CN103899338A - 一种基于空间坐标变换的液压支架工作姿态确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于空间坐标变换的液压支架工作姿态确定方法，通过实时测量支架构件变化的倾角值，从而获得四连杆液压支架的工作姿态。实时测量液压支架的底座、连杆和顶梁相对于参考坐标系的倾斜角度，利用上述三个角度值以及支架本身的几何尺寸，采用建立参考坐标系和相对坐标系的方法计算出支架当前各构件的位置、角度，以及驱动油缸的长度。其不仅测量准确，而且测量方法简单，便于移植到控制器或上位机软件中。

Description

一种基于空间坐标变换的液压支架工作姿态确定方法

技术领域

本发明涉及一种液压支架工作姿态的确定方法，具体涉及一种基于空间坐标变换的液压支架工作姿态确定方法。

背景技术

我国许多煤矿都建立了综采自动化生产面，并配备了综采装备远程监控功能。对液压支架进行实时可靠、形象直观的远程监控，不但可以及时掌握液压支架的准确运行状态，还可预测液压支架支护质量，从而对其进行故障预测，而且可以根据监测结果调整支架的运行参数。保证虚拟液压支架模型与实际支架动作一致尤为重要。

然而，由于采煤工作面处于不断推移和复杂多变的工作环境中，液压支架作为支护设备受到来自煤、岩石等巨大的冲击载荷，以及煤尘、水雾等其它方面的污染，使得液压支架的驱动油缸长度无法精确测得，这导致液压支架当前的准确的工作姿态无法确定，影响远程监控的准确性。

目前，已有的支架姿态测量方法及测高方法中，公开号为CN101358532A的中国专利公开了一种倾角传感器的液压支架，对支架姿态进行测量，但其底板未安装倾角传感器，无法确定在底板倾斜时支架的工作姿态，无法应用于支架的远程监控。公开号为CN102392664A的中国专利公开了一种液压支架高度的测量方法，该方法虽然考虑了底板的角度变化，但是却采用了4个倾角传感器，对系统资源造成了浪费，此外该方法并不能获得支架各个构件在空间中的确定位置、角度。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供一种基于空间坐标变换的液压支架工作姿态确定方法，其能准确、实时的呈现液压支架的工作姿态。

本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于空间坐标变换的液压支架工作姿态确定方法，包括以下步骤：

（1）通过安装在顶梁、连杆和底座上的传感器，实时测量出该液压支架各个构件的坐标系相对于参考坐标系的倾斜角度，即可以测得底座补偿倾角α、连杆一倾角δ和顶梁倾角γ；传感器信号输出端口连接液压支架的控制装置，控制装置获得传感器信号，并对应到在控制装置内建立的模型；

（2）在液压支架控制装置内建立支架数学模型，建立液压支架参考坐标系{O}，x轴平行于水平面，建立底座相对坐标系{O₁}，原点为点O，x₁轴并行于底座底面；建立连杆相对坐标系{O₂}，原点为点A，x₂轴重合于A、B点连线；建立掩护梁相对坐标系{O₃}，原点为点C，x₃轴重合于C、D两点连线；建立顶梁相对坐标系{O₄}，原点为点F，x₄轴平行于顶梁顶面；

（3）根据支架各构件几何尺寸、装配关系得到构件各铰接点在其相对坐标系下的坐标，A点、B点、I点在坐标系{O₁}下坐标(x_A1,_yA1)、(x_B1,_yB1)、(x_I1,_yI1)，C、D两点在坐标系{O₂}下的坐标(x_C2,_yC2)、(x_D2,_yD2)，C、D、E、F点在坐标系{O₃}下的坐标(x_C3,y_C3)、(x_D3,y_D3)、(x_E3,y_E3)、(x_F3,y_F3)，G、H点在坐标系{O₄}下的坐标(x_G4,y_G4)、(x_H4,y_H4)；

（4）计算相连构件坐标系之间的夹角，参考坐标系{O}与坐标系{O₁}之间的夹角θ₁=α，坐标系{O₁}与坐标系{O₂}之间的夹角坐标系{O₂}与坐标系{O₃}之间的夹角

