CN116165602A - 基于多点位测距的液压支架群组位姿感知方法 - Google Patents

基于多点位测距的液压支架群组位姿感知方法 Download PDF

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CN116165602A CN202310456704.9A CN202310456704A CN116165602A CN 116165602 A CN116165602 A CN 116165602A CN 202310456704 A CN202310456704 A CN 202310456704A CN 116165602 A CN116165602 A CN 116165602A
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Shandong University of Science and Technology
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Abstract

本发明公开基于多点位测距的液压支架群组位姿感知方法，属于未列其他类目的测试或测量技术领域，用于液压支架群组的位姿感知，包括使用液压支架群组，所述液压支架群包括多个并列设置的液压支架，以高于底座所在平面作为参考平面，建立参考坐标系；进行液压支架底座与顶梁相对位置感知和液压支架单架位姿感知，当液压支架存在轴向偏移与翻滚现象时，进行偏移量计算，基于液压支架单架位姿感知，进行液压支架群组位姿感知。本发明测量装置通过几个实时测距端子逻辑组合，实现单纯的距离信息向时、空间中物体三维姿态信息的转化，结构简单；测距装置之间没有干扰，信号发射装置与信号接收装置之间无线连接，不存在集结点，不受摩擦力影响。

Description

基于多点位测距的液压支架群组位姿感知方法
技术领域
本发明公开基于多点位测距的液压支架群组位姿感知方法，属于未列其他类目的测试或测量技术领域。
背景技术
液压支架在参考空间中绝对位置与姿态的描述，是实现综采工作面“智能化”与“无人化”的基础。当前液压支架位姿的检测方法有：惯性传感器测量、测距装置与角度传感器组合、视频监控、雷达、超声波和激光等测量方法。惯性传感器测量存在累计误差，不能单独使用，受震动影响较大，需要组合导航使用，且成本较高；测距装置与角度传感器组合、视频监控、雷达、超声波和激光等方式受环境影响较大。为了实现液压支架在参考空间中的绝对位置与姿态的感知，因此需要提供一种液压支架群组的位姿检测装置与方法。
发明内容
本发明的目的在于提供基于多点位测距的液压支架群组位姿感知方法，以解决现有技术中，液压支架的位姿测量成本高效果差的问题。
基于多点位测距的液压支架群组位姿感知方法，使用液压支架群组，所述液压支架群包括多个并列设置的液压支架，所述液压支架包括底座、前连杆、后连杆、掩护梁、立柱和顶梁，所述掩护梁和顶梁铰连接且连接处向上形成尖角，立柱铰连接在顶梁底部和底座顶部之间，前连杆和后连杆均铰连接在掩护梁和底座之间，其中前连杆处在后连杆和立柱之间，顶梁、后连杆、底座上均设有各自的测距端子，所述立柱具体为立柱油缸，所述顶梁和支护梁支架还设有平衡油缸；
包括：
S1. 以高于底座所在平面作为参考平面，建立参考坐标系{O}，在参考平面上选择三个不在一条直线上的三个位置点，并以此三个位置点建立坐标系；
S2.进行液压支架底座与顶梁相对位置感知；
S3.进行液压支架单架位姿感知；
S4.液压支架存在轴向偏移与翻滚现象时，进行偏移量计算；
S5.基于液压支架单架位姿感知，进行液压支架群组位姿感知。
S1包括：以顶梁的测距端子为原点建立坐标系{O3}，原点为O3，以后连杆的测距端子为原点建立坐标系{O2}，原点为O2，以底座上的测距端子为原点建立坐标系{O1}，原点为O1，{O1}、{O2}、{O3}附近分别设有三个点，依次为A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3。
S2包括：
S2.1.底座的测距端子作为标签，顶梁的测距端子作为基站，标签接收与基站之间的距离信息，即点A1、B1、C1处标签接收点A3、B3、C3之间的距离信息，根据距离信息与几何关系，将距离信息转化为平面与平面之间的相对位置关系；
S2.2.点A1、B1、C1在{O1}中的坐标为：
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，式中，/>
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均为选取位置点时自定；/>
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均为测距装置测量所得，其中/>
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为/>
