CN113124797B - 一种基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统，包括支架位姿模拟试验台，虚实交互系统和虚拟仿真系统三部分。模拟试验台的可调节地板和支架样机组能够模拟复杂底板下的相邻5台液压支架的位姿，并通过配套传感装置测量支架和底板位姿信息，电控装置收集传感信息并实时导入虚实交互系统；通过虚实交互系统的数据处理模块对原始传感数据进行处理，并通过数据传输接口导入虚拟仿真系统运行，虚拟装置实现与物理装置一致的动作；支架位姿解析运算器从虚拟场景中直接获取位置坐标，通过预先设定的位姿解析算法，求解各液压支架的位姿状态。本发明能够为研究支架发生倒架、挤架、歪架等各种复杂工况下支架群的相对位姿关系提供方法和工具。

Description

一种基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统

技术领域

本发明涉及液压支架位姿模拟技术领域，具体为一种基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统。

背景技术

液压支架作为综采工作面的核心设备，在生产工作中负责管理顶板、维持支护空间以及工作面的推进，是工作面的主要支护设备和位姿关系最复杂的设备。随着煤矿智能化的不断深入，要求液压支架群能够根据围岩状态自适应支护和队列保持推进，但煤层底板形态复杂导致液压支架群位姿关系复杂且呈现随机性，成为液压支架群的自组织协同推进研究中最难解决的问题。

现有针对液压支架群协同控制的研究大都是基于水平理想底板情况，基于真实起伏底板下的液压支架定位定姿和自主推进研究也大都是基于单台液压支架，对复杂底板下多台液压支架定位定姿和支架间的位姿关系缺少有效的判断方法。

申请号为201710323280.3的“一种基于局域网协同的综采工作面虚拟监测方法”是在局域网环境下，在虚拟现实引擎Unity3d环境下建立真实综采工作面的镜像，然后利用数据监测主机实时采集的实际工作面并实时存放进入工作面数据库SQL SERVER2008数据库的数据，位于不同位置的多台数据分析服务器实时读取数据库中相对应的数据，通过姿态解算模块和预测模块并且实时对相对应的虚拟现实设备进行驱动，多台主机通过C/S架构，采用局域网协同方式，互相随时同步数据，合成一个整体工作面全景画面，实现对真实工作面进行三维可视化虚拟监测和在线对历史数据进行分析和预测的方法。本方法能够三维全景实时显示工作面的运行状态，后台嵌入综采运行预测预警模型，能够实现直观可视化的故障诊断与预测，为综采工作面高效安全运行提供技术支撑。

申请号为201611065965.4的“一种液压支架位姿及直线度检测系统及其工作方法”，该发明所述装置借助多个拉线式位移传感器进行相邻液压支架相对全位姿的检测,同时实现了对多个拉线式位移传感器检测信号的实时处理,将冗繁的位移信息转换为简单的位姿矩阵信息,大大减小了信息传输量，减少了每个液压支架顶板位姿矩阵信息、底座位姿矩阵信息对位姿信号传输线缆的占用时间,降低了数以百计工作面液压支架位姿检测过程中信息传输对传输设备的性能需求,减少了信息传输过程中的等待时间,提高了位姿矩阵信息远程传输能力,实现了液压支架位姿远程监测。

申请号为201910306404.6的“刮板输送机在井下复杂地况的推溜过程模拟实验装置”，所述实验装置中推移机构是连接刮板输送机和液压支架底座的关键部分，推移机构前端通过接头与输送机相连，它与液压支架底座通过推移千斤顶活塞杆前端相连接，而推移千斤顶的缸体与之铰接，通过该推移机构可以模拟推溜工作对刮板输送机进行推溜，并检测出刮板输送机的轨迹线，进行轨迹修正，本实验装置有效地模拟真实环境，获取数据更加方便，便于操作，并可在教学示范中使用。

上述方法存在的缺陷在于：1）对矿井设备的虚拟监测都是针对真实的综采工作面，可获得的位姿传感数据有限且无法获得综采设备的准确位姿信息，故无法对液压支架的架间相对位姿关系进行准确分析；2）煤层底板形态固定且液压支架体型大，只能在特定工况下支架位姿进行分析，无法按照需要去移动支架获得支架的极限位姿。

