电机车防撞系统（共8篇）
电机车防撞系统 篇1
0 引言
煤矿井下作业人员多, 巷道条件复杂、多样, 人员占道行走现象频繁发生, 对机车的正常运行造成了安全隐患, 因此有必要开发矿井机车防撞系统[1], 用于对机车行驶前方路况进行图像分析处理, 遇到紧急情况时发出报警信号, 防止机车碰撞或撞人事故的发生。
在矿井机车防撞系统中, 如何获取并分析机车前方障碍物信息是关键技术。本文提出应用机器视觉技术[2]设计防撞系统。机器视觉系统一般采用一个适当焦距的摄像机来获得前方道路一定范围内的图像[3]。本文采用车载摄像头获取机车前方障碍物 (主要是人员和机车) 图像, 通过图像处理技术识别障碍物, 重点分析不同距离下的障碍物识别方法。
1 井下成像特征分析
矿井机车防撞系统采用带红外主动照明的探测器, 其波长为850 nm, 照明距离达80 m。为避免杂光干扰, 在镜头前加装了窄带滤光片, 并采用弹簧减震基座来减小机车震动对图像质量造成的影响。本文主要分析井下目标距离探测器0～50 m时的成像特征, 如图1所示。
从图1可看出, 井下目标距离探测器30～50 m时, 目标对比度差, 人体或车辆特征完整;10～30 m内, 障碍物对比度好, 特征不太完整 (有时障碍物在轨道边缘) ;0～10 m内, 视场内没有明显的特征, 只有一团亮斑。
2 不同距离障碍物识别方法
2.1 近距离障碍物识别
由于采用的探测器带有主动照明功能, 因此当目标距离较近时, 人体或其它障碍物在视场内无法完整成像, 只有局部特征, 表现为一团亮斑。对于该类障碍物的识别流程如图2所示。首先对图像进行预处理, 采用中值滤波方法去掉噪声[4], 选用Sobel算子对图像进行边缘提取;然后采用OSTU方法[5]对图像进行分割及二值化处理, 对二值化图像进行X、Y方向投影, 估计障碍物大概面积, 计算单位面积上的平均点数, 大概判断目标的连续性。当目标像素小于120×120时, 直接判断出有障碍物存在;如果目标像素大于120×120, 则转至中距离障碍物识别流程。
2.2 中距离障碍物识别
目标在距离探测器10～30 m时的图像对比度较好。目标最上部分和最下部分基本都在视场内, 但左右特征可能不完整, 因此可通过分析目标在图像中出现的位置、高度及面积等特征来识别目标。这些特征通过对目标的边缘信息进行目标标记得到。具体的障碍物识别流程如图3所示。
由于机车前方行人具有明显的垂直结构, 满足一定的高宽比, 通过提取垂直边缘信息可保留人体或普通障碍物的边缘特征, 并能够去除很多干扰, 因此本文主要通过分割垂直边缘来提取目标的位置、高度、长宽比、面积等特征, 从而识别障碍物。判断的准则: (1) 在成像系统中, 人或障碍物的上端高于水平线 (水平线的确定可以在安装探测器时, 将远处水平线调整在视场中心) ; (2) 在成像系统中, 人或障碍物的下端低于水平线位置; (3) 在成像系统中, 人或障碍物的身高大于32像素。若图像特征满足这3条判断准则中的任意一条, 则判断前方障碍物为行人, 矿井机车防撞系统输出报警。
2.3 远距离障碍物识别
远距离障碍物图像对比度低、噪声强, 但障碍物的整体特征完整, 且出现的区域基本固定, 因此可对特定区域进行处理, 以减少处理时间。
在视频图像中, 机车前方人或其它障碍物一般都呈现一定的对称性, 该特性可以作为障碍物识别的重要依据。首先选择较小的分割阈值分割目标图像垂直边缘, 然后进行目标标记, 根据边缘对称性判断出目标区域。若图像中有多个目标, 则需采用灰度对称性对目标区域进行判别;若图像特征符合人体特征, 则判断为远处有障碍物, 发出警报。具体识别流程如图4所示。
图像经阈值分割后保留的垂直边缘中, 行人腿部的垂直边缘占很大一部分, 此外还有一些干扰, 如阴影边缘等。考虑到行人不管是处在站立还是行走状态, 两腿边缘在一定宽度内具有很强的对称性。因此, 本文建立了衡量两腿对称性的方法, 依次以图像的每列为垂直对称轴, 计算其左右一定宽度内出现的边缘点对数作为对称性测度, 计算公式为[6]
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式中:Wmin、Wmax分别为垂直边缘点的搜索宽度的最小值、最大值, 根据图像中行人的宽度来确定, 本文取Wmin=25, Wmax=60; (xi, yi) 为搜索点起始坐标; (xj, yj) 为搜索点终止坐标;Gv (xi, yi) 为搜索点对应梯度;Tv为通过矩不变阈值分割法获得的梯度阈值;Sv (k) 为第k列的对称性测度, 该值越大, 表示以k为对称轴的垂直边缘点对数越多。
图5为对感兴趣区域进行垂直边缘提取及阈值分割, 并采用式 (1) 计算得到垂直边缘对称性测度。从图5可看出, 由于图像与分析坐标一一对应, 因此, 图像中有行人存在的位置, 其垂直边缘对称性值最大。
3 结语
通过分析矿井机车防撞系统中探测器获取的障碍物图像信息, 提出了不同距离下的障碍物识别方法及流程。实验室及实际巷道测试结果表明, 通过对不同距离下的障碍物采取不同的识别方法, 矿井机车防撞系统能够快速、准确地识别出行人及较大障碍物。
摘要：分析了矿井机车防撞系统中车载摄像头获取的机车运行前方障碍物图像的特征, 提出了近、中、远距离下的障碍物识别方法及实现流程。测试结果表明, 该方法能够有效获取障碍物特征并快速识别出障碍物。
关键词：矿井,机车,防撞系统,视频图像,障碍物识别,图像处理
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电机车防撞系统 篇2
关键词：TCAS 作用 维护
中图分类号：V244 文献标识码： A 文章编号：1674-098X（2014）08（b）-0086-02
伴随国内民航航空业的迅猛发展，以及对低空空域的逐步开放，飞机的飞行安全也越受关注。空中交通警戒防撞TCAS系统也在日益繁忙的空中交通中，起着越来越重要的作用。TCAS系统是一种完全不依赖地面系统的机载防撞设备，通过向相近的飞机发出射频询问信号，自动根据由入侵飞机机载应答机对询问信号的应答信息，转换该应答信息获得该飞机代码、所在高度、所飞航向以及其他数据，并根据这些数据确定其威胁程度，向机组提供不同级别的警告及避让措施，可避免航空器空中相撞，从而保障了飞机的安全飞行。
1 TCAS系统的组成
