CN212337368U

CN212337368U - 矿用具有人员定位功能的液压支架控制装置及其控制系统

Info

Publication number: CN212337368U
Application number: CN202020498526.8U
Authority: CN
Inventors: 郭伟伟; 王雷; 翟菲菲; 孙建辉; 吕梦圆
Original assignee: Tianjin Huaning Electronics Co Ltd
Current assignee: Tianjin Huaning Electronics Co Ltd
Priority date: 2020-04-08
Filing date: 2020-04-08
Publication date: 2021-01-12
Anticipated expiration: 2030-04-08

Abstract

本实用新型涉及一种矿用具有人员定位功能的液压支架控制装置及其控制系统，该装置包括控制器壳体及其内部的控制电路，在控制器壳体的前面板上设有操作按键、闭锁组件和蜂鸣器组件，在控制器壳体的后盖组件上设有插座定位板，控制电路包括主控模块、人机界面交互模块、急停闭锁模块、UWB无线模块和接口模块，主控模块分别与人机界面交互模块、急停闭锁模块、UWB无线模块、接口模块相连接，UWB无线模块与工作人员佩戴的UWB标签进行通信实现人员定位功能。本实用新型在采用UWB技术对工作人员相对于动作液压支架的位置进行定位，当工作人员出现在动作支架附近的危险区域时会立刻停止支架动作并报警提示工作人员赶快离开，从而保证了工作人员的安全。

Description

矿用具有人员定位功能的液压支架控制装置及其控制系统

技术领域

本实用新型属于煤矿井下控制技术领域，涉及液压支架电液控制装置，尤其是一种矿用具有人员定位功能的液压支架控制装置及其控制系统。

背景技术

在煤矿综采工作面中，液压支架主要实现支撑和控制工作面顶板、隔离采空区、推进刮板机等功能，而支架控制装置则是控制液压支架动作的电控设备。现有支架控制装置主要用于实现单架或成组的移架、推溜、放煤、喷雾等动作，但是，在采煤工作面十分恶劣的环境条件下，支架动作存在很高的安全隐患，一旦有人出现在动作的液压支架附近时很容易被误挤压或被顶部散落下的煤块砸伤。另外，现有支架控制装置采用金属壳体且内部灌胶防护结构，比较笨重，给安装和维护带来了很大的困难。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提出一种矿用具有人员定位功能的液压支架控制装置及其控制系统，解决支架控制装置使用过程中的安全性问题以及安装维护不便的问题。

本实用新型解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种矿用具有人员定位功能的液压支架控制装置及其控制系统，包括控制器壳体及其内部的控制电路，在控制器壳体的前面板上设有操作按键、闭锁组件和蜂鸣器组件，在控制器壳体的后盖组件上设有插座定位板，所述控制电路包括主控模块、人机界面交互模块、急停闭锁模块、UWB无线模块和接口模块，主控模块分别与人机界面交互模块、急停闭锁模块、UWB无线模块、接口模块相连接，所述UWB无线模块与工作人员佩戴的UWB标签进行通信实现人员定位功能。

所述主控模块包括MCU单元及与其相连接的电源转换单元、左邻架通讯单元、右邻架通讯单元、红外接收单元、声光报警单元、倾角传感器单元、模拟量采集单元、电磁阀驱动单元；所述电源转换单元将电源箱提供的直流电源转换为主控模块所需的DC3.3V电源，所述左邻架通讯单元、右邻架通讯单元采用CAN通讯与左、右相邻控制器通讯，所述红外接收单元与红外接收器连接实现红外接收功能，所述声光报警单元与声光报警器连接实现声光报警的功能，所述倾角传感器单元与倾角传感器连接实现检测支架倾斜角度功能，所述所述电磁阀驱动单元与电磁阀驱动器连接实现控制电磁阀的功能，所述模拟量采集单元与行程传感器或压力传感器等连接实现模拟量采集功能。

