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摘 要：在矿山生产过程中，重型卡车运输是目前大型露天矿生产的最主要形式之一，然而由于作业车辆体积庞大、可视角度复杂，右侧和后方完全处在司机视线盲区中，在生产作业时易发生安全事故；很多矿上采用汽车--铁路联合运输工艺，矿岩采出后由汽车运到采场临时矿岩倒装场翻卸，再转载至铁路运输，这样就会形成很多临时矿岩倒装场，重型卡车在卸载点或临时矿岩倒装场坠崖的事故频发，给国家经济、人民生命财产的安全带来了巨大的损失。露天矿重型卡车倒车安全问题早已引起世界各国的重视，各国都已采取了不少相应的措施，但还不够智能和人性化。针对这一问题，研制出了一种采用激光技术、超声波探测技术、视频图像技术和语音报警技术相结合，在重型卡车倒车时实时动态显示后方关键信息的矿用卡车倒车预警系统，解决了重型卡车盲区问题，为矿山运输安全提供了先进的技术手段。
关键词：盲区；倒车；预警；激光；超声波
1 概述
近年来，由于露天矿卡车由于倒车引发的坠崖事故日益突出，矿山企业越来越重视这一关系到人员和生产安全的重大问题。在倒车安全问题上，世界各国都投入了大量人力物力从事汽车倒车预警系统的研究与试验，现已取得了一些效果。普通轿车的倒车雷达系统是一种可向司机预先发出视听警告信号的探测装置。它安装在汽车上，能探测接近车身的周围障碍物；能向司机提前发出后方障碍物离车身距离的信号，促使司机采取应急措施来应付特殊险情，避免损失。
图4 卡车盲区示意图
在矿山卡车倒车预警系统方面，更有别于普通轿车的倒车预警系统。其主要特点有二：一是矿山车辆的行驶道路与普通轿车的行驶道路完全不同。矿山车辆是运行在露天矿的开采范围内，道路是由各种沟道和台阶组成，有水平的，有倾斜的；由临时的，有固定的；有宽的，有窄的，这样就构成了道路的复杂性。二是矿山车辆体积庞大，特别是重型卡车，其长度，宽度和高度都是普通轿车的数倍之多。
由于露天矿重型卡车体积庞大，驾驶室只占左侧一小部分，右侧和后方有很大区域看不见，俗称盲区。由于盲区的存在，加之矿区环境复杂，车辆坠崖事故时有发生，成为威胁露天矿安全的主要问题。
盲区是右后视镜由于视线的问题对于卡车后方物体难以观察到而形成的。如果车辆在临时矿岩倒装场倒车时，挡土墙处于驾驶员的视觉盲区之内，而没有被驾驶员及时发现，在此时往往就会引起坠崖事故的发生。 从以往对普通轿车的研究和应用来看，大多数的技术手段多为超声波短距离测距、摄像系统等等。以上几种措施大多为短距离内报警， 无法解决远距离报警和长期现场使用的问题。而且，从调查和分析的实际情况看，在矿山发生事故的主要原因是大车司机根本没看到挡土墙的存在。司机真正需要的是远距离还没进入视野之前就被告之后方障碍物的情况。这样可提醒司机早有心里准备，更有利于事故的防范。
在我国，矿用车辆倒车预警技术由于行业特殊才刚刚起步， 大多数的技术手段为超声短距离测距、摄像系统等等，但是以上几种系统大多为短距离内报警， 无法解决远距离报警问题。无法从根本上解决卡车视野盲区这一矿用卡车特有的技术难题。
露天矿卡车倒车预警系统的研究，为解决大型卡车倒车安全预警提供了先进的手段和方法，也为露天矿找到了避免车辆事故发生的关键技术，其意义非常重大。这项技术必将在露天矿车辆倒车预警和安全防范中得到广泛的应用。
2 设计原理
矿用卡车倒车预警系统，由超声波传感器（俗称探头）、激光测距仪、倒车影像、控制器和显示器等部分组成，利用超声波测距和激光测距同时进行，使测量精度准确无误。该系统能以声音和更为直观的影像显示告知驾驶员后方障碍物（距离台阶边沿）的情况，帮助驾驶员解除了倒车视野死角和视线模糊的缺陷，提高了倒车的安全性。
