煤矿井下掘进机近距离安全检测系统装置制造方法
【专利摘要】一种煤矿井下掘进机近距离安全检测系统装置，属于近距离安全检测装置。该装置包括信标控制装置和移动采集装置，信标控制装置和移动采集装置采用双向无线通讯；所述的信标控制装置安装于掘进机机身，低频磁场发生单元、控制处理单元及校正单元顺序连接；所述的移动采集装置由工作人员随身佩戴，包括低频磁场检测单元和检测控制单元，低频磁场检测单元和检测控制单元顺序连接。在掘进机机身周围一定范围的空间内构建低频电磁场，对移动采集装置的位置信息进行安全检测。移动采集单元由工作人员随身佩戴，实时向信标控制装置反馈位置信息。工作人员处于危险区域时，该套装置发生报警响应。安装简便、实用性强、稳定性高的特点，减轻了工人劳动强度。
【专利说明】煤矿井下掘进机近距离安全检测系统装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种煤矿近距离安全检测系统装置，尤其涉及一种煤矿井下掘进机近距离安全检测系统装置。
【背景技术】
[0002]近年来，随着我国煤炭行业的快速发展，煤矿生产装备性能有了大幅度的提高。在井下，大型掘进机的使用在有效提高煤矿巷道的掘进效率的同时，由于受掘进工作面作业空间狭小、能见度低等条件的限制，在掘进机周围也存在着一定的安全隐患，常见的安全隐患如下:当掘进机运行时会发生掘进机挤人、刮板链断链伤人事故，无意靠近掘进机的工作人员被过高的油温烫伤或者砸伤事故等等。上述掘进机伤人事故发生的主要原因是工作人员误入危险区域或者是掘进机开动过程中使得附近人员被动进入危险区域，这不仅影响了正常的生产作业安全，更对现场工作人员的生命安全造成了巨大威胁。因此为了降低和避免此类安全事故的发生，需要采取有效的方法将工作人员隔离在危险区域以外。目前煤矿常采用警示牌、隔离栅栏等措施将工作人员隔离，但其效果并不明显。由于掘进机工作时的移动性，所以需要根据掘进机的进度定期的拆除和安装这些警示牌和栅栏，这也会造成一定的时间和经济的损失。
【发明内容】
[0003]本实用新型的目的是要提供一种煤矿井下掘进机近距离安全检测系统及检测方法，解决井下掘进机周围人员安全防护的问题。
[0004]技术方案:为实现以上目的，本实用新型的煤矿井下掘进机近距离安全检测系统装置，它包括信标控制装置和移动采集装置，信标控制装置和移动采集装置采用双向无线通讯；
[0005]所述的信标控制装置安装于掘进机机身，包括四个低频磁场发生单元、控制处理单元及校正单元，低频磁场发生单元、控制处理单元及校正单元顺序连接；所述的低频磁场发生单元由振荡器、有源滤波器、功放电路和发射天线组成，振荡器、有源滤波器、功放电路和发射天线顺序连接；振荡器包括由555定时器组成的多谐振荡器和积分电路，多谐振荡器的输出端与积分电路的输入端相连；积分电路的输出端连接有源滤波器的输入端；有源滤波器的输出端连接功放电路；功放电路输出端连接发射天线的输入端；控制处理单元由STM32微处理器、通讯电路、报警电路组成；校正单元由低频磁场检测电路、STM32微处理器、有线通讯电路组成；
[0006]所述的移动采集装置由工作人员随身佩戴，包括低频磁场检测单元和检测控制单元，低频磁场检测单元和检测控制单元顺序连接；低频磁场检测单元由接收天线、前级选频电路、信号选频放大电路和真有效值检测电路组成；接收天线的输出端连接前级选频电路的输入端，前级选频电路的输出端连接信号选频放大电路的输入端，信号选频放大电路的输出端连接真有效值检测电路的输入端，真有效值检测电路的输出端连接检测控制单元的输入端；检测控制单元包括STM32微处理器、通讯电路和报警电路。