发明内容

针对井下煤层底板起伏多变，不同矿井又有其独特的地质构造特点，导致支架姿态以及相邻支架相对位姿关系复杂且难于求解和分析，本发明提供了一种基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统，包括：支架位姿模拟试验台，虚实交互系统和虚拟仿真系统；

其中，支架位姿模拟试验台包括可调节底板、液压支架样机组、电控装置以及配套传感测量装置；支架样机组设置于可调节底板上，用于模拟复杂底板下的液压支架的位姿，配套传感装置设置于可调节底板和支架样机组上，用于采集支架样机组和可调节底板的实时位姿信息；电控装置连接配套传感测量装置，用于传输配套传感测量装置采集的实时数据；

虚实交互系统包括依序连接的传感数据输入接口，数据处理模块和数据输出接口，传感数据输入接口连接电控装置，以接收数据，数据处理模块用于将传感数据输入接口接收的传感数据转化为可直接驱动虚拟场景的运行数据并通过数据输出接口输出；

虚拟仿真系统包括GUI人机交互平台，虚拟现实场景和支架位姿解析运算器；GUI人机交互平台接收通过数据输出接口输出的驱动虚拟场景的运行数据，并传输至虚拟现实场景；虚拟现实场景中设置与模拟试验台一一对应的虚拟模型，虚拟模型通过实时运行数据驱动，实现与物理设备完全一致的动作，通过支架位姿解析运算器从虚拟场景中获取位置坐标信息，通过预先设定的支架位姿解析算法，求解液压支架的位姿状态。

其中，可调节底板由5个相同的多自由度可调节子底板和一块安装平台组成；

其中，多自由度可调节子底板包括：接触板和调节板，接触板和调节板均为立方形板，二者的相对两边同向弯折形成固定沿，将接触板扣置于调节板上，使二者同侧的固定沿重合，同时使调节板卡置于接触板内；重合的固定沿分别使用六角头螺栓进行固定，且使接触板以两端的六角头螺栓连线为轴进行转动；调节板上对称设置四个螺孔，用于固定上调节螺栓，每一上调节螺栓端部固定设置一端头球，端头球与接触板接触；调节板中心位置设置一连接板，连接板和调节板通过螺栓固定连接；连接板的中心设置一等长双头螺柱，连接板上设置一支撑架，等长双头螺柱同时插入至支撑架内，支撑架、连接板和调节板通过螺栓依序固定连接；调节板底部设置安装平台，安装平台两端对称设置下调节螺栓，下调节螺栓的端部设置端头球与调节板底部接触；安装平台通过六角头螺栓固定于安装位置。

其中，支撑架设置等中心距可调节圆孔，等长双头螺柱与不同圆孔配合，实现多自由度可调节子底板的高度变化；

支撑架和连接板接触的位置设置两个圆形凸台，凸台内设置螺纹孔，用于与下调节螺栓进行配合；下调节螺栓上安装有圆挡圈和扁螺母，旋紧扁螺母增加支撑架和安装平台接触表面的摩擦力。

其中，液压支架样机是根据ZY21000/30/63D液压支架等比例缩小30倍并加以改造设计制作，其中液压支架样机的立柱、推移油缸和千斤顶由电动推杆代替，通过电控装置控制电动推杆的伸长控制液压支架样机的姿态，实现液压支架样机的推溜、移架、开合护帮板、立柱升降以及掩护梁和顶梁活动侧护板的伸缩；液压支架样机底座下表面装有条形磁铁形成凸台，与可调节地板的子底板接触板上设置的条形孔进行配合，通过磁力保证液压支架样机与可调节地板的子底板接触板之间的可靠连接，且沿该孔前后滑动。