结合以上几种技术，可以实现近距离、远距离的精确测量，并通过显示器把图像信息实时地显示出来，从而为矿山生产安全做出贡献。
2.1 激光测距技术
测距机由激光发射系统和探测系统组成。工作时，激光测距是利用激光向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定光束从发射到接收的时间，计算出到目标物体的距离。测量距离一般在200米内，精度在2mm左右。由于激光测距模块价格不断下调，工业上也逐渐开始使用激光测距。国内外出现了一批新型的具有测距快、体积小、性能可靠等优点的微型测距仪，已广泛应用于工业测控、矿山、港口等领域。我公司将激光测距成功应用于矿用重型卡车倒车测距上，测量精度高，受外界环境影响小，可以在能见度很低的情况下保证倒车的安全。
图5 激光测距原理图
2.2 超声波测距技术
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触，重型卡车倒车时，超声波能准确测量出卡车后轮离台阶边沿的距离，并通过驾驶室中的微电脑发出语音报警和影像提示。
超声波是作为一种特殊的声波，同样具有声波传播的基本物理特性，如反射、折射、干涉、衍射等，超声波测距即利用其反射特性。由于超声波具有非常短的波长，可以聚集成狭小的发射线束，呈束状直线传播，其传播具有方向性。超声波在空气中的传播速度为340m/s，但其传播速度随介质温度的上升而加快，气温增加一度，声速增加0.6m/s。
本系统中，超声波测距采用的方法是检测超声波往返的时间：由于时间长度与声音通过的距离成正比，当超声波发射极发出一个短暂的脉冲波时，记时开始，当超声波接收到第一个回波脉冲后，记时立即停止，此时，记录得到的时间值为 t，那么从超声波发射位置到障碍物之间的实际距离S就是： S = Ct/2 （1）
式中C为超声波的传播速度，超声波的波速可以近似于声音在空气中的传播速度，即C=340m/s，声速确定后，只要测得超声波往返时间，即可求得距离。另外经过分析可知，频率为40kHz左右的超声波在空气中传播的效率最高，因此通常将发送的超声波调制到40kHz左右。该测距系统的结构框图如图2所示
图2-9 测距系统的结构框图
该系统的主要工作原理是：由单片机编程送出40kHz频率的方波信号至信号发射缓冲器，缓冲器按照时钟脉冲顺序把方波信号送至发射电路，然后发射电路经过压电换能器将信号发射出去，该信号遇到障碍物反射回来在此称为回波。同时压电换能器将接收的回波，通过信号处理的检波放大、积分整形及一系列处理，向单片机产生一个外部中断通过 请求响应。单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物的距离，并由单片机控制显示出来。
2.3 倒车影像技术
倒车影像系统，在倒车时车后的状况更加直观可视，对于重型卡车倒车安全来说是非常使用的配置之一。当挂倒车挡时，系统会自动接通位于车尾的高清倒车摄像头，将车后状况清晰的显示于驾驶室内的液晶显示屏上，让驾驶员准确了解后方状况，同时配合倒车雷达的语音提示，大大提高了倒车的安全性。车尾摄像头采用远红外广角摄像装置，即使在晚上通过红外线也能看得一清二楚。
2.4 语音报警技术的应用
根据实验和现场调查，通过语音合成技术，把预警语音合理地融合到系统中。
3、系统实现
3.1 现场试验
从露天矿实际情况来看，保护人身安全是头等大事。设备坏了可以修，人身伤亡无法弥补。而防止大车坠崖事故又是解决这一问题的关键。因此，本次研究是在大车上安装倒车预警系统，抓住了主要矛盾。