[0007]有益效果，由于采用了上述方案，本实用新型通过综合利用电磁场发生、传感器智能检测、嵌入式系统控制技术，能够在克服井下复杂工作环境影响，实现快速对出现在危险区域内的人员进行安全检测，并进行自动报警以及控制掘进机自动停机等操作，最大限度地保证井下人员生命安全，具有安装简便、实用性强、稳定性高的特点，同时对减轻工人劳动强度，保证生产安全都有重要作用和深远意义。本实用新型的提出不仅对煤矿掘进工作面的安全作业大有裨益，而且可以推广至其它综采工作面及需要进行近距离接触安全防护的工作场合。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1为本实用新型的装置安装示意图。
[0009]图2为本实用新型的信标控制装置系统结构框图。
[0010]图3为本实用新型的移动采集装置(MAD)系统结构框图。
[0011]图4为本实用新型的系统主工作流程图。
[0012]图5为本实用新型的系统扫描流程图。
[0013]图6为本实用新型的系统校正工作流程图。
[0014]图7为本实用新型的移动采集装置工作流程图。
[0015]图中:1、低频磁场发生单元；2、控制处理单元；3、校正单元；4、报警区域；5、停机区域；6、系统有效检测范围；7、移动采集装置；8、低频磁场检测单元；9、检测控制单元。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图中的实施例对本实用新型作进一步的描述:
[0017]实施例1:本实用新型的煤矿井下掘进机近距离安全检测系统由安装在掘进机上的一个信标控制装置和多个分别由工作人员携带的移动采集装置组成；
[0018]所述的信标控制装置包括低频磁场发生单元1、控制处理单元2和校正单元3 ;低频磁场发生单元I安装在掘进机的四个端部，控制处理单元2和校正单元3安装在掘进机上；
[0019]所述的低频磁场发生单元I由振荡器、有源滤波器、功放电路和发射天线组成；振荡器、有源滤波器、功放电路和发射天线顺序连接，其中振荡器的输入端与控制处理单元的输出端连接；
[0020]所述的控制处理单元2由STM32微控制器、射频数据通讯电路、有线数据通讯电路、报警电路、供电电路、人机接口电路和接口电路组成。射频数据通讯电路、有线数据通讯电路和人机接口电路与STM32微控制器双向通讯连接，在STM32微控制器的输出端与报警电路和接口电路连接，接口电路与低频磁场发生单元I的振荡器连接；有线数据通讯电路与校正单元的输入端连接；
[0021]所述的校正单元3由低频磁场检测电路、STM32微控制器、有线数据通讯电路组成。低频磁场检测电路的输出端与STM32微控制器的输入端连接，STM32微控制器与有线数据通讯电路双向通讯连接，有线数据通讯电路与控制处理单元2的有线数据通讯电路双向通讯连接；
[0022]所述的移动采集装置7由低频磁场检测单元8、检测控制单元9组成。所述的低频磁场检测单元8包括:天线、前级选频电路、信号选频放大电路和真有效值检测电路，天线、前级选频电路、信号选频放大电路和真有效值检测电路顺序连接；所述的检测控制单元9包括:STM32微控制器、供电电路、射频数据通讯电路、报警电路和人机接口电路；供电电路为整机提供电源，射频数据通讯电路和人机接口电路与STM32微控制器双向通讯连接，STM32微控制器的输出端与报警电路连接，STM32微控制器的A/D输入端与低频磁场检测单元8的真有效值检测电路的输出端连接。
[0023]本实用新型煤矿井下掘进机近距离安全检测系统装置:该近距离安全检测系统工作过程由危险区域划分、系统校正、移动采集装置MAD近距离检测、危险判断和报警响应流程构成；建立二维平面坐标系并制定危险区域模型，在坐标系内，确定危险区域内各点的坐标数据信息，并将该信息存储于控制处理单元；系统校正和移动采集装置MAD近距离检测选用绕射性强的低频电磁场作为信号媒介；
[0024]具体检测过程如下:
