特別是擦撞時(shí)極易釀成安 全事故，原因是礦井巷道中環(huán)境復(fù)雜，爆炸性氣體濃度高，障礙物多且雜。因此提高礦區(qū)
生產(chǎn)自動(dòng)化和安全生產(chǎn)水平是當(dāng)今礦區(qū)生產(chǎn)中急需解決的問(wèn)題。中國(guó)專利200720141057.9 公開(kāi)了一種汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)。這種汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)能顯示障礙物信息或提供語(yǔ)音報(bào) 警，又能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)剎車，只適合于普通的駕駛環(huán)境，但沒(méi)有電氣防爆措施，精度和實(shí)時(shí)性 也不能滿足礦用車的駕駛環(huán)境，不適合礦用車的使用場(chǎng)合，存在以下不足
1. 礦區(qū)的爆炸性氣體成分復(fù)雜，瓦斯氣體濃度高，倒車?yán)走_(dá)沒(méi)有采取防爆措施進(jìn)行設(shè) 計(jì)，傳感器和控制電路在工作過(guò)程中產(chǎn)生的電氣誘因極易引爆空氣中的爆炸性氣體，釀成 嚴(yán)重的安全事故。
2. 礦區(qū)障礙物的特點(diǎn)是多、雜，普通的倒車?yán)走_(dá)滿足不了防撞時(shí)所要求的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn) 確性。原因是傳感器發(fā)出超聲波后，雖然會(huì)適時(shí)收到發(fā)射形成的反射回波，但是反射回波 會(huì)由于障礙物自身的反射性質(zhì)以及周圍環(huán)境等因素的影響而造成不同程度的頻率偏移而 發(fā)出無(wú)效或者錯(cuò)誤的干擾數(shù)據(jù)。
3. 多個(gè)傳感器同時(shí)工作，特別是距離較近時(shí)，傳感器間存在干擾。傳感器測(cè)試的原始 數(shù)據(jù)中夾雜著一些無(wú)效的或者錯(cuò)誤的干擾數(shù)據(jù)，不易剔除干擾數(shù)據(jù)。
4. 倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)使用電腦進(jìn)行控制，體積較大，移植性差，成本比較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種礦用防爆型的防撞雷達(dá)系統(tǒng)，其特點(diǎn) 是在提高防撞雷達(dá)精度和報(bào)警實(shí)時(shí)性同時(shí)，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(chǎn)環(huán)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。 本發(fā)明的目的由以下技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)。 礦用防爆型的防撞雷達(dá)系統(tǒng)
礦用防爆型的防撞雷達(dá)系統(tǒng)含有超聲波傳感器、控制電路和報(bào)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(bào)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(xiǎn)杠垂直方向的 夾角a為3~5度安裝在工程車尾部保險(xiǎn)杠上，超聲波傳感器測(cè)量的距離信息通過(guò)RS485總 線傳送給雷達(dá)控制器，雷達(dá)控制器對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)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(guò)CAN總線接口傳送到工程車的報(bào)警裝置。
MCU模塊由單片機(jī)PIC18F258、復(fù)位控制器STM809、晶振組成，單片機(jī)PIC18F258 的1、 9腳分別與復(fù)位控制器STM809的復(fù)位端、晶振3腳連接。
RS485模塊由SN65LBC184電平轉(zhuǎn)換芯片U9、 6N137光耦合器和整流器連接組成， U9的R腳經(jīng)Rl3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(jī)18腳連接，U9的2、 3腳通過(guò)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(jī)16腳連接，U9的4腳通過(guò)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(jī)17腳連接。
CAN總線模塊由CAN收發(fā)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(jī)23腳連接，PCA82C250 的RXD腳經(jīng)R5與6N137光耦合器U3的3腳連接，U3的6腳與PIC18F258單片機(jī)24腳 連接.
