CN111441810B - 一种确定四柱式液压支架工作状态的方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例一种确定四柱式液压支架工作状态的方法，涉及采煤工作面设备监测及自动化控制技术领域，包括：实时获取液压支架顶梁、前连杆沿走向的俯仰角及底座沿走向的俯仰角和沿工作面方向的倾斜角；及前柱、后柱及左、右侧护板千斤顶受的压力；建立三维地质环境下位姿计算模型及受力计算模型；将获取的俯仰角及倾斜角输入位姿计算模型中，得到液压支架关键点的位置坐标；将获取的压力输入受力计算模型中，得到液压支架顶梁及底座沿走向平面方向及工作面方向的分力及合力，根据获取的姿态、位置数据及液压支架多个主体结构件所受的压力确定支架的工作状态。可以实时地、较为精确地确定出四柱式液压支架在不同地质环境下的工作状态。

Description

一种确定四柱式液压支架工作状态的方法

技术领域

本发明涉及采煤工作面设备监测及自动化控制技术领域，尤其涉及一种确定四柱式液压支架工作状态的方法。

背景技术

液压支架作为综采工作面的重点装备，不仅支撑着采煤必要的作业空间，同时维系着工作面设备和人员的安全，其工作性能的好坏在很大程度上制约着综采工作面的自动化水平。然而，由于液压支架应用在煤矿井下，工作环境恶劣，在围岩载荷变化较大的采场，支架姿态经常发生变化，不合理的姿态类型常会导致支架的整体失稳并造成关键零部件的损坏。同时，在开采过程中因采煤机调高造成顶底板倾斜的现象也时常存在，使得全工作面液压支架姿态不可能处于理想的状态。因此，针对复杂、多样化地质条件下液压支架工作状态监测技术的研究就显的尤为重要。

目前对于液压支架工作状态的监测研究多集中于监测系统构成及监测手段上，通常为在液压支架上某几个关键位置上安装传感器，采集得到液压支架关键位置的状态信息，根据几个关键位置的状态信息简单综合确定支架的状态。例如，中国专利申请号为CN201110275902.2、名称为《基于多传感器数据融合的液压支架姿态检测方法及装置》发明专利申请，公开了一种实时采集液压支架的压力、位移、倾角信息，并根据上述信息简单汇总综合得到液压支架姿态的方法及装置组成。

但包括上述专利申请在内的现有液压支架工作状态监测技术没有充分考虑地质环境对液压支架的姿态及受力特征的影响因素，仅仅简单依靠液压支架局部位置的数据简单综合，无法较为精确地描述或确定出液压支架的整体工作状态。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种确定四柱式液压支架工作状态的方法，可以实时地、较为精确地确定出四柱式液压支架在不同地质环境下的工作状态，从而为液压支架的智能化控制提供准确的控制信息。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供一种确定四柱式液压支架工作状态的方法

实时获取液压支架顶梁、前连杆沿走向的俯仰角及液压支架底座沿走向的俯仰角和沿工作面方向的倾斜角；

实时获取液压支架前柱、后柱及左、右侧护板千斤顶承受的压力；

根据当前综采面三维地质环境建立三维地质环境下液压支架位姿计算模型及受力计算模型；

将获取的俯仰角及倾斜角输入所述位姿计算模型中，利用所述计算模型计算得到液压支架关键点的位置坐标；

将获取的压力输入所述受力计算模型中，利用所述受力计算模型计算得到液压支架顶梁及底座分别沿走向平面方向及工作面方向所受的分力，并基于得到的液压支架顶梁及底座分别沿走向平面方向及工作面方向所受的分力计算出液压支架顶梁及底座所受合力；

根据获取的俯仰角、倾斜角、液压支架关键点的位置坐标、液压支架多个主体结构件所受的压力确定液压支架的工作状态；所述多个主体结构件所受的压力包括液压支架顶梁及底座所受的分力及合力。

可选地，所述根据当前综采面三维地质环境建立三维地质环境下液压支架位姿计算模型包括：

构建当前综采工作面三维地质环境几何模型，在三维地质环境几何模型中建立走向平面方向液压支架位姿计算模型，以液压支架底座底面后端所在水平面与竖直面设置平面坐标系XY，坐标原点O，标记出液压支架多个关键点及重心；所述多个关键点分别标记为A、B、C、D、E、F、J、K及M，各关键点的位置坐标依次为(X_A,Y_A)、(X_B,Y_B)、(X_C,Y_C)、(X_D,Y_D)、(X_E,Y_E)、(X_F,Y_F)、(X_J,Y_J)、(X_K,Y_K)及(X_M,Y_M)，所述重心标记为(X_G,Y_G)；

