CN101885336B - 智能型电机车防撞系统 - Google Patents

Abstract

智能型电机车防撞系统，由红外发射单元、红外接收单元、主控制单元、执行单元、声光报警单元和液压制动单元组成，主控制单元主要包括单片机IC(AT89C2051)，红外接收单元与单片机输入端相连，单片机输出端一路分别与声光报警单元和液压油泵连接，一路控制比例电磁阀的开启量。本发明结构简单，设计合理，当发生撞车危险前能够自动实现迅速而平稳地停车，彻底避免煤矿井下轨道运输过程中发生的电机列车相撞事故，极大的降低了因此造成的经济损失和社会影响，提高了煤矿的安全系数和生产效率。

Description

智能型电机车防撞系统

技术领域

本发明涉及一种机动车安全装置，特别是涉及一种矿山井下水平大巷中的电机车防撞系统。

技术背景

随着煤炭事业的飞速发展，煤炭市场的持续高涨，与煤矿的原煤生产紧密相关的井下大巷运输也越来越繁重，通常采取增加运输车辆和车次，或者提高车速等措施来适应。但是，因此也带来了许多不利因素和安全隐患，特别是因为电机车司机注意力不集中，反应迟钝，观察判断失误或疲劳瞌睡，不负责任以及道岔错位、误打切道岔等原因，大巷轨道运输电机车迎面相撞和追尾事故时有发生，特别是迎面相撞事故，由于极大的动力和惯性，造成的后果非常严重，可能会损毁轨道、路基、车辆和运送的设备，甚至会造成冒顶塌方、火灾瓦斯事故。若是运送人员的车辆相撞后果更为严重，将造成大量人员受伤。而目前电机车的制动一般都是人工操作电阻制动和手闸制动两种，刹车时易产生剧烈抖动或刹车过猛而造成人为事故。机车相撞事故一旦发生危害巨大，后果惨重，极大地影响了煤矿企业正常有序的安全生产。

目前大多电机车的防撞装置是靠弹性碰头被动地缓冲和吸收部分碰撞能量来减轻撞击危害的，但真正发生机车相撞时其防撞作用是微不足道的。市场上或技术类刊物上介绍有许多关于公路机动车防撞报警或刹车装置的产品和文章，但实际使用的却很少。首先，他们的共同点都是利用红外线、超声波、激光、无线电等发生器发出的信号被反射回来，接收器对接收到的信号进行判断处理，然后报警或利用马达刹车。但是由于煤矿井下环境特殊、巷道狭窄，轨面潮湿，岔道弯道较多，巷壁距道轨最大不足1米。电机车行驶到弯道和岔巷时，安装在电机车自身的发射器发出的电磁波或光线很容易被巷道墙壁或临道过往车辆反射而造成刹车装置误报警误动作。其次，刹车装置靠手闸、电机杠杆等机械机构制动，反应速度或慢或急，制动不平稳，同样容易导致车辆掉道或设备损坏，甚至造成人员受伤。所以，此类刹车装置不适宜煤矿井下，还可能留下安全隐患。

发明内容

本发明的目的是解决和预防煤矿井下因电机车司机注意力不集中，反应迟钝，观察判断失误或疲劳瞌睡，不负责任以及道岔错位、误打切道岔等原因而发生的大巷轨道运输电机车迎面相撞和追尾事故，特别是迎面相撞事故，提供一种智能型电机车防撞系统，以彻底杜绝此类事故的发生，为矿山安全生产保驾护航。

本发明的智能型电机车防撞系统由红外发射单元、红外接收单元、主控制单元、执行单元、声光报警单元和液压制动单元组成。

其中，红外发射单元由编码调制器1、载波振荡器2、电子开关3、放大器发射管4和聚光透镜40组成，独立安装在电机车的前后两端，用于连续发射不同编码的红外线波；红外接收单元为红外接收器5，安装在电机车的两端，用于接受前面车辆射来的红外线波，并提供给单片机进行处理分析。

