CN113790075A - 一种工作面液压支架多维度定位系统和方法 - Google Patents

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CN113790075A CN202111046920.3A CN202111046920A CN113790075A CN 113790075 A CN113790075 A CN 113790075A CN 202111046920 A CN202111046920 A CN 202111046920A CN 113790075 A CN113790075 A CN 113790075A
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范志忠
徐刚
黄志增
潘黎明
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Abstract

本发明涉及一种工作面液压支架多维度定位系统和方法，包括：惯导模块、溜槽加速度传感器、行程传感器、液压支架加速度传感器、监测分站和主控模块；惯导模块，用于监测刮板输送机的机头位置；溜槽加速度传感器，用于监测溜槽相对于机头的位移，以确定溜槽的位置；行程传感器，用于根据溜槽的位置，确定液压支架的底座的位置；液压支架加速度传感器，用于监测液压支架的空间方位和姿态；监测分站，用于监测行程传感器和液压支架加速度传感器的数值，并将其传输至主控模块；主控模块，用于根据监测分站的数据对刮板输送机和液压支架进行定位。其简单易行，准确度高，不受光照、煤尘的影响。

Description

一种工作面液压支架多维度定位系统和方法
技术领域
本发明涉及一种工作面液压支架多维度定位系统和方法，属于井工煤矿开采技术领域，特别涉及煤层倾角变化较大、存在上窜或下滑条件的工作面的自动化开采。
背景技术
我国井工煤矿开采多采用壁式体系采煤法，工作面是煤炭开采的主要场所，工作面一般长150-300m不等，其前方为待采煤壁，后方为已采空区域，工作面通过摆放综采液压支架支护顶板，液压支架顶梁下方为刮板输送机，刮板输送机由若干节固定长度的溜槽铰接而成，每节溜槽后方对应一个液压支架，溜槽长度与液压支架宽度相同，工作面前移时，溜槽与液压支架通过推移杆互为支点向前移动。采煤机安装在刮板输送机上方，往复移动进行采煤作业，采出的煤炭通过下方的刮板输送机运出。
由于井下煤层赋存条件的复杂性，如煤层存在褶曲、构造、倾角、煤厚变化等，可能造成工作面的液压支架控制困难，在推进过程中发生各种事故，如：煤层的褶曲或起伏，会造成液压支架相互挤压而推进困难；断层等构造会造成工作面定位困难，工作面液压支架难以沿着设计方向推进；煤层倾向角度将导致液压支架等重型装备出现上窜下滑现象，走向角度会导致支架位姿不佳，出现“低头”或“高射炮”现象；煤层厚度变化会导致支架支护高度控制困难，出现丢顶煤或底煤现象。造成上述问题的根源在于工作面支架均为重型机械液压结构，单个支架重量达10-100吨不等，而井下作业空间狭小，地面GPS等无线定位信号难以实现，煤层空间形态也往往较复杂，一旦条件发生变化，支护系统来不及调整，极易诱发顶板灾害事故。