[0025]第一步:控制处理单元控制校正单元根据周围环境变化对系统检测数据进行校正；
[0026]第二步:掘进机周围工作人员数最大为η人时，系统配置η个移动采集装置MAD，并将移动采集装置MAD编号为11，工作时η个移动采集装置MAD的全部或部分在有效通讯范围；信标控制装置的控制处理单元依次产生1、2、3、…、η个同步数据信号，并通过射频数据通讯电路将同步数据信号发送给周围所有的移动采集装置MAD，在有效通讯范围内的移动采集装置MAD将返回检测数据，不在有效通讯范围内的移动采集装置MD，系统将设置返回数据为空；系统以此规则完成和多个移动采集装置MAD间的交互通讯，定义完成全部移动采集装置MAD的数据通讯为一个扫描周期；
[0027]第三步:在进行数据通讯的同时，控制处理单元依次控制低频磁场发生单元的工作顺序；设四个低频磁场发生单元编号为A、B、C、D，当控制处理单元产生1、5、9、…同步数据信号时，控制处理单元控制低频磁场发生单元A工作，移动采集装置MAD接收到这些数据信号时将记录下此时由A产生的电磁场强度值；当产生2、6、10、…同步数据信号时，控制低频磁场发生单元B工作，移动采集装置MAD接收到这些数据信号时将记录下此时由B产生的电磁场强度值；同理，低频磁场发生单元C、D的工作同步数据信号为3、7、11、…和4、
8、12、…;以20个移动采集装置MAD为例，在一个扫描周期后，每个移动采集装置MAD都将记录A、B、C、D四组、每组共5个数据，移动采集装置MAD计算每组数据的平均值；如果某个移动采集装置MAD不是一直在有效通讯范围内，则该移动采集装置MAD只将在有效通讯范围内时检测到的数据计算平均值；从第二个扫描周期开始，移动采集装置MAD编号与收到的同步数据信号一致的移动采集装置MAD在记录当前场磁场强度的同时，将自身记录存储的上一周期的每组检测数据平均值发送回控制处理单元；
[0028]第四步:控制处理单元根据移动采集装置MAD返回的数据，计算每个移动采集装置MAD的具体位置，当有移动采集装置MAD出现在报警或停机区域时，控制处理单元将控制报警电路或控制掘进机作出停车的响应。
[0029]所述步骤三中，控制处理单元在接收到一个移动采集装置MAD的四组数据计算出移动采集装置MAD位置信息的方法:
[0030](I)存储A、B、C、D四组数据的平均值；
[0031](2)将A、B、C、D四组数据平均值中较大的三个值(即磁场强度平均值)转换为距离信息，本系统应用的转换数学模型如下:
[0032]
L=xe~(^z/e + ax + b
[0033]L为距离值(/cm)，x为磁场强度值(检测得电压信号/mv)，λ为模型的比例系数，σ为模型的距离系数，Θ为模型的倍率系数，由大量测量数据和计算机模拟仿真得出，现给出一组模拟井下环境计算机仿真得出的参数值，λ =3.099e+004，σ= 3.613, θ =7.418，
λ、σ、θ在应用过程中保持不变；ο.? + I?为系统的微调校正环节，随着环境的变化，对参数a，b进行调整校正系统；
[0034](3)控制处理单元根据计算方法步骤(2)中得到的三个距离数据通过三边定位算法计算出该移动采集装置MAD的位置信息。
[0035]所述的步骤一中校正单元的校正机制:
[0036]定义系统完成校正的时间为校正周期；系统工作先执行一次校正周期，而后执行10次扫描周期，以后I次校正周期和10次扫描周期依次交替执行；
[0037](I)设校正单元与低频磁场发生单元A、B、C、D的距离分别为LI，L2，L3，L4 ；
[0038](2)控制处理单元向校正单元发送I’、2’、3’、4’的同步数据，发送I’时，控制处理单元控制低频磁场发生单元A工作，发送2’时，B工作，C、D类似；校正单元接收到I’时，检测并记录此时A发出的磁场强度值，接收2’时，检测并记录B发生的磁场强度值，C、D类似；校正单元记录下A、B、C、D发生四个磁场强度值xl, x2, x3, x4后,将记录下的数据发送回控制处理单元；