主控制单元由单片机IC(AT89C2051)、时钟电路7、复位电路8、手动制动按钮9、稳压电源21以及霍尔速度传感器6组成，执行单元由第一光电隔离器10、第二光电隔离器18、D/A转换器14、模拟放大器15组成，红外接收器5接入单片机IC的输入端P3.1；霍尔速度传感器6与单片机IC的输入端P3.2相连，用于实时监测电机车的当前速度，时钟电路7接入单片机IC的输入端X1、X2；单片机IC的输出控制端P1.0、P1.1经第一光电隔离器10隔离后分别与声光报警单元的声光信号放大器11和液压制动单元的液压油泵12相连，输出端P1.2经D/A转换器14、模拟放大器15放大后连接液压制动单元的比例电磁阀16，控制比例电磁阀16的开启量，输出端P1.3经第二光电隔离器18隔离后与液压制动单元的电机车控制器19相连，以便及时切断电机车的电源；复位电路8和手动制动按钮9分别连接单片机IC的输出控制端RST和P3.0；稳压电源21的电源取自电机车控制电源，经稳压后输出+5v和+24v，分别与单片机的电源端VCC以及各功能电路的电源端相连，以提供可靠的稳压电源。

声光报警单元由声光信号放大器11和报警器13构成。

液压制动单元由油箱21、液压油泵12、比例电磁阀16、溢流阀24、液压油缸27、单向阀25、卸压阀28、过滤器22组成，在单片机IC的控制和液压油泵12的驱动下，油箱21内的压力油经过滤器22、单向阀25到达比例电磁阀16，经比例控制后以一定的流量注入制动油缸27，从而使制动闸按预设的压力进行制动，同时压力表26指示出当前的系统压力。当按压复位按钮8后，单片机IC使液压油泵12停转，卸压阀28打开，油缸27内的压力油经卸压阀28流回油箱21，系统松闸复位。液压油泵12启动而尚未制动前，在保证足够制动压力的前提下，压力油通过溢流阀24流回油箱21。

本发明的智能型电机车防撞系统由红外测距、单片机控制、声光报警、液压制动等单元部分组成，结构简单，设计合理，与新旧型号电机车安装连接方便，当发生撞车危险前能够自动实现迅速而平稳地停车，彻底避免煤矿井下轨道运输过程中发生的电机列车相撞事故，极大的降低了因此造成的经济损失和社会影响，提高了煤矿的安全系数和生产效率。

本发明的智能型电机车防撞系统采用红外线作为距离探测光源，抗干扰能力强，可靠性高，不受电机车大灯、巷道照明、工人矿灯以及其他电磁波的干扰，将红外发射器和接收器分体安装，不会因车辆或巷道墙壁反射信号而误动作。

本发明的智能型电机车防撞系统运用单片机IC(AT89C2051)作为主控制器，利用其超强的数据运算和信息处理能力，根据电机车的当前速度和相对距离自动计算出所需系统制动压力和刹车距离，真正实现了智能化和自动化的目的，极大地提高了系统的可靠性、稳定性和智能化水平，使电机车运行获得更安全的保证。

当电机车驶入前方红外线的不同射程内时，本系统能自动依靠单片机对电机车当前运行速度和相对距离进行运算并与设定值进行比较判断，来发出声光报警信号，必要时启动制动程序控制比例电磁阀的节流，使撞车危险发生前实现软制动，刹车既迅速又平稳，保证了人员和车辆设备的安全，不至于因剧烈碰撞和刹车过猛造成二次不必要的人员和设备损失。

