專利名稱：智能型電機車防撞系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種機動車安全裝置，特別是涉及一種礦山井下水平大巷中的電機車 防撞系統(tǒng)。
背景技術：
隨著煤炭事業(yè)的飛速發(fā)展，煤炭市場的持續(xù)高漲，與煤礦的原煤生產(chǎn)緊密相關的 井下大巷運輸也越來越繁重，通常采取增加運輸車輛和車次，或者提高車速等措施來適應。 但是，因此也帶來了許多不利因素和安全隱患，特別是因為電機車司機注意力不集中，反應 遲鈍，觀察判斷失誤或疲勞瞌睡，不負責任以及道岔錯位、誤打切道岔等原因，大巷軌道運 輸電機車迎面相撞和追尾事故時有發(fā)生，特別是迎面相撞事故，由于極大的動力和慣性，造 成的后果非常嚴重，可能會損毀軌道、路基、車輛和運送的設備，甚至會造成冒頂塌方、火災 瓦斯事故。若是運送人員的車輛相撞后果更為嚴重，將造成大量人員受傷。而目前電機車 的制動一般都是人工操作電阻制動和手閘制動兩種，剎車時易產(chǎn)生劇烈抖動或剎車過猛而 造成人為事故。機車相撞事故一旦發(fā)生危害巨大，后果慘重，極大地影響了煤礦企業(yè)正常有 序的安全生產(chǎn)。目前大多電機車的防撞裝置是靠彈性碰頭被動地緩沖和吸收部分碰撞能量來減 輕撞擊危害的，但真正發(fā)生機車相撞時其防撞作用是微不足道的。市場上或技術類刊物上 介紹有許多關于公路機動車防撞報警或剎車裝置的產(chǎn)品和文章，但實際使用的卻很少。首 先，他們的共同點都是利用紅外線、超聲波、激光、無線電等發(fā)生器發(fā)出的信號被反射回來， 接收器對接收到的信號進行判斷處理，然后報警或利用馬達剎車。但是由于煤礦井下環(huán)境 特殊、巷道狹窄，軌面潮濕，岔道彎道較多，巷壁距道軌最大不足1米。電機車行駛到彎道和 岔巷時，安裝在電機車自身的發(fā)射器發(fā)出的電磁波或光線很容易被巷道墻壁或臨道過往車 輛反射而造成剎車裝置誤報警誤動作。其次，剎車裝置靠手閘、電機杠桿等機械機構制動， 反應速度或慢或急，制動不平穩(wěn)，同樣容易導致車輛掉道或設備損壞，甚至造成人員受傷。 所以，此類剎車裝置不適宜煤礦井下，還可能留下安全隱患。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是解決和預防煤礦井下因電機車司機注意力不集中，反應遲鈍，觀 察判斷失誤或疲勞瞌睡，不負責任以及道岔錯位、誤打切道岔等原因而發(fā)生的大巷軌道運 輸電機車迎面相撞和追尾事故，特別是迎面相撞事故，提供一種智能型電機車防撞系統(tǒng)，以 徹底杜絕此類事故的發(fā)生，為礦山安全生產(chǎn)保駕護航。本發(fā)明的智能型電機車防撞系統(tǒng)由紅外發(fā)射單元、紅外接收單元、主控制單元、執(zhí) 行單元、聲光報警單元和液壓制動單元組成。其中，紅外發(fā)射單元由編碼調制器1、載波振蕩器2、電子開關3、放大器發(fā)射管4和 聚光透鏡40組成，獨立安裝在電機車的前后兩端，用于連續(xù)發(fā)射不同編碼的紅外線波；紅 外接收單元為紅外接收器5，安裝在電機車的兩端，用于接受前面車輛射來的紅外線波，并提供給單片機進行處理分析。主控制單元由單片機IC(AT89C2051)、時鐘電路7、復位電路8、手動制動按鈕9、 穩(wěn)壓電源21以及霍爾速度傳感器6組成，執(zhí)行單元由第一光電隔離器10、第二光電隔離器 18、D/A轉換器14、模擬放大器15組成，紅外接收器5接入單片機IC的輸入端P3. 1 ；霍爾 速度傳感器6與單片機IC的輸入端P3. 2相連，用于實時監(jiān)測電機車的當前速度，時鐘電路 7接入單片機IC的輸入端XI、X2 ；單片機IC的輸出控制端Pl. 0、Pl. 1經(jīng)第一光電隔離器 10隔離后分別與聲光報警單元的聲光信號放大器11和液壓制動單元的液壓油泵12相連， 輸出端Pl. 