（1）作为TCAS核心部件的是其计算机，它主要用来监视并获取邻近空域中的飞机的相关数据，并进行威胁评估计算最后通过不同的威胁等级来产生交通咨询等。
（2）两部S模式应答机，它们与应答机的上、下天线为TCAS协调工作，采用“收听-询问-应答”方式获取监视空域中其他飞机的相关信息，如代码和航向等。
（3）TCAS上、下方向性天线，天线内部设有四个辐射单元，分别指向飞机的前、后、左、右四个方向。该天线工作于L波段，接收频率和发射频率分别为1090 MHz和1030 MHz。
（4）ATC应答机和TCAS的控制盒，其功能是给用户选择某部应答机是否开启工作及所使用的工作方式。
（5）音响警告系统通过系统的数据分析对外界提供音频提示。
（6） EFIS即电子飞行仪表系统，用于直接显示TCAS系统的产生的目视信息，也使飞行员可以更直观的获取各种数据。
2 TCAS系统的工作原理
正常工作中，TCAS系统每隔一秒便会自动发出S模式的询问信号，该信号包含本机的24位地址码等信息。同时，系统还会监听邻近空域内的其他飞机的信号，当另一架飞机的TCAS系统收到该信号后，会将该机的24位地址码加入到询问列表中，稍后进行逐个询问。通过测量询问信号与接收应答信号之间的时间延时可以计算出邻近飞机与本机的距离。系统的两部方向性天线均可以用于发射和接收信号，从而得到相遇飞机的方位信息。这样就获取了邻近飞机飞行轨迹的全部所需信息，做好了进一步的计算准备。同时，本机的机载设备也会不断地向TCAS计算机提供本机的各种实时飞行参数，TCAS计算机在对这些参数进行综合计算之后，会得出它们的相对高度、速度和方位，从而判断其飞行轨迹是否具有相互冲突的可能。根据邻近飞机对本机的威胁状况即接近率，可分为四个种类：其他飞机、接近飞机、TA（Traffic Advisory交通咨询）和RA（Resolution Advisory决断咨询）这四种威胁等级。需要特别注意的是TA和RA。系统判断出与本机有潜在威胁的飞机时，会提前一段时间发出交通咨询，该机在被连续监视15 s后，如果冲突仍然存在，则系统就会发出决断咨询，在显示器上提示机组爬升或者下降来解决冲突，在此期间还伴有音响警告提示。
3 TCAS系统的故障及维护
TCAS系统能对威胁做出准确的判断，操作提示简洁明了，这些使其成为现代飞机不可或缺的设备之一。但是它内部结构复杂，系统交联较多，而它对于对信号的灵敏度和精确度要求较高，再加上电子设备舱复杂的电磁环境，使得TCAS系统的故障率相对偏高。为了能提高工作效率及准确性，这不仅需要工作者熟悉系统的构造，更要了解常见的故障及其排除方法。
TCAS计算机作为系统的核心设备，有着繁重的计算任务，同时工作中还会受到颠簸、高空辐射以及电磁干扰等因素，使得其故障率特别高。首先，可以通过机内自检程序明确测试出一些计算机故障。有些故障具有一定的隐蔽性，使系统工作时好时坏，而在地面测试时却又显示正常。这是因为机内自检程序不能完全检测内存中的所有程序。这可以通过更换部件即故障部件的隔离来准确判断。另一种常见的故障是假故障，是指一些由无线电设备干扰和电源品质下降或出现相位偏差而产生的故障现象。由于TCAS计算机对数据的要求非常高，任何频率的偏差、数据的错误都可能会影响计算机的调制精度而使其发生故障。所以在工作中不能盲目换件，多思考分析，进行有针对性的处理。
天线的接收频率越高，对所用天线以及馈线的要求也就越高。因此对所使用的馈线及其长度、质量以及安装工艺都必须有严格的要求。但在实际工作中，有可能会由于安装的困难，对天线或者馈线的某个部分造成一些损伤，而伴随时间的推移，损伤加剧，造成松动甚至出现脱落的情况。
线路故障相对比较复杂。线路的老化、磨损、松动以及脱落都会引起故障，而飞机上线路繁多，安装紧密，需要工作人员根据线路图手册一步步查找和测量来做出判断，并进行相应的修复。
应答机的故障也会影响TCAS系统的正常工作，可分别隔离两部应答机以及应通过答机的自检来做出故障判断。
4 结语
当下航空业迅猛发展，机群数量持续不断增加，交通密度越来越大，造成飞机和地面站之间通信愈加频繁，通信延时变得越来越长，对空中交通警戒防撞系统的各项要求也越来越高。但由于该系统构成相当复杂，故障率也偏高，如何熟练快速的排除故障成为了我们研究的一个关键点。这需要我们对TCAS系统有充分的了解，在此通过对该系统的分析，了解了该系统的基本组成及作用，并通过具体的故障，简单讨论了排故的一些方法。在以后的工作中仍需对此系统进行更加深入的学习，只有不断的学习和不断的总结，才能在工作中熟练的完成排故任务，更好的保证飞行安全。
参考文献
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电机车防撞系统 篇3
《煤矿安全规程》规定“2机车或2列车在同一轨道同一方向行驶时, 必须保持不少于100m的距离”, 机车的制动距离“运送物料时不得超过40 m;运送人员时不得超过20m”。但是在井下肉眼很难准确判断距离, 如果2机车运行时不保持足够的距离, 很可能发生碰撞事故。机车防撞系统能够较好地解决该问题。目前一些矿井机车防撞系统采用超声波、雷达、激光及视觉等技术对前方机车及行人进行测距。其中超声波测距易受外界温度、湿度等因素影响, 只适用于较短距离的测距;雷达测距的空间覆盖范围有限, 相互之间可能会产生电磁干扰;基于单目视觉或双目视觉的测距方法虽然精确度较高, 但造价及能耗较高[1,2]。本文介绍一种基于激光测距的矿井机车防撞测距系统。该系统能准确测量出机车与前方目标物体的间距, 通过液晶显示或声光报警方式向机车司机发出预警, 避免发生碰撞事故。
1 激光测距原理及目标物体状态判断
1.1 激光测距原理
激光测距是一种光波测距方式。设激光以光速c (本文取c=3×108m/s) 在空气中传播, 在两点间往返1次所需时间为t, 则两点间距离为
由式 (1) 可知, 测量两点间距离实际上是测量激光传播时间[3]。根据时间测量方法, 激光测距通常分为脉冲式和相位式两种方式。相位式激光测距方式一般应用于精密测距中, 远距离测距能力较脉冲式激光测距方式差。因此, 本文采用脉冲式激光测距方式。
脉冲式激光测距过程:①激光发射源发射激光脉冲, 同时启动计时器开始计时;②激光脉冲遇到目标物体, 发生漫反射并产生回波, 接收机接收到回波的同时计时器停止计时;③根据计时结果计算出目标物体与接收机的间距。脉冲式激光测距时序如图1所示。其中t0为激光实际飞行时间;ta为发射的激光脉冲的上升沿到计时器开始计时的时间;tb为回波上升沿到计时结束的时间;t′为计时器计时时间。
