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UWB+红外热释电技术在煤矿人机防撞系统的应用

2025-04-03 60 上传者：管理员

摘要：随着掘进装备智能化控制技术的快速发展，人与设备碰撞问题变得尤为突出。提出了一种基于超宽带（UWB）、红外热释电组合的人机防撞系统。研究不同检测技术、传感器的工作原理、适应条件、适应范围、优缺点。通过对不同工种作业人员位置实时检测，融合掘进装备的开采工艺，设计了一套基于不同作业工艺生态条件下的选择性控制系统，实现掘进装备在自动化、智能化、无人化开采时人员的高效、安全作业。通过现场工业性试验，该系统在可靠性、性能方面均达到预期效果；通过大数据统计，防护准确率100%，误报率小于1%。

关键词：
UWB
人机防撞
无人化开采
智能化
热释电
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随着智慧矿山的快速发展[1] ,井下无人化开采成为必然趋势｡掘进工作面作为井下作业环境危险系数最高的地方,是实现智慧矿山的先头兵｡通过智能化技术实现工作面的无人化作业,从根本上解决安全问题｡对于工作面的无人化掘进,防止人员误闯入､设备安全高效运作成为核心问题｡目前国内通过超带宽(UWB)技术来检测人员位置信息及工作状态[2-4] ,但 UWB 技术的实现需人员需佩戴对应的标识卡,在井下多变的环境中,标识卡的遗失､损坏问题变得尤为突出,失去标识卡的人员在井下无法检测其位置､状态,处于无保护的游离状态｡红外热释电传感器可实现对移动､有固定温度的物体的检测,多用于风门闭锁控制等,但其缺点是无法识别人员信息､无法确定距离位置｡ 2 种检测手段都是井下成熟的检测方法,但大多以单独的形式存在,标识卡的遗失依靠管理办法解决,部分煤矿在设备上简单地安装红外热释电传感器,采用一刀切的方式实现人员闯入保护,导致设备出现频繁停机等问题｡本文提出一种基于 UWB､红外热释电组合的人员安全防护系统,以两者优点共存､缺点互补的方式解决存在的问题,保证在设备无人化作业､有人巡视时人员的安全和设备的高效运行,助力智慧矿山安全､高效发展｡

1、人机防撞系统总体框架

本文提出的组合式人机防撞系统以人为核心,通过 UWB 定位技术实现人员信息检测､人员位置检测,通过红外热释电技术实现指定区域人员进入检测,通过 2 种技术实现人员感知｡通过将感知的人员信息传递给控制系统,在控制系统内实现人员身份解析､距离判断,通过特定的决策系统,实现在特定的距离､特定的人员身份下的执行机构闭锁控制,即在保证人员安全的前提下,实现不停机状态下的人员防护､设备高效运行｡该系统结构框图如图 1 所示｡

图1 系统结构框图

2、系统设计

组合式人机防撞系统包含人员安全检测､智控决策与控制系统,通过对基本检测原理进行研究,提出新的测试方法,结合掘进装备作业工艺､传感器的位置布局,建立多种功能互补､多种模式下的多重保护系统｡

2.1 系统布置

人员位置实时检测采用UWB 无线定位检测技术,通过在掘进装备上布置 UWB 无线基站､报警装置,作业人员根据工种佩戴对应标签(腕式手表或卡片或集成在矿灯内的芯片),实现人与设备的位置检测､作业人员工种检测｡为防止人员作弊(不带标签),掘进装备在机身后方左右两侧各安装 1 个红外热释电传感器,发现未按规定佩戴标签的作业人员, 以掘进机中心为圆点,后方危险点为半径,结合设备本身尺寸,确定基站位置､报警距离､停机距离及红外热释电传感器与机身角度,保证进入危险区(发生挤压､碰撞等)及时定位和检测｡系统布置如图 2 所示｡

图2 系统布置图

2.2 工作原理

UWB 无线定位采用双边双向测距法,其原理如图 3 所示,一边一向是基站发送时间标签,基站接收,另一边一向是标签发送时间标签｡由基站发送､标签接收为例,过程是带时间戳､ID 号的基站发送信号,标签接收到信号后,将该信号带上接收到当下时间返回给基站,中间形成时间差就是单边距离｡双边双向测距方法可有效地保证测试距离的准确性｡由标签发送信息,基站接收过程相同｡结合图 3,测试距离计算:

图3 UWB 双边双向测试原理

红外热释电采用被动测量方式,其接收探头采用球形,内部敏感材料采用钛酸锆酸铅系陶瓷体,对移动的､有温度的人体发出 10 μm 波长的红外线进行主动检测,检测到信号,由电子电路进行信号处理; 增加微处理器,将形成的高低电荷进行放大处理,形成需要的信号输出源｡其工作过程:如果有人员闯入,输出开关量信号由常开变为常闭,提醒系统有人员闯入禁止区域,根据设备和巷道尺寸确定其散射角,保证覆盖危险区域｡其工作原理如图 4 所示｡

图4 被动型红外热释电工作原理

2.3 控制系统与智能决策

控制系统与智能决策实现人机防撞系统数据解析和控制策略的制定,包含硬件和软件两部分｡

(1)系统硬件设计

人员防撞系统硬件采用嵌入式控制器作为主控器,操作系统为 Windows CE,其核心扫描周期小于 10 ms,保证交互的数据的实时､高效处理;输入输出采用嵌入式 I/O 高速模块,实现热释电信号的实时采样及输出指令的高速响应;通信模块为 EL6001串口模块,以 9 600 kb/s 速率实现UWB 数据的实时交互;CAN 模块选用 EL6751 模块,作为人机数据交互模块,波特率为 250 kb/s;报警系统由声光装置组成,实现语音和声光提示,包含掘进装备上的声光报警器和标签自带振动､发声装置两部分;执行机构为掘进装备运动机构､执行电机等,用来进行安全闭锁控制｡硬件结构框架如图 5 所示,整个系统以嵌入控制器为核心,用于 UWB 基站人员信息的解析和热释电状态的采集,结合掘进装备的作业状态､作业规则,对执行机构进行电气闭锁控制,实现不同人､不同作业条件下的选择性控制｡

