CN113944494B - 一种基于超声无线测距的液压支架自动调直方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声无线测距的液压支架自动调直方法及系统，应用于井下综采工作面自动控制技术领域，包括：数据获取步骤、距离计算步骤、位置判断步骤、坐标建立步骤和自动调直步骤。本发明提出的液压支架自动调直方法及系统可用于解决综采工作面连续推进后，液压支架排列非直线的问题，大大提高了综采工作面的采煤效率。

Description

一种基于超声无线测距的液压支架自动调直方法及系统

技术领域

本发明涉及井下综采工作面自动控制技术领域，尤其是一种基于超声无线测距的液压支架自动调直方法及系统。

背景技术

工作面煤壁、刮板输送机和液压支架都保持直线是工作面自动化生产的重要保障，实际生产过程中，液压支架排列不在一条直线上会直接影响到刮板输送机的直线度，从而影响煤矿井下的生产效率、加大能源的消耗、加速设备的损坏，还存在极大的安全隐患。因此，如何实现液压支架的精确调直，提高综采工作面三机设备运行效率，是当前矿井开采急需解决的技术问题。

目前，对液压支架进行调直的技术主要通过在液压支架上安装多行程传感器、视觉传感器、激光传感器等来检测液压支架的相对位置来对液压支架调直，但这些方法存在受光照影响大、成本高的问题。除上述技术外，公开号为CN111441812A公开的“基于惯导系统的煤矿综采工作面自动调直系统及方法”，该方法通过在采煤机机身上安装惯性导航系统、编码器实现对采煤机的坐标位置测量，并将采煤机位置信息上传给主控计算机生成采煤机行走轮廓曲线，计算出每台液压支架实际移架距离。但该方法未对惯性导航系统运行过程中产生的误差进行处理，计算出的结果往往存在较大误差。此外，公开号为CN111927518A公开的“一种基于惯导与里程计组合的综采工作面液压支架自动调直方法”，运用卡尔曼滤波的方法对惯性导航装置与里程计的信息进行融合来获得采煤机运行轨迹，推算出刮板输送机的直线度，以确定每台液压支架的推移量，完成对液压支架的自动调直。但该方法成本高，且不能准确反映液压支架直线度信息。

因此，提供一种基于超声无线测距的液压支架自动调直方法及系统，来解决上述技术问题，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于超声无线测距的液压支架自动调直方法及系统，解决了现有液压支架自动调直方法中存在着检测技术受环境因素影响大、推进技术存在较大过程误差的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于超声波无线测距的液压支架自动调直方法，包括以下步骤：

数据获取步骤：获取第i-1台液压支架超声波发射端发出超声波至第i台液压支架超声波接收端接收到超声波的传输时间，其中，1≤i≤N，i、N为整数，N为所述液压支架总数；

距离计算步骤：利用滤波技术获取所述第i-1台液压支架超声波发射端与所述第i台液压支架超声波接收端之间的射程距离；

位置判断步骤：将所述射程距离与预设相对距离进行比较，判断所述第i-1台液压支架与所述第i台液压支架的相邻位置关系；

坐标建立步骤：根据所述相邻位置关系，以第一台液压支架为坐标原点获取第i台液压支架在推进方向上的位置坐标Y_i；

自动调直步骤：基于所述推进方向上的位置坐标，利用每台所述液压支架的推进距离，进行所述液压支架的重复推移，进行所述液压支架的调直。

可选的，所述数据获取步骤的具体内容为：

每台所述液压支架顶梁上安装有超声波发射端、第一超声波接收端和第二超声波接收端，每台所述液压支架上的所述第一超声波接收端和所述第二超声波接收端的连线方向与所述液压支架排列方向垂直；

所述第i-1台液压支架的控制器控制所述第i-1台液压支架超声波发射端发射超声波，同时通知第i台液压支架的所述第一超声波接收端和所述第二超声波接收端超声波已发射，第i台支架控制器启用两个定时器开始计时，获得所述射程时间。

可选的，所述距离计算步骤的具体内容为：

所述第i台液压支架上的所述第一超声波接收端和所述第二超声波接收端依次接收到超声波，所述第i台支架控制器依次停止两个所述定时器，分别算出所述第i台液压支架上的所述第一超声波接收端与所述第i-1台液压支架上的所述超声波发射端的距离L1，所述第i台液压支架上的所述第二超声波接收端与所述第i-1台液压支架上的所述超声波发射端的距离L2。