从图1可看出计时误差为
当时钟信号频率提高时, ta, tb同时减小, e随之减小, 所以提高计时脉冲频率可提高脉冲式激光测距的测量精度。本文介绍的矿井机车防撞测距系统采用基于传输线延迟法的高精度计时芯片TDC-GP1, 其校正和控制时钟的频率可达350 MHz。
井下温度、粉尘、光源等对激光具有吸收、散射作用, 影响激光测距精度。在考虑激光对人体安全因素的同时, 系统选用波长为905nm的近红外半导体激光, 其对烟、尘、雾等具有较好的穿透性, 测量范围为0.1~150m。
1.2 目标物体状态分析
机车运行时, 系统检测到的前方目标物体有静止和移动2种状态。可根据机车与目标物体之间的距离s判断具体状态。受机车运行速度v0 (可通过机车速度传感器获得) 和前方目标物体速度v1影响, s时刻发生变化。设在极短的时间Δt内, 分别为v0, v1的平均速度, 机车与目标物体之间的距离变化为Δs, 则有
当ds/dt>0, 即v0
其加速度为
2 系统硬件设计
2.1 系统结构
基于激光测距的矿井机车防撞测距系统主要包括以STC90C516RD+单片机为核心的控制器单元、激光发射及回波检测单元、激光飞行计时单元、显示器等, 如图2所示。
控制器控制半导体LD (Laser Diode, 激光二极管) 发出激光脉冲, 同时启动激光飞行计时单元计时。大部分出射激光脉冲遇到前方目标物体时发生漫反射, 反射波 (即回波信号) 被回波检测单元接收, 经光电转换及放大整形处理后触发激光飞行计时单元停止计时。系统根据式 (1) 计算机车与前方目标物体的距离, 再结合当前机车速度, 根据式 (4) —式 (6) 判断目标物体的运行状态及速度、加速度信息, 并由显示器显示相关信息。机车在弯道运行时, 角度传感器可检测当前机车轨道的弯度, 控制器控制LD转动一定角度来减少弯道对测距的影响。
2.2 激光发射驱动电路
激光在飞行过程中受环境影响, 其回波强度会大大削弱。为提高系统测距精度, 在激光射出时设计驱动电路来压缩激光脉冲宽度, 提高上升沿上升速度。《煤矿安全规程》规定信号传输电气设备的额定供电电压不超过127V, 尽可能设计低电流的驱动电路。系统选用PGEW 1S09LD, 其价格低廉, 能用较低的驱动电流获得高峰值输出功率, 输出波长为905nm, 能够保持良好的温度操作范围和较小的输出光束发散角。激光发射驱动电路如图3所示。
STC90C516RD+引脚P1.0输出的脉冲信号经反相器74HC04反相后控制电子开关MAX4516闭合与断开, 从而控制晶体管Q1导通与关闭。当Q1关闭时, 直流电压经R5, R6, R7对C4充电;当Q1导通时, C4经Q1, R6, LD迅速放电, 从而使LD发出功率较大的激光脉冲。
2.3 激光接收电路
激光接收电路采用Si-APD C30724E半导体光电二极管进行设计。该二极管工作的中心波长为905nm。电路前端将接收到的微弱回波信号转换成随光强度变化而变化的电流信号。由于接收信号比较弱, 转换后的电流信号比较小, 一般不直接用于控制信号, 所以需设计光电转换电路及前置放大电路将电流信号转换成电压信号, 再将该电压信号经主放大电路放大至激光飞行计时单元的最佳输入电压范围才能触发计时器停止计时[4]。激光接收电路如图4所示。
主放大电路选用带宽为150 MHz、压摆率为1 500V/μs的可变增益放大器AD8330进行设计。AD8330可将输出提高至10V峰值, 增益主要由引脚VMAG, VDBS控制, W1, W2用于调节VMAG和VDBS引脚的电压VMAG和VDBS。主放大电路的放大倍数η为
2.4 计时器与单片机接口电路
激光飞行时间的测量精度直接决定了系统测距精度[5]。当起始计时脉冲和停止计时脉冲的上升沿之间或下降沿之间的时间差为几十或几百ns时, 传统的采用低频率脉冲的计时方法已不能满足要求。本系统选用的TDC-GP1计时精度可达250ps, 这是传统计时方法达不到的。根据实际需求, 激光飞行计时单元选用TDC-GP1的量程1 (3 ns~7.6μs) 进行设计。
STC90C516RD+控制激光发射驱动电路发出激光脉冲信号。激光脉冲发出时少量的内部采样信号经整形放大后触发TDC-GP1启动计时。出射激光脉冲遇前方目标物体发生漫反射后被回波检测单元接收, 回波信号经光电转换及放大电路整形放大后触发TDC-GP1停止计时。TDC-GP1通过内部计算逻辑单元ALU计算出时间间隔并将其存入结构寄存器, 同时向STC90C516RD+发出中断信号告知计时结束。
2.5 显示电路
STC90C516RD+读取计时数据, 计算出机车与目标物体的间距, 同时与安全距离数据进行对比, 由显示器显示目标物体距离、是否在安全距离范围之内等信息。显示器选用可显示汉字与图形的DM12864M液晶显示屏。
2.6 弯道运行时测量方法
系统在实际应用中需考虑运输巷弯曲、存在坡度等情况对测距的影响。参考文献[6]指出:机车运输适用于平均坡度3‰~5‰的水平巷道;局部最大坡度不超过30‰。针对坡度对系统测距的影响, 系统采用如图5所示的安装方式。假设巷道最大坡度为30‰, 将系统安装在离地面高1.5 m处时, 上坡时可测距离sab=50m (下坡时当机车到达a点时测距也是50m) , 满足机车的制动距离“运送物料时不得超过40 m;运送人员时不得超过20 m”的要求。实际坡度越低, 系统的测距范围越大。实际应用时根据坡度适当调整安装高度即可。
针对弯曲巷道对系统测距的影响, 系统采用角度传感器测出当前机车转动角度, STC90C516RD+采集转动角度信息后控制电动机适当转动激光发射及接收端, 从而降低测量误差。
3 系统软件设计
系统软件采用模块化结构设计方法, 在Keil C51集成开发环境下采用C51语言编程设计。软件主要由主程序和激光测距、数据传递、距离计算、显示等子程序组成。
上电后系统对STC90C516RD+、DM12864M及TDC-GP1初始化, 选择GP1工作模式。STC 90C516RD+引脚P1.0控制LD发出激光脉冲, GP1start通道接收到脉冲信号 (start) 后开始计数, stop1通道接收到脉冲 (stop) 后停止计数。计数结束后, GP1中的ALU按照设定模式计算出start脉冲和stop脉冲之间的时间差, 将其存于结果寄存器, 并向STC90C516RD+发出测量结束中断信号。若采样到start脉冲后在7.6μs (量程1) 内还没接收到stop脉冲, 则GP1产生溢出中断。STC90C516RD+通过读GP1的状态寄存器来判断上述2种中断, 如果是测量结束中断则直接读取结果寄存器中数值, 如果是溢出中断则判断为无效, 重新初始化, 准备下一次测量。