坐标系{O₃}与坐标系标系{O₄}之间的夹角θ₄＝γ-(θ₁+θ₂+θ₃)；其中

可以根据如图2所示的由A、B、C和D端点组成的四连杆机构运动学方程求得；

x_C2＝l_ACcos(δ-θ₁-θ₂)；y_C2＝l_ACsin(δ-θ₁-θ₂)；

x_D2＝x_B2+l_BDcos(180°-ε-η)；y_D2＝y_B2+l_BDsin(180°-ε-η)；

x_A2＝0；y_A2＝0；x_B2＝l_AB；y_B2＝0；

$\mathrm{\ϵ}=\arccos \frac{l_{\mathrm{AB}}^2+l_{\mathrm{BC}}^2-l_{\mathrm{AC}}^2}{2\×l_{\mathrm{AB}}\×l_{\mathrm{BC}}};\mathrm{\η}=\arccos \frac{l_{\mathrm{CB}}^2-l_{\mathrm{BD}}^2-l_{\mathrm{CD}}^2}{2\×l_{\mathrm{CB}}\×l_{\mathrm{BD}}};$

（5）已知两坐标系之间的夹角以及原点相对位置，同一点在两坐标系内的坐标存在以下确定变换关系，坐标系{O₁}到参考坐标系{O}的坐标变换矩阵为 $T_0^1=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& -\sin {\mathrm{\θ}}_1& 0\\ \sin {\mathrm{\θ}}_1& \cos {\mathrm{\θ}}_1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$ 坐标系{O₂}到坐标系{O₁}的坐标变换矩阵为 $T_1^2=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_2& -\sin {\mathrm{\θ}}_2& x_{\mathrm{Al}}\\ \sin {\mathrm{\θ}}_2& \cos {\mathrm{\θ}}_2& y_{\mathrm{Al}}\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$ 坐标系{O₃}到坐标系{O₂}的坐标变换矩阵为 $T_2^3=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_3& -\sin {\mathrm{\θ}}_3& x_{C2}\\ \sin {\mathrm{\θ}}_3& \cos {\mathrm{\θ}}_3& y_{C2}\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$ 标系{O₄}到坐标系{O₃}的坐标变换矩阵为 $T_3^4=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_4& -\sin {\mathrm{\θ}}_4& x_{F3}\\ \sin {\mathrm{\θ}}_4& \cos {\mathrm{\θ}}_4& y_{F3}\\ 0& 0& 1\end{array}\right];$

（6）通过上述步骤和方法可以计算和确定液压支架上任意一个确定点在参考坐标系{O}上的坐标值，对于液压支架任意已知构件，均可以获得其上任意可知点在{O}上的坐标值，通过多点坐标计算，该构件的工作姿态便可轻易算得。

作为本发明的进一步改进，由于连杆一、连杆二、掩护梁和底座构成一个四连杆机构，该机构自由度为1，所以测得连杆一、连杆二和掩护梁中任意一个倾角即可，且四连杆机构的各个构件的倾角均为被测构件与参考坐标系之间的夹角。

作为本发明的进一步改进，所述四连杆机构由下到上依次为底座、连杆一、连杆二、掩护梁和顶梁，底座与连杆一和连杆二连接，且其之间相对转动；同时连杆一、连杆二分别与掩护梁相连，且其之间相对转动；掩护梁与顶梁相连，且其相对转动；所述四连杆机构还包括两组驱动油缸，即驱动油缸一和驱动油缸二，所述驱动油缸二连接底座与顶梁，驱动油缸一连接掩护梁与顶梁，且其连接处相对转动。

本发明的有益效果是：本发明通过实时测量构件与参考坐标系的角度值，从而计算四连杆液压支架各构件的空间绝对位置、角度等各个工作姿态。特别是通过建立参考坐标系和相对坐标系，通过坐标变换将各构件在相对坐标系下坐标值转换到参考坐标系下，同时实时测量底座、连杆和顶梁的实时倾角，以及各构件的几何尺寸，计算各铰接点在参考坐标系下的坐标，从而确定四连杆液压支架姿态的方法；其不仅测量准确，而且测量方法简单，便于移植到控制器或上位机软件中。

附图说明

图1为本发明四连杆液压支架结构示意图；

图2为本发明液压支架各个部件的相对坐标系的分解图；

图3为本发明工作姿态测量的方法简图。

图中：1、底座，2、连杆一，3、连杆二，4、掩护梁，5、驱动油缸一，6、顶梁，7、驱动油缸二。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明进行进一步的阐述。