所述将获取的俯仰角及倾斜角输入所述位姿计算模型中，利用所述计算模型计算得到液压支架关键点的位置坐标包括：

基于液压支架支撑高度、液压支架前柱、后柱长度、形成液压支架关键点的多个液压支架主体结构件几何长度及获取的俯仰角及倾斜角，利用液压支架位姿计算模型解算出液压支架多个关键点的位置坐标；解算公式为：

H＝Y_M+L₂₀·cosα+L₁·sinα-L₅·sinγ

式中：

K₁＝X_E ²-X_A ²+Y_E ²-Y_A ²-L_DE ²+L₄ ²

K₂＝2·(Y_E-Y_A)

K₃＝2·(X_E-X_A)

K₇＝X_E ²-X_D ²+Y_E ²-Y_D ²-L_EF ²+L_DF ²

K₈＝2·(Y_E-Y_D)

K₉＝2·(X_E-X_D)

其中，H为液压支架支撑高度，X_QZ为液压支架前柱长度，X_HZ为液压支架后柱长度，L1～L21为液压支架多个主体结构件对应的几何长度；

根据液压支架各部件的重心位置解算出液压支架的重心位置坐标。

可选地，所述根据当前综采面三维地质环境建立三维地质环境下液压支架受力计算模型包括：构建当前综采工作面三维地质环境几何模型，在三维地质环境几何模型中建立走向平面方向液压支架第一受力计算模型，以液压支架底座底面后端所在水平面与竖直面设置平面坐标系XY，坐标原点O，标记出液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力在走向平面的分力、液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力在走向平面分力的作用位置、液压支架顶梁与顶板摩擦力在走向平面的分力、液压支架底座所承受底板支撑力在走向平面的分力、液压支架底座所承受底板支撑力在走向平面分力的作用位置、液压支架底座与底板摩擦力在走向平面的分力，液压支架所受重力在走向平面的分力及液压支架不同主体结构件相对于参考点取矩的力臂大小；所述参考点为前连杆与后连杆延长线的交点；

在三维地质环境几何模型中建立沿工作面方向液压支架第二受力计算模型，以液压支架底座底面后端所在水平面与竖直面设置平面坐标系XY，坐标原点O，标记出液压支架底座沿工作面方向倾斜角度、液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力沿工作面方向的分力、液压支架底座所承受底板支撑力沿工作面方向的分力、液压支架所受重力沿工作面方向的分力及左、右邻架对本架的主动力；

所述将获取的压力输入所述受力计算模型中，利用所述受力计算模型计算得到液压支架顶梁及底座分别沿走向平面方向及工作面方向所受的分力包括：根据所建立的液压支架第一受力计算模型分别对坐标原点O、参考点及M点取矩，并结合Y轴合力平衡条件得到第一解算方程组；

根据所述第一解算方程组解算出液压支架处于不同姿态下液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力在走向平面的分力、液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力在走向平面分力的作用位置、液压支架底座所承受底板支撑力在走向平面的分力及液压支架底座所承受底板支撑力在走向平面分力的作用位置。

根据所建立的液压支架第二受力计算模型对坐标原点O取矩，并结合Y轴合力平衡条件得到第二解算方程组；

根据所述第二解算方程组解算出液压支架处于不同姿态下液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力沿工作面方向的分力及液压支架底座所承受底板支撑力沿工作面方向的分力。

可选地，所述基于得到的液压支架顶梁及底座分别沿走向平面方向及工作面方向所受的分力计算出液压支架顶梁及底座所受合力包括：

计算液压支架顶梁所受合力为：基于得到的液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力在走向平面的分力根据第一公式计算出所述液压支架顶梁所受的合力；其中，所受第一公式为：Q′＝Q*cosθ*cosα，其中，Q′为液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力在走向平面的分力，Q为液压支架顶梁所受的合力，θ为液压支架底座沿工作面方向倾斜角度，α为顶梁在任意时刻沿走向平面的俯仰角度；或者，