附图说明

图1为本发明智能型电机车防撞系统的结构框图；

图2为图1中液压制动单元的结构图。

具体实施方法

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

首先，《煤矿安全规程》规定：“2机车或2列车在同一轨道同向行驶时，必须保持不少于100米的距离。运送人员时列车的制动距离不得超过20米”。其次，井下大巷弯道一般最小曲率半径在25米左右。因此，本系统按最危险的同一轨道相向行驶来计算并设定系统参数。红外发射单元中，三个放大器发射管的发射距离分别调整为报警距离80米、一般制动距离50米、紧急制动距离7米三种。

考虑到煤矿井下环境潮湿，特别是夏季，轨道面粘着系数更低，很容易打滑，所以电机车的制动距离设定为报警、20米、2米三种，这样列车制动后仍留有一定的缓冲距离，防止打滑影响机车的制动效果。根据三角函数公式

(其中α为最大光束半径，b为光束射程即最大发射距离)算出红外线管发射角度分别为44′、68′和8°，即每个发射管的最大射程为80米、50米、7米时，最大光束直径均为1米(电机车的宽度)，光束正好覆盖了电机车端面，又不影响到其它车辆，保证了灵敏度和可靠性。

根据单片机每一时刻只能处理一路信号的特点，将每个发射管的高频调制脉冲的占空比控制在1/3以下，使其依次轮流工作，既减小了工作电流，降低了功耗，又不使信号相互干扰，造成误测，提高系统的可靠性。

根据《煤矿安全规程》井下最高限速直行道5m/s、弯道2m/s的规定，在程序参数设定时要求：当电机车进入设定的制动距离时，单片机按公式a＝-v²/2L计算刹车加速度(其中v为当前车速，L为最大制动距离)，即单片机将刹车加速度自动控制在0.6～4m/s²之间，并发出制动指令，调节比例电磁阀控制制动压力，使列车在规定位移内平稳地制动停车。

红外发射单元的编码调制器1的三种不同编码信号对38Khz的载波信号进行调制，产生三种不同频率的调制信号送至放大器发射管4，以驱动三个红外发射管发射出三种不同编码的红外线。根据单片机每一时刻只能处理一路信号的特点，三路放大器由电子开关3控制其依次导通，保证每一时刻只有一路发射管工作，这样既减小了工作电流，降低了功耗，又避免了信号相互干扰，造成接收器5误测。

通过对放大器发射管4d的发射管选型和调整放大器发射功率，使发射距离分别为S1＝80m，S2＝50m，S3＝7m；通过调整各自聚光透镜40的焦距，使光束射角分别为α₁＝44′，α₂＝68′，α₃＝8°，使每个发射距离的临界处光束直径都是1米，正好覆盖住电机车的端面，既保证了接收，又防止了对相邻车道车辆的干扰。红外发射单元安装在电机车的前方照明大灯下方和后面尾灯下方的适当位置，由于井下轨道运输电机车双向行驶不分头尾，所以机车两端都分别安装有红外发射单元和红外接收单元。红外接收单元安装在电机车上与红外发射单元正对的位置。

放大器发射管4不间断地依次向前方发射着三种不同射程不同编码的红外线波，以利单片机接收并判断电机车当前所处的位置，然后发出相应的报警或制动指令。

当电机车由于某种原因在同一轨道行驶而进入前方车辆的报警距离S1(80m)时，红外接收器5将接收到的前方电机车发出的红外信号迅速传送到单片机IC，由单片机进行数据处理，分析判断后，经第一光电隔离器10分两路输出，一路接通电机车声光报警单元，报警器13发出声光报警，以提醒本车司机和对面电机车司机，注意减速慢行，保持车距；一路迅速启动液压油泵12，为刹车作准备。如果车辆减速，退出报警距离后，系统自动解除警报，断开液压油泵12电源。

