CN113821884B - 一种基于液压支架多维姿态监测的数字孪生方法及系统 - Google Patents

一种基于液压支架多维姿态监测的数字孪生方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于液压支架多维姿态监测的数字孪生方法及系统，方法包括：生成与实体液压支架相应的液压支架模型；建立表达液压支架模型运动的三角函数模型；采集设置在实体液压支架上的多维姿态感知传感器的感知信息，将感知信息作为输入量输入到所述三角函数模型中，计算实体液压支架的姿态信息，将姿态信息作为输入量输入到液压支架模型中，实时驱动液压支架模型进行姿态变化。系统包括多维姿态感知传感器，用于采集感知信息；姿态信息计算装置，用于进行实体液压支架的姿态信息计算；数字孪生驱动装置，用于生成与实体液压支架相应的液压支架模型，以及实时驱动液压支架模型进行姿态变化。

Description

一种基于液压支架多维姿态监测的数字孪生方法及系统
技术领域
本发明涉及煤矿智能开采技术领域，具体涉及一种基于液压支架多维姿态监测的数字孪生方法及系统。
背景技术
液压支架作为综采机械化关键设备，在井下的工况十分复杂，条件非常恶劣。当前对液压支架的监测，显示给操作人员的仍是简单的数字、二维图表或伪三维图形，不利于形象直观地观察液压支架的工作状态。近些年，人们提出了希望数字虚体空间中的虚拟事物与物理实体空间中的实体事物之间具有可以联接通道、可以相互传输数据和指令的交互关系之后，数字孪生的概念就成形了。将数字孪生技术应用在生产装备生产之前，就可以通过虚拟生产的方式来模拟在不同产品、不同参数、不同外部条件下的生产过程，实现对产能、效率以及可能出现的技术瓶颈等问题进行提前预警或误差修正，从而提高产品质量和设备可靠性。但是，如CN 111723448 A数字孪生智能综采工作面液压支架直线度监测方法，通过虚拟模型与物理实体之间的交互反馈，对虚拟模型进行实时更新，并通过实时更新的模型对综采工作面液压支架的直线度进行分析和调整，解决的是消除智能综采工作面液压支架移架作业出现直线度偏差较大等问题。如CN 112392485 A煤矿综采工作面透明化数字孪生自适应开采系统和方法，运用数字孪生技术提供仿真开采功能，建立综采工作面开采过程细节的数字孪生模型，在虚拟环境中通过仿真开采模式验证开采过程，发现问题后及时在模型中进行修正，修正后的自适应开采模式提高了煤矿综采工作面的智能化开采精准度和可靠性。二者均未涉及液压支架的多维姿态监测问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于液压支架多维姿态监测的数字孪生方法及系统，具体方案如下：
本发明第一方面提供一种基于液压支架多维姿态监测的数字孪生方法，包括：生成与实体液压支架相应的液压支架模型；建立表达液压支架模型运动的三角函数模型；采集设置在实体液压支架上的多维姿态感知传感器的感知信息，将感知信息作为输入量输入到所述三角函数模型中，计算实体液压支架的姿态信息，将姿态信息作为输入量输入到液压支架模型中，实时驱动液压支架模型进行姿态变化。
基于上述，设置在所述实体液压支架的伸缩梁组件、侧护板组件、推杆组件上，用于采集各组件的伸缩量的位移传感器；
以及设置在所述实体液压支架的支架底座、连杆组件、掩护梁组件、顶梁组件、护帮板组件上，用于采集各组件的倾角信息的倾角传感器。
基于上述，建立表达液压支架模型运动的三角函数模型的方法包括：假设实体液压支架的底座处于水平状态、底座的俯仰角和倾角为0，模型计算中的所有变量均以底座为基准进行折算；设置已知条件：支架各结构件尺寸，底座坐标，前连杆与底座夹角，顶梁预掩护梁夹角，1级护帮与顶梁夹角，1级护帮与2级护帮夹角，2级护帮与3级护帮夹角；待求姿态信息：实体液压支架各组成部分的坐标，平衡千斤顶长度，立柱长度；