基于得到的液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力沿工作面方向的分力根据第二公式计算出所述液压支架顶梁所受的合力；其中，所受第二公式为：Q″＝Q*sinθ，其中，Q″为液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力沿工作面方向的分力，Q为液压支架顶梁所受的合力；

计算液压支架底座所受合力为：基于得到的液压支架底座所承受底板支撑力在走向平面的分力，根据第三公式计算出所述液压支架底座所受的合力；其中，所述第三公式为：R′＝R*cosθ*cosγ，其中，R′为液压支架底座所承受底板支撑力在走向平面的分力，R为液压支架底座所受的合力，γ为液压支架底座沿走向的俯仰角度；或者，

基于得到的液压支架底座所承受底板支撑力沿工作面方向的分力根据第四公式计算出所述液压支架底座所受的合力；其中，所述第四公式为：R″＝R*sinθ，其中，R″为液压支架底座所承受底板支撑力沿工作面方向的分力。

可选地，多个主体结构件包括顶梁、掩护梁、前连杆、后连杆、底座、前柱及后柱，各结构件间采用铰接连接，所述液压支架关键点为所述主体结构件间的铰接点。

可选地，所述实时获取液压支架顶梁、前连杆沿走向的俯仰角及液压支架底座沿走向的俯仰角和沿工作面方向的倾斜角包括：在液压支架顶梁、前连杆、底座布置倾角传感器，所述顶梁及前连杆布置的倾角传感器为单轴传感器，该轴平行于走向方向设置；

利用所述单轴传感器分别测得顶梁及前连杆在任意时刻沿走向的俯仰角度；

所述底座布置的倾角传感器为双轴传感器，所述双轴传感器一轴平行于走向方向，另一轴平行于工作面方向；

利用所述双轴传感器测得液压支架底座在任意时刻沿走向的俯仰角度以及沿工作面方向的倾斜角度。

可选地，所述实时获取液压支架前柱、后柱及左、右侧护板千斤顶承受的压力包括：在液压支架前柱、后柱及左、右侧护板千斤顶布置压力传感器；

利用所述压力传感器测得液压支架前柱、后柱、左、右侧护板千斤顶任意时刻所承受的压力。

本发明实施例一种确定四柱式液压支架工作状态的方法，通过实时获取液压支架多个主体结构件的倾角信息，根据当前综采面三维地质环境建立液压支架在三维地质环境下的位姿及受力计算模型，充分考虑了不同综采面地质环境因素的影响，得到多个关键点的位置坐标及液压支架顶梁及底座所受的分力及合力，根据获取的倾角信息、关键点位置信息及多个主体结构件所受的压力等多个指标全面地描述液压支架当前的工作状态，可以实时地、较为精确地确定出四柱式液压支架在不同地质环境下的工作姿态及受力特征。

进一步地，根据该方法可实现对液压支架抬头、低头、倾倒、过载等危险状态进行较为全面且准确的监测预警，从而为液压支架的智能化控制提供准确的控制信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明中三维地质环境下四柱式液压支架位姿及受力分析模型一实施例示意图。

图2为本发明中沿走向平面方向四柱式液压支架位姿分析模型一实施例示意图。

图3为本发明中沿走向平面方向四柱式液压支架受力分析模型一实施例示意图。

图4为本发明中沿工作面方向四柱式液压支架受力分析模型一实施例示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明为三维地质环境下四柱式液压支架位姿及受力分析模型一实施例示意图；参看图1所示，本发明实施例提供的确定四柱式液压支架工作状态方法，可应用于综采工作面四柱式液压支架工作状态监测及自动化控制中。

在一些实施方式中，所述方法包括：

步骤110、实时获取液压支架顶梁、前连杆沿走向的俯仰角及液压支架底座沿走向的俯仰角和沿工作面方向的倾斜角。

具体地，所述实时获取液压支架顶梁、前连杆沿走向的俯仰角及液压支架底座沿走向的俯仰角和沿工作面方向的倾斜角包括：在液压支架顶梁、前连杆、底座布置倾角传感器，所述顶梁及前连杆布置的倾角传感器为单轴传感器，该轴平行于走向方向设置；利用所述单轴传感器分别测得顶梁在任意时刻沿走向的俯仰角度α及前连杆在任意时刻沿走向的俯仰角度β。