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点的距离；
S2.3.设点A3在{O1}中的坐标为：
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；
空间中点到点的距离公式为：
Figure SMS_8
；
点A3始终位于{O1}的正值域范围内，A3z取正值解得唯一解，求得点B3在{O1}中的坐标：
Figure SMS_9
；C3在底座坐标系{O1}中的坐标：/>
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；根据求得的同一时刻下的A3、B3、C3的坐标值，求得点O3在底座坐标系{O1}中的坐标：/>
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将
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为{O1}下的三个坐标轴，/>
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为xyz绕Z1轴旋转得到的新坐标轴，
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，结合罗德里格旋转公式计算底座平面与顶梁平面之间的相对姿态角/>
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为旋转矩阵：
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。
S3包括：
忽略
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与/>
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的角度，将单个液压支架简化为平面连杆机构，根据平面之间的相对位置关系以及液压支架自身结构信息，确定液压支架单架的姿态；
建立坐标系{O0}，原点建立在底座与后连杆铰接点，y0轴始终与底座平行，指向液压支架外侧；z0轴垂直于y0轴，方向向上；x0轴与y0轴、z0轴成右手坐标系，
Figure SMS_37
附近分别设有三个点，依次为A、B、C；
以下各点在坐标系{O0}中的坐标为：
Figure SMS_38
Figure SMS_39
；
设G点坐标为：
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；
式中：
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为后连杆测距端子与底座测距端子根据几何关系测得的两平面相对欧拉角；
设H点坐标为：
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；
设L点坐标为：
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式中：
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为顶梁测距端子与底座测距端子根据几何关系测得的两平面相对欧拉角；
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设T点坐标为：
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；
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；
设K点坐标为：
Figure SMS_59
；
其中，T、S、R依次设在顶梁上，Q设在顶梁和支护梁的铰连接处，P、N、M、L依次设在支护梁上，G设在支护梁和后连杆的铰连接处，D设在后连杆和底座的铰连接处，H设在前连杆和支护梁的铰连接处，E设在前连杆和底座的铰连接处，I和J分别设在平衡油缸的两端，A、B、C均设在底座上，分别与D、E、F位置对应，K设在立柱和顶梁的铰连接处。
S4包括：考虑
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与/>
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的角度，使用双立柱液压支架模型，此时两个立柱的伸长量不相同，新增一组掩护梁测距基站融入液压支架的姿态感知中；
S3.1.已知K点、K'点、R点、R'点、W点、W'点在{O3}中的坐标， 求解其在{O1}中的位置
Figure SMS_62
，其中K点、K'点设在顶梁和立柱的连接处的两侧，R点、R'点设在顶梁和支护梁的连接处的两侧，W点、W'点设在顶梁前端的两侧；
