CN113565567A - 一种液压支架顶梁与采煤机滚筒防碰撞预警装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种液压支架顶梁与采煤机滚筒防碰撞预警装置与方法，预警装置包括移动式监测预警装置、激光接收装置；移动式监测预警装置主要包括承载箱、旋转式激光测距仪、基准座、第一铰接耳板、行走支撑板、行走轮、支撑轮、轮轴、数据存储模块、计算模块、控制模块、预警模块；激光接收装置主要包括固定板、激光接收模块；移动式监测预警装置设置四个行走轮，四个支撑轮，将移动式监测预警装置放置在电缆槽上，当行走轮与电缆槽的侧板接触时，行走轮可以在电缆槽的侧板上滚动，带动移动式监测预警装置移动，当电缆槽发生倾斜时，通过支撑轮与电缆槽的侧板接触，使移动式监测预警装置能够顺利移动。采用上述液压支架顶梁与采煤机滚筒防碰撞预警装置与方法可以实现对采煤机割煤过程中滚筒与液压支架顶梁的干涉检测与预警，具有操作简单、适应性强、精度高等优点。

Description

一种液压支架顶梁与采煤机滚筒防碰撞预警装置与方法

技术领域

本发明属于采煤工作面智能化开采领域，尤其涉及一种适用于采煤工作面在采煤机割煤过程中液压支架顶梁与采煤机滚筒进行防碰撞超前预警的装置与防碰撞监测预警方法。

背景技术

伴随着第四次工业革命的快速推进，5G、大数据、物联网等新一代信息技术与工作面开采技术进行融合发展，大幅提高了工作面开采效率与安全水平。据不完全统计，截止2020年底，我国智能化采掘工作面数量已经达到494个，初步实现了采煤工作面减人、增安、提效，但部分智能化开采技术仍然存在诸多瓶颈。

采煤工作面液压支架顶梁与采煤机滚筒防碰撞技术是实现工作面采煤机智能调高控制的关键，但现有技术并不成熟。传统采煤工作面主要采用两种方式实现液压支架与采煤机的防碰撞干涉，一种是采用人工跟机的方式，大采高工作面由于采高较大、传统防碰撞技术精准度较差，需要采煤机司机一直跟随采煤机进行作业，难以实现采煤机智能化截割；另外一种是采用基于机器视觉的方式，通过摄像头对采煤机滚筒与液压支架顶梁进行监视，利用图像识别技术来判断采煤机滚筒与液压支架顶梁是否有可能发生碰撞，但由于采煤机割煤过程中滚筒四周会产生大量的粉尘与水雾，现有摄像头的透尘能力比较差，图像识别精度难以满足工作面智能化开采要求。

针对液压支架顶梁与采煤机滚筒防碰撞技术，中煤科工开采研究院有限公司提出了一种液压支架护帮板与采煤机滚筒截割干涉识别与监测系统(ZL202010551198.8)，采用机器视觉技术来识别液压支架护帮板与采煤机滚筒外包络线，为液压支架护帮板与采煤机滚筒防碰撞提供控制依据，但这种方法受制于摄像头的识别效果，另外摄像头的安装位置等也会对识别结果产生影响；中国矿业大学提出了一种基于图像的液压支架与采煤机截割部干涉保护系统及方法(ZL201710040418.9)，通过采用反光图层等技术，提高图像识别的精度，但仍然存在传统机器视觉技术对模糊图像识别精度低、预警准确率不高等问题；河南大有能源股份有限公司提出了一种采煤机滚筒与液压支架护帮板干涉检测装置及方法(ZL202010573162.X)，该项专利仍然是采用机器视觉的方法，主要是采用空间平行平面测距原理来对机器视觉相关数据进行分析，但仍没有解决机器视觉技术普遍存在的问题；中国矿业大学提出了一种液压支架与采煤机截割部干涉保障装置与方法(ZL201910192195.7)，根据液压支架上的超声波换能器和接收器分别接收到的超声波信号和光信号的时间差来计算获知采煤机与液压支架距离，进而适时控制护帮板收起，这种技术的精准度仍然有待进一步提高。

综合上述分析可知，现有液压支架顶梁与采煤机滚筒防碰撞技术主要采用机器视觉进行采煤机滚筒与液压支架顶梁的识别，受制于采煤机割煤过程中产生的大量粉尘、水雾等，相关技术的精准度难以满足井下工程实践要求。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种液压支架顶梁与采煤机滚筒防碰撞预警装置与方法，解决了现有液压支架顶梁与采煤机滚筒防碰撞装置受粉尘、水雾影响导致识别精度不高等问题。