所述底座布置的倾角传感器为双轴传感器，所述双轴传感器一轴平行于走向方向，另一轴平行于工作面方向；利用所述双轴传感器测得液压支架底座在任意时刻沿走向的俯仰角度γ以及沿工作面方向的倾斜角度θ。

步骤120、实时获取液压支架前柱、后柱及左、右侧护板千斤顶承受的压力，分别为P_QZ、P_HZ、T_Z及T_Y。

其中，所述前柱铰接连接于顶梁与底座之间，属于承压结构件，可承受顶板对液压支架的压力，并实现沿前柱中心线方向的伸缩运动。

所述后柱铰接连接于顶梁与底座之间，属于承压结构件，可承受顶板对液压支架的压力，并实现沿后柱中心线方向的伸缩运动。

具体地，所述实时获取液压支架前柱、后柱及左、右侧护板千斤顶承受的压力包括：在液压支架前柱、后柱及左、右侧护板千斤顶布置压力传感器；利用所述压力传感器测得液压支架前柱、后柱、左、右侧护板千斤顶任意时刻所承受的压力

步骤130、根据当前综采面三维地质环境建立三维地质环境下液压支架位姿计算模型及受力计算模型。

其中，计算模型也称为数学模型，具体为：设置三轴坐标系XYZ，坐标原点O，分别标记出液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力的简化合力、液压支架底座所承受底板支撑力的简化合力及液压支架所受重力；其中，正方向如图1所示，图中Q为液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力的简化合力，R为液压支架底座所承受底板支撑力的简化合力，P_G为液压支架所受重力。

需要说明的是，本领域技术人员根据本发明的技术构思容易得出，步骤110、120及130之间可以任意调换执行顺序，也可以同时实施，步骤撰写先后顺序不能视为对技术方案实际执行时可变化顺序的限定。

步骤140、将获取的俯仰角及倾斜角输入所述位姿计算模型中，利用所述计算模型计算得到液压支架关键点的位置坐标。

步骤150、将获取的压力输入所述受力计算模型中，利用所述受力计算模型计算得到液压支架顶梁及底座分别沿走向平面方向及工作面方向所受的分力，并基于得到的液压支架顶梁及底座分别沿走向平面方向及工作面方向所受的分力计算出液压支架顶梁及底座所受合力。

步骤160、根据获取的俯仰角、倾斜角、液压支架关键点的位置坐标、液压支架多个主体结构件所受的压力确定液压支架的工作状态；所述多个主体结构件所受的压力包括液压支架顶梁及底座所受的分力及合力。

其中，多个主体结构件包括顶梁、掩护梁、前连杆、后连杆、底座、前柱及后柱，各结构件间采用铰接连接，所述液压支架关键点为所述主体结构件间的铰接点。

可以理解的是，本实施例中，通过建立液压支架在三维地质环境下的工作状态计算模型，得到液压支架在走向平面及沿工作面平面多个主体结构件的位置、姿态及受力状况，并根据液压支架多个主体结构件的位置、姿态及受力状况综合确定液压支架的工作状态，可以较为全面、准确地描述或确定出四柱式液压支架当前的工作状态。进一步地，其可实现液压支架抬头、低头、倾倒、过载等工况下状态的监测预警。

本发明实施例提供的确定四柱式液压支架工作状态的方法，通过实时获取液压支架多个主体结构件的倾角信息，根据当前综采面三维地质环境建立液压支架在三维地质环境下的位姿及受力计算模型，充分考虑了不同综采面地质环境因素的影响，得到多个关键点的位置坐标及液压支架顶梁及底座所受的分力及合力，根据获取的倾角信息、关键点位置信息及多个主体结构件所受的压力等多个指标全面地描述液压支架当前的工作状态，可以实时地、较为精确地确定出液压支架在不同地质环境下的工作姿态及受力特征。

进一步地，根据该方法可实现对液压支架抬头、低头、倾倒、过载等危险状态进行较为全面且准确的监测预警，从而为液压支架的智能化控制提供准确的控制信息。

可以理解的是，本实施例提供的方法可以通过各种传感器检测工具与计算机结合，将提供的计算模型植入计算机内，构成一套确定液压支架工作状态的系统，执行上述方法，实现预定的技术效果。为叙述简要起见，就不再赘述对应的系统。