在预警距离方面，通过现场调查，应从远处的20米开始为宜。这主要是按矿区内的卡车倒车车速限定的，当卡车倒车时，速度为5米/s。即在4秒内卡车就到挡墙位置，司机的反应时间应该在2—3秒。因此，预警距离最好放在20米，给足司机的反应时间。当车辆已经临近挡墙，例如相距2米以内，这时报警已没有意义，司机根本反应不过来。由此可见，近距离的精确测距也是没有意义的，必须加上远距离测距。提前提醒司机注意，是解决矿山倒车问题的关键。
由分析可知，采用激光远距离测距技术，不但测量精度很高，同时也可以远距离提前预警。同时，单一测距技术在距离，稳定性方面都有一些缺陷，故采用激光和超声波技术同时测距。
这样，确定了本次倒车预警系统研究方案：
· 在大车上安装倒车预警系统；
· 利用激光测距技术，实现远距离测距；
· 采用超声波技术，使系统更加可靠，双保险；
· 采用倒车影像技术，使盲区情况更加形象直观地显示在司机面前。
3.2 倒车预警系统的硬件设计
硬件系统应有如下功能：
· LCD显示功能：采用8寸液晶屏显示；
· 距离测量功能：采用激光和超声波测距；
· 图像显示功能：将大车盲区影像清楚地显示在屏幕上；
· 语音报警功能：通过语音功能，告诉司机车辆距挡墙的距离，给出预警信号；
图2-6 倒车预警系统实物图
3.3 LCD液晶屏的图像显示功能和语音报警
为了有效地显示车辆后方的信息，采用液晶屏最为理想。大车由于司机室空间位置好，采用8寸液晶屏幕能显示较大的图像，有利于司机观看。
在LCD液晶屏幕上，显示了许多信息：
· 日期和时间信息；
· 车辆距后方障碍物距离信息；
· 视频图像信息；
图2-11 大车、小车液晶屏
为了方便司机观看：
· 液晶屏幕背景颜色可调，白天多为白色背景，亮度较好，晚上采用黑色背景，亮度柔和不刺眼睛。
· 白天和夜间自动切换白色和黑色背景，不用司机操作。
语音报警技术的应用：
开发了技术先进、功能完善、使用方便的语音一体化预警系统。根据实验和现场调查，我们通过语音合成技术，把预警语音划分成若干段，并能任意组合。
4 结论
4.1 采用激光测距技术
激光传感器能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强，应用在重型卡车倒车预警上实用性强，稳定可靠。
4.2 超声波测距技术
超声波传感器价格低廉，并且在测量距离，测量精度等方面能达到工业实用要求，因此配合激光测距一起使用，使测量精度更加准确可靠。
4.3 倒车影像技术
图像输出使司机听到倒车预警信号后更加真实形象地看到车身后方的实际情况，进而使司机做出准确的停车判断。
4.4 语音报警和液晶屏幕显示为车辆倒车预警提供了有效的信息输出手段
语音输出使司机在驾驶车辆倒车过程中随时都能获得后方信息。同时LCD液晶屏幕的显示也为司机提供了一目了然的图像画面，给车辆倒车预警提供了有效的手段。特别是根据周围光线的变化来设计屏幕的明暗，使液晶屏的显示更为合理。
4.5 预警模式的确立，为露天矿卡车倒车预警找到了切实可行的方法
车辆倒车预警模式，解决了车辆在临时矿岩倒装场卸车时无法判断距离台阶边缘距离的问题。经过工业实验，这一预警模式能够满足生产现场的实际要求。
5 社会效益
目前，国内外各大露天矿由于大型卡车在卸载点卸车翻下台阶的事故频发，给国家和人民的利益带来损失。一般来说，死伤不仅给生产带来了影响，也给个人和家庭带来不幸。其社会层面的影响也十分广泛。采用卡车倒车预警系统，尽可能地避免事故的发生，有着深远的社会效益。因此， 露天矿卡车倒车预警系统的研制成功，为解决卡车倒车安全预警提供了先进的手段和方法，也为露天矿解决了长期未能解决的卡车倒车预警难题，预计今后将在露天矿得到广泛的应用。
参考文献
[1] 李丽霞.单片机在超声波测距中的应用.电子技术，2002.