2經(jīng)D/A轉換器14、模擬放大器15放大后連接液壓制動單元的比例電磁閥16， 控制比例電磁閥16的開啟量，輸出端Pl. 3經(jīng)第二光電隔離器18隔離后與液壓制動單元的 電機車控制器19相連，以便及時切斷電機車的電源；復位電路8和手動制動按鈕9分別連 接單片機IC的輸出控制端RST和P3. 0 ；穩(wěn)壓電源21的電源取自電機車控制電源，經(jīng)穩(wěn)壓 后輸出+5v和+24v，分別與單片機的電源端VCC以及各功能電路的電源端相連，以提供可靠 的穩(wěn)壓電源。聲光報警單元由聲光信號放大器11和報警器13構成。液壓制動單元由油箱21、液壓油泵12、比例電磁閥16、溢流閥24、液壓油缸27、單 向閥25、卸壓閥28、過濾器22組成，在單片機IC的控制和液壓油泵12的驅動下，油箱21內 的壓力油經(jīng)過濾器22、單向閥25到達比例電磁閥16，經(jīng)比例控制后以一定的流量注入制動 油缸27，從而使制動閘按預設的壓力進行制動，同時壓力表26指示出當前的系統(tǒng)壓力。當 按壓復位按鈕8后，單片機IC使液壓油泵12停轉，卸壓閥28打開，油缸27內的壓力油經(jīng) 卸壓閥28流回油箱21，系統(tǒng)松閘復位。液壓油泵12啟動而尚未制動前，在保證足夠制動壓 力的前提下，壓力油通過溢流閥24流回油箱21。本發(fā)明的智能型電機車防撞系統(tǒng)由紅外測距、單片機控制、聲光報警、液壓制動等 單元部分組成，結構簡單，設計合理，與新舊型號電機車安裝連接方便，當發(fā)生撞車危險前 能夠自動實現(xiàn)迅速而平穩(wěn)地停車，徹底避免煤礦井下軌道運輸過程中發(fā)生的電機列車相撞 事故，極大的降低了因此造成的經(jīng)濟損失和社會影響，提高了煤礦的安全系數(shù)和生產(chǎn)效率。本發(fā)明的智能型電機車防撞系統(tǒng)采用紅外線作為距離探測光源，抗干擾能力強， 可靠性高，不受電機車大燈、巷道照明、工人礦燈以及其他電磁波的干擾，將紅外發(fā)射器和 接收器分體安裝，不會因車輛或巷道墻壁反射信號而誤動作。本發(fā)明的智能型電機車防撞系統(tǒng)運用單片機IC(AT89C2051)作為主控制器，利用 其超強的數(shù)據(jù)運算和信息處理能力，根據(jù)電機車的當前速度和相對距離自動計算出所需系 統(tǒng)制動壓力和剎車距離，真正實現(xiàn)了智能化和自動化的目的，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性、 穩(wěn)定性和智能化水平，使電機車運行獲得更安全的保證。當電機車駛入前方紅外線的不同射程內時，本系統(tǒng)能自動依靠單片機對電機車當 前運行速度和相對距離進行運算并與設定值進行比較判斷，來發(fā)出聲光報警信號，必要時 啟動制動程序控制比例電磁閥的節(jié)流，使撞車危險發(fā)生前實現(xiàn)軟制動，剎車既迅速又平穩(wěn)， 保證了人員和車輛設備的安全，不至于因劇烈碰撞和剎車過猛造成二次不必要的人員和設 備損失。


圖1為本發(fā)明智能型電機車防撞系統(tǒng)的結構框圖；圖2為圖1中液壓制動單元的結構圖。具體實施方法下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述。首先，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定“2機車或2列車在同一軌道同向行駛時，必須保持不 少于100米的距離。運送人員時列車的制動距離不得超過20米”。其次，井下大巷彎道一 般最小曲率半徑在25米左右。因此，本系統(tǒng)按最危險的同一軌道相向行駛來計算并設定系 統(tǒng)參數(shù)。紅外發(fā)射單元中，三個放大器發(fā)射管的發(fā)射距離分別調整為報警距離80米、一般 制動距離50米、緊急制動距離7米三種。考慮到煤礦井下環(huán)境潮濕，特別是夏季，軌道面粘著系數(shù)更低，很容易打滑，所以 電機車的制動距離設定為報警、20米、2米三種，這樣列車制動后仍留有一定的緩沖距離，