计算出实体液压支架的姿态后，将实体液压支架按照底座的俯仰角和倾角进行旋转，获得实体液压支架在三维空间中的姿态信息。
本发明第二方面提供一种基于液压支架多维姿态监测的数字孪生系统，包括：多维姿态感知传感器，设置在实体液压支架上，用于采集感知信息；
姿态信息计算装置，与所述多维姿态感知传感器通信连接，用于以感知信息作为输入量，输入到用于表达液压支架模型运动的三角函数模型中，进行实体液压支架的姿态信息计算；
数字孪生驱动装置，与所述姿态信息计算装置通信连接，包括液压支架模型生成模块和驱动模块，所述液压支架模型生成模块用于生成与实体液压支架相应的液压支架模型；
所述驱动模块，将姿态信息作为输入量输入到液压支架模型中，实时驱动液压支架模型进行姿态变化。
基于上述，还包括实体液压支架控制器，与所述多维姿态感知传感器和所述姿态信息计算装置通信连接，用于接收所述所述多维姿态感知传感器的感知信息并上传至所述姿态信息计算装置，以及用于根据指令命令控制实体液压支架动作。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明实时采集实体液压支架各组成组件的伸缩量及倾角，通过三角函数模型计算分析，进而驱动液压支架模型的变化，将煤矿井下采集数据接入后可在地面直接获取液压支架在井下的姿态信息，在地面直接指导开采。
附图说明
图1为本发明系统的框图。
图2为本发明方法中的实体液压支架姿态变化简图。
图3为本发明方法中计算实体液压支架的姿态信息的第一示意图。
图4为本发明方法中计算实体液压支架的姿态信息的第二示意图。
图5为本发明方法中计算实体液压支架的姿态信息的第三示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述，但本发明并不限于这些实施方式：
本实施例提供一种基于液压支架多维姿态监测的数字孪生系统，包括多维姿态感知传感器，设置在实体液压支架上，用于采集感知信息；姿态信息计算装置，与所述多维姿态感知传感器通信连接，用于以感知信息作为输入量，输入到用于表达液压支架模型运动的三角函数模型中，进行实体液压支架的姿态信息计算；数字孪生驱动装置，与所述姿态信息计算装置通信连接，包括液压支架模型生成模块和驱动模块，所述液压支架模型生成模块用于生成与实体液压支架相应的液压支架模型；所述驱动模块，将姿态信息作为输入量输入到液压支架模型中，实时驱动液压支架模型进行姿态变化。
本实施例系统进行数字孪生的方法：
在所述数字孪生驱动装置中生成与实体液压支架相应的液压支架模型，具体的，可以采用U3D建模技术建立液压支架模型；
在所述姿态信息计算装置中建立表达液压支架模型运动的三角函数模型；
所述多维姿态感知传感器采集感知信息，并将感知信息作为输入量输入到所述三角函数模型中，计算实体液压支架的姿态信息；
所述姿态信息计算装置将姿态信息作为输入量输入到所述数字孪生驱动装置的液压支架模型中，实时驱动液压支架模型进行姿态变化。这样液压支架模型就能和实体液压支架同步变化，最终实现综采面设备数字孪生，井上操作人员可以根据液压支架模型的状态判断实体液压支架的运行情况。
具体的，如图1所示，所述多维姿态感知传感器包括：
设置在所述实体液压支架的伸缩梁组件rt、侧护板组件pr、推杆组件i上，用于采集各组件的伸缩量的位移传感器；
以及设置在所述实体液压支架的支架底座abhgij、连杆组件gfbc、掩护梁组件dekmn、顶梁组件oprt、护帮板组件zuvw上，用于采集各组件的倾角信息的倾角传感器。
建立表达液压支架模型运动的三角函数模型的方法包括：
假设实体液压支架的底座处于水平状态、底座的俯仰角和倾角为0，模型计算中的所有变量均以底座为基准进行折算；