4 测试结果与分析
井下环境比较复杂, 结合《煤矿安全规程》的规定, 模拟矿井环境并采用该系统对指定目标物体进行了20~100m范围的测试, 结果见表1。
m
从表1可看出, 系统测量的初始平均误差不大于0.22 m。产生误差的主要原因及解决方案:①式 (2) 中的误差只能有效降低, 但依然存在, 提高计时脉冲频率可适当减小该误差[7];②放大电路输出的信号幅度不同导致出现误差, 可通过改进放大电路, 使其输出信号为一个固定值来减小该误差;③温度变化引起测量误差, 根据参考文献[8]可知, TDC-GP1工作温度为25℃时测量误差最小, 此外, 该芯片的制造工艺参数、供电电压的变化都会引起测量误差。
对测得的数据进行修正可降低误差。在Matlab中采用最小二乘法对一阶多项式y=ax+b进行线性拟和, 得a=0.999 1, b=-0.131 0, 则
修正后的误差见表1。可看出修正后的误差基本上在0.03m以内, 符合机车运行时的测距要求。
5 结语
基于激光测距的矿井机车防撞测距系统测距精确度高, 成本低, 可应用于井下机车、工厂车间运输车及汽车防撞报警系统中, 也可用于教学研究。下一步将深入研究如何降低运输巷弯曲对系统测距精度的影响。
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机车车体防撞柱组焊工艺研究 篇4
1 焊接性分析
机车车体防撞柱板材采用Q420E、Q460E低合金高强度结构钢。通过计算, 两种材料的碳当量都在0.4%~0.6%之间。由于碳当量已经大于0.4%, 焊接性相对较差, 需要控制好焊接工艺, 否则焊接质量无法保证。
2 焊缝形式
该机车焊接标准采用AS1554.1-2011, 防撞柱的主要焊缝形式有T-P5、T-P4 (C-P4) 、T-C4b (C-C4b) 等, 接头细节见图1:
3 焊接工艺
3.1 焊接方法
根据公司之前的焊接工艺评定, 结合出口机车对焊缝外观和质量的要求, 选择药芯焊丝气体保护焊, 焊接飞溅小, 焊后清理方便, 焊缝成形美观, 熔敷效率高。
3.2 焊接材料
根据等强匹配原则, 结合焊接工艺的要求, 选择直径为1.2mm的TWE-711Ni焊丝, 符合GB/T10045 E501T-1L。焊丝中加入了Ni元素, 具有良好的低温冲击韧性。
3.3 保护气体
保护气体选用纯CO2气体, 纯度≥99.5%。由于采用气渣联合保护, 可以更加有效地防止空气进入焊接区域, 提高焊缝的抗气孔能力。
3.4 焊接规范
根据确定的焊接方法、焊接材料和保护气体, 编制焊接工艺规程即WPS, 然后通过工作试件进行验证, 同时验证焊工的技能。由于客户方的要求, 我们对所有WPS都进行了验证, 主要参数见表1:
4 焊接过程
为了控制焊接变形, 尽量采用对称焊接, 同时打底和填充焊缝采用热输入较小的2G位置焊接。客户方要求对接接头盖面焊缝只能一道, 给焊接增加了难度。最终通过工作试件验证, 盖面焊缝采用3G位置焊接。防撞柱立板与前端板先焊在一起作为组件, 然后焊在车架上。立板与车架为2G位置T-P5焊缝, 因立板与前端板已经组焊成组件, 所以中间位置的立板与车架的打底焊缝空间位置相对受限, 要控制好焊枪的角度, 焊丝要接近坡口底部才能开始焊接。前端板与车架为2G位置T-C4b焊缝, 3G位置盖面。工作试件制作时, 这样的厚板对接焊缝打底焊时容易出现裂纹, 通过控制焊缝厚度当时解决了这个问题, 但是由于焊工技能水平不一, 操作结果也可能不一样。背部加陶瓷衬垫, 打底焊时根据组装间隙控制好起弧位置, 尽量把焊缝控制得厚一点, 避免打底出现裂纹。填充焊时控制好焊道之间压道的位置, 为盖面焊留好距离。因为盖面焊缝较宽, 摆动时停留时间要均匀, 在两边注意控制咬边。后盖板与中间立板焊缝为2G位置C-C4b焊缝, 3g位置盖面, 背面带钢衬垫。与陶瓷衬垫相比, 钢衬垫不容易熄弧, 但是打底焊要保证与衬垫全熔透, 否则超声波探伤通不过。
5 结论
1) 通过合理的工艺参数和过程控制, 防撞柱的组焊顺利完成, 获得良好的焊缝成形和焊接质量, 通过了磁粉和超声波无损检测合格。同时防撞柱的变形控制很好, 与司机室钢结构装配顺利, 一起组成机车前端, 平面度在3mm/m2以内, 获得客户方的好评。
2) 药芯焊丝气体保护焊在打底焊时容易出现裂纹, 特别是刚性较大的部件和厚板。为了提高焊缝质量和效率, 避免不必要的返工, 后续可以考虑实芯焊丝打底, 药芯焊丝盖面的焊接工艺。
摘要：机车车体防撞柱是在机车发生碰撞时, 为了保护司机室乘员和部分设备安全而设计的装置。防撞柱板材采用Q420E、Q460E低合金高强度结构钢。由于防撞柱结构的限制, 只能在车架组装完成后, 在车架翻转台位进行组焊。为了控制焊接变形, 尽量采用对称焊接, 同时打底和盖面焊缝采用热输入较小的2G位置焊接。
关键词：防撞柱,药芯焊丝气体保护焊,Q420E,Q460E
参考文献
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汽车智能防撞报警系统设计 篇5
随着我国经济飞速发展, 越来越多的人拥有自己的汽车, 同时安全驾驶、泊车、倒车等问题也开始影响到人们的日常生活[1]。因此, 有助于驾驶员安全驾驶、泊车和倒车的汽车智能防撞报警系统应运而生。一般智能防撞报警系统, 包括正向防撞预警系统、自动泊车系统和倒车防撞雷达系统。正向防撞系统能够直观的显示汽车前方障碍物的距离, 在检测到危险障碍物时, 发出报警并主动减速避障, 当达到制动距离时汽车将制动避障;自动泊车系统能够在司机将车停在合适位置后自动将车按照设定的轨迹倒入停车位;倒车防撞雷达系统能够以直观的显示和声音告知驾驶员周围障碍物情况, 解除了驾驶员泊车和启动车辆时前后左右探视的困扰, 并帮助驾驶员扫除视角的死角等缺陷。
2 系统的硬件结构设计