可选的，所述位置判断步骤的具体内容为：

设定所述第i-1台液压支架与所述第i台液压支架平齐时，所述第i-1台液压支架上的所述超声波发射端与所述第i台液压支架上的所述第一超声波接收端的距离为D1、所述第i-1台液压支架上的所述超声波发射端与所述第i台液压支架上的所述第二超声波接收端的距离为D2，比较L1、L2、D2三者之间的大小关系判断所述第i-1台液压支架与所述第i台液压支架的相邻位置关系。

可选的，所述位置判断步骤中获取判断相邻位置关系的具体内容为：

若L2<D2，则所述第i台液压支架超前于所述第i-1台液压支架的距离为

若L2>D2且L1>L2，则所述第i台液压支架超前于所述第i-1台液压支架的距离为

若L2>D2且L1<L2，则所述第i台液压支架滞后于所述第i-1台液压支架的距离为

可选的，所述自动调直步骤的具体内容为：

将位置坐标最小值的所述液压支架向前推进距离d，其余所述液压支架的推移距离根据自身位置坐标进行相应距离补偿，计算每台液压支架的推进距离，并将所述推进距离作为强跟踪卡尔曼滤波器的输入，得到所述液压支架推移后的坐标位置，基于综采工作面推进，重复推移所述移液压支架对所述液压支架进行自动调直。

可选的，所述强跟踪卡尔曼滤波器的状态方程为：

y(k+1)＝Ay(k)+Bu(k)+w(k) (1)

式中，y(k)为采煤机第k-1次割煤后所述液压支架在推进方向上的坐标，u(k)为所述液压支架在所述采煤机第k次割煤后所述液压支架推进的距离，w(k)为所述采煤机第k次割煤后所述液压支架推进时产生的推移误差，A为状态转移矩阵，B为控制矩阵。

可选的，所述强跟踪卡尔曼滤波器的观测方程如下：

z(k)＝Hy(k)+v(k) (2)

式中，z(k)为所述采煤机第k-1次割煤后所述液压支架在推进方向的测量坐标，v(k)为所述采煤机第k-1次割煤后，所述液压支架进行坐标测量时产生的检测误差，H为测量矩阵。

一种基于超声无线测距的液压支架自动调直系统，包括依次连接的数据获取模块、距离计算模块、位置判断模块、坐标建立模块、自动调直模块；

所述数据获取模块，用于获取第i-1台液压支架超声波发射端发出超声波至第i台液压支架超声波接收端接收到超声波的传输时间，其中，1≤i≤N，，i、N为整数，N为所述液压支架总数；

所述距离计算模块，用于利用滤波技术获取所述第i-1台液压支架超声波发射端与所述第i台液压支架超声波接收端之间的射程距离；

所述位置判断模块，用于将所述射程距离与预设相对距离进行比较，判断所述第i-1台液压支架与所述第i台液压支架的相邻位置关系；

所述坐标建立模块：根据所述相邻位置关系，以第一台液压支架为坐标原点获取第i台液压支架在推进方向上的位置坐标Y_i；

所述自动调直模块：基于所述推进方向上的位置坐标，利用每台所述液压支架的推进距离，进行所述液压支架的重复推移，进行所述液压支架的调直。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种基于超声无线测距的液压支架自动调直方法及系统：液压支架的位置检测不受环境因素的影响；通过超声波测距的方法计算出液压支架位置坐标，引入强跟踪卡尔曼滤波算法，能够准确地测量出液压支架推移后的坐标位置，解决了标准卡尔曼滤波算法无法适用于液压支架推移过程中过程噪声非高斯分布的问题，有效地提高了液压支架调直的精度。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明一种基于超声无线测距的液压支架自动调直方法流程图；

图2为本发明液压支架超声波探头安装位置示意图；

图3为本发明一种基于超声无线测距的液压支架自动调直系统结构示意图；

其中，第一超声波接收端-1、第二超声波接收端-2、超声波发射端-3、刮板输送机-4、液压支架-5。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1所示，本实发明公开了一种基于超声波无线测距的液压支架自动调直方法，包括以下步骤：