设置已知条件：支架各结构件尺寸，底座坐标a(0，0)，前连杆与底座夹角α，顶梁与掩护梁夹角β，1级护帮与顶梁夹角φ，1级护帮与2级护帮夹角θ，2级护帮与3级护帮夹角ψ；
待求姿态信息：实体液压支架各组成部分的坐标a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l、i、n、m、o、p、q、r、s、t、u、v、w、z，平衡千斤顶长度Llq，立柱长度Lsj；
则有计算公式：
如图3所示，a点坐标(ax、ay)＝(0，0)；b点坐标(bx、by)＝(0，Lab)；
h点坐标(hx、hy)＝(Lah，0)；g点坐标(gx、gy)＝(Lah，Lhg)；
i点坐标(ix、iy)＝(Lai，0)；j点坐标(jx、jy)＝(Lai，Lij)；
f点坐标(fx、fy)＝(gx+Lfgcos(α)，gy+Lfgsin(α))；
b点和f点之间的距离：
cb与水平线的夹角：
cx＝bx+Lbccos(∠cbb′)cy＝by+Lbcsin(∠cbb′)；
其中，∠cb0为向量bc与x轴正方向之间的夹角，后续出现的向量角均按照此方法定义；
d点坐标(dx、dy)，dx＝cx+Lcdcos(∠dc0)，dy＝cy+Lcdsin(∠dc0)；
e点坐标(ex、ey)，ex＝dx+Ldecos(∠md0)，ey＝d+Ldesin(∠md0)；
k点坐标(kx、ky)，kx＝dx+Ldkcos(∠md0)，ky＝dy+Ldksin(∠md0)；
m点坐标(mx、my)，mx＝dx+Ldmcos(∠md0)，my＝dy+Ldmsin(∠md0)；
l点坐标(lx、ly)，
n点坐标(nx、ny)，
如图4所示，顶梁与水平面夹角∠to0＝∠md0-(π-β)；
∠on0＝∠to0-π/2；
o点坐标(ox、oy)，ox＝nx+Lnocos(∠on0)，oy＝ny+Lnosin(∠on0)；
p点坐标(px、py)，px＝ox+Lopcos(∠to0)，py＝oy+Lopsin(∠to0)；
q点坐标(qx、qy)，
平衡千斤顶长度可以根据姿态信息实时监测平衡千斤顶长度Llq，在其达到极限位置时发出预警，防止平衡千斤顶损坏；
r点坐标(rx、ry)，rx＝ox+Lorcos(∠to0)，ry＝oy+Lorsin(∠to0)；
s点坐标(sx、sy)，
如图5所示，立柱长度
t点坐标(tx、ty)，tx＝ox+Lotcos(∠to0)，ty＝oy+Lotsin(∠to0)；
z点坐标(zx、zy)，
∠ut0＝∠to0-(π-φ)；
u点坐标(ux、uy)，ux＝zx+Lzucos(∠ut0)，uy＝zy+Lzusin(∠ut0)；
∠vu0＝∠ut0-(π-θ)；
v点坐标(vx、vy)，vx＝ux+Luvcos(∠vu0)，vy＝uy+Luvsin(∠vu0)；
∠wv0＝∠vu0-(π-ψ)；
w点坐标(wx、wy)，wx＝vx+Lvwcos(∠wv0)，wy＝vy+Lvwsin(∠wv0)；
计算出实体液压支架的姿态后，将实体液压支架按照底座的俯仰角和倾角进行旋转，获得实体液压支架在三维空间中的姿态信息。
在其它实施例中，还包括实体液压支架控制器，与所述多维姿态感知传感器和所述姿态信息计算装置通信连接，用于接收所述所述多维姿态感知传感器的感知信息并上传至所述姿态信息计算装置，以及用于根据指令命令控制实体液压支架动作。特别的，姿态信息计算装置和数字孪生驱动装置组合为数字孪生展示主机，多维姿态感知传感器一一架实体液压支架为单位连接到对应采集器，井下各采集器连接到以太网通过路由器将感知信息发送到数字孪生展示主机，进行虚拟三维动态展示。进一步地，还可以增加通过以太网与数字孪生展示主机通信的移动终端，所述移动终端可以进行虚拟三维动态展示，同时还可以发送指令命令到液压支架控制器，控制实体液压支架动作。