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；
式中i表示K点、K'点、R点、R'点、W点、W'点，
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为六个点在{O1}中的坐标；/>
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为{O3}与{O1}之间的坐标变换矩阵；/>
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为其中四个点在{O3}中的坐标；/>
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为点O3在{O3}中的坐标，即/>
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S3.2.求解液压支架两个立柱的真实长度：
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记液压支架顶梁未发生轴向偏移与横滚时，R点在{O1}中的投影点
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由底座测距端子的位置与液压支架自身尺寸条件决定，设R点与W点在{O1}中的投影点为/>
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S5包括：三个测距端子作为标签，底座的测距端子作为基站，标签分别接收与三个液压支架底座基站之间的距离信息，确定液压支架群组在参考坐标系中的位置：
{O0}与{O1}的关系为平移关系， {O0}中的点在{O1}中表示为：
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其中，
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相对比现有技术，本发明具有以下有益效果：测量装置通过几个实时测距端子逻辑组合，实现单纯的距离信息向时、空间中物体三维姿态信息的转化，结构简单；测距装置之间没有干扰，信号发射装置与信号接收装置之间无线连接，不存在集结点，不受摩擦力影响；测量液压支架单架的姿态信息，精确测量液压支架存在大的轴向偏移与翻滚时的液压支架姿态，并可以计算液压支架两个立柱的真实长度和计算液压支架顶梁的轴向偏移量；测量明确的确定每个液压支架在参考空间中的位置与姿态信息。
附图说明
图1是本发明的液压支架示意图；
图2是图1中的A方向的视图；
图3为图2中的B部分的放大图；
图4为{O1}和{O3}两坐标系的相对位置图；
图5是点位及角度分布图；
图6是新增一组掩护梁测距基站后的部分点位分布图；
图7是液压支架单架位姿求解流程图；
图8是将图7的方法扩展到多架测量的流程图；
附图标记包括：参考平面1、参考平面测距端子2、底座坐标系3、前连杆4、后连杆测距端子5、后连杆6、第一液压支架7、第二液压支架8、第三液压支架9、掩护梁10、顶梁11、立柱12、顶梁测距端子13、推移杆14、平衡油缸15、推移油缸16、底座坐标系测距端子17。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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作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。
基于多点位测距的液压支架群组位姿感知方法，使用液压支架群组，如图1、图2、图3所示，所述液压支架群包括多个并列设置的液压支架，所述液压支架包括底座、前连杆4、后连杆6、掩护梁10、立柱12和顶梁11，所述掩护梁10和顶梁11铰连接且连接处向上形成尖角，立柱12铰连接在顶梁11底部和底座顶部之间，前连杆4和后连杆6均铰连接在掩护梁10和底座之间，其中前连杆4处在后连杆6和立柱12之间，顶梁11、后连杆6、底座上均设有各自的测距端子，所述立柱12具体为立柱12油缸，所述顶梁11和支护梁支架还设有平衡油缸15；
包括：
S1. 以高于底座所在平面作为参考平面1，建立参考坐标系{O}，在参考平面1上选择三个不在一条直线上的三个位置点，并以此三个位置点建立坐标系；
S2.进行液压支架底座与顶梁11相对位置感知；
S3.如图7，进行液压支架单架位姿感知；
S4.液压支架存在轴向偏移与翻滚现象时，进行偏移量计算；
S5.如图8，基于液压支架单架位姿感知，进行液压支架群组位姿感知。
S1包括：如图4，以顶梁11的测距端子为原点建立坐标系{O3}，原点为O3，以后连杆6的测距端子为原点建立坐标系{O2}，原点为O2，以底座上的测距端子为原点建立坐标系{O1}，原点为O1，{O1}、{O2}、{O3}附近分别设有三个点，依次为A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3。