数据获取步骤：获取第i-1台液压支架超声波发射端发出超声波至第i台液压支架超声波接收端接收到超声波的传输时间，其中，1≤i≤N，i、N为整数，N为液压支架总数；

距离计算步骤：利用滤波技术获取第i-1台液压支架超声波发射端与第i台液压支架超声波接收端之间的射程距离；

位置判断步骤：将射程距离与预设相对距离进行比较，判断第i-1台液压支架与第i台液压支架的相邻位置关系；

坐标建立步骤：根据相邻位置关系，以第一台液压支架为坐标原点获取第i台液压支架在推进方向上的位置坐标Y_i；

自动调直步骤：基于推进方向上的位置坐标，利用每台液压支架的推进距离，进行液压支架的重复推移，进行液压支架的调直。

在一个具体实施例中，参照图2所示，为压支架超声波探头安装位置示意图，数据获取步骤的具体内容为：

每台液压支架5的顶梁上安装有超声波发射端3、第一超声波接收端1和第二超声波接收端2，每台液压支架5上的第一超声波接收端1和第二超声波接收端2的连线方向与液压支架5排列方向垂直；

第i-1台液压支架的控制器控制第i-1台液压支架超声波发射端3发射超声波，同时通知第i台液压支架的第一超声波接收端1和第二超声波接收端2超声波已发射，第i台支架控制器启用两个定时器开始计时，获得射程时间。

在一个具体实施例中，距离计算步骤的具体内容为：

第i台液压支架上的第一超声波接收端和第二超声波接收端依次接收到超声波，第i台支架控制器依次停止两个定时器，分别算出第i台液压支架上的第一超声波接收端与第i-1台液压支架上的超声波发射端的距离L1，第i台液压支架上的第二超声波接收端与第i-1台液压支架上的超声波发射端的距离L2。

进一步的，滤波技术指的是连续采集2J-1个超声波测距数据，其中，J≥1，J为整数；对2J-1个数据从小到大排序，对相邻的两个数据相减，记录下差值最大的那对数所在排序的位置，如果该位置在排序好的2J-1个数的前半部分，则取该位置后面的数的平均值作为测距结果，否则取该位置前面的数的平均值作为测距结果。

例如，连续取7个测距数据分别为1.73、1.68、1.70、1.96、1.94、1.93、1.74，排序后的顺序为1.68、1.70、1.73、1.74、1.93、1.94、1.96，差值最大的相邻的两个数的最大数为1.74和1.93，取前四个数据的平均值1.7125作为测距结果；若连续取7个数据分别为1.73、1.68、1.70、1.96、1.94、1.93、1.91，排序后的顺序为1.68、1.70、1.73、1.91、1.93、1.94、1.96，差值最大的相邻的两个数为1.73和1.91，去后四个数据的平均值1.935作为测距结果。

在一个具体实施例中，位置判断步骤的具体内容为：

设定第i-1台液压支架与第i台液压支架平齐时，第i-1台液压支架上的超声波发射端与第i台液压支架上的第一超声波接收端的距离为D1、第i-1台液压支架上的超声波发射端与第i台液压支架上的第二超声波接收端的距离为D2，比较L1、L2、D2三者之间的大小关系判断第i-1台液压支架与第i台液压支架的相邻位置关系。

在一个具体实施例中，位置判断步骤中获取判断相邻位置关系的具体内容为：

若L2<D2，则第i台液压支架超前于第i-1台液压支架的距离为

若L2>D2且L1>L2，则第i台液压支架超前于第i-1台液压支架的距离为

若L2>D2且L1<L2，则第i台液压支架滞后于第i-1台液压支架的距离为

在一个具体实施例中，自动调直步骤的具体内容为：

将位置坐标最小值为Y_min的液压支架向前推进距离d，其余液压支架的推移距离根据自身位置坐标Y_i进行相应距离补偿，计算每台液压支架的推进距离为d′＝d-(Y_i-Y_min)，并将推进距离作为强跟踪卡尔曼滤波器的输入，得到液压支架推移后的坐标位置，基于综采工作面推进，重复推移移液压支架对液压支架进行自动调直。

在一个具体实施例中，强跟踪卡尔曼滤波器的状态方程为：

y(k+1)＝Ay(k)+Bu(k)+w(k) (1)

