CN110007309A

CN110007309A - 一种掩护式液压支架姿态智能监测系统及其测量方法

Info

Publication number: CN110007309A
Application number: CN201910327251.3A
Authority: CN
Inventors: 董海波; 谭渝; 徐继远; 廖红梅; 郭道程; 王佳玉
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2019-04-23
Filing date: 2019-04-23
Publication date: 2019-07-12

Abstract

本发明公开了一种掩护式液压支架姿态智能监测系统及其测量方法，旨在解决现有掩护式液压支架姿态监测的传感器类型多、数量多、系统复杂、可靠性低、精度差的不足。本发明的掩护式液压支架姿态智能监测系统，测量时将智能监测装置固定在掩护式液压支架的液压立柱缸筒中上部，装置内置3轴倾角传感器以测量装置初始状态参数，外置激光雷达对掩护式液压支架内部支护空间进行垂直扫描测量，对激光雷达输出的点云数据经过Hough变换确定液压支架内部各构件端面的直线方程，经解算获得掩护式液压支架姿态参数，姿态解算结果和3轴倾角数据传输给上位机处理。本发明的传感器种类和数量显著减少，系统可靠性和测量精度高，安装快速且检修、维护方便。

Description

一种掩护式液压支架姿态智能监测系统及其测量方法

技术领域

本发明属于煤矿井下综采工作面的掩护式液压支架的姿态监测领域，涉及一种基于激光雷达的掩护式液压支架姿态智能监测系统及其测量方法。

技术背景

液压支架是煤矿井下综采工作面的重要机械设备，掩护式液压支架是当今液压支架的主要形式之一。掩护式液压支架不仅负责综采工作面的空间支护，而且通过各支架间相互配合完成对刮板输送机和采煤机的推移操作。随着智能化无人综采工作面的建设不断推广应用，对掩护式液压支架的空间姿态监测精度、监测系统可靠性等要求也越来越高。但目前掩护式液压支架的姿态监测技术方法基本为直接监测方法，如要监测某些梁及底板的倾角，则需要在要监测的梁、底板上固定一定数量的检测倾角的传感器，如要监测各液压千斤顶的行程，则需要在要监测行程的数个千斤顶上采用内置或外置式的位移传感器或拉线传感器等方式进行测量，最后再将各传感器的输出信号通过采集变换传输到控制总站，从而实现对液压支架状态进行监测。由此可见，现有对液压支架的监测方法中，每台液压支架需要使用的传感器数量和类型都很多，导致安装、调试、维护将非常困难，其测量精度也难以保证。

发明内容

本发明旨在解决技术问题是针对现有掩护式液压支架姿态监测中存在的传感器数量多、系统复杂，及其进一步导致的可靠性低、精度差的不足，提供一种基于激光雷达的掩护式液压支架姿态智能监测系统及其测量方法，通过激光雷达对掩护式液压支架内部空间进行扫描测量，并对激光测距点云数据进行处理，来获得掩护式液压姿态的实时检测方法。

技术方案

为实现上述目标，本发明采用了一种基于激光雷达的掩护式液压支架姿态智能监测系统，包括姿态姿态智能监测装置和上位机；姿态智能监测装置为矿用防爆型电气设备，测量时该装置固定在掩护式液压支架的液压立柱上，装置壳体内部有3轴倾角传感器和智能测控主机，装置壳体外部固定有一台2维激光扫描雷达，智能测控主机通过电缆对2维激光扫描雷达进行供电、通讯和控制，并将姿态解算结果和3轴倾角数据传输给上位机；上位机对上传的液压支架姿态监测数据进行存储，并对液压支架工作模式进行控制。

测量时，将姿态姿态智能监测装置固定安装在掩护式液压支架的液压立柱的缸筒中上部。智能测控主机发出控制指令控制激光雷达在掩护式液压支架内部沿垂直方向上进行360°快速测距扫描，激光雷达输出一组点云数据，表示扫描时激光照射到液压支架内各表面的离散点到测量起始点的距离和旋转夹角，表示为(r_i，α_i)(i＝1,2,3，...，n)。通过对激光扫描输出的点云数据利用Hough变换和卡尔曼滤波处理获得掩护式液压支架内部各构件端面与激光扫描平面相交的直线方程，进一步解算得到掩护式液压支架的姿态参数。