[0039](3)控制处理单元将校正单元返回的数据值xl, x2, x3, x4代入L:= λ e-(^-^z/e中，计算得到校正单元与六、8、(:、0的距离分别为1^’、1^2’、1^3’、1^4’ ； L-L, + 由
L1- L1’，L2-L2’计算得校正环节QX + I?的一组参数al、bl，由L3- L3’，L4- L4’计算得校正环节Q.Y + D的另一组参数a2、b2，最终由al、a2的平均值和bl、b2的平均值得到实时校正参数a, bo
[0040]图1中，本实用新型的煤矿井下掘进机近距离安全检测系统的硬件部分是由一个信标控制装置和多个分别由工作人员携带的移动采集装置MAD 7组成。信标控制装置包括低频磁场发生单元1、控制处理单元2以及校正单元3。低频磁场发生单元I安装在掘进机的边缘四角。控制处理单元2安装于掘进机上的操作室内，校正单元3安装在掘进机的几何中心处。移动采集装置MAD由工作人员携带，分布在掘进机的四周。所述的移动采集装置的英文名称为Mobile acquisit1n device,英文名称简写为MAD。
[0041]参照图1，现给出一种危险区域划分方法，为避免掘进机掘进过程中飞溅的岩石砸伤工作人员，掘进机头部两侧各留出2m的停机区域和3m的报警区域。掘进机的机身四周各留出Im的停机区域和2m的报警区域。由于掘进机正常工作过程中的正前方为岩石，不会有人员出现，所以留出0.5m的停机区域和1.5m报警区域以防止掘进机在非掘进状态下正常前进时误伤工作人员。危险区域划分考虑掘进机型号等因素，建立二维平面坐标系并制定危险区域模型，坐标数据信息存储于控制处理单元。
[0042]图2中，本实用新型中的信标控制装置由低频磁场发生单元1、控制处理单元2、校正单元3组成。其中低频磁场发生单元包括振荡器、有源滤波器、功放电路和天线。振荡器的输出端连接有源滤波器输入端，有源滤波器输出端连接功放电路输入端，功放电路输出端连接天线。控制处理单元2包括STM32微控制器、有线数据通讯电路、射频数据通讯电路、人机接口电路、报警电路、供电电路以及接口电路。STM32微控制器通过接口电路连接四个低频磁场发生单元，驱动各低频磁场发生单元发生特定频率的电磁波并控制其工作时钟。有线数据通讯电路负责控制处理单元及校正单元之间的连接和数据交换。射频数据通讯电路的信号输入/输出端连接STM32微控制器的通讯信号输入/输出端，它包含通信接口电路并配备通信天线，实现控制处理单元2与MAD7之间的数据通讯。报警电路的信号输入端与STM32微控制器的报警信号输出端连接，采用声光报警的方式实现报警功能，提醒驾驶人员注意；STM32微控制器的信号输入端接收来自人机接口电路的输出信号，实现相关参数的设定与调整，人机接口电路还包括显示器件，用来显示相关参数，一旦有工作人员误入报警区，显示器件将显示该工作人员的编号和位置信息；供电电路可以对信标控制装置内各所需供电部分进行稳定供电。
[0043]图3中，移动采集装置MAD7由低频磁场检测单元8、检测控制单元9组成，其中低频磁场检测单元8包括接收天线、前级选频电路、信号选频放大电路和真有效值检测电路，检测控制单元9包括STM32微控制器、射频数据通讯电路、报警电路、供电电路和人机接口电路。低频磁场检测单元8的接收天线与前级选频电路输入端连接,前级选频电路输出端连接信号选频放大电路输入端，信号选频放大电路输出端连接真有效值检测电路输入端；低频磁场检测单元8的检测信号去往检测控制单元9中的STM32微控制器内部的A/D采样模块，射频数据通讯电路的信号输入/输出端连接STM32微控制器的通讯信号输入/输出端，报警电路的信号输入端连接STM32微控制器的报警信号输出端。STM32微控制器的信号输入端接收来自人机接口电路的输出信号，实现相关参数的设定与调整；供电电路对MAD7内各所需供电部分进行稳定供电。