防止打滑影響機車的制動效果。根據(jù)三角函數(shù)公式《=2arctanf (其中α為最大光束半
徑，b為光束射程即最大發(fā)射距離)算出紅外線管發(fā)射角度分別為44' ,68'和8°，即每 個發(fā)射管的最大射程為80米、50米、7米時，最大光束直徑均為1米(電機車的寬度)，光束 正好覆蓋了電機車端面，又不影響到其它車輛，保證了靈敏度和可靠性。根據(jù)單片機每一時刻只能處理一路信號的特點，將每個發(fā)射管的高頻調制脈沖的 占空比控制在1/3以下，使其依次輪流工作，既減小了工作電流，降低了功耗，又不使信號 相互干擾，造成誤測，提高系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》井下最高限速直行道5m/s、彎道2m/s的規(guī)定，在程序參數(shù)設 定時要求當電機車進入設定的制動距離時，單片機按公式a = _V2/2L計算剎車加速度(其 中ν為當前車速，L為最大制動距離)，即單片機將剎車加速度自動控制在0. 6 4m/s2之間， 并發(fā)出制動指令，調節(jié)比例電磁閥控制制動壓力，使列車在規(guī)定位移內平穩(wěn)地制動停車。紅外發(fā)射單元的編碼調制器1的三種不同編碼信號對38Khz的載波信號進行調 制，產(chǎn)生三種不同頻率的調制信號送至放大器發(fā)射管4，以驅動三個紅外發(fā)射管發(fā)射出三種 不同編碼的紅外線。根據(jù)單片機每一時刻只能處理一路信號的特點，三路放大器由電子開 關3控制其依次導通，保證每一時刻只有一路發(fā)射管工作，這樣既減小了工作電流，降低了 功耗，又避免了信號相互干擾，造成接收器5誤測。通過對放大器發(fā)射管4d的發(fā)射管選型和調整放大器發(fā)射功率，使發(fā)射距離分別 SSl= 80m, S2 = 50m, S3 = 7m ；通過調整各自聚光透鏡40的焦距，使光束射角分別為α : =44'，α2 = 68'，Q3 = S0，使每個發(fā)射距離的臨界處光束直徑都是1米，正好覆蓋住 電機車的端面，既保證了接收，又防止了對相鄰車道車輛的干擾。紅外發(fā)射單元安裝在電機 車的前方照明大燈下方和后面尾燈下方的適當位置，由于井下軌道運輸電機車雙向行駛不 分頭尾，所以機車兩端都分別安裝有紅外發(fā)射單元和紅外接收單元。紅外接收單元安裝在 電機車上與紅外發(fā)射單元正對的位置。放大器發(fā)射管4不間斷地依次向前方發(fā)射著三種不同射程不同編碼的紅外線波， 以利單片機接收并判斷電機車當前所處的位置，然后發(fā)出相應的報警或制動指令。當電機車由于某種原因在同一軌道行駛而進入前方車輛的報警距離Sl (80m)時，
5紅外接收器5將接收到的前方電機車發(fā)出的紅外信號迅速傳送到單片機IC，由單片機進行 數(shù)據(jù)處理，分析判斷后，經(jīng)第一光電隔離器10分兩路輸出，一路接通電機車聲光報警單元， 報警器13發(fā)出聲光報警，以提醒本車司機和對面電機車司機，注意減速慢行，保持車距；一 路迅速啟動液壓油泵12，為剎車作準備。如果車輛減速，退出報警距離后，系統(tǒng)自動解除警 報，斷開液壓油泵12電源。如果電機車沒有減速，仍繼續(xù)前進，進入一般制動距離S2(50m)時，紅外接收器5 把接收到的紅外信號傳送給單片機IC，單片機IC識別到是制動信號后，立即發(fā)出指令，指 令信號經(jīng)第二光電隔離器18切斷電機車控制器19，主電機斷電，使電機車處于滑行狀態(tài)。 同時立即與霍爾速度傳感器6反饋的當前車速進行運算，對比分析，然后按照預設的制動 加速度發(fā)出制動指令，控制電流經(jīng)D/A轉換器14、模擬放大器15放大后調節(jié)比例電磁閥16 的開啟量，自動調整制動油缸27的制動力矩，使制動油缸27的輸出壓力逐步增加，在20m 內實現(xiàn)平穩(wěn)停車。如果電機車在彎道或遠距離視線被遮擋的情況下發(fā)現(xiàn)前方車輛時，已經(jīng)進入緊急 制動距離S3 (7米)，即兩車相距S3=a/(r + 1)2_r2 =V(25 + l)2 -252 了米左右(其中R為