式中，y(k)为采煤机第k-1次割煤后液压支架在推进方向上的坐标，u(k)为液压支架在采煤机第k次割煤后液压支架推进的距离，w(k)为采煤机第k次割煤后液压支架推进时产生的推移误差，A为状态转移矩阵，B为控制矩阵。

在一个具体实施例中，强跟踪卡尔曼滤波器的观测方程如下：

z(k)＝Hy(k)+v(k) (2)

式中，z(k)为采煤机第k-1次割煤后液压支架在推进方向的测量坐标，v(k)为采煤机第k-1次割煤后，液压支架进行坐标测量时产生的检测误差，H为测量矩阵。

进一步的，基于强跟踪卡尔曼滤波的液压支架调直算法具体流程如下：

①一步预测：

y(k+1|k)＝Ay(k|k)+Bu(k) (3)

y(k|k)、y(k+1|k)分别为k时刻液压支架在推进方向上的坐标估计和一步坐标预测。

②一步预测误差协方差矩阵计算：

P(k+1|k)＝λ(k+1)AP(k|k)A^T+Q(k) (4)

其中，P(k|k)、P(k+1|k)为k时刻液压支架在推进方向上的坐标估计误差协方差矩阵和一步预测误差协方差矩阵，Q(k|k)为w(k)的协方差矩阵。其中，渐消因子λ(k+1)的获取如下：

λ(k+1)＝max(1，λ₀) (5)

N(k+1)＝V(k+1)-HQ(k)H^T-βR(k+1) (7)

M(k+1)＝HAP(k|k)A^TH^T (8)

γ(k+1)＝y(k+1)-Hy(k+1|k) (10)

上式中，tra()表示矩阵的求迹，β≥1为弱化因子，0≤ρ≤1为遗忘因子。

③滤波增益矩阵计算：

其中，R(k)为v(k)的协方差矩阵。

④强跟踪卡尔曼滤波转态更新：

y(k+1|k+1)＝y(k+1|k)+K(k+1)[y(k+1)-Hy(k+1|k)] (12)

⑤坐标估计误差协方差矩阵更新：

P(k+1|k+1)＝[I-K(k+1)H]P(k+1|k) (13)

其中，I表示单位矩阵。

参照图3所示，本发明公开了一种基于超声无线测距的液压支架自动调直系统，包括依次连接的数据获取模块、距离计算模块、位置判断模块、坐标建立模块、自动调直模块；

数据获取模块，用于获取第i-1台液压支架超声波发射端发出超声波至第i台液压支架超声波接收端接收到超声波的传输时间，其中，0＜i≤N，i、N为整数，N为液压支架总数；

距离计算模块，用于利用滤波技术获取第i-1台液压支架超声波发射端与第i台液压支架超声波接收端之间的射程距离；

位置判断模块，用于将射程距离与预设相对距离进行比较，判断第i-1台液压支架与第i台液压支架的相邻位置关系；

坐标建立模块：根据相邻位置关系，以第一台液压支架为坐标原点获取第i台液压支架在推进方向上的位置坐标Y_i；

自动调直模块：基于推进方向上的位置坐标，利用每台液压支架的推进距离，进行液压支架的重复推移，进行液压支架的调直。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种基于超声波无线测距的液压支架自动调直方法，其特征在于，包括以下步骤：

数据获取步骤：获取第i-1台液压支架超声波发射端发出超声波至第i台液压支架超声波接收端接收到超声波的射程时间，其中，1≤i≤N，i、N为整数，N为液压支架总数；

距离计算步骤：利用滤波技术获取所述第i-1台液压支架超声波发射端与所述第i台液压支架超声波接收端之间的射程距离；

位置判断步骤：将所述射程距离与预设相对距离进行比较，判断所述第i-1台液压支架与所述第i台液压支架的相邻位置关系；

坐标建立步骤：根据所述相邻位置关系，以第一台液压支架为坐标原点获取第i台液压支架在推进方向上的位置坐标Y_i；

自动调直步骤：基于所述推进方向上的位置坐标，利用每台所述液压支架的推进距离，进行所述液压支架的重复推移，进行所述液压支架的调直；

所述数据获取步骤的具体内容为：

每台所述液压支架顶梁上安装有超声波发射端、第一超声波接收端和第二超声波接收端，每台所述液压支架上的所述第一超声波接收端和所述第二超声波接收端的连线方向与所述液压支架排列方向垂直；