[2] 刘坤，陈芳.激光测距方法及激光器的发展.科技信息.2008.
关键词：盲区；倒车；预警；激光；超声波
1 概述
近年来，由于露天矿卡车由于倒车引发的坠崖事故日益突出，矿山企业越来越重视这一关系到人员和生产安全的重大问题。在倒车安全问题上，世界各国都投入了大量人力物力从事汽车倒车预警系统的研究与试验，现已取得了一些效果。普通轿车的倒车雷达系统是一种可向司机预先发出视听警告信号的探测装置。它安装在汽车上，能探测接近车身的周围障碍物；能向司机提前发出后方障碍物离车身距离的信号，促使司机采取应急措施来应付特殊险情，避免损失。
图4 卡车盲区示意图
在矿山卡车倒车预警系统方面，更有别于普通轿车的倒车预警系统。其主要特点有二：一是矿山车辆的行驶道路与普通轿车的行驶道路完全不同。矿山车辆是运行在露天矿的开采范围内，道路是由各种沟道和台阶组成，有水平的，有倾斜的；由临时的，有固定的；有宽的，有窄的，这样就构成了道路的复杂性。二是矿山车辆体积庞大，特别是重型卡车，其长度，宽度和高度都是普通轿车的数倍之多。
由于露天矿重型卡车体积庞大，驾驶室只占左侧一小部分，右侧和后方有很大区域看不见，俗称盲区。由于盲区的存在，加之矿区环境复杂，车辆坠崖事故时有发生，成为威胁露天矿安全的主要问题。
盲区是右后视镜由于视线的问题对于卡车后方物体难以观察到而形成的。如果车辆在临时矿岩倒装场倒车时，挡土墙处于驾驶员的视觉盲区之内，而没有被驾驶员及时发现，在此时往往就会引起坠崖事故的发生。 从以往对普通轿车的研究和应用来看，大多数的技术手段多为超声波短距离测距、摄像系统等等。以上几种措施大多为短距离内报警， 无法解决远距离报警和长期现场使用的问题。而且，从调查和分析的实际情况看，在矿山发生事故的主要原因是大车司机根本没看到挡土墙的存在。司机真正需要的是远距离还没进入视野之前就被告之后方障碍物的情况。这样可提醒司机早有心里准备，更有利于事故的防范。
在我国，矿用车辆倒车预警技术由于行业特殊才刚刚起步， 大多数的技术手段为超声短距离测距、摄像系统等等，但是以上几种系统大多为短距离内报警， 无法解决远距离报警问题。无法从根本上解决卡车视野盲区这一矿用卡车特有的技术难题。
露天矿卡车倒车预警系统的研究，为解决大型卡车倒车安全预警提供了先进的手段和方法，也为露天矿找到了避免车辆事故发生的关键技术，其意义非常重大。这项技术必将在露天矿车辆倒车预警和安全防范中得到广泛的应用。
2 设计原理
矿用卡车倒车预警系统，由超声波传感器（俗称探头）、激光测距仪、倒车影像、控制器和显示器等部分组成，利用超声波测距和激光测距同时进行，使测量精度准确无误。该系统能以声音和更为直观的影像显示告知驾驶员后方障碍物（距离台阶边沿）的情况，帮助驾驶员解除了倒车视野死角和视线模糊的缺陷，提高了倒车的安全性。
结合以上几种技术，可以实现近距离、远距离的精确测量，并通过显示器把图像信息实时地显示出来，从而为矿山生产安全做出贡献。
2.1 激光测距技术
测距机由激光发射系统和探测系统组成。工作时，激光测距是利用激光向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定光束从发射到接收的时间，计算出到目标物体的距离。测量距离一般在200米内，精度在2mm左右。由于激光测距模块价格不断下调，工业上也逐渐开始使用激光测距。国内外出现了一批新型的具有测距快、体积小、性能可靠等优点的微型测距仪，已广泛应用于工业测控、矿山、港口等领域。我公司将激光测距成功应用于矿用重型卡车倒车测距上，测量精度高，受外界环境影响小，可以在能见度很低的情况下保证倒车的安全。