其中，电控装置由单片机集成线路进行控制，通过按钮控制液压支架样机的电动推杆动作，通过串口通讯收集传感信息，与虚实交互系统采用串口通信形式。

其中，配套传感装置包括捷联惯导装置、倾角传感器、激光测距传感器和拉线式位移传感器；

在接触板前端安装捷联惯导装置S1，用于采集多自由度可调节子底板绕三轴方向的旋转角度；液压支架样机相对接触板沿条形孔滑动；

在接触板上安装拉线式位移传感器S8测量多个液压支架样机之间的相对位置；

使用拉线式位移传感器S9测量多自由度可调节子底板的安装平台上设置的六角头螺栓的位置；液压支架样机后连杆，顶梁和护帮板上安装倾角传感器S2~S5监测液压支架样机的姿态信息；液压支架样机掩护梁和顶梁上活动侧护板的伸出长度通过拉线式位移传感器S6、S7获得；配套传感装置所测量的数据能够确定整个模拟试验台的位姿。

其中，传感器S1~S8指一组传感器，均由5个传感器组成，例如S11为监测第一个多自由度可调节子底板三轴角度的捷联惯导装置，S11-S15表示监测五个可调节子底板上设置液压支架样机的五个捷联惯导装置。

其中，虚实交互系统包括与电控装置通讯的传感数据输入接口、数据处理模块和与虚拟仿真系统通讯的数据传输接口；通过数据处理模块对原始传感数据进行处理，并实时将已处理传感信息接入虚拟仿真系统，实现模拟试验台装置和虚拟现实场景中虚拟装置的实时同步运行。

其中，虚拟现实场景中包括与真实试验台一一对应的可调节底板和液压支架样机模型，通过后台运行脚本控制虚拟现实场景中的虚拟可调节底板和虚拟液压支架样机模型运行；虚拟可调节底板是按照真实可调节底板尺寸1:1建模而成，虚拟支架样机是按照真实支架等比例缩小获得；

GUI人机交互平台包括虚实设备实时位姿参数模块、初始化场景按钮和支架位姿解析结果模块；初始化场景按钮用于将虚拟现实场景中设备位姿初始化；支架位姿解析结果模块用于显示所有液压支架样机位置状态以及表征各液压支架样机与相邻液压支架样机相对位姿关系的参数信息；

虚实设备实时位姿参数模块包括虚拟设备位姿参数值显示窗口、虚拟设备位姿参数值调节按钮和传感数据接入按钮；虚拟设备位姿参数显示窗口已经获得与虚拟显示场景中虚拟装置运行参数的控制权；传感数据接入按钮未启动时，通过手动输入设定参数值和通过参数值调节按钮改变参数值；传感数据接入按钮启动，则建立与虚实交互系统的通讯，将已处理传感数据接入虚拟设备位姿参数显示窗口，实时获得支架模拟试验台的真实位姿数据；

其中，虚实设备实时位姿参数包括可调节底板各子底板的俯仰角、横滚角、偏航角、高度和位置X、液压支架样机的后连杆倾角、掩护梁倾角、护帮板倾角、顶梁活动侧护板伸出长度、掩护梁活动侧护板伸出长度和支架位置Y；

支架位姿解析运算器能够获得虚拟场景中的任一点坐标，通过特定的算法进行解析计算，得到虚拟场景中单个支架的位姿状态以及与相邻支架的相对位置关系。并将运算结果在GUI人机交互平台中的支架位姿解析结果模块实时显示。

其中，支架位姿解析运算器用于获得虚拟场景中的任一点坐标，进行解析计算，得到虚拟场景中单个液压支架样机的位姿状态以及与相邻液压支架样机的相对位置关系。并将运算结果在GUI人机交互平台中的支架位姿解析结果模块实时显示。

本发明所提供的一种记忆可调节底板下的液压支架群姿态模拟系统，与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本模拟试验台包括的可调节地板，是由5块子底板组成的连续地板，能够通过调节单个子底板姿态模拟任意连续复杂煤层底板的形态，且单支架地板间距可调整，能够适用于任何型号的液压支架样机。

虚拟现实模块作为试验台的数字孪生体，能够实时反映物理模拟试验台的真实位姿，且虚拟场景中能够准确获得任一点精确坐标，解决了物理模拟试验台动态数据测量不宜且精度不足的问题。