本发明提出一种液压支架顶梁与采煤机滚筒防碰撞预警装置，包括：移动式监测预警装置、激光接收装置；

所述移动式监测预警装置主要包括承载箱、旋转式激光测距仪、基准座、第一铰接耳板、行走支撑板、行走轮、支撑轮、轮轴、数据存储模块、计算模块、控制模块、预警模块；

所述激光接收装置主要包括固定板、激光接收模块；

所述旋转式激光测距仪与第一铰接耳板为铰接结构，旋转式激光测距仪的旋转轴与第一铰接耳板的外表面垂直；

所述第一铰接耳板与承载箱为固定连接；

所述基准座位于旋转式激光测距仪的正下方，并且与承载箱为固定连接；

所述行走支撑板与承载箱为固定连接；

所述轮轴位于两块行走支撑板之间，并且轮轴的两端分别与行走轮连接，使行走轮可以绕轮轴的轴线方向旋转；

所述支撑轮通过支撑座与行走支撑板固定连接，且支撑轮可以围绕支撑座旋转；

所述承载箱采用中空结构，并且将数据存储模块、计算模块、控制模块、预警模块置于承载箱内；

所述激光接收装置通过固定板固定在液压支架的顶梁上；

所述固定板与激光接收模块为固定连接。

进一步的，所述移动式监测预警装置设置四个行走轮，四个支撑轮，将移动式监测预警装置放置在电缆槽上，当行走轮与电缆槽的侧板接触时，行走轮可以在电缆槽的侧板上滚动，带动移动式监测预警装置移动，当电缆槽发生倾斜时，通过支撑轮与电缆槽的侧板接触，使移动式监测预警装置能够顺利移动。

更进一步的，所述旋转式激光测距仪具备激光测距与旋转角度测量的功能。

再进一步的，所述数据存储模块采用无线接收装置接收旋转式激光测距仪、激光接收模块发射的数据。

再进一步的，所述固定板采用强力磁铁固定在液压支架的顶梁上，并且使固定板的长边与液压支架顶梁的长边平行。

本发明技术方案还提供利用上述液压支架顶梁与采煤机滚筒防碰撞预警装置进行液压支架顶梁与采煤机滚筒防碰撞预警的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S001，将移动式监测预警装置放在电缆槽上，并在每台液压支架的顶梁上安装激光接收装置，移动式监测预警装置通过行走轮在电缆槽上移动，移动式监测预警装置的移动方向与采煤机割煤方向一致，且超前采煤机距离大于3m；

S002，移动式监测预警装置在移动过程中由旋转式激光测距仪向液压支架顶梁发射激光束，当液压支架顶梁上设置的激光接收装置感应到旋转式激光测距仪发射的激光束时，则由激光接收模块向控制模块发送指令，移动式监测预警装置停止移动，进行液压支架顶梁与采煤机滚筒防碰撞检测；

S003，旋转式激光测距仪旋转一定角度与基准座对准，然后旋转180°，向液压支架顶梁上的激光接收模块发射激光束，确定移动式监测预警装置与激光接收装置之间的距离，以及激光束落在激光接收模块上的位置A，并将结果发送至数据存储模块；

S004，将旋转式激光测距仪旋转一定角度，得出旋转式激光测距仪与液压支架顶梁的最短距离OB，以及旋转式激光测距仪旋转的角度值∠AOB，并将结果发送至数据存储模块；

S005，计算模块根据数据存储模块的数据，计算得出D点到直线OA的最短距离；

S006，对比OE与DC的长度，若OE≥DC+300mm，则采煤机滚筒在调高割煤时不会与液压支架顶梁发生碰撞，否则将会发生碰撞；

S007，若OE＜DC+300mm，则计算模块同时向控制模块、预警模块发出指令，采煤机停止割煤作业，同时发出声光报警；

S008，由液压支架控制系统对刮板输送机进行推移，推移完成后再次进行检测；

S009，若OE≥DC+300mm，则移动式监测预警装置继续向前移动，重复步骤S002～S008。

附图说明

图1是本发明一个实施例提供的移动式监测预警装置的结构图；

图2是本发明一个实施例提供的移动式监测预警装置的正视图；

图3是本发明一个实施例提供的移动式监测预警装置的侧视图；

图4是A-A剖面图；

图5是本发明一个实施例提供的激光接收装置的结构图；

图6是本发明一个实施例提供的液压支架顶梁与采煤机滚筒防碰撞预警装置的安装示意图；

图7是本发明一个实施例提供的液压支架顶梁与采煤机滚筒防碰撞预警装置的计算原理图；

图8是液压支架顶梁与采煤机滚筒防碰撞预警流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必需具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本实施例提供一种液压支架顶梁与采煤机滚筒防碰撞预警装置，如图1-6所示，主要包括：移动式监测预警装置1、激光接收装置2；