图5 激光测距原理图
2.2 超声波测距技术
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触，重型卡车倒车时，超声波能准确测量出卡车后轮离台阶边沿的距离，并通过驾驶室中的微电脑发出语音报警和影像提示。
超声波是作为一种特殊的声波，同样具有声波传播的基本物理特性，如反射、折射、干涉、衍射等，超声波测距即利用其反射特性。由于超声波具有非常短的波长，可以聚集成狭小的发射线束，呈束状直线传播，其传播具有方向性。超声波在空气中的传播速度为340m/s，但其传播速度随介质温度的上升而加快，气温增加一度，声速增加0.6m/s。
本系统中，超声波测距采用的方法是检测超声波往返的时间：由于时间长度与声音通过的距离成正比，当超声波发射极发出一个短暂的脉冲波时，记时开始，当超声波接收到第一个回波脉冲后，记时立即停止，此时，记录得到的时间值为 t，那么从超声波发射位置到障碍物之间的实际距离S就是： S = Ct/2 （1）
式中C为超声波的传播速度，超声波的波速可以近似于声音在空气中的传播速度，即C=340m/s，声速确定后，只要测得超声波往返时间，即可求得距离。另外经过分析可知，频率为40kHz左右的超声波在空气中传播的效率最高，因此通常将发送的超声波调制到40kHz左右。该测距系统的结构框图如图2所示
图2-9 测距系统的结构框图
该系统的主要工作原理是：由单片机编程送出40kHz频率的方波信号至信号发射缓冲器，缓冲器按照时钟脉冲顺序把方波信号送至发射电路，然后发射电路经过压电换能器将信号发射出去，该信号遇到障碍物反射回来在此称为回波。同时压电换能器将接收的回波，通过信号处理的检波放大、积分整形及一系列处理，向单片机产生一个外部中断通过 请求响应。单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物的距离，并由单片机控制显示出来。
2.3 倒车影像技术
倒车影像系统，在倒车时车后的状况更加直观可视，对于重型卡车倒车安全来说是非常使用的配置之一。当挂倒车挡时，系统会自动接通位于车尾的高清倒车摄像头，将车后状况清晰的显示于驾驶室内的液晶显示屏上，让驾驶员准确了解后方状况，同时配合倒车雷达的语音提示，大大提高了倒车的安全性。车尾摄像头采用远红外广角摄像装置，即使在晚上通过红外线也能看得一清二楚。
2.4 语音报警技术的应用
根据实验和现场调查，通过语音合成技术，把预警语音合理地融合到系统中。
3、系统实现
3.1 现场试验
从露天矿实际情况来看，保护人身安全是头等大事。设备坏了可以修，人身伤亡无法弥补。而防止大车坠崖事故又是解决这一问题的关键。因此，本次研究是在大车上安装倒车预警系统，抓住了主要矛盾。
在预警距离方面，通过现场调查，应从远处的20米开始为宜。这主要是按矿区内的卡车倒车车速限定的，当卡车倒车时，速度为5米/s。即在4秒内卡车就到挡墙位置，司机的反应时间应该在2—3秒。因此，预警距离最好放在20米，给足司机的反应时间。当车辆已经临近挡墙，例如相距2米以内，这时报警已没有意义，司机根本反应不过来。由此可见，近距离的精确测距也是没有意义的，必须加上远距离测距。提前提醒司机注意，是解决矿山倒车问题的关键。