GUI人机交互界面能够将支架动态数据实时显示，有利于直观的读取支架的位置信息。后台解析运算程序自动运行，使支架位姿的分析具备实时性。

液压支架群的支架位姿的分析处理是实现液压支架自动支护的关键问题，本方法能够模拟和分析任何工况下支架的位置关系，为相邻液压支架间的相对位置分析和智能推进中的调架方法提供了研究工具和技术支持。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明提供的一种基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统的结构示意图。

图2是本发明提供的一种基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统的多自由度可调节子底板的结构示意图。

图3是本发明提供的一种基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统的可调节底板的结构示意图。

图4是本发明提供的一种基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统的多自由度可调节子底板的接触板的正视示意图。

图5是本发明提供的一种基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统的多自由度可调节子底板的接触板的俯视示意图。

图6是本发明提供的一种基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统的多自由度可调节子底板的接触板的侧视示意图。

图7是本发明提供的一种基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统的多自由度可调节子底板的调节板的正视示意图。

图8是本发明提供的一种基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统的多自由度可调节子底板的调节板的俯视示意图。

图9是本发明提供的一种基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统的多自由度可调节子底板的调节板的侧视示意图。

图10是本发明提供的一种基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统的多自由度可调节子底板的连接板的正视示意图。

图11是本发明提供的一种基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统的多自由度可调节子底板的连接板的俯视示意图。

图12是本发明提供的一种基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统的多自由度可调节子底板的连接板的侧视示意图。

图13是本发明提供的一种基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统的多自由度可调节子底板的支撑架的正视示意图。

图14是本发明提供的一种基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统的多自由度可调节子底板的支撑架的俯视示意图。

图15是本发明提供的一种基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统的多自由度可调节子底板的支撑架的侧视示意图。

图16是本发明提供的一种基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统的多自由度可调节子底板的安装平台的正视示意图。

图17是本发明提供的一种基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统的多自由度可调节子底板的安装平台的俯视示意图。

图18是本发明提供的一种基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统的多自由度可调节子底板的安装平台的侧视示意图。

图19是本发明提供的一种基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统的配套传感装置的安装示意图。

图20是本发明提供的一种基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统的虚拟现实场景界面展示示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如附图1所示，本发明提供了一种基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统，所包括支架位姿模拟试验台，虚实交互系统和虚拟仿真系统三部分。支架位姿模拟试验台包括一套可调节底板、液压支架样机组、电控装置以及配套传感测量装置，可调节底板和液压支架样机组能够模拟复杂底板下的相邻5台液压支架的位姿，配套传感装置负责采集液压支架样机组和可调节底板实时位姿信息。虚实交互系统包括传感数据输入接口，数据处理模块和数据输出接口，数据处理模块将原始传感数据转化为可直接驱动虚拟场景的运行数据。虚拟仿真系统包括GUI人机交互平台，虚拟现实场景和支架位姿解析运算器，虚拟现实场景中包括与模拟试验台一一对应的虚拟模型，虚拟模型实时运行数据驱动，实现与物理设备完全一致的动作，支架位姿解析运算器直接从虚拟场景中获取位置坐标信息，通过预先设定的支架位姿解析算法，求解各液压支架的位姿状态。该系统够模拟相邻5台支架的复杂位姿并进行位姿解析，为研究支架发生倒架、挤架、歪架等各种复杂工况下液压支架群的相对位姿关系提供方法和工具。

支架位姿模拟试验台由可调节底板、液压支架样机组、电控装置和配套传感测量装置组成。可调节地板能够提供任意复杂地形；支架样机组通过电控装置控制，能够模拟真实液压支架动作；电控装置负责控制样机的动作、收集传感器数据以及与虚实交互系统通讯；配套传感装置安装在可调节底板和支架样机的关键位置，所测量数据能够完全表达底板和样机的位置信息。

如附图3所示，可调节底板由5个相同的多自由度可调节子底板和一块安装平台组成。子底板类似于多关节结构，如附图2所示。接触板1和调节板2之间设置的六角头螺栓7、等长双头螺柱16和设置于安装平台5上的六角头螺栓18为三个旋转关节，通过三个旋转关节的组合运动实现对接触板1的角度控制；等长双头螺柱16与支撑架4上设置的可调节圆孔进行配合，用于调节子底板竖直高度；设置于安装平台5上的六角头螺栓18与安装平台5上的可调节条形孔配合，能够调节相邻两个子底板间的中心距；液压支架样机底座的凸台与接触板1上的条形孔111进行配合，可沿该条形孔中前后滑动改变液压支架样机相对接触板1的位置。下调节螺栓11端部设置第二端头球10，通过第二端头球10与调节板2接触。