与已有的技术和研究成果相比，本发明的优点有：仅使用一台激光雷达和一个3轴倾角传感器，传感器的种类和数量大大减少，系统可靠性更高；实现了传感器与监测装置一体化，使用时将其固定在液压支架的液压立柱缸筒上即可，无需复杂接线，可快速安装且检修、维护方便；激光雷达测量精度可达1mm，确保实现液压支架姿态的高精度监测。本发明一种基于激光雷达的液压支架姿态智能监测系统及其测量方法，解决了传统液压支架姿态监测方式的不足，为综采工作面的智能化、自动化提供精确信息。

附图说明

附图1为本发明的智能监测装置安装图。

附图2为本发明的整体结构图。

附图3为本发明的测量起始角和立柱状态图。

1-智能监测装置、2-固定器、3-液压立柱、4-激光雷达。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，掩护式液压支架姿态智能监测装置1，利用固定器2将其固定在掩护式液压支架液压立柱3的缸筒上。智能监测装置1的壳体侧面装有激光雷达4，壳体内部有一个装有3轴倾角传感器的智能测控主机，测控主机通过电缆对激光雷达进行供电和控制。

掩护式液压支架姿态智能监测系统有受控模式和自主模式两种工作模式。受控模式状态下，姿态智能监测装置受上位机控制，当智能测控主机接收到上位机发出测量指令时，测控主机启动姿态测量程序，并将测量结果传输回上位机；自主模式下，智能测控主机定时开启姿态测量程序，定时时间可以在上位机设定，测量完毕将测量结果传输回上位机；无论受控模式或自主模式下，在非姿态测量时间掩护式液压支架姿态发生突然变化时，使智能测控主机的3轴倾角传感器输出参数发生改变，当其参数变化大于整定阈值时，智能测控主机立即启动姿态测量，测量完毕将测量结果传输回上位机。

智能测控主机开启姿态测量时，首先发出控制指令，控制激光雷达在掩护式液压支架内部沿垂直方向上进行360°快速测距扫描，如图2所示，激光雷达输出一组点云数据，该数据表示扫描时激光照射到液压支架内各表面的离散点到测量点(激光雷达安装点)的距离和旋转夹角，可表示为(r_i，α_i)(i＝1,2,3,...,n)。进一步，将测得的数据进行坐标变换为(r_i，α_i-α₀)(i＝1,2,3,...,n)，并对其进行Hough变换和卡尔曼滤波处理提取出5条最优直线，这5条直线表示为a、b、c、d、e直线，其分别对应掩护式液压支架的前护帮、顶梁、掩护梁、前连杆、底座5个构件平面与激光扫描平面的空间相交直线。

经Hough变换和卡尔曼滤波处理求得a、b、c、d、e这5条直线方程表示为：

前护帮上的a直线方程：l_a:y＝k_ax+m_a

当k_a＞0时，倾角β_a＝arctank_a，(0°≤β_a≤90°)；当k_a＜0时，倾角β_a＝180°-arctan(-k_a)，(90°≤β_a≤180°)。其中β_a为此直线与水平正方向的夹角。

顶梁(含伸缩梁)上的b直线方程：l_b:y＝k_bx+m_b

当k_b＞0时，倾角β_b＝arctank_b，(0°≤β_b≤90°)；当k_b＜0时，倾角β_b＝180°-arctan(-k_b)，(90°≤β_b≤180°)。其中β_b为此直线与水平正方向的夹角。

掩护梁上的c直线方程：l_c:y＝k_cx+m_c

有当k_c＞0时，倾角β_c＝arctank_c，(0°≤β_c≤90°)；当k_c＜0时，倾角β_c＝180°-arctan(-k_c)，(90°≤β_c≤180°)。其中β_c为此直线与水平正方向的夹角。

前连杆上的直线方程：l_d:y＝k_dx+m_d

当k_d＞0时，倾角β_d＝arctank_d，(0°≤β_d≤90°)；当k_d＜0时，倾角β_d＝180°-arctan(-k_d)，(90°≤β_d≤180°)。其中β_d为此直线与水平正方向的夹角。

底座上的e直线方程：l_e:y＝k_ex+m_e

当k_e＞0时，倾角β_e＝arctank_e，(0°≤β_e≤90°)；当k_e＜0时，倾角β_e＝180°-arctan(-k_e)，(90°≤β_e≤180°)。其中β_e为此直线与水平正方向的夹角。