AT89C51是一个低电压, 高性能CMOS 8位单片机, 片内含4k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器 (RAM) , 器件采用A T M E L公司的高密度、非易失性存储技术生产, 兼容标准MCS-51指令系统, 片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。许多控制系统提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用他的片内资源, 即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。
2.1 按键控制电路设计
本设计中采用独立按键控制, 其功能主要是控制系统的启动和停止及工作模式的选择。其中, 按键1功能为:控制正向防撞预警系统的启动;按键2功能为:控制自动泊车系统的启动;按键3功能为:倒车雷达系统的启动;按键4功能为:各个工作模式的停止控制。
2.2 数码管显示电路设计
采用四位数码管显示超声波测出障碍物的距离。由于在该系统设计中I/O口较为紧张, 故采用数码管动态扫描显示, 并采用两个74HC573AN锁存器分别进行位码和段码的锁存, 而达到以最少的I/O接口, 实现1-8位的数码管动态显示。
2.3 报警电路设计
本设计中设有警戒距离报警功能, 即小于安全距离时进行声音报警, 提示司机采取相应措施。由AT89C51的P2.3提供蜂鸣器的控制信号。
2.4 转向指示灯电路设计
在汽车运行时, 本身的相关运行状态对其他驾驶者也具有很大的影响, 故本方案设有对汽车前转向灯及后转向灯的控制以反映该车的运行状况。其中L E D 1、LED2代表汽车的前侧左右转向灯;LED3、LED4代表汽车尾部的左右转向灯及减速警示灯。
3 系统软件结构设计
3.1 系统程序设计方案
本设计中超声波准确测距是重点。由DYP-ME007超声波模块的工作原理和时序图可知, 对回响信号的检测及回响信号持续的时间的测量至关重要。
超声波模块的测量距离与其测量周期有很大的关系。由DYP-ME007超声波模块的时序图及其使用说明可知, 模块的测量周期推荐为60ms以上。
系统的显示部分采用的数码管动态显示。为保证其显示效果亮度均匀, 需要准确的设定其数码管扫描时间。
系统中对直流电机的调速采用P W M调制调速方式。应由A T 8 9 C 5 1单片机提供P W M控制信号。
其系统功能模块图, 如图1。
3.2 主程序流程设计
软件部分主要分为两部分, 主程序和中断服务程序。
主程序主要完成定时器等的初始化、按键的扫描及各个工作方式的启动和停止控制。
由分析可知, 在主程序中需要对定时/计数器T0、T1进行初始化, 并通过按键扫描选择系统工作模式并控制各个工作模式的启动与停止。主程序流程图, 如图2。
3.3 中断服务程序设计
3.3.1 定时器T0中断服务程序设计
中断服务程序的主要程序完成DYP-ME007超声波模块循环的启动、时间值的读取、直流电机P W M调速控制、结果的动态扫描显示等工作。其中定时器0中断服务程序主要是判断定时器0是否溢出, 若溢出, 则说明未遇到障碍物或测距错误, 此时, 均按未测得结果处理。其中断服务程序如下:
3.3.2 定时器T1中断服务程序设计
定时器T1中断服务程序主要完成DYP-ME007超声波模块循环的启动、时间值的读取、直流电机P W M调速控制、结果的动态扫描显示及其重新装入初值等工作。其中断服务程序如下:
3.3.3 显示子程序设计
本设计采用两个74HC573AN锁存器分别进行位码和段码的锁存, 实现数码管的动态扫描显示[2]。其显示子程序如下:
3.3.4 直流电机PWM调速子程序设计
本程序设计用宏定义Speed定义速度等级, 即PWM脉冲数, 通过调节脉冲开启的时间 (PWM_ON) 对直流电机进行调速控制[3,4]。其源程序如下:
3.3.5 超声波模块启动控制程序
由超声波使用说明得知超声波模块启动条件为:模块的控制端 (Trig) 应输入一个10us以上的高电平。考虑到超声波模块的最大测量距离与其测量周期有关, 测量周期越大其测量距离越远, 但系统反应将会变得迟钝。综合以上考虑, 本方案设定测量周期为100ms。其源程序如下
3.4 正向智能防撞预警系统程序设计及流程图
正向智能防撞报警系统主要完成的功能是:测量汽车前方障碍物距离并显示。使用DYP-ME007超声波模块时, 只需读取接收端 (Echo) 输出的PWM高电平信号, 回响信号是一个与脉冲宽度成正比的距离对象, 可通过发射信号的时间到收到回响信号的时间间隔计算距离[5]。超声波测距流程图, 如图3。
3.5 自动泊车系统程序设计
自动泊车系统的原理是:在司机将车停在停车位适当位置时, 启动自动泊车系统, 系统实时监测并显示后侧障碍物距离, 自动将车按照设定的轨迹倒入停车位。[6]根据顺列式泊车步骤, 编制其流程图, 如图4。
3.6 倒车雷达系统程序设计
本系统能以声音和显示告知驾驶员周围障碍物的情况, 解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰, 并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷, 提高驾驶的安全[7]。本系统采用声音报警, 并具有两级报警功能, 其程序流程图, 如图5。
4 结束语
本次系统软件部分联机调试均在LY-51S V2.0单片机开发板进行。该实验主板集成U S B转串口芯片PL2303, 只要1根usb线就可以实现供电、下载、通讯一体。本次设计能够正确显示前方障碍物距离, 较近距离精确度在±1cm以内, 较远距离在±3cm以内, 能够测试距离在1cm到450cm之间, 基本能满足在玩具车底盘上测试要求。同时能够按照设定的程序线路完成顺列式泊车, 其间指示灯显示正确。进入危险区后, 减速并报警, 进入避障区后, 能够减速转弯, 指示灯显示正确;到达制动区后, 小车制动停止, 指示灯显示正确。
摘要：主要设计了以AT89C51单片机为核心的一种低成本、高精度、微型化, 并有数字显示和声光报警功能的智能防撞报警系统。包含有智能防撞报警系统, 包括正向防撞预警系统、自动泊车系统和倒车防撞雷达系统。该系统利用超声波进行测距, 性能可靠, 增强了驾驶的安全性, 同时也提高了泊车和倒车时的安全与效率。
关键词：AT89C51,超声波,测距,防撞预警,倒车雷达
参考文献
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基于DSP的红外车载防撞系统 篇6