如果电机车没有减速，仍继续前进，进入一般制动距离S2(50m)时，红外接收器5把接收到的红外信号传送给单片机IC，单片机IC识别到是制动信号后，立即发出指令，指令信号经第二光电隔离器18切断电机车控制器19，主电机断电，使电机车处于滑行状态。同时立即与霍尔速度传感器6反馈的当前车速进行运算，对比分析，然后按照预设的制动加速度发出制动指令，控制电流经D/A转换器14、模拟放大器15放大后调节比例电磁阀16的开启量，自动调整制动油缸27的制动力矩，使制动油缸27的输出压力逐步增加，在20m内实现平稳停车。

如果电机车在弯道或远距离视线被遮挡的情况下发现前方车辆时，已经进入紧急制动距离S3(7米)，即两车相距

米左右(其中R为轨道曲线半径)，此时红外接收器5接收到对方发来的紧急制动信号后，单片机IC立即发出紧急制动指令切断电机车控制器19电源，以较陡的制动加速度控制比例电磁阀16打开，较大的制动力矩使电机车在2米之内迅速刹车。同时又能防止因紧急刹车导致制动闸包死现象。

电机车制动后，需按压复位按钮8才能使系统发出解除制动指令，使卸压阀28打开，制动闸在复位弹簧的作用下松开复位，退出制动状态。

本系统中，手动控制采用中断控制方式，使手动控制优先于自动控制。按压手动制动按钮9就可随时进行一般制动，省去转动刹车手轮的繁琐操作，方便快捷。

Claims (1)

1.智能型电机车防撞系统，其特征是由红外发射单元、红外接收单元、主控制单元、执行单元、声光报警单元和液压制动单元组成，其中，

红外发射单元由编码调制器(1)、载波振荡器(2)、电子开关(3)、放大器发射管(4)和聚光透镜(40)组成，独立安装在电机车的前后两端，用于连续发射不同编码的红外线波；红外接收单元为红外接收器(5)，安装在电机车的两端，用于接受前面车辆射来的红外线波，并提供给单片机进行处理分析；

主控制单元由型号AT89C2051的单片机IC、时钟电路(7)、复位电路按钮(8)、手动制动按钮(9)、稳压电源(21)以及霍尔速度传感器(6)组成，执行单元由第一光电隔离器(10)、第二光电隔离器(18)、D/A转换器(14)、模拟放大器(15)组成，红外接收器(5)接入单片机IC的输入端P3.1；霍尔速度传感器(6)与单片机IC的输入端P3.2相连，时钟电路(7)接入单片机IC的输入端X1、X2；单片机IC的输出控制端P1.0、P1.1经第一光电隔离器(10)隔离后分别与声光报警单元的声光信号放大器(11)和液压制动单元的液压油泵(12)相连，输出端P1.2经执行单元中的D/A转换器(14)、模拟放大器(15)放大后连接液压制动单元的比例电磁阀(16)，输出端P1.3经第二光电隔离器(18)隔离后与液压制动单元的电机车控制器(19)相连；复位电路按钮(8)和手动制动按钮(9)分别连接单片机IC的输出控制端RST和P3.0；稳压电源(21)的电源取自电机车控制电源，经稳压后输出+5v和+24v，分别与单片机的电源端VCC以及各功能电路的电源端相连；

声光报警单元由声光信号放大器(11)和报警器(13)构成；

液压制动单元由电机车控制器(19)、油箱(21)、液压油泵(12)、比例电磁阀(16)、溢流阀(24)、液压油缸(27)、单向阀(25)、卸压阀(28)、过滤器(22)组成，在单片机IC控制和液压油泵(12)驱动下，油箱(21)内的压力油经过滤器(22)、单向阀(25)到达比例电磁阀(16)，经比例控制后以一定的流量注入液压油缸(27)，使制动闸按预设的压力制动，压力表(26)指示当前系统压力；按压复位电路按钮(8)，单片机IC使液压油泵(12)停转，卸压阀(28)打开，液压油缸(27)内的压力油经卸压阀(28)流回油箱(21)，系统松闸复位；液压油泵(12)启动而尚未制动前，压力油通过溢流阀(24)流回油箱(21)。

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