CN106595557B - 一种刮板输送机直线度的检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种刮板输送机直线度的检测装置及检测方法，装置包括：数据采集单元；通讯单元；数据处理单元；数据存储单元；报警单元；电源模块。检测方法，包括以下步骤：数据采集单元采集刮板输送机在被推移过程中每节中部槽(2)的三轴加速度、三轴角速度和三轴磁感应强度；数据处理单元获取到各节中部槽(2)上MEMS传感器中三轴角速度和三轴加速度数据，进行时间积分后得到三轴角度和三轴位移，识别出刮板输送机的S弯；采用差分法减少三轴的位移测量误差；采用AHRS算法和平均法减少三轴的角度测量误差；建立空间绝对坐标系，通过曲线拟合，得到刮板输送机的曲线。该装置和方法能有利于刮板输送机直线度的检测工作高效、准确地进行。

Description

一种刮板输送机直线度的检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及矿井下综采工作面中刮板输送机和液压支架的直线度检测，尤其是涉及一种刮板输送机直线度的检测装置及检测方法。

背景技术

随着矿山机械设备的不断发展，采煤工作面的机械化和智能化程度不断提高，越来越多的煤矿采用了“三机配套”的自动化采煤技术。在综采工作面中，三机互为条件，有机配合。液压支架为采煤机和刮板输送机提供支护空间，保障设备和人员的安全；采煤机以刮板输送机为导轨进行移动，并在运动过程中截割煤壁，完成“采煤”和“落煤”工作；刮板输送机则负责将采煤机的落煤运输出工作面。液压支架推移杆的连接头通过销子与刮板输送机的中部槽固定连接，依靠液压支架推移千斤顶的伸缩，完成刮板输送机的移动。由于刮板输送机和液压支架之间的连接存在着间隙和窜动，因此不能只凭借液压支架的推溜来检测和控制刮板输送机的直线度。《煤矿安全规程》规定，综采工作面的煤壁、刮板输送机和液压支架必须保持直线。采煤机以刮板输送机为轨道进行移动，刮板输送机的直线度直接影响着采煤机的使用寿命，割煤质量和采煤效率。所以，刮板输送机直线度的检测工作尤为重要。

目前，检测刮板输送机直线度的方法主要集有以下几种：一是以煤壁为参照物，利用位移传感器和倾角传感器测量支架与煤壁之间的距离以及支架顶板的姿态。根据所测角度数据矫正支架姿态，由此保证所测距离数据为支架与煤壁的垂直距离。依据检测的距离判断支架与刮板输送机的直线度。或者通过位移传感器测量相邻检测装置之间的相对位移来检测支架和刮板输送机的直线度。这种方法没有考虑支架与刮板输送机之间的浮动，且传感器存在累积误差，测量结果不准确。第二种是在采煤工作面布置一排灯具，通过人工或者视觉识别的方法，检测灯具是否在一条直线上，由此确定刮板输送机的直线度。人工检测的手段效率低下；而视觉识别存在井下能见度低，摄像机标定等技术难题。由上可知，针对刮板输送机的直线度，急需一种简单准确的检测方法。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种刮板输送机直线度的检测装置及检测方法，该装置结构简单，能有利于刮板输送机直线度的检测工作高效、准确地进行；其检测误差小，测量结果准确。

为了实现上述目的，所述检测装置包括设置于保护罩中的数据采集单元、通讯单元、数据处理单元、数据存储单元、报警单元和电源模块，所述数据采集单元，用于采集刮板输送机在被推移过程中每节中部槽的三轴加速度、三轴角速度和三轴磁感应强度数据，并通过WiFi模块与数据处理单元进行通讯；所述通讯单元，用于通过其中设有的WiFi模块建立邻检测装置之间的通讯；所述数据处理单元，与数据采集单元相对应设置，用于接收并处理数据采集单元所采集的数据，并将处理后的数据经通讯单元在相邻的检测装置之间进行数据传输，同时将处理后的数据保存在数据存储单元中，通过比较相邻中部槽的测量值得到刮板输送机的直线度，在所测直线度低于设定预警值时，由报警单元发出调直警示；所述数据存储单元，用于保存数据；所述报警单元，用于进行警示；所述电源模块，用于对数据采集单元和数据处理单元进行供电。