[0044]图4中，煤矿井下掘进机近距离安全检测系统主工作流程如下:(I)系统初始化，使其进入正常工作周期。(2)系统校正，修正系统工作区域的电磁损耗因子发生变化造成的系统误差。(3)信标控制装置扫描所有MAD位置信息，一旦有MAD出现在报警或停机区域，控制处理单元立即启动中断控制报警电路并使掘进机作出相应的响应，同时给相应的MAD发送报警信号。(4)控制处理单元执行报警指令后返回中断现场继续扫描，报警响应时间达到预设后停止响应。(5)定义完成所有的MAD通讯(即f η的同步数据信号发送完成)为一个扫描周期，当扫描周期次数达到预设时，系统将返回(2)进行下一次系统校正。系统循环反复工作，确保人员的安全。
[0045]图5中，煤矿井下掘进机近距离安全检测系统扫描流程如下:控制处理单元首先向所有MAD发送同步信号(11)，并对同步信号进行模4除法，当发送的数据信号m (m<=n)mod 4 =0时,低频磁场发生单元A工作，MAD将记录下此时由A产生的电磁场强度值；当mmod 4 = I时,低频磁场发生单元B工作,MAD将记录下此时由B产生的电磁场强度值；当mmod 4 = 2时,低频磁场发生单元C工作,MAD将记录下此时由C产生的电磁场强度值；当mmod 4 = 3时,低频磁场发生单元D工作，MAD将记录下此时由D产生的电磁场强度值。在一个扫描周期后，每个MAD都将记录A、B、C、D四组数据，MAD计算每组数据的平均值。从第二个扫描周期开始，编号与同步信号的相同的MAD传回其前一扫描周期记录的数据，控制处理单元处理其数据换算成位置信息，当MAD处于报警或停机区域时，系统中断扫描，作出相应的报警或停机响应并给相应的MAD传送报警信息，执行报警指令后系统继续扫描，报警响应达到预设后停止响应。一直到控制处理单元发送完fn同步数据信号后，一个扫描周期结束。
[0046]控制处理单元在接收到一个MAD的四组平均值数据，计算出MAD位置信息的方法如下:
[0047](I)存储A、B、C、D四组数据每组的平均值；
[0048](2)将A、B、C、D四组数据平均值中较大的三个值(即磁场强度平均值)转换为距离信息，本系统应用的转换数学模型如下:
[0049]
L= λ g-Car+cJ2^ + αχ + I3
[0050]L为距离值(/cm)，x为磁场强度值(检测得电压信号/mv)，λ为模型的比例系数，σ为模型的距离系数，Θ为模型的倍率系数，由大量测量数据和计算机模拟仿真得出，现给出一组模拟井下环境计算机仿真得出的参数值，λ =3.099e+004，σ = 3.613, θ =7.418，
λ、σ、θ在应用过程中保持不变。H+ I?为系统的微调校正环节，随着环境的变化，对参数a，b进行调整校正系统。
[0051](3)控制处理单元根据(2)中得到的三个距离数据通过三边定位算法计算出该MAD的位置信息。
[0052]图6中，煤矿井下掘进机近距离安全检测系统校正工作流程如下:控制处理单元首先依次生成校正同步信号i=l’，2’，3’，4’，分别控制低频磁场发生单元A、B、C、D工作，并同时控制校正单元的工作时钟。即当i=l’时，低频磁场发生单元A工作,校正单元检测并记录下A发生的低频磁场强度值；i=2’时，低频磁场发生单元B工作，校正单元检测并记录下B发生的低频磁场强度值；C、D类推。当低频磁场发生单元D工作完成，校正单元检测并记录下D发生的低频磁场强度值后，校正单元通过有线数据通讯电路将所记录的四组数据传输给控制处理单元，控制处理单元处理数据，得出a，b的值。