1 防撞预警系统概述
防撞预警系统总体上由红外成像子系统，处理器子系统，显示和预警子系统构成。
红外成像子系统包括：红外光源，普通黑白CCD图像传感器，图像视频采集模块组成。在系统开启的情况下，该子模块会向车辆前方发出多束红外光线，红外光线遇到前方物体后发生反射，CCD图像传感器捕获反射回来的红外光线，由其后方的图像采集模块进行模数转换，提供给处理器子系统。
处理器子系统包含DSP数字信号处理器和通用微处理器两部分;在实际项目中，选择德州仪器集成DSP和ARM的OMAP3530芯片，在物理上虽然是单个芯片，但在逻辑上，仍然是DSP和通用微处理器两部分构成。DSP将前端成像子系统的数据一方面进行物体跟踪算法处理，产生的数据用作微处理器部分的软件逻辑数据来源;另一方面将数据进行基础的校正，测温和滤波处理后，传递给显示子系统展现给用户。
微处理器模块直接控制显示和预警子系统。微处理器模块中运行有防撞系统的核心软件：防撞击专家决策分析系统。该系统以汽车防撞击安全距离模型及汽车制动数据作为依据，将DSP处理后的数据作为输入，经过计算后，产生安全距离警示，并根据速度变化实时提前4～5秒进行预警。预警信息体现为显示警戒距离及声音报警。
基于DSP的红外车载防撞系统组成如图1所示。
2 系统设计
2.1 红外成像子系统设计
红外成像部分，实验模型中红外光源选择了基于LED的可调功率发光组件。相对于卤素灯，LED具备寿命长的特点，利用散列方式排放的LED，使用850nm的波长，可以做到100—150米范围内的物体监测，满足车辆运行的基本要求。通过调整LED发光组件的功率，可以提高其距离。同时，由于该组件和CCD模块没有必然联系，在特殊的场合，可以配置成熟的卤素灯红外照明方案。
红外光属于不可见光。而黑白CCD图像传感器具有更宽宽的感光光谱范围，对波长为760—1100nm、人眼不可见的近红外光也有一定的光谱响应。利用此特性，可以在夜间无可见光照明的情况下，利用物体对红外光源照明的反射，可以使CCD图像传感器清晰地成像。
图像和视频采集模块选用CPLD和视频编码器SAA7114H构成。CCD传感器输出的PAL制模拟信号，通过视频编码器，转换为数字信号，然后通过CPLD转换相应的时序，接入到处理器的数字摄像头接口。
2.2 处理器及显示子系统设计
处理器选择了TI公司最新出品的OMAP3530芯片，该芯片具备600MHz的contex-A8架构的ARM内核和一个430MHz的C64x DSP。由于其超标量的架构设计，其主CPU可以提供1200DMIPS的运算性能，同时该处理器集成2D和3D图形加速引擎，可以提供高速流畅的图形显示能力。其主体架构如图2所示。
在基于OMAP3530的硬件子系统中，外部引出3个USB主接口，用于为此系统提供加载U盘功能，软件更新功能;引出3个串口，用于系统调试及外接GPS等装置的扩展。同时，该芯片为微功耗设计，可以使用5V的供电电路。
OMAP3530内置LCD控制器，此处选用OLED的7寸液晶屏作为显示终端，并配置支持多点触控的电容触摸屏。同时，引出标准数字音频接口，用以输出告警音。
2.3 软件系统设计
该系统采用基于Linux 2.6.32的最新内核构建，使用基于硬件2D/3D加速模块的Qt/e 4.6跨平台图形系统。基于2.6.32的Linux系统，在构建内核时选择了相关的实时选项，做的对外部事件和中断的快速响应，并保证图形，声音预警的及时播报。
系统启动后，首先初始化硬件外设，加载运行参数及专家知识库，显示主菜单，等待用户启用预警系统。用户通过菜单启用预警系统后，系统通知红外成像子系统开始采集数据，然后进行逻辑计算，最后由专家决策系统根据情况进行判断。其软件运行流程如图3所示。
图形显示部分，采用基于C++的跨平台图形库Qt来完成。该系统中的图形绘制由统一的名为DisServer的程序完成。DisServer接受外部模块传入的参数和数据，命令，根据命令要求显示不同的数据，命令协议定义表1所示。
3 算法和决策系统设计
3.1 运动跟踪的关键算法实现
该系统的算法包括图像识别，过滤，区域分割，运动图像跟踪等技术。其中，运动图像跟踪是其中的要点，运动图像跟踪，是通过对传感器拍摄到的图像序列进行分析，在图像中检测出前方运动的车辆，并在随后各图像帧中估计目标在图像中的位置。在车辆预警系统中，重要的不仅是需要跟踪车辆的运动轨迹，而且要监测车辆的位置变化信息和速度信息。
运动跟踪首先应该解决目标的确认问题，在此项目中即对车辆的特征识别。在机器视觉领域，模拟人力视觉的模型，需要对特征物体总结其特征模型，公路上行驶在前方的汽车具有的特征(后视)如下：
1)大致为正梯形，宽度在1米到2米之间，高度在1米到3米之间;
2)红外图像中车牌，车身，保险杠，后车窗呈现明显的边界特点;
在实际项目中，我们借鉴了OpenCV项目中一些成果，使用光流法来计算物体移动的速度。光流指的是运动物体在观测成像面上像素运动的瞬间速度。而光流场是指图像灰度模式的表面运动。其原理要点是首先在一帧图像中找到一些特征评估点，然后再后续图像中找到相同的特征评估点：在采集的图像P1中，若存在有特征点[δx,δy]T;在其下一帧图像P2中，对应的特征点为[μx+δx,μy+δy]T，使ω最小，则有：
其中，x,y为红外成像中像素点的相对坐标。
根据此公式，结合DSP进行红外图像光流算法实现，就可以得到实际运行汽车的速度信息。
3.2 道路及障碍物检测算法
系统中除需要对车辆进行监控外，也需要对道路和障碍物进行检测。障碍物可能包含静止的车辆或其它物体。在项目中，确认障碍物，其特征参考物为路面，所以首先需要根据特征识别法识别路面区域，主要的依据是：
1)道路的颜色、纹理以及道路边缘的方向和长度;
2)公路车道线的频谱特征。
运用特征检验方法，首先预测当前的道路前方区域，然后使用Canny边缘检测算法，Hough参数的变换估计步骤，即可完成道路信息的提取。
确定道路区域后，运用光流法和区域特征算法对前方非道路区域进行扫描计算，如果发现距离越来越近的物体靠近，可认为为障碍物，并发出报警信息。
3.3 专家决策系统设计要点
专家决策系统是防撞预警系统的核心。DSP经过对道路、障碍物的检测，以及对前方车辆速度的计算后，同时得到大量的数据。这些数据中包含的信息，必须经过过滤和重叠的逻辑计算才能确认是否需要告警，专家决策系统的主要功能就在于此。