如图1所示，一种基于空间坐标变换的液压支架工作姿态确定方法，包括以下步骤：

（1）通过安装在顶梁6、连杆一2、连杆二3和底座1上的传感器，实时测量出该液压支架各个构件的坐标系所在平面相对于参考坐标系的倾斜角度，即可以获得底座补偿倾角α、连杆一倾角δ和顶梁倾角γ；传感器信号输出端口连接液压支架的控制装置，控制装置获得传感器信号，并对应到在控制装置内建立的模型；

（2）在液压支架控制装置内建立支架数学模型，建立液压支架参考坐标系{O}，x轴平行于水平面，建立底座1相对坐标系{O₁}，原点为点O，x₁轴并行于底座1底面；建立连杆相对坐标系{O₂}，原点为点A，x₂轴重合于A、B点连线；建立掩护梁4相对坐标系{O₃}，原点为点C，x₃轴重合于C、D两点连线；建立顶梁6相对坐标系{O₄}，原点为点F，x₄轴平行于顶梁顶面；

（3）根据支架各构件几何尺寸、装配关系得到构件各铰接点在其相对坐标系下的坐标，A点、B点、I点在坐标系{O₁}下坐标(x_A1,y_A1)、(x_B1,y_B1)、(x_I1,y_I1)，C、D两点在坐标系{O₂}下的坐标(x_C2,y_C2)、(x_D2,y_D2)，C、D、E、F点在坐标系{O₃}下的坐标(x_C3,y_C3)、(x_D3,y_D3)、(x_E3,y_E3)、(x_F3,y_F3)，G、H点在坐标系{O₄}下的坐标(x_G4,y_G4)、(x_H4,y_H4)；

（4）计算相连构件坐标系之间的夹角，参考坐标系{O}与坐标系{O₁}之间的夹角θ₁=α，坐标系{O₁}与坐标系{O₂}之间的夹角

坐标系{O₂}与坐标系{O₃}之间的夹角

坐标系{O₃}与坐标系标系{O₄}之间的夹角θ₄＝γ-(θ₁+θ₂+θ₃)；其中

可以根据如图2所示的由A、B、C、D端点组成的四连杆机构运动学方程求得；

x_C2＝l_ACcos(δ-θ₁-θ₂)；y_C2＝l_ACsin(δ-θ₁-θ₂)；

x_D2＝x_B2+l_BDcos(180°-ε-η)；y_D2＝y_B2+l_BDsin(180°-ε-η)；

x_A2＝0；y_A2＝0；x_B2＝l_AB；y_B2＝0；

$\mathrm{\ϵ}=\arccos \frac{l_{\mathrm{AB}}^2+l_{\mathrm{BC}}^2-l_{\mathrm{AC}}^2}{2\×l_{\mathrm{AB}}\×l_{\mathrm{BC}}};\mathrm{\η}=\arccos \frac{l_{\mathrm{CB}}^2-l_{\mathrm{BD}}^2-l_{\mathrm{CD}}^2}{2\×l_{\mathrm{CB}}\×l_{\mathrm{BD}}};$

（5）已知两坐标系之间的夹角以及原点相对位置，同一点在两坐标系内的坐标存在以下确定变换关系，坐标系{O₁}到参考坐标系{O}的坐标变换矩阵为 $T_0^1=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& -\sin {\mathrm{\θ}}_1& 0\\ \sin {\mathrm{\θ}}_1& \cos {\mathrm{\θ}}_1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$ 坐标系{O₂}到坐标系{O₁}的坐标变换矩阵为 $T_1^2=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_2& -\sin {\mathrm{\θ}}_2& x_{\mathrm{Al}}\\ \sin {\mathrm{\θ}}_2& \cos {\mathrm{\θ}}_2& y_{\mathrm{Al}}\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$ 坐标系{O₃}到坐标系{O₂}的坐标变换矩阵为 $T_2^3=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_3& -\sin {\mathrm{\θ}}_3& x_{C2}\\ \sin {\mathrm{\θ}}_3& \cos {\mathrm{\θ}}_3& y_{C2}\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$ 标系{O₄}到坐标系{O₃}的坐标变换矩阵为 $T_3^4=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_4& -\sin {\mathrm{\θ}}_4& x_{F3}\\ \sin {\mathrm{\θ}}_4& \cos {\mathrm{\θ}}_4& y_{F3}\\ 0& 0& 1\end{array}\right];$