其中，接触板1绕设置于接触板1和调节板2之间的固定沿上的六角头螺栓7的转动通过上调节螺栓9进行控制。上调节螺栓9共有4个，与调节板2和第一端头球6通过螺纹配合。连接板3绕等长双头螺柱16的转动通过下调节螺栓11进行调节。下调节螺栓11含三种不同长度，适应不同的子底板调节高度，每种包括2个调节螺栓，与上调节螺栓9结构相同。

接触板1的结构如图4-6所示，图4所示为正视图，两端为接触板固定沿112；图5所示为俯视图，板体的中线位置设置条形孔111；图6为接触板1的侧视图，显示图形为接触板固定沿112，本发明中设置为半圆形状，且接触板固定沿112上设置用于穿过接触板1和调节板2之间设置的六角头螺栓7的螺孔。

调节板2的结构如图7-9所示，图7为调节板2的正视图，两端为调节板固定沿22；图8所示为调节板2的俯视图，本发明中调节板2设置为哑铃状，两端设置两个第一长方形板21，中间通过一宽度小于第一长方形21宽度的第二长方形板23连接；两侧的第一长方形板21分别设置两个螺孔，用于容置所述上调节螺栓9；第二长方形板23上设置四个螺孔，用于与连接板3固定连接。

连接板3的结构如图10-12所示，图10为正视图，图11为俯视图，图12为侧视图。如图12中，连接板3包括底部板31和垂直设置于底部板31两端的侧壁32，侧壁32上设置螺孔，用于与支撑架4上设置的可调节圆孔41配合，通过将等长双头螺柱16插入侧壁上的螺孔及可调节圆孔41的任意一孔，完成对子底板高度的调节。底部板31上设置四个螺孔，与调节板2的第二长方形板23上设置的四个螺孔对应，用于固定下调节螺栓11。

支撑架4的结构如图13-15所示，图13为正视图，图中支撑架4设置了等中心距可调节圆孔41，等长双头螺柱16与其中的不同圆孔配合可实现不同子底板高度，支撑架4相对连接板3的一侧还设置两个圆形凸台42，凸台内为螺纹孔，与下调节螺栓11进行配合；子底板整体可绕设置于安装平台5上的六角头螺栓18进行转动，下调节螺栓11上安装有圆挡圈12和扁螺母13，旋紧扁螺母可增加支撑架和安装平台接触表面的摩擦力，对子底板绕设置于安装平台5上的六角头螺栓18的转动进行固定。图14和图15为俯视图和侧视图。

安装平台5的结构如图16-18所示，图16为正视图，图17为俯视图，其中轴线上设置多个可调节条形孔51，用于与设置于安装平台5上的六角头螺栓18的螺栓连接，两侧设置多个腰形孔52，为可调节螺栓11提供活动空间。图18为侧视图。

液压支架样机是根据ZY21000/30/63D液压支架等比例缩小30倍并加以改造设计制作的。支架样机立柱、推移油缸和各种千斤顶由电动推杆代替，通过电控装置控制各电动推杆的伸长控制样机的姿态，能够实现支架的推溜、移架、开合护帮板、立柱升降以及掩护梁和顶梁活动侧护板的伸缩。液压支架样机底座下表面装有条形磁铁形成凸台，与可调节地板的子底板接触板1上条形孔进行配合，通过磁力保证样机与底板之间的可靠连接，且可沿该孔前后滑动。