由分析可知，采用激光远距离测距技术，不但测量精度很高，同时也可以远距离提前预警。同时，单一测距技术在距离，稳定性方面都有一些缺陷，故采用激光和超声波技术同时测距。
这样，确定了本次倒车预警系统研究方案：
· 在大车上安装倒车预警系统；
· 利用激光测距技术，实现远距离测距；
· 采用超声波技术，使系统更加可靠，双保险；
· 采用倒车影像技术，使盲区情况更加形象直观地显示在司机面前。
3.2 倒车预警系统的硬件设计
硬件系统应有如下功能：
· LCD显示功能：采用8寸液晶屏显示；
· 距离测量功能：采用激光和超声波测距；
· 图像显示功能：将大车盲区影像清楚地显示在屏幕上；
· 语音报警功能：通过语音功能，告诉司机车辆距挡墙的距离，给出预警信号；
图2-6 倒车预警系统实物图
3.3 LCD液晶屏的图像显示功能和语音报警
为了有效地显示车辆后方的信息，采用液晶屏最为理想。大车由于司机室空间位置好，采用8寸液晶屏幕能显示较大的图像，有利于司机观看。
在LCD液晶屏幕上，显示了许多信息：
· 日期和时间信息；
· 车辆距后方障碍物距离信息；
· 视频图像信息；
图2-11 大车、小车液晶屏
为了方便司机观看：
· 液晶屏幕背景颜色可调，白天多为白色背景，亮度较好，晚上采用黑色背景，亮度柔和不刺眼睛。
· 白天和夜间自动切换白色和黑色背景，不用司机操作。
语音报警技术的应用：
开发了技术先进、功能完善、使用方便的语音一体化预警系统。根据实验和现场调查，我们通过语音合成技术，把预警语音划分成若干段，并能任意组合。
4 结论
4.1 采用激光测距技术
激光传感器能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强，应用在重型卡车倒车预警上实用性强，稳定可靠。
4.2 超声波测距技术
超声波传感器价格低廉，并且在测量距离，测量精度等方面能达到工业实用要求，因此配合激光测距一起使用，使测量精度更加准确可靠。
4.3 倒车影像技术
图像输出使司机听到倒车预警信号后更加真实形象地看到车身后方的实际情况，进而使司机做出准确的停车判断。
4.4 语音报警和液晶屏幕显示为车辆倒车预警提供了有效的信息输出手段
语音输出使司机在驾驶车辆倒车过程中随时都能获得后方信息。同时LCD液晶屏幕的显示也为司机提供了一目了然的图像画面，给车辆倒车预警提供了有效的手段。特别是根据周围光线的变化来设计屏幕的明暗，使液晶屏的显示更为合理。
4.5 预警模式的确立，为露天矿卡车倒车预警找到了切实可行的方法
车辆倒车预警模式，解决了车辆在临时矿岩倒装场卸车时无法判断距离台阶边缘距离的问题。经过工业实验，这一预警模式能够满足生产现场的实际要求。
5 社会效益
目前，国内外各大露天矿由于大型卡车在卸载点卸车翻下台阶的事故频发，给国家和人民的利益带来损失。一般来说，死伤不仅给生产带来了影响，也给个人和家庭带来不幸。其社会层面的影响也十分广泛。采用卡车倒车预警系统，尽可能地避免事故的发生，有着深远的社会效益。因此， 露天矿卡车倒车预警系统的研制成功，为解决卡车倒车安全预警提供了先进的手段和方法，也为露天矿解决了长期未能解决的卡车倒车预警难题，预计今后将在露天矿得到广泛的应用。
参考文献
[1] 李丽霞.单片机在超声波测距中的应用.电子技术，2002.
[2] 刘坤，陈芳.激光测距方法及激光器的发展.科技信息.2008.