参看图2所示，在一些实施例中，在步骤130中，根据当前综采面三维地质环境建立三维地质环境下液压支架位姿计算模型包括：

构建当前综采工作面三维地质环境几何模型，在三维地质环境几何模型中建立走向平面方向液压支架位姿计算模型，以液压支架底座底面后端所在水平面与竖直面设置平面坐标系XY，坐标原点O，标记出液压支架多个关键点及重心；正方向如图2所示，所述多个关键点分别标记为A、B、C、D、E、F、J、K及M，所述关键点为液压支架不同主体结构件间的铰接点；各关键点的位置坐标依次为(X_A,Y_A)、(X_B,Y_B)、(X_C,Y_C)、(X_D,Y_D)、(X_E,Y_E)、(X_F,Y_F)、(X_J,Y_J)、(X_K,Y_K)及(X_M,Y_M)；G为液压支架重心，所述重心坐标标记为(X_G,Y_G)，H为液压支架支撑高度，X_QZ为液压支架前柱长度，X_HZ为液压支架后柱长度，L1～L21为液压支架主体结构件几何长度，所述几何长度包括主体结构件长度及主体结构件装配铰接点(即关键点)间的距离。

其中，L1：顶梁长度、L2：掩护梁长度、L3：前连杆长度、L4：后连杆长度、L5：底座长度、L6～L21为主体结构件装配铰接点之间的距离，即多个关键点间的距离。

所述将获取的俯仰角及倾斜角输入所述位姿计算模型中，利用所述计算模型计算得到液压支架关键点的位置坐标包括：

基于液压支架支撑高度、液压支架前柱、后柱长度、形成液压支架关键点的多个液压支架主体结构件几何长度及获取的俯仰角及倾斜角，利用液压支架位姿计算模型解算出液压支架多个关键点的位置坐标；解算公式为：

H＝Y_M+L₂₀·cosα+L₁·sinα-L₅·sinγ

式中：

K₁＝X_E ²-X_A ²+Y_E ²-Y_A ²-L_DE ²+L₄ ²

K₂＝2·(Y_E-Y_A)

K₃＝2·(X_E-X_A)

K₇＝X_E ²-X_D ²+Y_E ²-Y_D ²-L_EF ²+L_DF ²

K₈＝2·(Y_E-Y_D)

K₉＝2·(X_E-X_D)

根据液压支架各部件的重心位置解算出液压支架的重心位置坐标。

可以理解的是，根据物体组成部件的重心位置解算物体的重心位置坐标的具体方式，可以为人工解算，也可以用软件解算出，为现有技术，为了凸显本发明的创新点所在，就不再对现有的解算重心位置坐标的方案展开叙述。

在另一些实施例方式中，所述根据当前综采面三维地质环境建立三维地质环境下液压支架受力计算模型包括：构建当前综采工作面三维地质环境几何模型，在三维地质环境几何模型中建立走向平面方向液压支架第一受力计算模型，以液压支架底座底面后端所在水平面与竖直面设置平面坐标系XY，坐标原点O，标记出液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力在走向平面的分力、液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力在走向平面分力的作用位置、液压支架顶梁与顶板摩擦力在走向平面的分力、液压支架底座所承受底板支撑力在走向平面的分力、液压支架底座所承受底板支撑力在走向平面分力的作用位置、液压支架底座与底板摩擦力在走向平面的分力，液压支架所受重力在走向平面的分力及液压支架不同主体结构件相对于参考点取矩的力臂大小；所述参考点为前连杆与后连杆延长线的交点。

具体的第一受力计算模型可参看图3所示，平面坐标系XY，坐标原点O，正方向如图所示，Q′为液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力在走向平面的分力，X_Q′为液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力在走向平面分力的作用位置，f₁为液压支架顶梁与顶板摩擦系数，Q′f₁为液压支架顶梁与顶板摩擦力在走向平面的分力，R′为液压支架底座所承受底板支撑力在走向平面的分力，X_R′为液压支架底座所承受底板支撑力在走向平面分力的作用位置，f₂为液压支架底座与底板摩擦系数，R′f₂为液压支架顶底座与底板摩擦力在走向平面的分力，P_G′为液压支架所受重力在走向平面的分力，r₁、r₂、r₃、r₄、r₅、r₆分别为液压支架不同受力结构件相对于参考点O₁取矩的力臂大小。