电控模块由单片机集成线路进行控制，通过按钮控制支架样机的电动推杆动作，通过串口通讯收集传感信息，与虚实交互系统采用串口通信形式。

可调节地板具体操作方式如下：将五个子底板分别单独装配好，根据子底板高度尺寸，将等长双头螺柱16插入支撑架4可调节圆孔的合适圆孔中，然后将整个子底板通过设置于安装平台5上的六角头螺栓18与安装平台5连接，最后安装下调节螺栓11；将支架样机底座磁条凸台与接触板1上圆孔配合；移动设置于安装平台5上的六角头螺栓18的位置调节支架相邻子底板中心距；绕设置于安装平台5上的六角头螺栓18转动支撑架4调节子底板摆放角度；转动上调节螺栓9和下调节螺栓11调节接触板1和调节板2的旋转角度；沿接触板1中条形孔移动支架样机，调节支架前后位置；通过电控模块的样机电推杆控制按钮，调整支架的高度、顶梁倾角、护帮板高度和活动侧护板位置。遵循上述调节步骤，能够获得液压支架的任意位姿。

配套传感装置包括捷联惯导装置、倾角传感器和拉线式位移传感器。

如图19所示，在接触板1前端安装捷联惯导装置S1测量子底板绕三轴方向的旋转角度；支架样机相对接触板只有前后滑动，故可在接触板1后端安装拉线式位移传感器S8测量支架样机前后位置；使用拉线式位移传感器S9测量子底板的六角头螺栓18的位置；样机后连杆，顶梁和护帮板上安装倾角传感器S2~S5监测支架样机的姿态信息；样机掩护梁和顶梁上活动侧护板的伸出长度可通过拉线式位移传感器S6、S7获得。配套传感装置所测量的数据能够确定整个模拟试验台的位姿。S1~S9均指一组传感器，各由5个传感器组成，例如S11为监测第一个子底板三轴角度的捷联惯导装置。

虚实交互系统包括与电控装置通讯的传感数据输入接口、数据处理模块和与虚拟仿真系统通讯的数据传输接口。通过数据处理模块对原始传感数据进行处理，并实时将已处理传感信息接入虚拟仿真系统，实现模拟试验台装置和虚拟现实场景中虚拟装置的实时同步运行。

数据处理模块是将原始传感数据转化为有效定位数据，例如：红外测距仪测量支架的前后位置是以红外测距仪的安装位置测量的，在虚拟现实中驱动虚拟装置移动的数据是相对虚拟装置的坐标原点而言，故需要通过数据处理模块进行基准转换。

虚拟现实模块由虚拟现实场景、GUI人机交互平台、和支架位姿解析运算器组成。

如附图20所示，虚拟现实场景中包括与真实试验台一一对应的可调节地板和支架模型，通过后台运行脚本控制虚拟场景中的虚拟底板和虚拟样机模型运行。虚拟底板是按照真实可调节底板尺寸1:1建模而成，虚拟支架样机是按照真实支架等比例缩小获得，较真实支架样机外观更真实，虚拟场景中通过后台脚本控制场景中对象的动作，故可以将上调节螺栓9和下调节螺栓11去掉。

GUI人机交互平台包括虚实设备实时位姿参数模块、初始化场景按钮和支架位姿解析结果模块。初始化场景按钮是将虚拟现实场景中设备位姿初始化。支架位姿解析结果模块，能够显示所有支架位置状态以及表征各支架与相邻支架相对位姿关系的参数信息。

虚实设备实时位姿参数模块包括虚拟设备位姿参数值显示窗口、虚拟设备位姿参数值调节按钮和传感数据接入按钮。虚拟设备位姿参数显示窗口已经获得与虚拟显示场景中虚拟装置运行参数的控制权。传感数据接入按钮未启动时，可通过手动输入设定参数值和通过参数值调节按钮改变参数值；传感数据接入按钮启动，则建立与虚实交互系统的通讯，将已处理传感数据接入虚拟设备位姿参数显示窗口，实时获得支架模拟试验台的真实位姿数据。

虚实设备实时位姿参数包括可调节底板各子底板的俯仰角、横滚角、偏航角、高度和位置X,支架样机的后连杆倾角、顶梁倾角、护帮板倾角、顶梁活动侧护板伸出长度、掩护梁活动侧护板伸出长度和支架位置Y。