所述人机界面交互模块包括与MCU单元相连接的液晶显示单元、键盘输入单元、键盘指示灯单元、蜂鸣器单元。

所述急停闭锁模块由两个微动开关组成并与MCU单元的GPIO相连接，实现急停和闭锁功能。

所述UWB无线模块包括与MCU单元相连接的UWB单元、指示灯单元、通讯接口。

所述接口模块包括两个左、右邻架接口、声光报警器接口、红外接收器接口、2路倾角传感器接口、2路电磁阀驱动器接口和6路模拟量采集接口。

所述控制器壳体和后盖组件组件均采用非金属复合材料并构成装置主体，装置主体防护采用全密封免灌胶设计以达到IP68等级；所述闭锁组件、蜂鸣器组件均为可单独拆卸结构，并且防水等级为IP68；所述操作键盘的键盘胶垫为硅橡胶材质，并且防水等级为IP68。

所后盖组件组件包括12个四芯插座及2个六芯插座，四芯插座用于与如下传感器直接连接：红外接收器、声光报警器、压力传感器、倾角传感器、电磁阀驱动器、行程传感器和接近传感器等，六芯插座为左右邻架连接使用；所述插座定位板采用304不锈钢材质制成。

一种矿用具有人员定位功能的液压支架控制系统，包括刮板运输机、液压支架、矿用具有人员定位功能的液压支架控制装置、内置行程传感器的推移油缸以及工作人员佩戴的UWB标签，多个液压支架分别通过推移油缸安装在刮板运输机上，在每个液压支架上均安装有独立编号的矿用具有人员定位功能的液压支架控制装置，通过液压支架控制装置与UWB标签实时通信实现实现人员定位功能及报警功能。

所述矿用具有人员定位功能的液压支架控制装置至少为三个，并安装在液压支架相对于宽度的居中位置。

本实用新型的优点和积极效果是：

1、本实用新型在采用UWB(超宽带)技术对工作人员相对于动作液压支架的位置进行定位，当工作人员出现在动作支架附近的危险区域时会立刻停止支架动作并报警提示工作人员赶快离开，从而保证了工作人员的安全。

2、本实用新型利用UWB技术实现了纳秒至皮秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，并在较宽的频谱上传送极低功率的信号，具有抗干扰性能强、传输速率高、低功耗、无线测距及定位精度高等特点。

3、本实用新型整体采用一次注塑成型的非金属材质、前面板和背后接口采用金属件防护的独特结构，并且防护采用全密封免灌胶设计以达到IP68等级，降低了物料成本的同时也极大程度上降低了产品的重量，安装和维护十分便利，降低了工作人员的工作强度，提高了煤矿开采效率。

附图说明

图1是本实用新型的液压支架控制装置的主视结构示意图；

图2是本实用新型的液压支架控制装置的后视结构示意图；

图3是本实用新型的液压支架控制装置的控制电路方框图；

图4是本实用新型的液压支架控制装置的主控模块电路方框图；

图5是本实用新型的人机界面交互模块的电路方框图；

图6是本实用新型的UWB无线模块的电路方框图；

图7是本实用新型的电源转换单元电路图；

图8是本实用新型的CAN通信单元电路图；

图9是本实用新型的声光、红外、倾角、电磁阀驱动器单元电路图；

图10是本实用新型的模拟量采集单元电路图；

图11是本实用新型的液晶显示单元电路图；

图12是本实用新型的UWB模块电路图；

图13是本实用新型的控制系统的定位原理图1；

图14是本实用新型的控制系统的定位过程原理图2；

图15是本实用新型的控制系统的定位过程原理图3；

图中，1-控制器壳体，2-操作按键，3-前面板，4-闭锁组件，5-蜂鸣器组件，6-后盖组件，7-插座定位板

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型实施例做进一步详述。

一种矿用具有人员定位功能的液压支架控制装置，包括控制器壳体1及其内部的控制电路，如图1及图2所示，在控制器壳体的前面板3上设有操作按键2、闭锁组件4、蜂鸣器组件5，在控制器壳体的后盖组件6上设有插座定位板7。

所述闭锁组件为单独可拆卸结构，并且防水等级达到IP68，当闭锁损坏时可现场单独更换。闭锁组件与控制电路相连接实现闭锁急停功能，当定位闭锁组件的闭锁帽向顺时针方向旋转时，可实现控制器本架及左右邻架闭锁，当拍下闭锁帽时，可实现工作面整体闭锁，同时闭锁帽内部红色LED灯常亮，可起到警示的作用。