[0053]计算a，b值的方法如下:
[0054]设校正单元I与低频磁场发生单元A、B、C、D的距离分别为LI，L2, L3, L4。记校正单元记录下A、B、C、D发生四个磁场强度值分别为xl，x2, x3, x4。控制处理单元将校正单元返回的数据值xl, x2, χ3, χ4代入L.= A?θ中，计算得校正单元与A、B、C、D的距离分别为1^’、1^’、1^’丄4’。L-L，=_ ,,,由 L1- L1’、L2-L2’ 计算得校正环节fl.v + ? 的
GA.+ O
一组参数al、bl,由L3- L3’、L4- L4’计算得校正环节q.1.+ I?的另一组参数a2、b2,最终由al、a2的平均值和bl、b2的平均值得到实时校正参数a，b。
[0055]图7中，煤矿井下掘进机近距离安全检测系统的移动采集装置MAD工作流程如下:移动采集装置系统初始化后，通过射频数据通讯电路开始接收控制处理单元发出的同步信号，并通过MAD的STM32微控制器对同步信号进行模4除法。当同步信号m mod 4=0时，MAD的低频磁场检测单元检测此时的磁场强度值，并通过MAD的STM32微控制器存储至A组；当同步信号m mod 4=1时,MAD的低频磁场检测单元检测此时的磁场强度值,并通过MAD的STM32微控制器存储至B组；当同步信号m mod 4=2时，MAD的低频磁场检测单元检测此时的磁场强度值，并通过MAD的STM32微控制器存储至C组；当同步信号m mod 4=3时，MAD的低频磁场检测单元检测此时的磁场强度值，并通过MAD的STM32微控制器存储至D组；在一个扫描周期后，每个MAD都将记录A、B、C、D四组数据，MAD计算每组数据的平均值。从第二个扫描周期开始，接收到与自身编号相同的同步数据信号的MAD将上一周期所存储的每组数据平均值发送给控制处理单元。当MAD接收到控制处理单元的报警信号时，MAD中断其工作进行报警响应，MAD执行报警指令完成后返回中断现场，报警响应时间达到预设后停止响应。
【权利要求】
1.一种煤矿井下掘进机近距离安全检测系统装置，其特征是:装置包括信标控制装置和移动采集装置，信标控制装置和移动采集装置采用双向无线通讯； 所述的信标控制装置安装于掘进机机身，包括四个低频磁场发生单元、控制处理单元及校正单元，低频磁场发生单元、控制处理单元及校正单元顺序连接；所述的低频磁场发生单元由振荡器、有源滤波器、功放电路和发射天线组成，振荡器、有源滤波器、功放电路和发射天线顺序连接；振荡器包括由555定时器组成的多谐振荡器和积分电路，多谐振荡器的输出端与积分电路的输入端相连；积分电路的输出端连接有源滤波器的输入端；有源滤波器的输出端连接功放电路；功放电路输出端连接发射天线的输入端；控制处理单元由STM32微处理器、通讯电路、报警电路组成；校正单元由低频磁场检测电路、STM32微处理器、有线通讯电路组成； 所述的移动采集装置由工作人员随身佩戴，包括低频磁场检测单元和检测控制单元，低频磁场检测单元和检测控制单元顺序连接；低频磁场检测单元由接收天线、前级选频电路、信号选频放大电路和真有效值检测电路组成；接收天线的输出端连接前级选频电路的输入端，前级选频电路的输出端连接信号选频放大电路的输入端，信号选频放大电路的输出端连接真有效值检测电路的输入端，真有效值检测电路的输出端连接检测控制单元的输入端；检测控制单元包括STM32微处理器、通讯电路和报警电路。
【文档编号】E21C35/04GK204002787SQ201420152672
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年3月31日 优先权日:2014年3月31日
【发明者】宗伟林, 伍小杰, 张同庄, 高洋, 陶洪钧, 陈硕, 王琪, 姚乐, 赵星杰 申请人:中国矿业大学