专家决策系统的数据库中，存在许多先验知识，正是在这些先验知识的参考下，决策系统对采集和计算后的数据进行判断，确定告警内容及级别。
其中存在的先验知识库有如下内容：
1)本车的制动过程数据，包括制动时间，制动方法，制动距离计算等;
2)各种路面类型的信息，以及用户对当前路面的选择设置，道路附着系数参数;
3)预置的各种天气状况，存放各种天气数据，输入项由用户选择或从车内其它探测仪获取而来;
4)车辆类型数据，包含各种类型车辆的后视数据，长宽及底盘高度等，用以作为前方车辆类型的判别依据，也可作为预警和提示驾驶动作的依据;
5)红外光学系统的参数，用以确定当前红外光源及CCD镜头的性能和参数信息，作为预警提前量的参考数据。
6)其它系统设置，用户设置数据。
4 结论
项目实践证明，使用DSP能够很好解决防撞预警系统中的各种算法实现，特别是基于OMAP3530的多核架构，能够在极低的功耗条件下提供强大的运算能力，保证了红外图像采集，图形及声音预警的实时性。而基于此构建的算法系统及决策系统，应用视觉识别技术，能较好的解决雾天及夜晚汽车高速行驶中的防撞预警，具有较为广泛的应用推广前景。
摘要：汽车主动安全技术用以保证驾驶员及乘客能提前预知危险,并作出相应防范措施。利用红外光源的数字成像技术,结合基于DSP的图像处理,目标检测和追踪算法,实现对前方车辆位置、方向、相对速度等参数指标的实时获取,经处理后将参数输入专家决策系统,最终产生对汽车乘员的视觉及听觉预警报告,指导乘员作出应对措施。由于红外成像技术的广泛适应性,该系统可以应用于各种复杂的昼夜气候状况。
关键词：DSP,汽车安全,防撞
参考文献
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关于汽车防撞系统的自动化研究 篇7
关键词：汽车,安全,防撞系统,自动化
1 汽车自动防撞系统的重要性
在我国, 道路交通事故已经成为了社会的一大公害, 严重影响着人们的正常生活与经济的增长。目前, 我国在汽车安全的系统的研究上已经取得了一定的进展, 从我国道路交通事故的统计数据可以看出, 在最近五年, 我国交通事故的次数、受伤人数与经济损失呈现下降的趋势, 但是这并不能说明汽车的安全系统已经足够完善, 因为每年车祸的总量依然是非常巨大的。为了减少汽车事故的发生, 世界各国纷纷投入了巨大的人力物力与财力。一方面, 政府不断的指定与完善汽车交通法规, 提高人们的安全意识。另一方面, 积极开发汽车安全系统。目前已知的汽车安全系统分为主动安全系统与被动安全系统两种。主动安全系统是指防抱死制动系统、紧急刹车辅助系统等这类传统的汽车安全系统。这些系统可以使得汽车的行驶更加稳定, 缩短制动距离, 减少汽车的碰撞率。但是这些系统必须在人工控制的状态下才能发挥出作用, 没有办法预测和准确避免交通事故的发生。被动安全系统是指安全气囊、儿童安全座椅、安全带等这类安全系统, 这类安全系统的作用仅仅是减少车祸所带来的损失, 并无法避免交通事故的发生。因此, 研制一种主动安全系统, 为司机提供自动报警与辅助制动的服务, 可以弥补现有安全系统中存在的不足, 不仅有利于维护人们的生命与财产安全, 而且其发展前景也非常广阔。有着巨大的现实意义和市场价值。
2 目前国外对汽车防撞系统的研究状况分析
对于汽车自动防撞系统的研究, 开始于上个世纪中后期。当时, 一些汽车工业发展较快的发达国家对于该系统的研发投入了大量的精力, 但由于当时的物理水平与硬件因素的影响, 一直没有取得很大的进展。知道20世纪后期, 德国奔腾公司发起了“普罗米修斯”计划, 才让几乎进入停止状态的汽车安全系统的研究焕发出新的活力。这次计划使得雷达系统成为了各个机构研究的重点内容, 而且在其它技术支撑的前提下, 该系统发展十分迅速, 使得德国成为从事该领域研究的最早国家。奔驰公司将距离自动控制雷达安装在了最新型的Benz6005轿车上, 这种雷达可以在40km~160km的时速范围内自动调节车速。根据车的行驶速度与周围的环境情况自动调节车距, 当车距过近时, 该系统可以实现自动化操作, 降低汽车的行驶速度, 进而有效地避免了车辆碰撞事故的发生。另外, 关于汽车自动化防碰系统的研究, 一直是德国沃尔沃公司的研究重点, 在2006年正式开发出自适应带刹车辅助的碰撞警示系统和巡航控制系统, 而在2007年, 又相继推出了驾驶员警示控制系统、车道偏离警示系统和带自动刹车功能的碰撞警示系统。美国在该领域的研究相对较晚, 但汽车安全系统的发展速度是最快的, 到目前为止, 美国汽车具备的自动化防碰技术处于世界前列。当前, 美国已实现了智能车辆的交通系统的开发, 其中车辆控制系统的开发是该系统的技术难点和重点。预警系统和车载雷达探测是防碰预警系统的主要运用领域, 该系统采用了先进的自动毫米波雷达, 成功的将军事防御雷达巧妙的运用在了商业产品中, 而且性价比也非常高。
3 国内目前的研究状况
目前, 我国对汽车自动防撞系统的开发仍处于初级阶段, 技术含量远不及发达国家, 且研究的范围相对有限, 主要由大型汽车企业和科研院校承担, 对这方面的技术还处于探索的阶段。
3.1 模糊控制理论
这一理论指的是把模糊理论, 模糊语言变量和模糊逻辑推理的相关技术运用在控制系统中, 这样, 整个控制系统就可以有和人接近的思维方法, 可以在一定程度上对汽车做出和司机一样控制。这种技术可以把人的思维与判断运用相对简单的数学形式表达出来, 虽然目前还处于研制的阶段, 但是这种技术一旦成熟起来, 必将被业界广泛的运用。在自动控制领域中, 把人的思维与控制技术整合到自动控制系统中, 是对于汽车自动话防撞系统研究的又一大突破。模糊控制的基础是模糊集成论, 其使得语言表达的专业知识更易获取, 进而方便了精确模型的建立, 即使是完全凭经验的可控系统也可以得到了有效的控制。而在整个过程中, 神经网络的仿生特性实现了系统中各种信息的有效利用, 而且任意的函数关系都可以通过神经网络映射出来, 有着一定的自学习能力和并行处理能力。整个系统中, 神经网络与模糊逻辑相辅相成, 模糊逻辑描述高层的逻辑框架, 而神经网络则可以处理低层的感知数据。
3.2 基于模糊理论的汽车自动防撞研究情况