具体的，所述移动式监测预警装置1主要包括：承载箱11、旋转式激光测距仪12、基准座13、第一铰接耳板14、行走支撑板15、行走轮16、支撑轮17、轮轴18、数据存储模块19、计算模块110、控制模块111、预警模块112；

所述激光接收装置2主要包括：固定板21、激光接收模块22；

具体的，所述旋转式激光测距仪12与第一铰接耳板14为铰接结构，旋转式激光测距仪12的旋转轴与第一铰接耳板14的外表面垂直；

所述第一铰接耳板14与承载箱11为固定连接；

所述基准座13位于旋转式激光测距仪12的正下方，并且与承载箱11为固定连接；

所述行走支撑板15与承载箱11为固定连接；

所述轮轴18位于两块行走支撑板15之间，并且轮轴18的两端分别与行走轮16连接，使行走轮16可以绕轮轴18的轴线方向旋转；

所述支撑轮17通过支撑座与行走支撑板15固定连接，且支撑轮17可以围绕支撑座旋转；

所述承载箱11采用中空结构，并且将数据存储模块19、计算模块110、控制模块111、预警模块112置于承载箱11内；

所述激光接收装置2通过固定板21固定在液压支架的顶梁上；

所述固定板21与激光接收模块22为固定连接；

所述移动式监测预警装置1放置在电缆槽上，见图6所示，当行走轮16与电缆槽的侧板接触时，行走轮6可以在电缆槽的侧板上滚动，带动移动式监测预警装置1移动。

具体的，所述移动式监测预警装置1设置四个行走轮16，四个支撑轮17，当电缆槽发生倾斜时，可以通过支撑轮17与电缆槽的侧板接触，从而使移动式监测预警装置1能够顺利移动。

所述旋转式激光测距仪12可以围绕其长轴方向进行360°自由旋转，并且具备激光测距与旋转角度测量功能；

具体的，首先将旋转式激光测距仪12自由旋转一定角度，使发射的激光束与基准座13对准，即旋转式激光测距仪12发射的激光束到基准座13的距离最短时，则认为旋转式激光测距仪12与基准座13对准，将这个对准点作为基准点，将旋转式激光测距仪12旋转180°，则可以确定此时旋转式激光测距仪12发射的激光束与承载箱11的上表面垂直，此时为监测预警的初始状态。

所述数据存储模块19采用无线接收装置接收旋转式激光测距仪12、激光接收模块22发射的数据。

所述固定板21采用强力磁铁固定在液压支架的顶梁上，并且使固定板21的长边与液压支架顶梁的长边平行（见图6）；

具体的，在激光接收模块22表面布设密集的激光感应带，激光感应带的长边与激光接收模块22的短边平行，并提前设置每条激光感应带到液压支架顶梁左端头的距离（图6中所示支架位置），当旋转式激光测距仪12发射的激光束与激光接收模块22表面的激光感应带接触时，则激光接收模块22可以确定激光束接触点到液压支架顶梁左端头的距离（图6中所示支架位置）。

由于采煤工作面一般均具有一定的倾斜角度与仰俯角，传统机器视觉监测方法或采用倾角传感器等测出的液压支架姿态、采煤机姿态均为绝对姿态，而液压支架顶梁与采煤机滚筒防碰撞预警需要获得液压支架与采煤机的相对姿态，为此，以旋转式激光测距仪12的旋转轴为坐标原点，以旋转式激光测距仪12与基准座13对准，并以此对准点为基准，将旋转式激光测距仪12旋转180°，此时旋转式激光测距仪12发射的激光束方向为y轴方向，将y轴的正方向向右侧旋转90°，则为x轴方向，坐标系见图6所示；