S2包括：
S2.1.底座的测距端子作为标签，顶梁11的测距端子作为基站，标签接收与基站之间的距离信息，即点A1、B1、C1处标签接收点A3、B3、C3之间的距离信息，根据距离信息与几何关系，将距离信息转化为平面与平面之间的相对位置关系；
S2.2.点A1、B1、C1在{O1}中的坐标为：
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点A3始终位于{O1}的正值域范围内，A3z取正值解得唯一解，求得点B3在{O1}中的坐标：
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附近分别设有三个点，依次为A、B、C；
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其中，T、S、R依次设在顶梁11上，Q设在顶梁11和支护梁的铰连接处，P、N、M、L依次设在支护梁上，G设在支护梁和后连杆6的铰连接处，D设在后连杆6和底座的铰连接处，H设在前连杆4和支护梁的铰连接处，E设在前连杆4和底座的铰连接处，I和J分别设在平衡油缸15的两端，A、B、C均设在底座上，分别与D、E、F位置对应，K设在立柱12和顶梁11的铰连接处。
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S3.1.已知K点、K'点、R点、R'点、W点、W'点在{O3}中的坐标， 求解其在{O1}中的位置
Figure SMS_162
，其中K点、K'点设在顶梁11和立柱12的连接处的两侧，R点、R'点设在顶梁11和支护梁的连接处的两侧，W点、W'点设在顶梁11前端的两侧；
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；
式中i表示K点、K'点、R点、R'点、W点、W'点，
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Figure SMS_177
是F'点的坐标；
S3.2.液压支架顶梁11轴向偏移量求解；
记液压支架顶梁11未发生轴向偏移与横滚时，R点在{O1}中的投影点
Figure SMS_178
，此时的/>
Figure SMS_179
由底座测距端子的位置与液压支架自身尺寸条件决定，设R点与W点在{O1}中的投影点为/>
Figure SMS_180
点与/>
Figure SMS_181
点：/>
Figure SMS_182
, />
Figure SMS_183
，则顶梁11轴向偏移量为/>
Figure SMS_184
：
Figure SMS_185
。
S5包括：三个测距端子作为标签，底座的测距端子作为基站，标签分别接收与三个液压支架底座基站之间的距离信息，确定液压支架群组在参考坐标系中的位置：
{O0}与{O1}的关系为平移关系， {O0}中的点在{O1}中表示为：
Figure SMS_186
；
其中，
Figure SMS_187
表示某点在{O1}中的坐标；/>
Figure SMS_188
表示某点在{O0}中的x轴坐标；/>
Figure SMS_189
表示某点在{O0}中的y轴坐标；/>
Figure SMS_190
表示某点在{O0}中的z轴坐标； />
Figure SMS_191
表示O0点到O1点的距离在x轴的分量；/>
Figure SMS_192
表示O0点到O1点的距离在y轴的分量；
将各个点表示为向量关系，得到向量
Figure SMS_193
：
Figure SMS_194
；
式中i代表各点；
Figure SMS_195
为各个铰接点在参考坐标系{O}中的坐标；/>
Figure SMS_196
为{O}与{O1}之间的姿态变换矩阵；/>
Figure SMS_197
各个铰接点在{O1}中的坐标；/>
Figure SMS_198
为点O1在{O1}中的坐标，即
Figure SMS_199
；/>
Figure SMS_200
为{O1}原点O1在参考坐标系{O}中的坐标。
本发明中，
Figure SMS_201
均为液压支架上设定的角度，具体位置如图5所示。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.基于多点位测距的液压支架群组位姿感知方法，使用液压支架群组，所述液压支架群包括多个并列设置的液压支架，所述液压支架包括底座、前连杆、后连杆、掩护梁、立柱和顶梁，所述掩护梁和顶梁铰连接且连接处向上形成尖角，立柱铰连接在顶梁底部和底座顶部之间，前连杆和后连杆均铰连接在掩护梁和底座之间，其中前连杆处在后连杆和立柱之间，顶梁、后连杆、底座上均设有各自的测距端子，所述立柱具体为立柱油缸，所述顶梁和支护梁支架还设有平衡油缸；
其特征在于，包括：