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；尽管参照较佳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对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (5)

1.一种基于液压支架多维姿态监测的数字孪生方法，其特征在于，包括：
生成与实体液压支架相应的液压支架模型；
建立表达液压支架模型运动的三角函数模型；建立表达液压支架模型运动的三角函数模型的方法包括：
假设实体液压支架的底座处于水平状态、底座的俯仰角和倾角为0，模型计算中的所有变量均以底座为基准进行折算；
设置已知条件：支架各结构件尺寸，底座坐标，前连杆与底座夹角，顶梁预掩护梁夹角，1级护帮与顶梁夹角，1级护帮与2级护帮夹角，2级护帮与3级护帮夹角；
待求姿态信息：实体液压支架各组成部分的坐标，平衡千斤顶长度，立柱长度；
计算出实体液压支架的姿态后，将实体液压支架按照底座的俯仰角和倾角进行旋转，获得实体液压支架在三维空间中的姿态信息；
采集设置在实体液压支架上的多维姿态感知传感器的感知信息，将感知信息作为输入量输入到所述三角函数模型中，计算实体液压支架的姿态信息，将姿态信息作为输入量输入到液压支架模型中，实时驱动液压支架模型进行姿态变化。
2.根据权利要求1所述的基于液压支架多维姿态监测的数字孪生方法，其特征在于，所述多维姿态感知传感器包括：
设置在所述实体液压支架的伸缩梁组件、侧护板组件、推杆组件上，用于采集各组件的伸缩量的位移传感器；
以及设置在所述实体液压支架的支架底座、连杆组件、掩护梁组件、顶梁组件、护帮板组件上，用于采集各组件的倾角信息的倾角传感器。
3.一种基于液压支架多维姿态监测的数字孪生系统，其特征在于，包括：
多维姿态感知传感器，设置在实体液压支架上，用于采集感知信息；
姿态信息计算装置，与所述多维姿态感知传感器通信连接，用于以感知信息作为输入量，输入到用于表达液压支架模型运动的三角函数模型中，进行实体液压支架的姿态信息计算；用于表达液压支架模型运动的三角函数模型包括：
假设实体液压支架的底座处于水平状态、底座的俯仰角和倾角为0，模型计算中的所有变量均以底座为基准进行折算；
设置已知条件：支架各结构件尺寸，底座坐标，前连杆与底座夹角，顶梁预掩护梁夹角，1级护帮与顶梁夹角，1级护帮与2级护帮夹角，2级护帮与3级护帮夹角；
待求姿态信息：实体液压支架各组成部分的坐标，平衡千斤顶长度，立柱长度；
计算出实体液压支架的姿态后，将实体液压支架按照底座的俯仰角和倾角进行旋转，获得实体液压支架在三维空间中的姿态信息；
数字孪生驱动装置，与所述姿态信息计算装置通信连接，包括液压支架模型生成模块和驱动模块，所述液压支架模型生成模块用于生成与实体液压支架相应的液压支架模型；
所述驱动模块，将姿态信息作为输入量输入到液压支架模型中，实时驱动液压支架模型进行姿态变化。
4.根据权利要求3所述的基于液压支架多维姿态监测的数字孪生系统，其特征在于：所述多维姿态感知传感器包括：
设置在所述实体液压支架的伸缩梁组件、侧护板组件、推杆组件上，用于采集各组件的伸缩量的位移传感器；
以及设置在所述实体液压支架的支架底座、连杆组件、掩护梁组件、顶梁组件、护帮板组件上，用于采集各组件的倾角信息的倾角传感器。
5.根据权利要求3所述的基于液压支架多维姿态监测的数字孪生系统，其特征在于：还包括实体液压支架控制器，与所述多维姿态感知传感器和所述姿态信息计算装置通信连接，用于接收所述所述多维姿态感知传感器的感知信息并上传至所述姿态信息计算装置，以及用于根据指令命令控制实体液压支架动作。
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