（6）通过上述步骤和方法可以计算和确定液压支架上任意一个确定点在参考坐标系{O}上的坐标值，对于液压支架任意已知构件，均可以获得其上任意可知点在{O}上的坐标值，通过多点坐标计算，该构件的工作姿态便可轻易算得。

由于连杆一2、连杆二3、掩护梁4、顶梁6和底座1构成一个四连杆机构，该机构自由度为1，所以连杆二3和掩护梁4的倾角与连杆一2的倾角δ相同，且四连杆机构的各个构件的倾角均为被测构件与参考坐标系之间的夹角。

所述四连杆机构由下到上依次为底座1、连杆一2、连杆二3、掩护梁4和顶梁6，底座1与连杆一2和连杆二3连接，且其之间相对转动；同时连杆一2、连杆二3分别与掩护梁4相连，且其之间相对转动；掩护梁4与顶梁6相连，且其相对转动；所述四连杆机构还包括两组驱动油缸，即驱动油缸一5和驱动油缸二7，所述驱动油缸二7连接底座1与顶梁6，驱动油缸一5连接掩护梁4与顶梁6，且其连接处相对转动。

通过传感器测量构件相对于参考坐标系的倾斜角度。便可以得底座补偿倾角α、连杆一倾角δ和顶梁倾角γ在参考坐标系下的值。

根据各构件铰接点的坐标便可求得该构件空间位置和倾角、主动油缸的长度、液压支架的支撑高度等，进而可以求得支架动作时各构件的运动情况：降架时顶梁的位移、角度的变化情况，升架时顶梁的位移、角度的变化情况，主动油缸长度、角度的变化情况等。

根据各铰接点在相对坐标系下的坐标，以及坐标系之间的坐标变换关系，可以求得四连杆支架任意铰接点在参考坐标系XOY下的坐标。

比如：以计算任一点Z在参考坐标系下的坐标(x_Z,y_Z)为例，Z点在相对坐标系{O_i}下的坐标(x_Zi,y_Zi)，计算Z点的坐标值(x_Z,y_Z)， $\left[\begin{array}{c}{x}_z\\ y_z\\ 1\end{array}\right]=T_0^1\left({\mathrm{\θ}}_1\right)...T_{i-1}^i\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{Zi}}\\ y_{\mathrm{Zi}}\\ 1\end{array}\right](i=\mathrm{1,2,3,4}),$ 通过这该公式可以计算支架上任意一确定点在参考坐标系{O}的坐标值。

本发明通过实时测量构件与参考坐标系的角度值，从而计算四连杆液压支架各构件的空间绝对位置、角度等各个工作姿态。特别是通过建立参考坐标系和相对坐标系，通过坐标变换将各构件在相对坐标系下坐标值转换到参考坐标系下，同时实时测量底座、连杆和顶梁的实时倾角，以及各构件的几何尺寸，计算各铰接点在参考坐标系下的坐标，从而确定四连杆液压支架姿态的方法；其不仅测量准确，而且测量方法简单，便于移植到控制器或上位机软件中。

Claims (3)

1.一种基于空间坐标变换的液压支架工作姿态确定方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）通过安装在顶梁、连杆和底座上的传感器，实时测量出该液压支架各个构件的坐标系相对于参考坐标系的倾斜角度，即可以测得底座补偿倾角α、连杆一倾角δ和顶梁倾角γ；传感器信号输出端口连接液压支架的控制装置，控制装置获得传感器信号，并对应到在控制装置内建立的模型；

（2）在液压支架控制装置内建立支架数学模型，建立液压支架参考坐标系{O}，x轴平行于水平面，建立底座相对坐标系{O₁}，原点为点O，x₁轴并行于底座底面；建立连杆相对坐标系{O₂}，原点为点A，x₂轴重合于A、B点连线；建立掩护梁相对坐标系{O₃}，原点为点C，x₃轴重合于C、D两点连线；建立顶梁相对坐标系{O₄}，原点为点F，x₄轴平行于顶梁顶面；