进一步，为了保证获得数据的精确性和稳定性，所述数据采集单元为两个含有三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁强计、WiFi模块和降压模块的MEMS传感器，所述保护罩通过减震片装配在每节中部槽的立板上，且位于每节中部槽的中线位置，其采样频率为100HZ，所述三轴加速度计均采用ADXL202芯片，所述三轴陀螺仪均均采用ADXRS620芯片，所述三轴磁强传感器均采用HMC5883L芯片，所述WiFi模块采用工业级HX-M02模块，其通讯方式采用单发单收模式。

进一步，所述数据存储单元采用UFS2.0及以上的高速存储卡。

进一步，所述数据处理单元包含有ARM微处理器STM32F103和降压模块。

进一步，所述通讯单元包含有RS232串口通讯模块、WiFi模块以及降压模块，其中所述WiFi模块采用业级HX-M02模块，其通讯方式采用双发双收模式。

进一步，所述电源模块采用5V直流电源，所述降压模块将电源模块的5V供电降至3.3V后对数据处理单元的Wifi模块和STM32F103微处理器供电。

进一步，所述报警单元采用LED红色报警指示灯。

该装置通过在每节中部槽上装配的检测装置中的两个MEMS传感器，能便捷地获取刮板输送机在被推移过程中的每节中部槽的三轴加速度、三轴角速度和三轴磁感应强度数据，检测装置中数据处理单元获取上述数据后能对刮板输送机的直线度进行检测并示警。其结构简单，能有利于刮板输送机直线度的检测工作高效、准确地进行。

本发明还提供一种刮板输送机直线度的检测方法，包括以下步骤：

步骤一：数据采集单元通过两个MEMS传感器采集刮板输送机在被推移过程中每节中部槽的三轴加速度、三轴角速度和三轴磁感应强度，其将采集的数据存储在数据存储卡中，并通过数据采集单元中的WiFi模块将所采集数据传输给数据处理单元；

步骤二：数据处理单元获取各节中部槽上MEMS传感器中Z轴角速度和Y轴加速度数据，分别对时间一次积分得到绕Z轴角度和Y向速度，若前者在连续的几节中部槽上的角度值有正有负，后者的速度在此段内也有正负，并且二者的变化时刻相同，则表明刮板输送机在过S弯，由于刮板输送机S弯不属于刮板输送机的调直范围，故只对刮板输送机S弯前段和后段的直线度进行检测；

步骤三：采用差分法减少MEMS传感器的位移测量误差，获取刮板输送机的中部槽在X、Y、Z三轴的两组加速度数据后，在数据处理单元中对加速度进行二次时间积分得到刮板输送机各节中部槽在X、Y、Z三轴上的位移，两个MEMS传感器获得的数据分别记为(x_s1,y_s1,z_s1),(x_s2,y_s2,z_s2)，每个方向上的位移值都包括实际移动距离值x,y,z和测量误差值Δx,Δy,Δz，具体公式如下，

x_s1＝x+Δx,x_s2＝-x+Δx

y_s1＝y+Δy,y_s2＝-y+Δy

z_s1＝z+Δz,z_s2＝-z+Δz

将两个MEMS传感器X、Y、Z轴数据进行相减得到刮板输送机每节中部槽在X、Y、Z轴方向上的实际移动距离x,y,z，利用通讯单元中的WiFi模块实现相邻检测装置之间的通讯，如果相邻检测装置计算出的Y轴位移值不同，则说明液压支架在Y轴上没有推齐刮板输送机，在数据处理单元中计算出相邻检测装置的位移差值，并通过通讯单元中RS232串口模块与相对应液压支架控制器进行通讯并使液压支架控制器发送补推的命令，控制液压支架通过推移杆(3)进行前推动作,以推直刮板输送机；若是X轴方向上位移值不同，则说明刮板输送机经过推移后，由于支架倾斜造成刮板输送机倾斜；若是Z轴方向上位移值不同，则说明刮板输送机受到底板不平的影响出现了起伏现象；