针对上述问题，CN108222994A公开了一种采煤工作面支架定位系统及方法，其通过在工作面端头处液压支架上设置红外测距传感器，两根测量绳从底座同侧绳槽引出，两根测量绳的末端均连接相邻液压支架，来实现相邻液压支架间距的测量和定位，用该种方法只能测量液压支架某一点的间距，且测量误差较大，不适合面接触的液压支架，不能计算液压支架的超前、滞后、倾角、位姿及支护高度等，难以反映工作面液压支架整体的布置形态。CN110057324A公开了一种采煤工作面液压支架与刮板输送机直线度监测方法，在工作面每台液压支架的底座中心位置安装可旋转激光感应测距装置，并在与液压支架相连的刮板输送机的槽体中心位置安装激光感应接收装置；建立工作面液压支架与刮板输送机直线度测量坐标系，获得工作面液压支架与刮板输送机的直线度。此种方法安装设备较多，维护困难，工作面煤尘和煤层的起伏严重影响激光器测量，可靠性较差。
综上所述，现有的煤矿综采工作面支架定位方法局限性大，受综采工作面振动大、光照不足、煤尘大、空间有限等复杂环境的限制，难以实现工作面支护系统的空间精准定位，使得实际生产中煤矿综采工作面支架的前移作多是依靠人工凭经验操作，造成支架参差不齐，可靠性差，效率低下。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供了一种工作面液压支架多维度定位系统和方法，其简单易行，准确度高，不受光照、煤尘的影响。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种工作面液压支架多维度定位系统，包括：惯导模块、溜槽加速度传感器、行程传感器、液压支架加速度传感器、监测分站和主控模块；惯导模块，用于监测并对刮板输送机的机头位置进行精确定位；溜槽加速度传感器，用于监测溜槽相对于机头的位移，以确定溜槽的位置；行程传感器，用于根据溜槽的位置，确定液压支架的底座的位置；液压支架加速度传感器，用于监测液压支架的空间方位和姿态；监测分站，用于监测行程传感器和液压支架加速度传感器的数值，并将其传输至主控模块；主控模块，用于根据监测分站的数据对刮板输送机和液压支架进行定位。
进一步，惯导模块安装在刮板输送机的机头中心位置。
进一步，惯导模块设定坐标原点O，过原点O指向机尾方向为X轴正方向，过原点O指向综采工作面推进方向为Y轴正方向，过原点O垂直向上煤层顶板方向为Z轴正方向；原点O的方位分别由3个位置参量和3个角度参量确定。
进一步，位置参量分别是X轴、Y轴和Z轴坐标，方向参量分别是相对于X轴的方位角φx0、Y轴的方位角φy0和Z轴的方位角φz0。
进一步，溜槽加速度传感器为若干个，每个溜槽加速器传感器设置在一个溜槽上。
进一步，溜槽加速度传感器设置在溜槽的底部中心位置。
进一步，溜槽加速度传感器分别监测溜槽所在煤层底板的X、Y、Z方向角度φx1，φy1和φz1，每节溜槽长度为定值，根据惯导模块设置的坐标原点，计算每节溜槽的空间方位参数。
进一步，液压支架加速度传感器包括掩护梁加速度传感器和顶梁加速度传感器，由于监测掩护梁和顶梁之间铰接点位置，和二者之间的夹角，从而确定液压支架的位姿。
本发明还公开了一种工作面液压支架多维度定位方法，采用上述任一项的工作面液压支架多维度定位系统，包括以下步骤：S1、通过惯导模块，建立刮板输送机的机头坐标系统：S2、通过刮板输送机的机头坐标系统，建立工作面刮板输送机各节溜槽空间坐标和方位：S3、根据各节溜槽空间坐标和方位，结合支架行程传感器数据确定液压支架的底座的位置；S4、根据液压支架的底座的位置，结合液压支架加速度传感器数据建立液压支架的位姿坐标；S5、根据刮板输送机的机头坐标系统、各节溜槽空间坐标和方位与液压支架的位姿坐标确定刮板输送机和液压支架的位置。
进一步，包括：液压支架的底座宽度与刮板输送机的溜槽长度相同，每个液压支架对应一节溜槽，两者相差推移杆的一个推移步距，设推移杆的推移步距为l，若某一节溜槽的方位参数为S(X,Y,Z,φx,φy,φz)，则与其对应的液压支架底座的方位参数为Z(X,Y-l,Z,φx,φy,φz)。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明提供的工作面液压支架多维度定位系统和方法，将刮板输送机连续铺设的特点与惯导模块的高精度定位结合起来，通过惯导模块来标定刮板输送机每节溜槽的空间位置信息，再通过刮板机溜槽的空间位置信息与实测的推移杆位移，来实现离散摆放的支架位置信息的标定；