控制器對(duì)于傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析處理，通過(guò)數(shù)據(jù)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(guò)警示裝置的顯示器或者語(yǔ)音提示系統(tǒng)發(fā) 出警示信息。
超聲波傳感器為防爆型的。
防撞雷達(dá)系統(tǒng)各部分均由本質(zhì)安全電源供電，該本質(zhì)安全電源由電子科技大學(xué)測(cè)控研 究所提供。
警示裝置由主控制器提供距離及方位信息，通過(guò)警示裝置的顯示器或者語(yǔ)音提示系統(tǒng) 發(fā)出警示信息。
防撞雷達(dá)系統(tǒng)各部分均由本質(zhì)安全電源進(jìn)行供電，本質(zhì)安全電源由電子科技大學(xué)測(cè)控研究所提供。
防撞雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行了多次的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)試驗(yàn)，詳見(jiàn)圖7、 8所示，結(jié)果表明 防撞雷達(dá)系統(tǒng)提供的距離和方位數(shù)據(jù)具有較高的精確性和實(shí)時(shí)性，滿足了在礦區(qū)復(fù)雜環(huán)境 下安全生產(chǎn)的要求。 本發(fā)明具有以下有優(yōu)點(diǎn)
1. 各個(gè)模塊均是按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3836.4 —2000《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備》要求 進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)，滿足了礦區(qū)的防爆要求。
2. 傳感器傳回的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)融合算法進(jìn)行了綜合處理，提高了距離和方位數(shù)據(jù)的精 確性和實(shí)時(shí)性，滿足在礦區(qū)復(fù)雜的環(huán)境下進(jìn)行安全生產(chǎn)作業(yè)的要求。
3. 本發(fā)明各模塊結(jié)構(gòu)緊湊，占用體積小，安裝方便，移植性好。


圖l為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)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(bào)警 裝置。
圖2為本發(fā)明的傳感器的安裝示意圖。 7.工程車保險(xiǎn)杠。
圖3為本發(fā)明的MCU模塊電路原理圖。 圖4為本發(fā)明的RS485模S電路原理圖。 圖5為本發(fā)明的CAN模塊電路原理圖。 圖6為本發(fā)明的檢測(cè)范圍示意圖。 圖7為本發(fā)明的檢測(cè)靜態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)的效果圖。 圖8是本發(fā)明的檢測(cè)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)的效果圖。
在圖7和圖8中紅色為傳感器傳出的原始數(shù)據(jù)，藍(lán)色為算法處理過(guò)的數(shù)據(jù)。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體描述，有必要在此指出的是本實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā) 明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)熟練人員可以根 據(jù)上述本發(fā)明的內(nèi)容做出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整。
實(shí)施例
如圖1所示，本發(fā)明的防撞雷達(dá)系統(tǒng)含有超聲波傳感器1、控制電路2和報(bào)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(bào)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(cè) 量的距離信息通過(guò)RS485總線傳送給雷達(dá)控制器，雷達(dá)控制器對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理, 綜合處理生成的障礙物距離和方位信息，通過(guò)CAN總線接口傳送到工程車的主控制器,主 控制器根據(jù)距離和方位信息生成警示信息，由報(bào)警裝置提供給駕駛員。
防撞雷達(dá)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(nèi)，5條外接線由 防爆箱內(nèi)引出。
如圖2所示，超聲波傳感器l與保險(xiǎn)杠7垂直方向的夾角a為3 5度，三個(gè)傳感器以 等間距安裝在工程車尾部保險(xiǎn)杠上。
如圖3所示，MCU模塊由單片機(jī)PIC18F258、復(fù)位控制器STM809、晶振組成，單片 機(jī)PIC18F258的1、 9腳分別與復(fù)位控制器STM809的復(fù)位端、晶振3腳連接。MCU模塊 控制芯片采用的是PIC18F258單片機(jī)。PIC18F258是美國(guó)微芯公司生產(chǎn)的一種集成了 CAN 總線模塊，采用RISC指令系統(tǒng)、哈佛總線結(jié)構(gòu)、低功耗、高速率的單片機(jī)。