由于煤层一般均具有一定的倾斜角度与俯仰角度，从而导致采煤机与液压支架的相对姿态极易发生变化，因此，确定xoy坐标系为基准坐标系，即以采煤机和刮板输送机配套后的姿态为基准，判断液压支架相对于采煤机和刮板输送机姿态的变化；由于采煤机与刮板输送机的连接方式为硬连接，即y轴方向与采煤机滚筒的调整方向相同，且y轴与采煤机滚筒的相对距离为固定值，因此，通过确定旋转式激光测距仪12发射的激光束落在激光接收模块22上的位置，以及液压支架顶梁与旋转式激光测距仪12的垂直高度、相对旋转角度，便可以计算得出液压支架顶梁与采煤机滚筒的相对位置关系，从而可以确定液压支架顶梁与采煤机滚筒是否会发生碰撞，并通过计算模块110、控制模块111、预警模块112进行超前预测、预警。

本实施例还提供一种液压支架顶梁与采煤机滚筒防碰撞预警方法，见图7、图8所示，具体包括以下步骤：

S001，将移动式监测预警装置1放在电缆槽上，并在每台液压支架的顶梁上安装激光接收装置2，移动式监测预警装置1通过行走轮16在电缆槽上移动，移动式监测预警装置1的移动方向与采煤机割煤方向一致，且超前采煤机距离大于3m；

S002，移动式监测预警装置1在移动过程中由旋转式激光测距仪12向液压支架顶梁发射激光束，当液压支架顶梁上设置的激光接收装置2感应到旋转式激光测距仪12发射的激光束时，则由激光接收模块22向控制模块111发送指令，移动式监测预警装置1停止移动，进行液压支架顶梁与采煤机滚筒防碰撞检测；

S003，旋转式激光测距仪12旋转一定角度与基准座13对准，然后旋转180°，向液压支架顶梁上的激光接收模块22发射激光束，确定移动式监测预警装置1与激光接收装置2之间的距离，以及激光束落在激光接收模块22上的位置A，并将结果发送至数据存储模块19；

具体的，首先将旋转式激光测距仪12自由旋转一定角度，使发射的激光束与基准座13对准，即旋转式激光测距仪12发射的激光束到基准座13的距离最短时，则认为旋转式激光测距仪12与基准座13对准；将旋转式激光测距仪12旋转180°，此时，旋转式激光测距仪12发射的激光束落在激光接收模块22上的位置A，旋转式激光测距仪12可以测量得出OA的距离，根据激光接收模块22的提前预置信息，可以得出A点到液压支架顶梁前端D点的距离AD，将上述数据通过无线通信模块发送至数据存储模块19；

S004，将旋转式激光测距仪12旋转一定角度，得出旋转式激光测距仪12与液压支架顶梁的最短距离OB，以及旋转式激光测距仪12旋转的角度值∠AOB，并将结果发送至数据存储模块19；

具体的，首先将旋转式激光测距仪12左右各旋转一个微小角度，并判断旋转式激光测距仪12与液压支架顶梁之间的距离，向旋转式激光测距仪12与液压支架顶梁之间距离逐渐减小的方向继续旋转，此时，旋转式激光测距仪12与液压支架顶梁之间距离将先减少后增大，确定旋转式激光测距仪12与液压支架顶梁之间的最小距离点B（由于激光接收装置2的厚度很小，此处忽略激光接收装置2的厚度，即假设B点落在直线AD上），此时OB⊥AD，并记录旋转式激光测距仪12旋转的角度值∠AOB，将结果发送至数据存储模块19；

S005，计算模块110根据数据存储模块19的数据，计算得出D点到直线OA的最短距离；

具体的，由D点向直线OA做垂线DC，则直线DC与采煤机截割滚筒的旋转轴方向平行；根据相似三角形原理，则△OAB与△ADC为相似三角形，∠AOB=∠ADC，由于已经得出直线AD的长度，则DC=AD×cos∠AOB；

S006，对比OE与DC的长度，若OE＜DC，则采煤机滚筒在调高割煤时会与液压支架顶梁发生碰撞；若OE≥DC，则采煤机滚筒在调高割煤时不会与液压支架顶梁发生碰撞；为确保采煤机滚筒与液压支架顶梁不发生碰撞，留出300mm的安全距离，确定OE≥DC+300mm，则采煤机滚筒在调高割煤时不会与液压支架顶梁发生碰撞，否则将会发生碰撞；

S007，若OE＜DC+300mm，则计算模块110同时向控制模块111、预警模块112发出指令，采煤机停止割煤作业，同时发出声光报警；

S008，由液压支架控制系统对刮板输送机进行推移，推移完成后再次进行检测；

S009，若OE≥DC+300mm，则移动式监测预警装置1继续向前移动，重复步骤S002～S008。

以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种液压支架顶梁与采煤机滚筒防碰撞预警装置，其特征在于，包括移动式监测预警装置、激光接收装置；