可调节地板位姿参数，俯仰角指连接板3的转动角度，横滚角为接触板1的转动角度，偏航角为支撑架4的转动角度，高度为等长双头螺柱16与支撑架4上可调节圆孔的配合位置，位置X为六角头螺栓20中心线与安装平台5左端面的距离。液压支架样机位姿参数，后连杆倾角、顶梁倾角和护帮板倾角均为以支架底座下表面所在平面为参考，支架位置Y为支架样机底座中心与接触板1中心的距离。可调节地板和支架样机位姿参数均是由配套传感装置原始测量数据通过虚实交互系统的数据处理模块运算得到。

支架位姿解析运算器能够获得虚拟场景中的任一点坐标，通过特定的算法进行解析计算，得到虚拟场景中单个支架的位姿状态以及与相邻支架的相对位置关系。并将运算结果在GUI人机交互平台中的支架位姿解析结果模块实时显示。

以上仅为本发明较佳的实施方式，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改，因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所做的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统，其特征在于，包括：支架位姿模拟试验台，虚实交互系统和虚拟仿真系统；

其中，所述支架位姿模拟试验台包括可调节底板、液压支架样机组、电控装置以及配套传感测量装置；所述支架样机组设置于可调节底板上，用于模拟复杂底板下的液压支架的位姿，配套传感装置设置于所述可调节底板和支架样机组上，用于采集支架样机组和可调节底板的实时位姿信息；所述电控装置连接所述配套传感测量装置，用于传输配套传感测量装置采集的实时数据；

所述虚实交互系统包括依序连接的传感数据输入接口，数据处理模块和数据输出接口，所述传感数据输入接口连接电控装置，以接收数据，数据处理模块用于将传感数据输入接口接收的传感数据转化为可直接驱动虚拟场景的运行数据并通过数据输出接口输出；

所述虚拟仿真系统包括GUI人机交互平台，虚拟现实场景和支架位姿解析运算器；所述GUI人机交互平台接收通过数据输出接口输出的驱动虚拟场景的运行数据，并传输至虚拟现实场景；所述虚拟现实场景中设置与模拟试验台一一对应的虚拟模型，所述虚拟模型通过实时运行数据驱动，实现与物理设备完全一致的动作，通过支架位姿解析运算器从虚拟场景中获取位置坐标信息，通过预先设定的支架位姿解析算法，求解液压支架的位姿状态；

所述可调节底板由5个相同的多自由度可调节子底板和一块安装平台组成；

其中，所述多自由度可调节子底板包括：接触板和调节板，所述接触板和调节板均为立方形板，二者的相对两边同向弯折形成固定沿，将接触板扣置于调节板上，使二者同侧的固定沿重合，同时使调节板卡置于接触板内；重合的固定沿分别使用六角头螺栓进行固定，且使所述接触板以两端的六角头螺栓连线为轴进行转动；所述调节板上对称设置四个螺孔，用于固定上调节螺栓，每一所述上调节螺栓端部固定设置一端头球，端头球与接触板接触；所述调节板中心位置设置一连接板，连接板和调节板通过螺栓固定连接；连接板的中心设置一等长双头螺柱，所述连接板上设置一支撑架，所述等长双头螺柱同时插入至所述支撑架内，支撑架、连接板和调节板通过螺栓依序固定连接；调节板底部设置所述安装平台，所述安装平台两端对称设置下调节螺栓，下调节螺栓的端部设置端头球与调节板底部接触；所述安装平台通过六角头螺栓固定于安装位置。

2.根据权利要求1所述的基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统，其特征在于，所述支撑架设置等中心距可调节圆孔，等长双头螺柱与不同圆孔配合，实现多自由度可调节子底板的高度变化；

支撑架和连接板接触的位置设置两个圆形凸台，凸台内设置螺纹孔，用于与下调节螺栓进行配合；下调节螺栓上安装有圆挡圈和扁螺母，旋紧扁螺母增加支撑架和安装平台接触表面的摩擦力。

3.根据权利要求1所述的基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统，其特征在于，液压支架样机是根据ZY21000/30/63D液压支架等比例缩小30倍并加以改造设计制作，其中液压支架样机的立柱、推移油缸和千斤顶由电动推杆代替，通过电控装置控制电动推杆的伸长控制液压支架样机的姿态，实现液压支架样机的推溜、移架、开合护帮板、立柱升降以及掩护梁和顶梁活动侧护板的伸缩；液压支架样机底座下表面装有条形磁铁形成凸台，与可调节地板的子底板接触板上设置的条形孔进行配合，通过磁力保证液压支架样机与可调节地板的子底板接触板之间的可靠连接，且沿该条形孔 前后滑动。