2、本发明提供的工作面液压支架多维度定位系统和方法，将支架铰接结构与四连杆机构回转运动轨迹唯一性结合起来，即通过支架固有结构参数与实测的掩护梁和顶梁倾角相结合，经过三角几何运算，即可获得支架的立柱长度、活柱伸缩量、俯仰角度、四连杆倾角等所有位姿参数；
3、本发明提供的工作面液压支架多维度定位系统和方法，不仅能反映工作面液压支架的直线度，而且能获取支护系统的空间形态如：支架上窜、下滑、超前、滞后、扭曲等位置参数，以及支架挑顶、啃底、抬头、低头、前后错茬、歪斜、高低不平等工况参数，为加强工作面管理和保证安全提供了可能；
4、本发明提供的工作面液压支架多维度定位系统和方法，实现了刮板输送机空间位置信息的精确标定，由于刮板输送机铺设在煤层底板上，还可通过刮板机的铺设三维位置坐标，简接反映煤层的褶曲形态，如煤层的倾角、起伏等，为工作面智能化即可视化开采提供技术支撑。
5、本发明提供的工作面液压支架多维度定位系统和方法，将惯导模块的科学原理与支架的物理结构结合起来，系统仅由惯导模块和一定数量的三轴加速度传感器和位移(行程)传感器组成，想法新颖，系统简洁可靠，对难以获取的支架位置、位姿信息和工况，通过连续铺设的刮板输送机加以实现，整个过程仅涉及简单的数学运算，数据误差小，可靠性高。
附图说明
图1是本发明一实施例中工作面液压支架多维度定位系统的结构示意图；
图2是本发明一实施例中工作面液压支架多维度定位方法的示意图。
附图标记：
1-刮板输送机；11-机头；12-溜槽；2-液压支架；21-底座；22-前连杆；23-后连杆；24-掩护梁；25-平衡千斤顶；26-顶梁；3-推移杆；4-惯导模块；5-溜槽加速度传感器；6-行程传感器；7-液压支架加速度传感器；71-掩护梁加速度传感器；72-顶梁加速度传感器；8-监测分站；9-主控模块。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，通过具体实施例对本发明进行详细的描述。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明提供了一种工作面液压支架多维度定位系统和方法，其将刮板输送机连续铺设的特点与惯导模块的高精度定位结合起来，通过惯导模块来标定刮板输送机的空间位置信息，再通过刮板机溜槽的空间位置信息与实测的推移杆位移，来实现离散摆放的支架位置信息的标定。实现了刮板输送机空间位置信息的精确标定，由于刮板输送机1铺设在煤层底板上，还可通过刮板机的铺设三维位置坐标，简接反映煤层的褶曲形态，如煤层的倾角、起伏等，为工作面智能化即可视化开采提供技术支撑。下面结合附图，通过两个实施例对本发明的技术方案进行详细阐述。
实施例一
本实施例涉及的工作面，如图1所示，包括一部刮板输送机1、若干台与刮板输送机1连接的液压支架2，以及连接刮板输送机1和液压支架2的推移杆3。刮板输送机1包括一机头11，以及与机头11连接的若干溜槽12，各溜槽12首尾串联，只有第一个溜槽12与机头11连接。每个溜槽12对应一个液压支架2。液压支架2包括底座21、前连杆22、后连杆23、掩护梁24、平衡千斤顶25和顶梁26。平衡千斤顶25、前连杆22、后连杆23从前到后依次连接在底座21上，前连杆22、后连杆23的一端固定在底座21上，另一端连接掩护梁24的一端，掩护梁24的另一端与顶梁26的一端铰接。平衡千斤顶25一端固定在底座21上，另一端固定在顶梁26的前侧。