参看图4所示，还包括：在三维地质环境几何模型中建立沿工作面方向液压支架第二受力计算模型，以液压支架底座底面后端所在水平面与竖直面设置平面坐标系XY，坐标原点O，标记出液压支架底座沿工作面方向倾斜角度θ、液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力沿工作面方向的分力Q″、液压支架底座所承受底板支撑力沿工作面方向的分力R″、液压支架所受重力沿工作面方向的分力P_G″及左、右邻架对本架的主动力T_Z和T_Y。

所述将获取的压力输入所述受力计算模型中，利用所述受力计算模型计算得到液压支架顶梁及底座分别沿走向平面方向及工作面方向所受的分力包括：根据所建立的液压支架第一受力计算模型分别对坐标原点O、参考点及M点取矩，并结合Y轴合力平衡条件得到第一解算方程组；所述第一解算方程组包括四个四元一次方程；

根据所述第一解算方程组解算出液压支架处于不同姿态下，液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力在走向平面的分力、液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力在走向平面分力的作用位置、液压支架底座所承受底板支撑力在走向平面的分力及液压支架底座所承受底板支撑力在走向平面分力的作用位置。

需要说明的是，本领域技术人员可知，解算的液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力在走向平面分力的作用位置和液压支架底座所承受底板支撑力在走向平面分力的作用位置，是一个距离值，不是一个位置点；本实施例通过解算出液压支架四个关键点力学指标，可以较好地反映或描述出液压支架的工作状态。

根据所建立的液压支架第二受力计算模型对坐标原点O取矩，并结合Y轴合力平衡条件得到第二解算方程组；所述第二解算方程组为两个二元一次方程。

根据所述第二解算方程组解算出液压支架处于不同姿态下，液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力沿工作面方向的分力及液压支架底座所承受底板支撑力沿工作面方向的分力。

本实施例基于可检测的参数，通过建立受力计算模型，并应用到液压支架工作状态监测应用中，可以解算出液压支架工作时多个受力参数，可以较好地反映或描述液压支架的工作时的受力状态，从而可提高液压支架工作状态监测的可靠性。

所述基于得到的液压支架顶梁及底座分别沿走向平面方向及工作面方向所受的分力计算出液压支架顶梁及底座所受合力包括：

计算液压支架顶梁所受合力Q为：基于得到的液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力在走向平面的分力根据第一公式计算出所述液压支架顶梁所受的合力；其中，所受第一公式为：Q′＝Q*cosθ*cosα，其中，Q′为液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力在走向平面的分力，Q为液压支架顶梁所受的合力，θ为液压支架底座沿工作面方向倾斜角度，α为顶梁在任意时刻沿走向平面的俯仰角度；

在另一可替代方式中，计算液压支架顶梁所受合力为：基于得到的液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力沿工作面方向的分力根据第二公式计算出所述液压支架顶梁所受的合力；其中，所受第二公式为：Q″＝Q*sinθ，其中，Q″为液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力沿工作面方向的分力，Q为液压支架顶梁所受的合力；

计算液压支架底座所受合力R为：基于得到的液压支架底座所承受底板支撑力在走向平面的分力，根据第三公式计算出所述液压支架底座所受的合力；其中，所述第三公式为：R′＝R*cosθ*cosγ，其中，R′为液压支架底座所承受底板支撑力在走向平面的分力，R为液压支架底座所受的合力，γ为液压支架底座沿走向的俯仰角度。

在另一可替代方式中，计算液压支架底座所受合力为：基于得到的液压支架底座所承受底板支撑力沿工作面方向的分力根据第四公式计算出所述液压支架底座所受的合力；其中，所述第四公式为：R″＝R*sinθ，其中，R″为液压支架底座所承受底板支撑力沿工作面方向的分力。

本实施例中，通过解算出三维地质条件下液压支架顶梁及底座所受合力的大小，结合前述解算出的参数共同描述液压支架在三维地质环境下的姿态、受力状态，可以全面地、较为准确地确定出液压支架当前的工作状态，为液压支架的控制提供较为准确和全面的数据支持，从而可以提高液压支架控制的精准性。