S1. 以高于底座所在平面作为参考平面，建立参考坐标系{O}，在参考平面上选择三个不在一条直线上的三个位置点，并以此三个位置点建立坐标系；
S2.进行液压支架底座与顶梁相对位置感知；
S3.进行液压支架单架位姿感知；
S4.液压支架存在轴向偏移与翻滚现象时，进行偏移量计算；
S5.基于液压支架单架位姿感知，进行液压支架群组位姿感知。
2.根据权利要求1所述的基于多点位测距的液压支架群组位姿感知方法，其特征在于，S1包括：以顶梁的测距端子为原点建立坐标系{O3}，原点为O3，以后连杆的测距端子为原点建立坐标系{O2}，原点为O2，以底座上的测距端子为原点建立坐标系{O1}，原点为O1，{O1}、{O2}、{O3}附近分别设有三个点，依次为A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3。
3.根据权利要求2所述的基于多点位测距的液压支架群组位姿感知方法，其特征在于，S2包括：
S2.1.底座的测距端子作为标签，顶梁的测距端子作为基站，标签接收与基站之间的距离信息，即点A1、B1、C1处标签接收点A3、B3、C3之间的距离信息，根据距离信息与几何关系，将距离信息转化为平面与平面之间的相对位置关系；
S2.2.点A1、B1、C1在{O1}中的坐标为：
Figure QLYQS_1
，式中，
Figure QLYQS_2
均为选取位置点时自定；
Figure QLYQS_3
均为测距装置测量所得，其中/>
Figure QLYQS_4
为/>
Figure QLYQS_5
点到/>
Figure QLYQS_6
点的距离；
S2.3.设点A3在{O1}中的坐标为：
Figure QLYQS_7
；
空间中点到点的距离公式为：
Figure QLYQS_8
；
点A3始终位于{O1}的正值域范围内，A3z取正值解得唯一解，求得点B3在{O1}中的坐标：
Figure QLYQS_9
；C3在底座坐标系{O1}中的坐标：/>
Figure QLYQS_10
；根据求得的同一时刻下的A3、B3、C3的坐标值，求得点O3在底座坐标系{O1}中的坐标：/>
Figure QLYQS_11
；
S2.1.将{O1}旋转到与{O3}同向状态分解为三次旋转：
将
Figure QLYQS_13
绕/>
Figure QLYQS_15
轴旋转得到/>
Figure QLYQS_16
，将/>
Figure QLYQS_17
绕/>
Figure QLYQS_18
轴旋转得到/>
Figure QLYQS_19
，将/>
Figure QLYQS_20
绕/>
Figure QLYQS_12
轴旋转得到/>
Figure QLYQS_14
；/>
其中，
Figure QLYQS_21
为{O1}下的三个坐标轴，/>
Figure QLYQS_23
为xyz绕Z1轴旋转得到的新坐标轴，/>
Figure QLYQS_24
为/>
Figure QLYQS_25
绕/>
Figure QLYQS_26
轴旋转得到的新坐标轴，/>
Figure QLYQS_27
为/>
Figure QLYQS_28
绕/>
Figure QLYQS_22
轴旋转得到的新坐标轴；
S2.5.A3在{O3}与{O1}中的表示方式分别为
Figure QLYQS_29
与/>
Figure QLYQS_30
，结合罗德里格旋转公式计算底座平面与顶梁平面之间的相对姿态角/>
Figure QLYQS_31
：
Figure QLYQS_32
；
其中
Figure QLYQS_33
为旋转矩阵：
Figure QLYQS_34
。
4.根据权利要求3所述的基于多点位测距的液压支架群组位姿感知方法，其特征在于，S3包括：
忽略
Figure QLYQS_35
与/>
Figure QLYQS_36
的角度，将单个液压支架简化为平面连杆机构，根据平面之间的相对位置关系以及液压支架自身结构信息，确定液压支架单架的姿态；
建立坐标系{O0}，原点建立在底座与后连杆铰接点，y0轴始终与底座平行，指向液压支架外侧；z0轴垂直于y0轴，方向向上；x0轴与y0轴、z0轴成右手坐标系，
Figure QLYQS_37
附近分别设有三个点，依次为A、B、C；
以下各点在坐标系{O0}中的坐标为：
Figure QLYQS_38
Figure QLYQS_39
；
设G点坐标为：
Figure QLYQS_40
；
式中：
Figure QLYQS_41
为后连杆测距端子与底座测距端子根据几何关系测得的两平面相对欧拉角；
设H点坐标为：
Figure QLYQS_42
Figure QLYQS_43
Figure QLYQS_44
；
设L点坐标为：
Figure QLYQS_45
Figure QLYQS_46
；
设M点坐标为：
Figure QLYQS_47
Figure QLYQS_48
；
设N点坐标为：
Figure QLYQS_49
；
设P点坐标为：
Figure QLYQS_50