本实施例在上述工作面的基础上，公开了一种工作面液压支架多维度定位系统，包括：惯导模块4、溜槽加速度传感器5、行程传感器6、液压支架加速度传感器7、监测分站8和主控模块9；
惯导模块4，用于监测刮板输送机1的机头11位置；
溜槽加速度传感器5，用于监测溜槽12相对于机头11的位移，以确定溜槽12的位置；
行程传感器6设置在推移杆3上，用于根据溜槽12的位置，确定液压支架2的底座21的位置；
液压支架加速度传感器7，用于监测液压支架2的空间方位和姿态；
监测分站8，用于监测行程传感器6和液压支架加速度传感器7的数值，并将其传输至主控模块9；
主控模块9布置在地面或井下顺槽中心，用于根据监测分站8的数据对刮板输送机1和液压支架2进行定位。
惯导模块4安装在刮板输送机1的机头11中心位置，将该中心位置设定为坐标原点O，过原点O指向机尾方向为X轴正方向，过原点O指向综采工作面推进方向为Y轴正方向，过原点O垂直向上煤层顶板方向为Z轴正方向；原点O的方位分别由3个位置参量和3个角度参量确定。位置参量分别是X轴、Y轴和Z轴坐标，方向参量分别是X轴的方位角φx0、Y轴的方位角φy0和Z轴的方位角φz0，即O(X0,Y0,Z0,φx0,φy0,φz0)。由于刮板输送机1的机头11与煤层底板耦合接触，原点O的坐标和方位即可表示为机头11的坐标及对应煤层底板的方向角度。
溜槽加速度传感器5为若干个，从刮板输送机1的机头11开始，向机尾方向，每个溜槽12上设置一个溜槽加速器传感器。溜槽加速度传感器5设置在溜槽12的底部中心位置。将与机头11紧邻的第1节溜槽12命名为S1，其底部中心点的溜槽加速度传感器5可精确测量溜槽12所在煤层底板的X、Y、Z方向角度φx1，φy1和φz1，由于溜槽12之间为精密铰接，每节溜槽12长度为定值，以惯导模块4安装位置O为坐标原点，经过计算，即可获得S1点的空间方位参数，即S1(X1,Y1,Z1,φx1,φy1,φz1)。以第1节溜槽12为基点，计算第2节溜槽12的空间方位参数，以此类推，直至获得最后一节溜槽12的空间方位参数。
液压支架2的底座21宽度与刮板输送机1的溜槽12长度相同，每个液压支架2对应一节溜槽12，两者相差一个推移杆3的长度，设推移杆3的长度为l，若某一节溜槽12的方位参数为S(X,Y,Z,φx,φy,φz)，则与其对应的液压支架2的方位参数为Z(X,Y-l,Z,φx,φy,φz)。
液压支架加速度传感器7包括掩护梁加速度传感器71和顶梁加速度传感器72，由于监测掩护梁24和顶梁26之间铰接点位置，和二者之间的夹角，从而确定液压支架2的位姿。
每个监测分站8的数据以有线或无线方式传输至主控模块9，主控模块9以惯导模块4所在位置和方位角为坐标原点，结合溜槽加速度传感器5给出的信息，计算得出刮板输送机1每节溜槽12的三维坐标和方位角信息；接下来再以每节溜槽12的三维坐标和方位角信息，结合行程传感器6数据，计算得出每台液压支架2的底座21三维坐标和方位角信息；最后以液压支架的底座21坐标和方位角信息，结合支架的结构参数和监测的掩护梁24和顶梁26倾角信息，计算得出支架的实际高度值、活柱伸缩量、顶梁26俯仰角的位姿信息。
实施例二
基于相同的发明构思，本实施例公开了一种工作面液压支架多维度定位方法，采用上述任一项的工作面液压支架多维度定位系统，如图2所示，包括以下步骤：
S1、通过惯导模块4，建立刮板输送机1的机头11坐标系统。