步骤四：采用AHRS算法和平均法减少三轴的角度测量误差，数据处理单元获取刮板输送机在X、Y、Z三轴的角速度数据(x_B1,y_B1,z_B1)，数据处理单元获取刮板输送机在X、Y、Z三轴的磁感应强度数据(x_B2,y_B2,z_B2)，将角速度对时间进行一次积分，得到刮板输送机各节中部槽在X、Y、Z轴方向上的两组角度值，记为(x_d1,y_d1,z_d1),(x_d2,y_d2,z_d2)，根据AHRS多传感器数据融合算法对刮板输送机进行姿态解算，并利用重力场和地磁融合校正MEMS传感器在三轴的角度测量值，对处理后的角度数据分别取平均值记为(x_d,y_d,z_d)，利用通讯单元中的WiFi模块实现相邻检测装置之间的通讯后，若相邻检测装置之间测得的角度值不同，则说明刮板输送机移动过程出现弯曲倾斜，液压支架也可能出现倾斜，需要进行人工调直；

步骤五：通过以上数据处理步骤可以得到每组MEMS传感器在各个方向的位移值和角度值，建立空间绝对坐标系，以刮板输送机的端头为原点；沿着刮板输送机运行方向为X轴正方向；垂直于刮板输送机并指向煤壁方向为Y轴正方向；垂直于地面向下为Z轴正方向，通过曲线拟合，可以得到刮板输送机的曲线，以直观呈现刮板输送机直线度的检测结果，当检测结果超过设定预警值，红色指示灯亮起，发布刮板输送机过弯报警信息。

本发明中通过设置在每节中部槽上检测装置中的MEMS传感器获得刮板输送机每节中部槽在X、Y、Z轴上的加速度数据并传输至处理单元进行数据处理，得到三轴位移后，通过WiFi模块进行相邻检测装置之间的通讯以便于比较X、Y、Z轴位移差值，从而能便捷、高效和准确地判断出刮板输送机是否被推齐或是否存在起伏现象；通过获取刮板输送机在X、Y、Z轴上的角速度数据，由处理单元进行数据处理后得到三轴角度，并由相邻检测装置之间的通讯比较角度数据差值，从而能便捷、高效和准确地判断出刮板输送机是否出现倾斜状况；该方法能够便捷、高效和准确地实现刮板输送机直线度的检测工作，其检测误差小，测量结果准确。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中每节中部槽上的两个MEMS传感器的布置图；

图3为本发明的数据传输示意图；

图4为本发明中MEMS传感器的组成结构示意图。

图中：1、煤壁，2、中部槽，3、推移杆，4、保护罩，5、支架控制器，6、液压支架，7、立板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种刮板输送机直线度的检测装置，所述检测装置包括设置于保护罩4中的数据采集单元、通讯单元、数据处理单元、数据存储单元、报警单元和电源模块，所述数据采集单元，用于采集刮板输送机在被推移过程中每节中部槽2的三轴加速度、三轴角速度和三轴磁感应强度数据，并通过WiFi模块与数据处理单元进行通讯；所述通讯单元，用于通过其中设有的WiFi模块建立邻检测装置之间的通讯；所述数据处理单元，与数据采集单元相对应设置，用于接收并处理数据采集单元所采集的数据，并将处理后的数据经通讯单元在相邻的检测装置之间进行数据传输，同时将处理后的数据保存在数据存储单元中，通过比较相邻中部槽2的测量值(相邻中部槽2的测量值与相邻检测装置的测量值相同)得到刮板输送机的直线度，在所测直线度低于设定预警值时，由报警单元发出调直警示；所述数据存储单元，用于保存数据；所述报警单元，用于进行警示；所述电源模块，用于对数据采集单元和数据处理单元进行供电。所述保护罩是三段式金属盒，其不妨碍通讯的正常进行。