軌道曲線半徑)，此時紅外接收器5接收到對方發(fā)來的緊急制動信號后，單片機IC立即發(fā)出 緊急制動指令切斷電機車控制器19電源，以較陡的制動加速度控制比例電磁閥16打開，較 大的制動力矩使電機車在2米之內迅速剎車。同時又能防止因緊急剎車導致制動閘包死現(xiàn)象。電機車制動后，需按壓復位按鈕8才能使系統(tǒng)發(fā)出解除制動指令，使卸壓閥28打 開，制動閘在復位彈簧的作用下松開復位，退出制動狀態(tài)。本系統(tǒng)中，手動控制采用中斷控制方式，使手動控制優(yōu)先于自動控制。按壓手動制 動按鈕9就可隨時進行一般制動，省去轉動剎車手輪的繁瑣操作，方便快捷。
權利要求
智能型電機車防撞系統(tǒng)，其特征是由紅外發(fā)射單元、紅外接收單元、主控制單元、執(zhí)行單元、聲光報警單元和液壓制動單元組成，其中，紅外發(fā)射單元由編碼調制器1、載波振蕩器2、電子開關3、放大器發(fā)射管4和聚光透鏡40組成，獨立安裝在電機車的前后兩端，用于連續(xù)發(fā)射不同編碼的紅外線波；紅外接收單元為紅外接收器5，安裝在電機車的兩端，用于接受前面車輛射來的紅外線波，并提供給單片機進行處理分析；主控制單元由型號AT89C2051的單片機IC、時鐘電路7、復位電路8、手動制動按鈕9、穩(wěn)壓電源21以及霍爾速度傳感器6組成，執(zhí)行單元由第一光電隔離器10、第二光電隔離器18、D/A轉換器14、模擬放大器15組成，紅外接收器5接入單片機IC的輸入端P3.1；霍爾速度傳感器6與單片機IC的輸入端P3.2相連，時鐘電路7接入單片機IC的輸入端X1、X2；單片機IC的輸出控制端P1.0、P1.1經(jīng)第一光電隔離器10隔離后分別與聲光報警單元的聲光信號放大器11和液壓制動單元的液壓油泵12相連，輸出端P1.2經(jīng)D/A轉換器14、模擬放大器15放大后連接液壓制動單元的比例電磁閥16，輸出端P1.3經(jīng)第二光電隔離器18隔離后與液壓制動單元的電機車控制器19相連；復位電路8和手動制動按鈕9分別連接單片機IC的輸出控制端RST和P3.0；穩(wěn)壓電源21的電源取自電機車控制電源，經(jīng)穩(wěn)壓后輸出+5v和+24v，分別與單片機的電源端VCC以及各功能電路的電源端相連；聲光報警單元由聲光信號放大器11和報警器13構成；液壓制動單元由油箱21、液壓油泵12、比例電磁閥16、溢流閥24、液壓油缸27、單向閥25、卸壓閥28、過濾器22循環(huán)組成。
全文摘要
智能型電機車防撞系統(tǒng)，由紅外發(fā)射單元、紅外接收單元、主控制單元、執(zhí)行單元、聲光報警單元和液壓制動單元組成，主控制單元主要包括單片機IC(AT89C2051)，紅外接收單元與單片機輸入端相連，單片機輸出端一路分別與聲光報警單元和液壓油泵連接，一路控制比例電磁閥的開啟量。本發(fā)明結構簡單，設計合理，當發(fā)生撞車危險前能夠自動實現(xiàn)迅速而平穩(wěn)地停車，徹底避免煤礦井下軌道運輸過程中發(fā)生的電機列車相撞事故，極大的降低了因此造成的經(jīng)濟損失和社會影響，提高了煤礦的安全系數(shù)和生產(chǎn)效率。
文檔編號B61H13/02GK101885336SQ201010224190
公開日2010年11月17日 申請日期2010年7月8日 優(yōu)先權日2010年7月8日
發(fā)明者王曉紅 申請人:王曉紅