将惯导模块4安装在刮板输送机1的机头11中心位置，将该中心位置设定为坐标原点O，过原点O指向机尾方向为X轴正方向，过原点O指向综采工作面推进方向为Y轴正方向，过原点O垂直向上煤层顶板方向为Z轴正方向；原点O的方位分别由3个位置参量和3个角度参量确定。位置参量分别是X轴、Y轴和Z轴坐标，方向参量分别是X轴的方位角φx0、Y轴的方位角φy0和Z轴的方位角φz0，即O(X0,Y0,Z0,φx0,φy0,φz0)。由于刮板输送机1的机头11与煤层底板耦合接触，原点O的坐标和方位即可表示为机头11的坐标及对应煤层底板的方向角度。
S2、通过刮板输送机1的机头11坐标系统，建立工作面刮板输送机1各节溜槽12空间坐标和方位。
溜槽加速度传感器5为若干个，从刮板输送机1的机头11开始，向机尾方向，每个溜槽12上设置一个溜槽加速器传感器。溜槽加速度传感器5设置在溜槽12的底部中心位置。将与机头11紧邻的第1节溜槽12命名为S1，其底部中心点的溜槽加速度传感器5可精确测量溜槽12所在煤层底板的X、Y、Z方向角度φx1，φy1和φz1，由于溜槽12之间为精密铰接，每节溜槽12长度为定值，以惯导模块4安装位置O为坐标原点，经过计算，即可获得S1点的空间方位参数，即S1(X1,Y1,Z1,φx1,φy1,φz1)。以第1节溜槽12为基点，计算第2节溜槽12的空间方位参数，以此类推，直至获得最后一节溜槽12的空间方位参数。
S3、根据各节溜槽12空间坐标和方位，结合行程传感器6数据确定液压支架2的底座21的位置。
工作面液压支架2排列于刮板输送机1之后，通过液压支架2上的推移杆3连接，采煤作业时，液压支架2与刮板输送机1互为支点，向前移动，在推移杆3的液压油缸上安装行程传感器6，用来测量液压支架2与刮板输送之间的距离。液压支架2的底座21宽度与刮板输送机1的溜槽12长度相同，每个液压支架2对应一节溜槽12，两者相差一个推移杆3的长度，设推移杆3的长度为l，若某一节溜槽12的方位参数为S(X,Y,Z,φx,φy,φz)，则与其对应的液压支架2的方位参数为Z(X,Y-l,Z,φx,φy,φz)。
S4、根据液压支架2的底座21的位置，结合液压支架加速度传感器7数据建立液压支架2的位姿坐标。
建立工作面液压支架2的位姿坐标的方法为：基于支架各铰接结构参数，结合底座21、掩护梁24和顶梁26的方位角，通过三角运算获得该支架立柱的长度值，该长度值加上底座21和顶梁26厚度值即为工作面采高，同时，一段时间内立柱高度值的变化量即为该段时间的活柱伸缩量，其为反映工作面矿压特征的重要指标。
S5、根据刮板输送机1的机头11坐标系统、各节溜槽12空间坐标和方位与液压支架2的位姿坐标确定刮板输送机1和液压支架2的位置。
每个监测分站8的数据以有线或无线方式传输至主控模块9，主控模块9以惯导模块4所在位置和方位角为坐标原点，结合溜槽加速度传感器5给出的信息，计算得出刮板输送机1每节溜槽12的三维坐标和方位角信息；接下来再以每节溜槽12的三维坐标和方位角信息，结合行程传感器6数据，计算得出每个液压支架2的底座21三维坐标和方位角信息；最后以液压支架的底座21坐标和方位角信息，结合支架的结构参数和监测的掩护梁24和顶梁26倾角信息，计算得出支架的实际高度值、活柱伸缩量、顶梁26俯仰角的位姿信息。
通过将每个支架的位姿信息与结构参数作为基础数据，即可建立虚拟的支架三维工况模型，这个模型能够分析每个支架的工作状态，如支架是否存在挑顶、啃底、抬头、低头等情形。再进一步将上述每个支架的三维模型与其对应的坐标信息、方位角信息相结合，建立包含所有支架的支护系统三维模型及其在工作面的分布位置，这个模型能够看到每个支架在工作面的空间位置和位姿形态，并分析支架相互间是否存在咬合、歪斜、纵横向错茬等情形。然后将上述三维支护系统模型作为一个整体，分析其直线度，并将其机头、机尾坐标与其正常情况下在工作面的布设位置行对比，即可判断整体支护系统是否存在上窜、下滑、超前、滞后、扭曲等情形，并可对上述指标进行精确量化。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种工作面液压支架多维度定位系统，其特征在于，包括：惯导模块、溜槽加速度传感器、行程传感器、液压支架加速度传感器、监测分站和主控模块；