为了保证获得数据的精确性和稳定性，如图4所示，所述数据采集单元为两个含有三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁强计、WiFi模块和降压模块的MEMS传感器，所述保护罩4通过减震片装配在每节中部槽2的立板7上，其采样频率为100HZ，所述三轴加速度计均采用ADXL202芯片，所述三轴陀螺仪均均采用ADXRS620芯片，所述三轴磁强传感器均采用HMC5883L芯片，所述WiFi模块采用工业级HX-M02模块，其通讯方式采用单发单收(1T1R)模式。

所述数据存储单元采用UFS2.0及以上的高速存储卡。

所述数据处理单元包含有ARM微处理器STM32F103和降压模块。

所述通讯单元包含有RS232串口通讯模块、WiFi模块以及降压模块，其中所述WiFi模块采用业级HX-M02模块，其通讯方式采用双发双收(2T2R)模式。

所述电源模块采用5V直流电源，所述降压模块将电源模块的5V供电降至3.3V后对数据处理单元的Wifi模块和STM32F103微处理器供电。

所述报警单元采用LED红色报警指示灯。

该装置通过在每节中部槽2上装配的检测装置中的两个MEMS传感器，能便捷地获取刮板输送机在被推移过程中的每节中部槽2的三轴加速度、三轴角速度和三轴磁感应强度数据，检测装置中数据处理单元获取上述数据后能对刮板输送机的直线度进行检测并示警。其结构简单，能有利于刮板输送机直线度的检测工作高效、准确地进行。

设沿着刮板输送机运行方向为X轴正方向，垂直于刮板输送机并指向煤壁1方向为Y轴正方向，垂直于地面向下为Z轴正方向，两个MEMES传感器的三轴加速度计和三轴陀螺仪对应X、Y、Z轴布置方向如图2所示。

一种刮板输送机直线度的检测方法，包括以下步骤：

步骤一：数据采集单元通过两个MEMS传感器采集刮板输送机在被推移过程中每节中部槽2的三轴加速度、三轴角速度和三轴磁感应强度，MEMS传感器的采样频率为100HZ，其将采集的数据存储在数据存储卡中，并通过数据采集单元中的WiFi模块将所采集数据传输给数据处理单元；

步骤二：数据处理单元获取各节中部槽2上MEMS传感器中Z轴角速度和Y轴加速度数据，分别对时间一次积分得到绕Z轴角度和Y向速度，若前者在连续的几节中部槽2上的角度值有正有负，后者的速度在此段内也有正负，并且二者的变化时刻相同，则表明刮板输送机在过S弯，由于刮板输送机S弯不属于刮板输送机的调直范围，故只对刮板输送机S弯前段和后段的直线度进行检测；

步骤三：采用差分法减少MEMS传感器的位移测量误差，获取刮板输送机的中部槽2在X、Y、Z三轴的两组加速度数据后，在数据处理单元中对加速度进行二次时间积分得到刮板输送机各节中部槽2在X、Y、Z三轴上的位移，两个MEMS传感器获得的数据分别记为(x_s1,y_s1,z_s1),(x_s2,y_s2,z_s2)，每个方向上的位移值都包括实际移动距离值x,y,z和测量误差值Δx,Δy,Δz，具体公式如下，

