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《太原理工大学》 2016年
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超声波与图像融合的矿用车辆倒车预警系统

张旭  
【摘要】:在煤矿的开采过程当中,安全问题一直是重中之重,矿井内部空间相对狭窄、光线不足,并且矿井当中普遍具有大量的电气设备和机械设备,人员往来频繁,给操作运输设备的驾驶员带来很大挑战,稍有不慎就会给接近的工作人员和其他设备带来很大的安全威胁。煤矿井下属于易燃易爆的特殊环境,现有的倒车预警系统由于本身不满足本质安全特性并不能在矿井内部使用。为解决这一问题,本文研制并实现了超声波与图像融合的矿用车辆倒车预警系统以满足煤矿井下的车辆的倒车预警需求。整个倒车预警系统包括三个部分:本安超声波测距报警系统、本安倒车影像系统与本安输出直流稳压电源。其中本安超声波测距系统可以同时控制四个探头协同工作,实时检测各个方向的障碍物距离并显示在观察液晶屏上,根据所测得的距离的大小通过报警器发出不同频率的报警信号。本安倒车影像系统起到与超声波测距系统互补的作用,更加直观地显示倒车区域的实时影像。整个系统由设计的本质安全输出直流稳压电源供电,该电源能够提供双重过压、过流保护功能,可以实现对系统的过载与过压故障保护。主要研究内容如下:首先对本质安全电路及本质安全电源的基本理论进行了研究,进而设计并实现了具有双重过压、过流保护功能的本安输出直流稳压电源。根据开关式稳压芯片的特点,选用单片式开关型稳压集成芯片LM2576-ADJ构成开关式稳压电源,通过器件选型及外围电路匹配,可以使输出电压稳定在12v左右。设计了基于高速比较器切换的双重过压、过流保护电路,保证了电源的本质安全输出特性。另外设计了自恢复电路,当电路出现故障导致输出电压或电流超出阈值时,切断电源供电,故障解除后,自动恢复供电。接着,基于超声波测距芯片gm3101和单片机msp430f149设计了本质安全超声波测距及报警系统。首先分析了超声波测距的原理及其特点,研究了超声波换能器的内部结构及工作机理,并对换能器的内部结构进行了电路等效和阻抗匹配。然后,提出了一种本质安全超声波测距方案,对系统各个部分进行了硬件电路设计,并设计了软件程序。采用高速光耦隔离与阻抗匹配组合的超声波换能器驱动电路,该驱动电路可以很好地隔离输入和输出信号,限制储能元件的能量范围,并经过计算分析,使电路满足本质安全电路要求。通过研究倒车影像系统的tft-lcd屏的像素结构及驱动理论,制定了显示驱动方案。设计了倒车影像系统硬件与软件系统,包括视频信号输入电路、mst703的各级供电电路、spi通信电路、软件程序,实现了基于单片式视频驱动芯片mst703的本安倒车影像系统设计。最后,建立了矿用车辆倒车预警系统的试验装置,采用本安电源供电,通过试验分析了各部分的本安特性及倒车预警性能。试验结果表明:所设计的本安输出直流稳压电源的额定输出电压为12v,过压保护动作阈值为12.7v、过流动作保护值为453ma,具有良好的双重过压、过流保护特性。本安超声波测距报警系统具有良好的线性度和可重复性。实现了分辨率为800*480的tft-lcd的低时延、高稳定显示。超声波与图像融合的矿用车辆倒车预警系统的研制为煤矿井下车辆预警提供了一种可行的方案,可以实时观察倒车区域的影像并能准确知道障碍物的距离,对于保护煤矿井下车辆和人员安全具有重要意义。
【学位授予单位】:太原理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TD52

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