（3）根据支架各构件几何尺寸、装配关系得到构件各铰接点在其相对坐标系下的坐标，A点、B点、I点在坐标系{O₁}下坐标(x_A1,_yA1)、(x_B1,_yB1)、(x_I1,_yI1)，C、D两点在坐标系{O₂}下的坐标(x_C2,_yC2)、(x_D2,_yD2)，C、D、E、F点在坐标系{O₃}下的坐标(x_C3,_yC3)、(x_D3,_yD3)、(x_E3,_yE3)、(x_F3,_yF3)，G、H点在坐标系{O₄}下的坐标(x_G4,_yG4)、(x_H4,_yH4)；

（4）计算相连构件坐标系之间的夹角，参考坐标系{O}与坐标系{O₁}之间的夹角θ₁=α，坐标系{O₁}与坐标系{O₂}之间的夹角

坐标系{O₂}与坐标系{O₃}之间的夹角

坐标系{O₃}与坐标系标系{O₄}之间的夹角θ₄＝γ-(θ₁+θ₂+θ₃)；其中

可以根据由A、B、C和D端点组成的四连杆机构运动学方程求得，即：

x_C2＝l_ACcos(δ-θ₁-θ₂)；y_C2＝l_ACsin(δ-θ₁-θ₂)；

x_D2＝x_B2+l_BDcos(180°-ε-η)；y_D2＝y_B2+l_BDsin(180°-ε-η)；

x_A2＝0；y_A2＝0；x_B2＝l_AB；y_B2＝0；

$\mathrm{\ϵ}=\arccos \frac{l_{\mathrm{AB}}^2+l_{\mathrm{BC}}^2-l_{\mathrm{AC}}^2}{2\×l_{\mathrm{AB}}\×l_{\mathrm{BC}}};\mathrm{\η}=\arccos \frac{l_{\mathrm{CB}}^2-l_{\mathrm{BD}}^2-l_{\mathrm{CD}}^2}{2\×l_{\mathrm{CB}}\×l_{\mathrm{BD}}};$

（5）已知两坐标系之间的夹角以及原点相对位置，同一点在两坐标系内的坐标存在以下确定变换关系，坐标系{O₁}到参考坐标系{O}的坐标变换矩阵为 $T_0^1=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& -\sin {\mathrm{\θ}}_1& 0\\ \sin {\mathrm{\θ}}_1& \cos {\mathrm{\θ}}_1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$ 坐标系{O₂}到坐标系{O₁}的坐标变换矩阵为 $T_1^2=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_2& -\sin {\mathrm{\θ}}_2& x_{\mathrm{Al}}\\ \sin {\mathrm{\θ}}_2& \cos {\mathrm{\θ}}_2& y_{\mathrm{Al}}\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$ 坐标系{O₃}到坐标系{O₂}的坐标变换矩阵为 $T_2^3=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_3& -\sin {\mathrm{\θ}}_3& x_{C2}\\ \sin {\mathrm{\θ}}_3& \cos {\mathrm{\θ}}_3& y_{C2}\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$ 标系{O₄}到坐标系{O₃}的坐标变换矩阵为 $T_3^4=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_4& -\sin {\mathrm{\θ}}_4& x_{F3}\\ \sin {\mathrm{\θ}}_4& \cos {\mathrm{\θ}}_4& y_{F3}\\ 0& 0& 1\end{array}\right];$

（6）通过上述步骤和方法可以计算和确定液压支架上任意一个确定点在参考坐标系{O}上的坐标值，对于液压支架任意已知构件，均可以获得其上任意可知点在{O}上的坐标值，通过多点坐标计算，该构件的工作姿态便可算得。

2.根据权利要求1所述的基于空间坐标变换的液压支架工作姿态确定方法，其特征在于：由于连杆一、连杆二、掩护梁和底座构成一个四连杆机构，该机构自由度为1，所以测得连杆一、连杆二和掩护梁中任意一个倾角即可，且四连杆机构的各个构件的倾角均为被测构件与参考坐标系之间的夹角。

3.根据权利要求2所述的基于空间坐标变换的液压支架工作姿态确定方法，其特征在于：所述四连杆机构由下到上依次为底座、连杆一、连杆二、掩护梁和顶梁，底座与连杆一和连杆二连接，且其之间相对转动；同时连杆一、连杆二分别与掩护梁相连，且其之间相对转动；掩护梁与顶梁相连，且其相对转动；所述四连杆机构还包括两组驱动油缸，即驱动油缸一和驱动油缸二，所述驱动油缸二连接底座与顶梁，驱动油缸一连接掩护梁与顶梁，且其连接处相对转动。

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