x_s1＝x+Δx,x_s2＝-x+Δx

y_s1＝y+Δy,y_s2＝-y+Δy

z_s1＝z+Δz,z_s2＝-z+Δz

将两个MEMS传感器X、Y、Z轴数据进行相减得到刮板输送机每节中部槽2在X、Y、Z轴方向上的实际移动距离x,y,z，利用通讯单元中的WiFi模块实现相邻检测装置之间的通讯，如果相邻检测装置计算出的Y轴位移值不同，则说明液压支架6在Y轴上没有推齐刮板输送机，在数据处理单元中计算出相邻检测装置的位移差值，并通过通讯单元中RS232串口模块与对相应液压支架控制器5进行通讯并使液压支架控制器5发送补推的命令，控制液压支架6通过推移杆(3)进行前推动作，以推直刮板输送机；若是X轴方向上位移值不同，则说明刮板输送机经过推移后，由于支架倾斜造成刮板输送机倾斜；若是Z轴方向上位移值不同，则说明刮板输送机受到底板不平的影响出现了起伏现象；

步骤四：采用AHRS算法和平均法减少三轴的角度测量误差，数据处理单元获取刮板输送机在X、Y、Z三轴的角速度数据(x_B1,y_B1,z_B1)，数据处理单元获取刮板输送机在X、Y、Z三轴的磁感应强度数据(x_B2,y_B2,z_B2)，将角速度对时间进行一次积分，得到刮板输送机各节中部槽2在X、Y、Z轴方向上的两组角度值，记为(x_d1,y_d1,z_d1),(x_d2,y_d2,z_d2)，根据AHRS多传感器数据融合算法对刮板输送机进行姿态解算，并利用重力场和地磁融合校正MEMS传感器在三轴的角度测量值，对处理后的角度数据分别取平均值记为(x_d,y_d,z_d)，利用通讯单元中的WiFi模块实现相邻检测装置之间的通讯后，若相邻检测装置之间测得的角度值不同，则说明刮板输送机移动过程出现弯曲倾斜，液压支架6也可能出现倾斜，需要进行人工调直；

步骤五：通过以上数据处理步骤可以得到每组MEMS传感器在各个方向的位移值和角度值，建立空间绝对坐标系，以刮板输送机的端头为原点；沿着刮板输送机运行方向为X轴正方向；垂直于刮板输送机并指向煤壁方向为Y轴正方向；垂直于地面向下为Z轴正方向，通过曲线拟合，可以得到刮板输送机的曲线，以直观呈现刮板输送机直线度的检测结果，当检测结果超过设定预警值，红色指示灯亮起，发布刮板输送机过弯报警信息。

如图3是数据传输图，具体数据传输过程如下：

第一步，MEMS传感器采集刮板输送机每节中部槽2三轴角速度，三轴加速度和三轴磁感应强度。

第二步，将数据值通过WiFi模块传输至数据处理单元，并在STM32F103微处理器中对数据进行处理，将处理结果存入数据存储卡中。

第三步，各节中部槽2通过通讯单元中的WiFi模块进行数据传输，将数据的处理结果进行对比，得到刮板输送机的直线度。WiFi模块和串口通讯模块还可以与其它综采设备进行通讯，便于进行井下采煤机，刮板输送机和液压支架的协同控制。

本发明中通过设置在每节中部槽2上检测装置中的MEMS传感器获得刮板输送机每节中部槽2在X、Y、Z轴上的加速度数据并传输至处理单元进行数据处理，得到三轴位移后，通过WiFi模块进行相邻检测装置之间的通讯以便于比较X、Y、Z轴位移差值，从而能便捷、高效和准确地判断出刮板输送机是否被推齐或是否存在起伏现象；通过获取刮板输送机在X、Y、Z轴上的角速度数据，由处理单元进行数据处理后得到三轴角度，并由相邻检测装置之间的通讯比较角度数据差值，从而能便捷、高效和准确地判断出刮板输送机是否出现倾斜状况；该方法能够便捷、高效和准确地实现刮板输送机直线度的检测工作，其检测误差小，测量结果准确。

Claims (1)