4.根据权利要求3所述的基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统，其特征在于，所述电控装置由单片机集成线路进行控制，通过按钮控制液压支架样机的电动推杆动作，通过串口通讯收集传感信息，与虚实交互系统采用串口通信形式。

5.根据权利要求3所述的基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统，其特征在于，所述配套传感装置包括捷联惯导装置、倾角传感器和拉线式位移传感器；

在接触板前端安装捷联惯导装置S1，用于采集多自由度可调节子底板绕三轴方向的旋转角度；液压支架样机相对接触板沿条形孔滑动；

在接触板上安装拉线式位移传感器S8测量多个液压支架样机之间的相对位置；

使用拉线式位移传感器S9测量多自由度可调节子底板的安装平台上设置的六角头螺栓的位置；液压支架样机后连杆，顶梁和护帮板上安装倾角传感器S2～S5监测液压支架样机的姿态信息；液压支架样机掩护梁和顶梁上活动侧护板的伸出长度通过拉线式位移传感器S6、S7获得；所述配套传感装置所测量的数据能够确定整个模拟试验台的位姿。

6.根据权利要求5所述的基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统，其特征在于，传感器S1～S9均代表一组传感器，均由5个传感器组成，S11为监测第一个多自由度可调节子底板三轴角度的捷联惯导装置，S11-S15表示监测五个可调节子底板上设置液压支架样机的五个捷联惯导装置。

7.根据权利要求1所述的基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统，其特征在于，所述虚实交互系统包括与电控装置通讯的传感数据输入接口、数据处理模块和与虚拟仿真系统通讯的数据传输接口；通过数据处理模块对原始传感数据进行处理，并实时将已处理传感信息接入虚拟仿真系统，实现模拟试验台装置和虚拟现实场景中虚拟装置的实时同步运行。

8.根据权利要求1所述的基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统，其特征在于，所述虚拟现实场景中包括与真实试验台一一对应的可调节底板和液压支架样机模型，通过后台运行脚本控制虚拟现实场景中的虚拟可调节底板和虚拟液压支架样机模型运行；虚拟可调节底板是按照真实可调节底板尺寸1:1建模而成，虚拟支架样机是按照真实支架等比例缩小获得；

所述GUI人机交互平台包括虚实设备实时位姿参数模块、初始化场景按钮和支架位姿解析结果模块；所述初始化场景按钮用于将虚拟现实场景中设备位姿初始化；所述支架位姿解析结果模块用于显示所有液压支架样机位置状态以及表征各液压支架样机与相邻液压支架样机相对位姿关系的参数信息；

所述虚实设备实时位姿参数模块包括虚拟设备位姿参数值显示窗口、虚拟设备位姿参数值调节按钮和传感数据接入按钮；所述虚拟设备位姿参数显示窗口已经获得与虚拟现实场景中虚拟装置运行参数的控制权；传感数据接入按钮未启动时，通过手动输入设定参数值和通过参数值调节按钮改变参数值；传感数据接入按钮启动，则建立与虚实交互系统的通讯，将已处理传感数据接入虚拟设备位姿参数显示窗口，实时获得支架模拟试验台的真实位姿数据；

其中，虚实设备实时位姿参数包括可调节底板各子底板的俯仰角、横滚角、偏航角、高度和位置X、液压支架样机的后连杆倾角、掩护梁倾角、顶梁倾角、护帮板倾角、顶梁活动侧护板伸出长度、掩护梁活动侧护板伸出长度和支架位置Y。

9.根据权利要求8所述的基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统，其特征在于，所述支架位姿解析运算器用于获得虚拟场景中的任一点坐标，进行解析计算，得到虚拟场景中单个液压支架样机的位姿状态以及与相邻液压支架样机的相对位置关系； 并将运算结果在GUI人机交互平台中的支架位姿解析结果模块实时显示。

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