根据5个面所在的直线方程求得其直线交点A，C，D，E的坐标分别为：

已知顶梁BC部分的长度，由A、C点坐标有：

可求得前梁伸缩的长度：L_AB＝L_AC-L_BC。

进一步求解液压立柱缸筒与水平面的夹角与长度。如图3所示，根据直线l_b的方程，求出其与y轴的交点，记为F(0，y₀)。根据3轴倾角传感器的检测结果知起始角与水平负方向的夹角为α₀，由图3可知α₀＝δ₁，根据直线l_b的直线方程可知δ₂。在△OGF中，由正弦弦定理可得液压立柱伸缩部分的长度为：已知液压立柱底部到装置固定处的长度可求得液压立柱的总体长度L_GH＝L_GO+L_OH。即解算出液压立柱的姿态。

Claims

1.一种掩护式液压支架姿态智能监测系统，其特征是，掩护式液压支架姿态智能监测系统包括姿态智能监测装置和上位机；姿态智能监测装置为矿用防爆型电气设备，测量时该装置固定在掩护式液压支架的液压立柱上，装置壳体内部有3轴倾角传感器和智能测控主机，装置壳体外部固定有一台2维激光扫描雷达，智能测控主机通过电缆对2维激光扫描雷达进行供电、通讯和控制，并将姿态解算结果和3轴倾角数据传输给上位机；上位机对上传的液压支架姿态监测数据进行存储，并对液压支架工作模式进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种掩护式液压支架姿态智能监测系统，其特征在于，测量时姿态智能监测装置固定安装在掩护式液压支架的液压立柱的缸筒中上部。

3.根据权利要求1所述的一种掩护式液压支架姿态智能监测系统，其特征在于，3轴倾角传感器安装在姿态智能监测装置壳体内部固定的智能测控主机上。

4.根据权利要求1所述的一种掩护式液压支架姿态智能监测系统，其特征在于，激光扫描雷达固定在姿态智能监测装置壳体外部，测量时激光扫描雷达在掩护式液压支架内部沿垂直方向上旋转360°扫描测距。

5.根据权利要求1所述的一种掩护式液压支架姿态智能监测系统，其特征在于，姿态智能监测装置内部的智能测控主机通过电缆与壳体外部的2维激光扫描雷达相连进行供电、通讯和控制，对激光扫描雷达输出的测量数据进行姿态解算，并将姿态解算结果和3轴倾角数据传输给上位机。

6.一种如权利要求1所述的一种掩护式液压支架姿态智能监测系统的测量方法，其特征在于：

首先，掩护式液压支架姿态智能监测系统有受控模式和自主模式两种工作模式。受控模式下，姿态智能监测装置受上位机控制，当其接收到上位机发出测量指令时，姿态智能监测装置启动姿态测量程序，并将测量结果传输给上位机；自主模式下，姿态智能监测装置定时开启姿态测量程序，定时时间可在上位机设定和修改，测量完毕将测量结果传输给上位机。无论何种工作模式，在液压支架姿态智能监测系统未进行姿态测量时，实时监测3轴倾角传感器输出参数变化，如果参数变化大于整定阈值，则判定液压支架状态发生改变，立即启动姿态测量程序，测量完毕将测量结果传输给上位机。

所述的姿态测量程序，是由智能测控主机发出控制指令控制激光扫描雷达在液压支架内部沿垂直方向上进行360°快速测距扫描，激光扫描雷达输出一组点云数据，表示扫描时激光照射到液压支架内各表面的离散点到测量起始点的距离和旋转夹角，可表示为(r_i，α_i)(i＝1,2,3，...，n)。

进一步，考虑实际情况中液压支架和立柱均会发生不同程度的倾斜，3轴倾角传感器测得起始角与水平负方向的夹角为α₀，对激光扫描雷达测得的点云数据(r_i，α_i)(i＝1,2,3,...,n)，将测得的数据进行坐标变换为(r_i，α_i-α₀)(i＝1,2,3,...,n)。经Hough变换和卡尔曼滤波处理提取出5条最优直线，这5条直线表示为a、b、c、d、e直线，其分别对应掩护式液压支架的前护帮、顶梁、掩护梁、前连杆、底座5个平面与激光扫描平面的空间相交线，表示为：

l_a:y＝k_ax+m_a

l_b:y＝k_bx+m_b

l_c:y＝k_cx+m_c

l_d:y＝k_dx+m_d

l_e:y＝k_ex+m_e

进一步，得到5个直线在激光扫描平面上的4个交点A、C、D、E的坐标分别为：

A：C：

D：E：

进一步，由于已知顶梁长度BC值，由A、C点坐标可得：

可求得前梁伸缩的长度：L_AB＝L_AC-L_BC。

进一步，根据直线方程l_b及其几何关系得到液压立柱伸缩部分长度：

进一步，已知底座到装置的距离，可得出液压立柱的总体长度为：

L_GH＝L_GO+L_OH