如圖4所示，RS485模塊由SN65LBC184電平轉(zhuǎn)換芯片U9、 6N137光耦合器和整流器連 接組成，U9的R腳通過(guò)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(jī)18腳連接，U9的2、 3腳通過(guò)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(jī)16腳連接，U9的4腳通過(guò)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(jī)17腳連接。RS-485—般由5V電源供電， 信號(hào)輸出電壓都在5V之內(nèi)，正常工作輸出電流很小，短路電流最大100亳安，完全滿足國(guó) 家標(biāo)準(zhǔn)GB3836.4 —2000《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第4部分本質(zhì)安全型"i"》對(duì) 于本質(zhì)安全電路的要求。同時(shí)RS-485總線作為一個(gè)基于單對(duì)平衡線的多點(diǎn)、雙向、半雙 工通信鏈路,采用平衡發(fā)送和差分接收，具有相當(dāng)高的噪聲抑制能力(-7 +12V總線共模 范圍)，完全滿足本發(fā)明的設(shè)計(jì)要求。
如圖5所示，CAN總線模塊由CAN收發(fā)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(jī)23腳 連接，PCA82C250的RXD腳通過(guò)R5與6N137光耦合器U3的3腳連接，U3的6腳與 PIC18F258單片機(jī)24腳連接。PIC18F258的CAN控制器模塊和高速CAN收發(fā)器 PCA82C250共同用于與其它芯片和控制器進(jìn)行通信，這種接口協(xié)議能在較大的噪聲環(huán)境 中進(jìn)行通信，具有良好的抗干擾能力。同時(shí)CAN總線是一種采用多主工作方式、適合于分 布式的控制系統(tǒng)，且具有很高的實(shí)時(shí)性和可靠性，因此適用于在礦區(qū)環(huán)境中使用，能滿足本發(fā)明的設(shè)計(jì)要求。
防撞雷達(dá)系統(tǒng)RS485模塊和CAN總線模塊中均采用6N137光耦合器。該光耦合器使信 號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無(wú)影響，抗干擾能 力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無(wú)觸點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)，傳輸效率高，能滿足本發(fā)明的設(shè)計(jì)要求。
防撞雷達(dá)系統(tǒng)針對(duì)礦區(qū)障礙物情況復(fù)雜，障礙物反射面情況多變，易使超聲波傳感器 產(chǎn)生錯(cuò)誤和無(wú)效數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，對(duì)控制器接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)融合算法處理，剔除了無(wú) 效數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，滿足了本發(fā)明對(duì)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求。具體過(guò)程介紹如下首先處 理盲區(qū)數(shù)據(jù)(50cm以內(nèi)，700cm以外)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾處理，剔除錯(cuò)誤或無(wú)效數(shù)據(jù)， 找出有用數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)變化的情況判定障礙物的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況，不斷調(diào)整模糊處理參數(shù)， 代入預(yù)先設(shè)定的加權(quán)算法公式中，計(jì)算出障礙物準(zhǔn)確的距離信息。同時(shí)單片機(jī)根據(jù)左、中、 右三個(gè)傳感器各自測(cè)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(dá)到了本發(fā)明對(duì)于實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求。
如圖6所示，為了確定本雷達(dá)系統(tǒng)的檢測(cè)范圍，在實(shí)驗(yàn)中以長(zhǎng)度為150cm，截面積為
15x20C^2的木條為障礙物，木棍垂直放置。以保險(xiǎn)杠為X軸，保險(xiǎn)杠垂直方向?yàn)閅軸建立
直角坐標(biāo)系，木棍相對(duì)于中間傳感器探頭圓心位置為數(shù)值點(diǎn).木棍在X軸-60 60cm， Y軸0 700cm的范圍內(nèi)移動(dòng)，將防撞雷達(dá)檢測(cè)到的數(shù)值點(diǎn)輸入matlab中，生成有效檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)圖， 即得到本發(fā)明的檢測(cè)范圍。
如圖7所示，為了確定本系統(tǒng)檢測(cè)靜態(tài)數(shù)據(jù)的效果，以面積為80x60"^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(dá)檢測(cè)的數(shù)值點(diǎn)輸入matlab中， 生成檢測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)(X軸為時(shí)間，Y軸為距離值)，紅色為傳感器傳出的原始數(shù)據(jù)，藍(lán)色為 算法處理過(guò)的數(shù)據(jù)。本發(fā)明的檢測(cè)靜態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)的效果圖。
如圖8所示，為了確定本系統(tǒng)檢測(cè)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的效果，以面積為80x60cw2的薄金屬板為