图5 系统硬件结构图

(2)软件设计软件部分是实现硬件功能的逻辑运算部分,实现不同人员､不同距离下掘进装备保证人员､设备安全｡

UWB 定位属于主动防护,对其匹配标签进行 ID 排列,在基站进行设置时,将标签与基站进行配对 (专用 APP), 进行不同身份设置,UWB 基站与控制系统进行数据交互时,其帧结构如表 1 和表 2 所示, 控制系统对数据帧进行解析,同时结合红外热释电检测状态,执行不同的控制指令｡

表1 数据帧结构

根据UWB 数据帧协议,TagID 代表标签人工 ID,即对此进行工种分类设计,标签 ID 占用 32 个字节,用数字表示工种,例如掘进工人:1~50,锚护工人:51~100,检修工人:101~150,安检人员:151~160, 领导:200~210,其他人员:未标记｡工种编号自行定义,利用 UWB 专用参数设置软件进行人员信息标定､分类｡

根据煤矿作业安全规定,融合截割工艺､空顶要求､设备尺寸､作业人数要求,制定不同工种作业时控制逻辑,控制逻辑体现在执行机构和报警装置,如表 3 所示,显示了每个作业人员在指定范围内执行机构的允许工作状态｡该表仅作为控制示例表｡

表3 工种和执行机构关系示例表

控制系统软件采用CoDeSys 为编程环境,执行 IEC61131-3 编程语言标准,根据表 3 设计控制逻辑图,控制逻辑包含两部分:

①人员数量统计包含未带标签人员｡当 UWB 检测到人员(标签)时,同时人员通过红外热释电检测区域,认为区域进入有效人员,如发现未佩戴标签,且人员进入热释电区域,认为此人为非法闯入人员,记录信息;当检测到人员距离变远,且经过红外热释电区域,表示工作人员减少｡ UWB 可靠检测距离为 80 m,红外热释电为 8 m,所以在进行检测时 UWB 基站比红外热释电优先发现带标签人员,红外热释电可以检测到所有经过照射区域人员｡人员数量统计通过 UWB 和热释电的融合信号进行判断, 如发现未佩戴 ID 号人员闯入或工作人员超出设定值,跳转触发停机控制逻辑,实现人员保护｡

②作业工种检测控制触发条件是 UWB 和红外热释电信号,通过对其信号进行检测,识别闯入人员 ID 号,根据 ID 号跳转控制策略,控制策略根据人员工种共分 6 类,根据不同要求实现执行机构的不同电气控制｡整个系统的控制逻辑如图 6 所示｡

3、现场应用

该系统在陈四楼､鲍店等50 多家煤矿均有应用｡以陈四楼煤矿为例,现场 UWB 可靠探测距离达到 100 m,报警距离 15 m,停机距离 10 m,设备长度 12 m,掘进人员 2 人,检修人员 1 人,支护人员 5 人, 空顶距 2 m,基站安装在设备中间,红外传感器视角 110°｡

作业要求:①掘进工人不允许在空顶距下作业, 即进入作业区域超过 4 m,设备停机,同时报警;② 检修人员不允许移动设备,不允许进入空顶区域,否则闭锁设备同时语音报警;③未佩戴标签人员一律不允许进入区域;④安检人员和领导进入 20 m 区域开始报警,但不允许进入工作区域｡

井下现场针对上述情况进行不低于10 次模拟测试,经过至少 90 d 的工业性试验,均符合设计要求,且 100% 检测到人员闯入,但由于传感器本身可靠性､井下温度等问题,出现了设备移动,但热释电误检测到有人员闯入,30 d 内误报了 2 次｡现场人机交互界面如图 7 所示｡

图6 控制逻辑图

图7 现场人机交互界面(人员统计及报警故障)

4、结语

本文提出了一种融合UWB 和红外热释电的人机防撞系统,通过优势互补,解决了未带标签人员被设备挤压的问题,同时提出了一种新型控制策略,保证不同作业人员在不同作业条件下的掘进装备高效､安全运行｡对行业内 UWB 和红外热释电技术的应用场所进行了丰富､探索,提高了设备功能的利用率,减少了人员被设备挤压事故率｡

参考文献:

[1]王国法,杜毅博. 智慧煤矿与智能化开采技术的发展方向[J]. 煤炭科学技术,2019,47(1):1-10.

[2]王俊秀. UWB 测距技术在煤矿井下的应用[J]. 煤矿机械,2023, 44(9):145-147.

[3]陈伟 . 基于 UWB 技术的煤矿精确定位系统 [J]. 煤矿机械 , 2023,44(5):177-180.

[4]毛会琼,牛小玲,陈世海. 基于 UWB 技术的矿用电机车防撞系统设计[J]. 煤矿机械,2020,41(11):1-3.

基金资助:山西省重点研发计划项目(202202020101005);天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项重点项目(2022-2-TD-ZD001);山西天地煤机装备有限公司科技重大项目(M2023-ZD12);

文章来源:靳明智.UWB+红外热释电技术在煤矿人机防撞系统的应用[J].煤矿机械,2025,46(04):176-179.