本发明实施例提供的基于激光点云的超前液压支架定位系统，不仅解决了超前支架在超前巷道中的自定位问题，也能够确定出超前液压支架与巷道两帮煤壁及设备的相对位置关系，实现了超前液压支架在巷道中的定位及控制，可以提高采煤效率及安全性。进一步地，通过利用三维点云数据与红外实景图像信息融合处理，极大的减少了点云数据的计算量，提高了数据处理速度，进而提升控制信息的反馈效率，满足超前液压支架实时控制的需求。可以很好的应用于煤矿井下巷道狭长空间的设备定位及控制，对煤矿高效率及安全性开采应用具有重要意义。需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。另外，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种确定四柱式液压支架工作状态方法，其特征在于，包括步骤：

实时获取液压支架顶梁、前连杆沿走向的俯仰角及液压支架底座沿走向的俯仰角和沿工作面方向的倾斜角；

实时获取液压支架前柱、后柱及左、右侧护板千斤顶承受的压力；

根据当前综采面三维地质环境建立三维地质环境下液压支架位姿计算模型及受力计算模型；

将获取的俯仰角及倾斜角输入所述位姿计算模型中，利用所述计算模型计算得到液压支架关键点的位置坐标；

将获取的压力输入所述受力计算模型中，利用所述受力计算模型计算得到液压支架顶梁及底座分别沿走向平面方向及工作面方向所受的分力，并基于得到的液压支架顶梁及底座分别沿走向平面方向及工作面方向所受的分力计算出液压支架顶梁及底座所受合力；

根据获取的俯仰角、倾斜角、液压支架关键点的位置坐标、液压支架多个主体结构件所受的压力确定液压支架的工作状态；所述多个主体结构件所受的压力包括液压支架顶梁及底座所受的分力及合力；

所述根据当前综采面三维地质环境建立三维地质环境下液压支架受力计算模型包括：构建当前综采工作面三维地质环境几何模型，在三维地质环境几何模型中建立走向平面方向液压支架第一受力计算模型，以液压支架底座底面后端所在水平面与竖直面设置平面坐标系XY，坐标原点O，标记出液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力在走向平面的分力、液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力在走向平面分力的作用位置、液压支架顶梁与顶板摩擦力在走向平面的分力、液压支架底座所承受底板支撑力在走向平面的分力、液压支架底座所承受底板支撑力在走向平面分力的作用位置、液压支架底座与底板摩擦力在走向平面的分力，液压支架所受重力在走向平面的分力及液压支架不同主体结构件相对于参考点取矩的力臂大小；所述参考点为前连杆与后连杆延长线的交点；

在三维地质环境几何模型中建立沿工作面方向液压支架第二受力计算模型，以液压支架底座底面后端所在水平面与竖直面设置平面坐标系XY，坐标原点O，标记出液压支架底座沿工作面方向倾斜角度、液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力沿工作面方向的分力、液压支架底座所承受底板支撑力沿工作面方向的分力、液压支架所受重力沿工作面方向的分力及左、右邻架对本架的主动力；

所述将获取的压力输入所述受力计算模型中，利用所述受力计算模型计算得到液压支架顶梁及底座分别沿走向平面方向及工作面方向所受的分力包括：根据所建立的液压支架第一受力计算模型分别对坐标原点O、参考点及M点取矩，并结合Y轴合力平衡条件得到第一解算方程组；

根据所述第一解算方程组解算出液压支架处于不同姿态下，液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力在走向平面的分力、液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力在走向平面分力的作用位置、液压支架底座所承受底板支撑力在走向平面的分力及液压支架底座所承受底板支撑力在走向平面分力的作用位置；

根据所建立的液压支架第二受力计算模型对坐标原点O取矩，并结合Y轴合力平衡条件得到第二解算方程组；

根据所述第二解算方程组解算出液压支架处于不同姿态下，液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力沿工作面方向的分力及液压支架底座所承受底板支撑力沿工作面方向的分力。

2.根据权|利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据当前综采面三维地质环境建立三维地质环境下液压支架位姿计算模型包括：

构建当前综采工作面三维地质环境几何模型，在三维地质环境几何模型中建立走向平面方向液压支架位姿计算模型，以液压支架底座底面后端所在水平面与竖直面设置平面坐标系XY，坐标原点O，标记出液压支架多个关键点及重心；所述多个关键点分别标记为A、B、C、D、E、F、J、K及M，各关键点的位置坐标依次为(X_A,Y_A)、(X_B,Y_B)、(X_C,Y_C)、(X_D,Y_D)、(X_E,Y_E)、(X_F,Y_F)、(X_J,Y_J)、(X_K,Y_K)及(X_M,Y_M)，所述重心标记为(X_G,Y_G)；