1.一种刮板输送机直线度的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：数据采集单元通过两个MEMS传感器采集刮板输送机在被推移过程中每节中部槽(2)的三轴加速度、三轴角速度和三轴磁感应强度，其将采集的数据存储在数据存储卡中，并通过数据采集单元中的WiFi模块将所采集数据传输给数据处理单元；

步骤二：数据处理单元获取各节中部槽(2)上MEMS传感器中Z轴角速度和Y轴加速度数据，分别对时间一次积分得到绕Z轴角度和Y向速度，若前者在连续的几节中部槽(2)上的角度值有正有负，后者的速度在此段内也有正负，并且二者的变化时刻相同，则表明刮板输送机在过S弯，由于刮板输送机S弯不属于刮板输送机的调直范围，故只对刮板输送机S弯前段和后段的直线度进行检测；

步骤三：采用差分法减少MEMS传感器的位移测量误差，获取刮板输送机的中部槽(2)在X、Y、Z三轴的两组加速度数据后，在数据处理单元中对加速度进行二次时间积分得到刮板输送机各节中部槽(2)在X、Y、Z三轴上的位移，两个MEMS传感器获得的数据分别记为(x_s1,y_s1,z_s1),(x_s2,y_s2,z_s2)，每个方向上的位移值都包括实际移动距离值x,y,z和测量误差值Δx,Δy,Δz，具体公式如下，

x_s1＝x+Δx,x_s2＝-x+Δx

y_s1＝y+Δy,y_s2＝-y+Δy

z_s1＝z+Δz,z_s2＝-z+Δz

将两个MEMS传感器X、Y、Z轴数据进行相减得到刮板输送机每节中部槽(2)在X、Y、Z轴方向上的实际移动距离x,y,z，利用通讯单元中的WiFi模块实现相邻检测装置之间的通讯，如果相邻检测装置计算出的Y轴位移值不同，则说明液压支架(6)在Y轴上没有推齐刮板输送机，在数据处理单元中计算出相邻检测装置的位移差值，并通过通讯单元中RS232串口模块与对相应液压支架控制器(5)进行通讯并使液压支架控制器(5)发送补推的命令，控制液压支架(6)通过推移杆(3)进行前推动作，以推直刮板输送机；若是X轴方向上位移值不同，则说明刮板输送机经过推移后，由于支架倾斜造成刮板输送机倾斜；若是Z轴方向上位移值不同，则说明刮板输送机受到底板不平的影响出现了起伏现象；

步骤四：采用AHRS算法和平均法减少三轴的角度测量误差，数据处理单元获取刮板输送机在X、Y、Z三轴的角速度数据(x_B1,y_B1,z_B1)，数据处理单元获取刮板输送机在X、Y、Z三轴的磁感应强度数据(x_B2,y_B2,z_B2)，将角速度对时间进行一次积分，得到刮板输送机各节中部槽(2)在X、Y、Z轴方向上的两组角度值，记为(x_d1,y_d1,z_d1),(x_d2,y_d2,z_d2)，根据AHRS多传感器数据融合算法对刮板输送机进行姿态解算，并利用重力场和地磁融合校正MEMS传感器在三轴的角度测量值，对处理后的角度数据分别取平均值记为(x_d,y_d,z_d)，利用通讯单元中的WiFi模块实现相邻检测装置之间的通讯后，若相邻检测装置之间测得的角度值不同，则说明刮板输送机移动过程出现弯曲倾斜，液压支架(6)也可能出现倾斜，需要进行人工调直；

步骤五：通过以上数据处理步骤可以得到每组MEMS传感器在各个方向的位移值和角度值，建立空间绝对坐标系，以刮板输送机的端头为原点；沿着刮板输送机运行方向为X轴正方向；垂直于刮板输送机并指向煤壁方向为Y轴正方向；垂直于地面向下为Z轴正方向，通过曲线拟合，可以得到刮板输送机的曲线，以直观呈现刮板输送机直线度的检测结果，当检测结果超过设定预警值，红色指示灯亮起，发布刮板输送机过弯报警信息。