所述第i-1台液压支架的控制器控制所述第i-1台液压支架超声波发射端发射超声波，同时通知第i台液压支架的所述第一超声波接收端和所述第二超声波接收端超声波已发射，第i台支架控制器启用两个定时器开始计时，获得所述射程时间；

所述距离计算步骤的具体内容为：

所述第i台液压支架上的所述第一超声波接收端和所述第二超声波接收端依次接收到超声波，所述第i台支架控制器依次停止两个所述定时器，分别算出所述第i台液压支架上的所述第一超声波接收端与所述第i-1台液压支架上的所述超声波发射端的距离L1，所述第i台液压支架上的所述第二超声波接收端与所述第i-1台液压支架上的所述超声波发射端的距离L2；

所述位置判断步骤的具体内容为：

设定所述第i-1台液压支架与所述第i台液压支架平齐时，所述第i-1台液压支架上的所述超声波发射端与所述第i台液压支架上的所述第一超声波接收端的距离为D1、所述第i-1台液压支架上的所述超声波发射端与所述第i台液压支架上的所述第二超声波接收端的距离为D2，比较L1、L2、D2三者之间的大小关系判断所述第i-1台液压支架与所述第i台液压支架的相邻位置关系；

所述位置判断步骤中获取判断相邻位置关系的具体内容为：

若L2<D2，则所述第i台液压支架超前于所述第i-1台液压支架的距离为

若L2>D2且L1>L2，则所述第i台液压支架超前于所述第i-1台液压支架的距离为

若L2>D2且L1<L2，则所述第i台液压支架滞后于所述第i-1台液压支架的距离为

2.根据权利要求1所述的一种基于超声波无线测距的液压支架自动调直方法，其特征在于，

所述自动调直步骤的具体内容为：

将位置坐标最小值的所述液压支架向前推进距离d，其余所述液压支架的推移距离根据自身位置坐标进行相应距离补偿，计算每台液压支架的推进距离，并将所述推进距离作为强跟踪卡尔曼滤波器的输入，得到所述液压支架推移后的坐标位置，基于综采工作面推进，重复推移所述液压支架对所述液压支架进行自动调直。

3.根据权利要求2所述的一种基于超声波无线测距的液压支架自动调直方法，其特征在于，

所述强跟踪卡尔曼滤波器的状态方程为：

y(k+1)＝Ay(k)+Bu(k)+w(k) (1)

式中，y(k)为采煤机第k-1次割煤后所述液压支架在推进方向上的坐标，u(k)为所述液压支架在所述采煤机第k次割煤后所述液压支架推进的距离，w(k)为所述采煤机第k次割煤后所述液压支架推进时产生的推移误差，A为状态转移矩阵，B为控制矩阵。

4.根据权利要求3所述的一种基于超声波无线测距的液压支架自动调直方法，其特征在于，

所述强跟踪卡尔曼滤波器的观测方程如下：

z(k)＝Hy(k)+v(k) (2)

式中，z(k)为所述采煤机第k-1次割煤后所述液压支架在推进方向的测量坐标，v(k)为所述采煤机第k-1次割煤后，所述液压支架进行坐标测量时产生的检测误差，H为测量矩阵。

5.一种基于超声无线测距的液压支架自动调直系统，其特征在于应用权利要求1～4任一项所述的一种基于超声无线测距的液压支架自动调直方法，包括依次连接的数据获取模块、距离计算模块、位置判断模块、坐标建立模块、自动调直模块；

所述数据获取模块，用于获取第i-1台液压支架超声波发射端发出超声波至第i台液压支架超声波接收端接收到超声波的射程时间，其中，1≤i≤N，i、N为整数，N为所述液压支架总数；

所述距离计算模块，用于利用滤波技术获取所述第i-1台液压支架超声波发射端与所述第i台液压支架超声波接收端之间的射程距离；

所述位置判断模块，用于将所述射程距离与预设相对距离进行比较，判断所述第i-1台液压支架与所述第i台液压支架的相邻位置关系；

所述坐标建立模块：根据所述相邻位置关系，以第一台液压支架为坐标原点获取第i台液压支架在推进方向上的位置坐标Y_i；

所述自动调直模块：基于所述推进方向上的位置坐标，利用每台所述液压支架的推进距离，进行所述液压支架的重复推移，进行所述液压支架的调直。