所述惯导模块，用于监测刮板输送机的机头位置；
所述溜槽加速度传感器，用于监测溜槽相对于所述机头的位移，以确定所述溜槽的位置；
所述行程传感器，其设置在连接所述刮板输送机和液压支架的推移杆上，用于根据所述溜槽的位置，确定液压支架的底座的位置；
所述液压支架加速度传感器，用于监测所述液压支架的空间方位和姿态；
所述监测分站，用于监测所述行程传感器和所述液压支架加速度传感器的数值，并将其传输至所述主控模块；
所述主控模块，用于根据所述监测分站的数据对所述刮板输送机和液压支架进行定位。
2.如权利要求1所述的工作面液压支架多维度定位系统，其特征在于，所述惯导模块安装在所述刮板输送机的机头中心位置。
3.如权利要求2所述的工作面液压支架多维度定位系统，其特征在于，所述惯导模块设定坐标原点O，过原点O指向机尾方向为X轴正方向，过原点O指向综采工作面推进方向为Y轴正方向，过原点O垂直向上煤层顶板方向为Z轴正方向；原点O的方位分别由3个位置参量和3个角度参量确定。
4.如权利要求3所述的工作面液压支架多维度定位系统，其特征在于，所述位置参量分别是相对于X轴、Y轴和Z轴坐标，所述方向参量分别是X轴的方位角φx0、Y轴的方位角φy0和Z轴的方位角φz0。
5.如权利要求4所述的工作面液压支架多维度定位系统，其特征在于，所述溜槽加速度传感器为若干个，每个溜槽加速器传感器设置在一个溜槽上。
6.如权利要求5所述的工作面液压支架多维度定位系统，其特征在于，所述溜槽加速度传感器设置在所述溜槽的底部中心位置。
7.如权利要求6所述的工作面液压支架多维度定位系统，其特征在于，所述溜槽加速度传感器分别监测所述溜槽所在煤层底板的X、Y、Z方向角度φx1，φy1和φz1，每节溜槽长度为定值，根据所述惯导模块设置的坐标原点，计算每节溜槽的空间方位参数。
8.如权利要求1-7任一项所述的工作面液压支架多维度定位系统，其特征在于，所述液压支架加速度传感器包括掩护梁加速度传感器和顶梁加速度传感器，由于监测掩护梁和顶梁之间铰接点位置，和二者之间的夹角，从而确定所述液压支架的位姿。
9.一种工作面液压支架多维度定位方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的工作面液压支架多维度定位系统，包括以下步骤：
S1、通过惯导模块，建立刮板输送机的机头坐标系统；
S2、通过所述刮板输送机的机头坐标系统，建立工作面刮板输送机各节溜槽空间坐标和方位；
S3、根据各节溜槽空间坐标和方位，结合行程传感器数据确定液压支架底座的位置；
S4、根据液压支架的底座的位置，结合液压支架加速度传感器数据建立液压支架的位姿坐标；
S5、根据刮板输送机的机头坐标系统、各节溜槽空间坐标和方位与液压支架的位姿坐标确定刮板输送机和液压支架的位置。
10.如权利要求9所述的工作面液压支架多维度定位方法，其特征在于，包括：液压支架的底座宽度与刮板输送机的溜槽长度相同，每个液压支架对应一节溜槽，两者相差推移杆的一个推移步距，设所述推移杆的推移步距为l，若某一节溜槽的方位参数为S(X,Y,Z,φx,φy,φz)，则与其对应的液压支架底座的方位参数为Z(X,Y-l,Z,φx,φy,φz)。
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