所述将获取的俯仰角及倾斜角输入所述位姿计算模型中，利用所述计算模型计算得到液压支架关键点的位置坐标包括：

基于液压支架支撑高度、液压支架前柱、后柱长度、形成液压支架关键点的多个液压支架主体结构件几何长度及获取的俯仰角及倾斜角，利用液压支架位姿计算模型解算出液压支架多个关键点的位置坐标；解算公式为：

H＝Y_M+L₂₀·cosα+L₁·sinα-L₅·sinγ

式中：

K₁＝X_E ²-X_A ²+Y_E ²-Y_A ²-L_DE ²+L₄ ²

K₂＝2·(Y_E-Y_A)

K₃＝2·(X_E-X_A)

K₇＝X_E ²-X_D ²+Y_E ²-Y_D ²-L_EF ²+L_DF ²

K₈＝2·(Y_E-Y_D)

K₉＝2·(X_E-X_D)

其中，H为液压支架支撑高度，X_QZ为液压支架前柱长度，X_HZ为液压支架后柱长度，L1～L21为液压支架多个主体结构件对应的几何长度；

根据液压支架各部件的重心位置解算出液压支架的重心位置坐标。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于得到的液压支架顶梁及底座分别沿走向平面方向及工作面方向所受的分力计算出液压支架顶梁及底座所受合力包括：

计算液压支架顶梁所受合力为：基于得到的液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力在走向平面的分力根据第一公式计算出所述液压支架顶梁所受的合力；其中，所受第一公式为：Q′＝Q*cosθ*cosα，其中，Q′为液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力在走向平面的分力，Q为液压支架顶梁所受的合力，θ为液压支架底座沿工作面方向倾斜角度，α为顶梁在任意时刻沿走向平面的俯仰角度；或者，

基于得到的液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力沿工作面方向的分力根据第二公式计算出所述液压支架顶梁所受的合力；其中，所受第二公式为：Q″＝Q*sinθ，其中，Q″为液压支架顶梁所承受上覆岩层作用力沿工作面方向的分力，Q为液压支架顶梁所受的合力；

计算液压支架底座所受合力为：基于得到的液压支架底座所承受底板支撑力在走向平面的分力，根据第三公式计算出所述液压支架底座所受的合力；其中，所述第三公式为：R′＝R*cosθ*cosγ，其中，R′为液压支架底座所承受底板支撑力在走向平面的分力，R为液压支架底座所受的合力，γ为液压支架底座沿走向的俯仰角度；或者，

基于得到的液压支架底座所承受底板支撑力沿工作面方向的分力根据第四公式计算出所述液压支架底座所受的合力；其中，所述第四公式为：R″＝R*sinθ，其中，R″为液压支架底座所承受底板支撑力沿工作面方向的分力。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，多个主体结构件包括顶梁、掩护梁、前连杆、后连杆、底座、前柱及后柱，各结构件间采用铰接连接，所述液压支架关键点为所述主体结构件间的铰接点。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述实时获取液压支架顶梁、前连杆沿走向的俯仰角及液压支架底座沿走向的俯仰角和沿工作面方向的倾斜角包括：在液压支架顶梁、前连杆、底座布置倾角传感器，所述顶梁及前连杆布置的倾角传感器为单轴传感器，该轴平行于走向方向设置；

利用所述单轴传感器分别测得顶梁及前连杆在任意时刻沿走向的俯仰角度；

所述底座布置的倾角传感器为双轴传感器，所述双轴传感器一轴平行于走向方向，另一轴平行于工作面方向；

利用所述双轴传感器测得液压支架底座在任意时刻沿走向的俯仰角度以及沿工作面方向的倾斜角度。

6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于，所述实时获取液压支架前柱、后柱及左、右侧护板千斤顶承受的压力包括：在液压支架前柱、后柱及左、右侧护板千斤顶布置压力传感器；

利用所述压力传感器测得液压支架前柱、后柱及左、右侧护板千斤顶任意时刻所承受的压力。

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