；
设I点坐标为：
Figure QLYQS_51
；
设Q点坐标为：
Figure QLYQS_52
；/>
设R点坐标为：
Figure QLYQS_53
Figure QLYQS_54
；
式中：
Figure QLYQS_55
为顶梁测距端子与底座测距端子根据几何关系测得的两平面相对欧拉角；
设S点坐标为：
Figure QLYQS_56
；
设T点坐标为：
Figure QLYQS_57
；
设J点坐标为：
Figure QLYQS_58
；
设K点坐标为：
Figure QLYQS_59
；
其中，T、S、R依次设在顶梁上，Q设在顶梁和支护梁的铰连接处，P、N、M、L依次设在支护梁上，G设在支护梁和后连杆的铰连接处，D设在后连杆和底座的铰连接处，H设在前连杆和支护梁的铰连接处，E设在前连杆和底座的铰连接处，I和J分别设在平衡油缸的两端，A、B、C均设在底座上，分别与D、E、F位置对应，K设在立柱和顶梁的铰连接处。
5.根据权利要求4所述的基于多点位测距的液压支架群组位姿感知方法，其特征在于，S4包括：考虑
Figure QLYQS_60
与/>
Figure QLYQS_61
的角度，使用双立柱液压支架模型，此时两个立柱的伸长量不相同，新增一组掩护梁测距基站融入液压支架的姿态感知中；
S3.1.已知K点、K'点、R点、R'点、W点、W'点在{O3}中的坐标， 求解其在{O1}中的位置
Figure QLYQS_62
，其中K点、K'点设在顶梁和立柱的连接处的两侧，R点、R'点设在顶梁和支护梁的连接处的两侧，W点、W'点设在顶梁前端的两侧；
Figure QLYQS_63
；
式中i表示K点、K'点、R点、R'点、W点、W'点，
Figure QLYQS_64
为六个点在{O1}中的坐标；/>
Figure QLYQS_65
为{O3}与{O1}之间的坐标变换矩阵；/>
Figure QLYQS_66
为其中四个点在{O3}中的坐标；/>
Figure QLYQS_67
为点O3在{O3}中的坐标，即/>
Figure QLYQS_68
；/>
Figure QLYQS_69
为{O3}的O3在{O1}中的坐标；
S3.2.求解液压支架两个立柱的真实长度：
立柱油缸KF的长度
Figure QLYQS_70
：/>
Figure QLYQS_71
；
立柱油缸K'F'的长度
Figure QLYQS_72
：/>
Figure QLYQS_73
；
式中，
Figure QLYQS_74
是K点的坐标，/>
Figure QLYQS_75
是K'点的坐标，/>
Figure QLYQS_76
是F点的坐标，/>
Figure QLYQS_77
是F'点的坐标；
S3.2.液压支架顶梁轴向偏移量求解；
记液压支架顶梁未发生轴向偏移与横滚时，R点在{O1}中的投影点
Figure QLYQS_78
，此时的/>
Figure QLYQS_79
由底座测距端子的位置与液压支架自身尺寸条件决定，设R点与W点在{O1}中的投影点为/>
Figure QLYQS_80
点与/>
Figure QLYQS_81
点：/>
Figure QLYQS_82
, />
Figure QLYQS_83
，则顶梁轴向偏移量为/>
Figure QLYQS_84
：
Figure QLYQS_85
。
6.根据权利要求5所述的基于多点位测距的液压支架群组位姿感知方法，其特征在于，S5包括：三个测距端子作为标签，底座的测距端子作为基站，标签分别接收与三个液压支架底座基站之间的距离信息，确定液压支架群组在参考坐标系中的位置：
{O0}与{O1}的关系为平移关系， {O0}中的点在{O1}中表示为：
Figure QLYQS_86
；
其中，
Figure QLYQS_87
表示某点在{O1}中的坐标；/>
Figure QLYQS_88
表示某点在{O0}中的x轴坐标；/>
Figure QLYQS_89
表示某点在{O0}中的y轴坐标；/>
Figure QLYQS_90
表示某点在{O0}中的z轴坐标； />
Figure QLYQS_91
表示O0点到O1点的距离在x轴的分量；/>
Figure QLYQS_92
表示O0点到O1点的距离在y轴的分量；
将各个点表示为向量关系，得到向量
Figure QLYQS_93
：
Figure QLYQS_94
；
式中i代表各点；
Figure QLYQS_95
为各个铰接点在参考坐标系{O}中的坐标；/>
Figure QLYQS_96
为{O}与{O1}之间的姿态变换矩阵；/>
Figure QLYQS_97
各个铰接点在{O1}中的坐标；/>
Figure QLYQS_98
为点O1在{O1}中的坐标，即/>
Figure QLYQS_99
；/>
Figure QLYQS_100
为{O1}原点O1在参考坐标系{O}中的坐标。/>
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