障礙物，在保險(xiǎn)杠的垂直方向上來(lái)回移動(dòng)金屬板，將防撞雷達(dá)檢測(cè)的數(shù)值點(diǎn)輸入matlab中， 生成檢測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)(X軸為時(shí)間，Y軸為距離值)，紅色為傳感器傳出的原始數(shù)據(jù)，藍(lán)色為 算法處理過(guò)的數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1. 一種礦用防爆型的防撞雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于該防撞雷達(dá)系統(tǒng)含有超聲波傳感器(1)、控制電路(2)和報(bào)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(bào)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(xiǎn)杠垂直方向的夾角α為3～5度安裝在工程車尾部保險(xiǎn)杠上，超聲波傳感器測(cè)量的距離信息通過(guò)RS485總線傳送給雷達(dá)控制器，雷達(dá)控制器對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)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(guò)CAN總線接口傳送到工程車的報(bào)警裝置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述礦用防爆型的防撞雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于MCU模塊由單片 機(jī)PIC18F258、復(fù)位控制器STM809、晶振組成，單片機(jī)PIC18F258的1、 9腳分別與復(fù)位 控制器STM809的復(fù)位端、晶振3腳連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述礦用防爆型的防撞雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于RS485模塊由 SN65LBC184電平轉(zhuǎn)換芯片U9、 6N137光耦合器和整流器連接組成，U9的R腳通過(guò)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(jī)18腳 連接，U9的2、 3腳通過(guò)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(jī)16腳連接，U9的4腳通過(guò)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(jī)17腳連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述礦用防爆型的防撞雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于CAN總線模塊由 CAN收發(fā)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(jī)23腳連接，PCA82C250的RXD腳通過(guò)R5 與6N137光耦合器U3的3腳連接，U3的6腳與PIC18F258單片機(jī)24腳連接.
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述礦用防爆型的防撞雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于控制器對(duì)于傳感器 數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析處理，通過(guò)數(shù)據(jù)融合算法處理生成了障礙物的距離和方位信息。
6，根據(jù)權(quán)利要求1所述礦用防爆型的防撞雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于警示裝置控制器提 供的距離及方位信息，通過(guò)警示裝置的顯示器或者語(yǔ)音提示系統(tǒng)發(fā)出警示信息。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述礦用防爆型的防撞雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于超聲波傳感器為防 爆型的。 '
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述礦用防爆型的防撞雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于防撞雷達(dá)系統(tǒng)各部分均由本質(zhì)安全電源進(jìn)行供電。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種礦用防爆型的防撞雷達(dá)系統(tǒng)，其特點(diǎn)是該防撞雷達(dá)系統(tǒng)含有超聲波傳感器(1)、控制電路(2)和報(bào)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(bào)警裝置均與以RS4g5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(xiǎn)杠垂直方向的夾角α為3～5度安裝在工程車尾部保險(xiǎn)杠上，超聲波傳感器測(cè)量的距離信息通過(guò)RS485總線傳送給雷達(dá)控制器，雷達(dá)控制器對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)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(guò)CAN總線接口傳送到工程車的報(bào)警裝置。
文檔編號(hào)G01S15/00GK101414008SQ20081014769
公開(kāi)日2009年4月22日 申請(qǐng)日期2008年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月27日
發(fā)明者健 張, 張?zhí)煊? 張錦峰, 李小兵, 李迅波 申請(qǐng)人:四川芯科力創(chuàng)電子科技有限責(zé)任公司