所述移动式监测预警装置主要包括承载箱、旋转式激光测距仪、基准座、第一铰接耳板、行走支撑板、行走轮、支撑轮、轮轴、数据存储模块、计算模块、控制模块、预警模块；

所述激光接收装置主要包括固定板、激光接收模块；

所述旋转式激光测距仪与第一铰接耳板为铰接结构，旋转式激光测距仪的旋转轴与第一铰接耳板的外表面垂直；

所述第一铰接耳板与承载箱为固定连接；

所述基准座位于旋转式激光测距仪的正下方，并且与承载箱为固定连接；

所述行走支撑板与承载箱为固定连接；

所述轮轴位于两块行走支撑板之间，并且轮轴的两端分别与行走轮连接，使行走轮可以绕轮轴的轴线方向旋转；

所述支撑轮通过支撑座与行走支撑板固定连接，且支撑轮可以围绕支撑座旋转；

所述承载箱采用中空结构，并且将数据存储模块、计算模块、控制模块、预警模块置于承载箱内；

所述激光接收装置通过固定板固定在液压支架的顶梁上；

所述固定板与激光接收模块为固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种液压支架顶梁与采煤机滚筒防碰撞预警装置，其特征在于，所述移动式监测预警装置设置四个行走轮，四个支撑轮，将移动式监测预警装置放置在电缆槽上，当行走轮与电缆槽的侧板接触时，行走轮可以在电缆槽的侧板上滚动，带动移动式监测预警装置移动，当电缆槽发生倾斜时，通过支撑轮与电缆槽的侧板接触，使移动式监测预警装置能够顺利移动。

3.根据权利要求1所述的一种液压支架顶梁与采煤机滚筒防碰撞预警装置，其特征在于，所述旋转式激光测距仪具备激光测距与旋转角度测量的功能。

4.根据权利要求1所述的一种液压支架顶梁与采煤机滚筒防碰撞预警装置，其特征在于，所述数据存储模块采用无线接收装置接收旋转式激光测距仪、激光接收模块发射的数据。

5.根据权利要求1所述的一种液压支架顶梁与采煤机滚筒防碰撞预警装置，其特征在于，所述固定板采用强力磁铁固定在液压支架的顶梁上，并且使固定板的长边与液压支架顶梁的长边平行。

6.一种采用权利要求1-5中所述的液压支架顶梁与采煤机滚筒防碰撞预警装置进行液压支架顶梁与采煤机滚筒防碰撞预警的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S001，将移动式监测预警装置放在电缆槽上，并在每台液压支架的顶梁上安装激光接收装置，移动式监测预警装置通过行走轮在电缆槽上移动，移动式监测预警装置的移动方向与采煤机割煤方向一致，且超前采煤机距离大于3m；

S002，移动式监测预警装置在移动过程中由旋转式激光测距仪向液压支架顶梁发射激光束，当液压支架顶梁上设置的激光接收装置感应到旋转式激光测距仪发射的激光束时，则由激光接收模块向控制模块发送指令，移动式监测预警装置停止移动，进行液压支架顶梁与采煤机滚筒防碰撞检测；

S003，旋转式激光测距仪旋转一定角度与基准座对准，然后旋转180°，向液压支架顶梁上的激光接收模块发射激光束，确定移动式监测预警装置与激光接收装置之间的距离，以及激光束落在激光接收模块上的位置A，并将结果发送至数据存储模块；

S004，将旋转式激光测距仪旋转一定角度，得出旋转式激光测距仪与液压支架顶梁的最短距离OB，以及旋转式激光测距仪旋转的角度值∠AOB，并将结果发送至数据存储模块；

S005，计算模块根据数据存储模块的数据，计算得出D点到直线OA的最短距离；

S006，对比OE与DC的长度，若OE≥DC+300mm，则采煤机滚筒在调高割煤时不会与液压支架顶梁发生碰撞，否则将会发生碰撞；

S007，若OE＜DC+300mm，则计算模块同时向控制模块、预警模块发出指令，采煤机停止割煤作业，同时发出声光报警；

S008，由液压支架控制系统对刮板输送机进行推移，推移完成后再次进行检测；

S009，若OE≥DC+300mm，则移动式监测预警装置继续向前移动，重复步骤S002～S008。

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