报警提醒:司机在驾驶汽车时, 智能报警系统可以实时向司机显示行驶的车速, 前的车辆情况以及可能存在的威胁。当车速过快或与前方车辆的距离太近时, 防撞系统就会提醒司机前方有危险情况, 从而避免可能发生的车祸。跟踪识别:运用先进的雷达识别系统, 及时的检测车辆前方的动静态目标, 对前方的障碍物进行智能的计算与分析, 推断出前方障碍物的危险程度, 若前方的障碍物直接威胁到了本车的安全, 而司机又没有及时的采取相应的措施时, 雷达便会将采集的数据直接转换为可执行信号, 避免灾害的发生。减速刹车:在汽车突然遇到危险时, 系统可以制动执行从中央处理系统发出的制动命令, 将汽车快速的减速、刹车、停车等, 最大程度上避免车祸的发生。基于车速和大气情况, 进行路距的探测, 且汽车自动防撞系统会启动中央处理器, 对实际的探测情况进行处理。原车的结构不会因为制动性能而发生改变, 也不会对原车的制动性能产生影响。当汽车在行驶中发现有对车构成威胁的障碍物时, 汽车的自动防撞器可以实现自动报警、减速、制动等一系列的动作, 以避免汽车与障碍物发生碰撞。对于后车追尾碰撞的提前预警, 汽车的后刹车灯提前亮, 提醒后车司机注意。并且本车会给后车预留制动的一段距离, 以避免汽车追尾事故的发生。
4 现在设计的不足以及可以改进的方面
在研究的过程中, 所谓的安全距离是假设前方有静止的车辆, 根据静止状态下的车辆分析出来的, 而在我们的实际过程中, 周围的环境往往是复杂多变的, 这使得现在的研究将更多的因素考虑进去。例如, 车辆从静止状态突然开动, 车辆从开动的状态突然静止, 车辆处于加速或减速状态等环境下, 都应该模拟出来, 并最终得到正确的研究数据, 安全距离模型应该是可以在任何条件下都可以做出正确判断的系统, 否则, 一旦判断失误, 获取会给人们造成更大的生命与财产安全。整体研究中, 有部分理论性的东西并没有完全在实践中得到证实, 这需要反复的做实验, 才能最终得到正确的数据。
5 结论
随着道路交通状况的日益复杂, 汽车自动防撞系统的研究也将会面临更多的问题, 对于此车自动化防撞系统的研究, 只有将理论与实际结合起来, 及时的发现研究中可能存在的问题并认真解决问题, 才能让汽车自动防撞系统真正造福于人类。
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高架单轨观光车防撞系统的研究 篇8
关键词：高架单轨观光车,视觉,防撞系统,安全距离
高架单轨观光车是指用于景区旅游观光或小区域特色专用运输的小型单轨交通系统, 有别于城市轨道交通, 其速度基本在15km/h以下, 多为人工驾驶, 其控制系统相对简单, 无相应信号系统。当多车在同一环形轨道上运行时需要考虑安全运行距离, 以防止碰撞给设备和游客带来伤害。
传统的防撞一般采用红外线对射、超声波对射、激光扫描雷达, 但是由于观光车一般运行在山区, 轨道为箱型钢轨, 且运行轨道存在>20米的弯曲半径和<10%的坡度, 其运行环境 (主要指雨雾、强光、轨旁树木花草、户外高温、不规则的风、振动、防护栅栏、弯道) 易使其产品误动作或者检测不到。近年随着机器视觉的发展, 让其识别特定的标识物, 并根据相应的特征参数计算出距离, 可以有效地防止误动作, 提高了防撞系统的可靠性、准确性。
1传统的防撞方式
传统的防撞方式一般是在高架单轨观光车的车头、车尾 (运行在其前方的车) 安装红外线/超声波接收、发射装置或者激光扫描雷达。采用对射的方式主要是为了避免其他物体的反射, 使其产生误动作。
器件关键参数的选择。高架单轨游览车的正常制动距离≤15m, 紧急制动距离≤7.5m, 故其安全运行距离选择在30m。根据轨道拐弯半径及其坡度计算其视角应当±43° (见图1) 。
故器件的关键选型参数为:工作距离7.5~30米, 视角45°。
防撞系统的基本工作原理 (详见图2) , PLC根据器件反馈的距离, 对变频器做出相应的动作指示, 防撞系统动作如表1所示。
传统防撞方式的试验结果如下。
相应器件安装在观光车上后, 按照15km/h在试验线上运行, 试验运行结果如下表2。
红外线主要对强光、高温、振动敏感, 易产生误动作, 且前后车更换后需要重新调整安装位置。超声波在提高安装高度后, 主要对不规则的强风敏感, 易产生误动作, 而且前后车更换要调整位置。激光扫描雷达主要对轨道旁的花木、及其周边防护墙体等无法识别, 容易产生误动作。
为了适应弯道和距离等工况需要, 相应器件的工作距离和视角都较大, 可以选择的范围收到限制。
为保证车辆的顺畅运行, 避免紧急制动给游客带来的恐慌, 以上防撞方式存在缺陷。
2机器视觉防撞系统
机器视觉系统是指通过机器视觉产品将被摄取目标转换成图像信号, 传送给专用的图像处理系统, 根据像素分布和亮度、颜色等信息, 转变成数字化信号;图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征, 进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。
2.1系统构成
摄像机:拍摄频率25Hz, 视角45°, 视距>30米。此方案中为了安装方便, 将光源加在摄像机侧。
工业计算机:防震动, 计算输出响应时间≤20ms。
检测目标:前方车辆尾部的本公司的LOGO (公司在输出产品时均会在同一位置喷绘本公司LOGO) 。
与控制系统接口:根据计算软件得出的距离参数, 动作输出同表1, 相应输出3个继电器信号。考虑到该信号为安全信号, 继电器信号为常闭点, 且进行组合使用, 用BOOL形式表示如表3。
2.2试验结果
将该系统同一试验轨道上运行, 系统受强光、轨旁树木花草、户外高温、不规则的风、振动、防护栅栏、弯道等干扰小, 能保证无误动作, 且其测量距离误差为±25mm, 满足高架单轨观光车的要求。
雨雾情况下, 在能见度50m时, 能有效识别并准确动作。
3结论
高架单轨观光车的防撞存在难点, 主要是由其运行环境因素造成的, 传统的防撞方式在一般工业环境中均可以有效地进行防撞, 器件应用跟环境的匹配极其重要。
通过试验研究, 机器视觉在高架单轨观光车防撞系统中具有优越性, 尤其是在前后车更换时, 无需调整高度, 均能有效地识别前车特定标识物, 即本公司的logo。同时具有准确性, 可以准确排除其他的干扰物, 即保证车辆运行的安全距离同时也能防止误动作。继电器输出采用常闭信号, 且组合输出, 有效避免了因器件、线路故障而带来影响。准确、可靠的高架单轨观光车防撞系统为旅客安全、无恐慌的观光旅程提供了保障。
参考文献
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