所述蜂鸣器组件具有独立声强提升结构，使蜂鸣器组件声强在1米范围内可达到85db，同时设计了防水透声结构，使得蜂鸣器组件在保证了防水IP68的等级的前提下又不影响声音的传导。蜂鸣器组件为可单独拆卸结构，当蜂鸣器组件损坏时可现场单独更换。

所述键盘包括30个按键，其中，10个功能键及20个动作键。其中，“确定/启动”，“取消/停止”为复用按键。键盘胶垫为硅橡胶材质，在保证IP68防水的基础上，不仅提升了操作手感，又能保证现场的可更换性。

所述控制器壳体和后盖组件组件采用非金属复合材料并构成装置主体，使用非金属材质可大幅度降低产品整体重量，防护采用全密封免灌胶设计以达到IP68等级。其中，后盖组件组件中插座芯与后盖组件使用了一体式设计，大大降低了装配过程中错装的风险；同时插座芯采用了防错插设计，既降低了插接时由于光线不足或安装空间狭窄导致错差的风险，又降低了插针断针的风险。

后盖组件组件包括12个四芯插座及2个六芯插座，四芯插座可与如下传感器直接连接：红外接收器、声光报警器、压力传感器、倾角传感器、电磁阀驱动器、行程传感器和接近传感器等，六芯插座为左右邻架连接使用，这种设计直接省去了HUB汇接器，使安装更加便捷。

所述插座定位板采用304不锈钢材质制成，当四、六芯电缆插头与之连接后，插头因外力因素导致插座受力时，插座定位板可承受此作用力，因此当插座受外力影响时，非金属外壳不会由于该外力导致整体密封失效，有效地延长了产品整体的使用寿命。

如图3所示，控制器机壳内的控制电路包括主控模块、人机界面交互模块、急停闭锁模块、UWB无线模块、接口模块。主控模块分别与人机界面交互模块、急停闭锁模块、UWB无线模块、接口模块相连接。

如图4所示，主控模块主要由电源转换单元、MCU单元、左邻架通讯单元、右邻架通讯单元、红外接收单元、声光报警单元、倾角传感器单元、模拟量采集单元、急停闭锁单元、电磁阀驱动单元组成，MCU单元与其他单元相连接。在本实施例中，

MCU单元采用STM32F407ZGT6型单片机。

电源转换单元将电源箱提供的直流电源转换为主控模块所需的DC3.3V电源，如图7所示。

左、右邻架通讯单元采用CAN通讯与左、右相邻控制器通讯，如图8所示。

红外接收单元与红外接收器连接实现红外接收功能；声光报警单元与声光报警器连接实现声光报警的功能；倾角传感器单元与倾角传感器连接实现检测支架倾斜角度功能；所述电磁阀驱动单元与电磁阀驱动器连接实现控制电磁阀的功能。上述红外接收单元红外、声光报警单元、倾角传感器单元、电磁阀驱动单元均采用单片机设计SPI转CAN电路实现与外部设备相连接，如图9所示。

所述模拟量采集单元可与行程传感器或压力传感器等连接实现模拟量采集功能，该模拟量采集单元采用MCP3208设计8路模拟量输入电路，并且用SPI与单片机通讯，如图10所示。

如图5所示，人机界面交互模块包括与MCU单元相连接的液晶显示单元、键盘输入单元、键盘指示灯单元、蜂鸣器单元等组成。所述液晶显示单元用于显示操作指令、运行状态、参数配置等信息；所述键盘输入单元拥有30个按键用于实现功能控制、设置参数等。所述键盘指示灯单元用于指示按键操作；所述蜂鸣器单元用于提示按键操作及支架动作警示。在本实施例中，液晶显示单元应用2.4寸OLED显示屏，用单片机连接驱动，如图11所示。键盘输入单元是应用单片机GPIO设计矩阵输入功能，指示灯和蜂鸣器是应用单片机GPIO设计输出功能

所述急停闭锁模块主要由两个微动开关组成实现急停和闭锁两个功能输入并与MCU单元的GPIO相连接，当闭锁帽向顺时针方向旋转时，可实现控制器本架及左右邻架闭锁，当拍下闭锁帽时，可实现工作面整体急停，同时闭锁帽内部红色LED灯常亮，可起到警示的作用。

如图6所示，UWB无线模块主要包括与MCU单元相连接的UWB单元、指示灯单元、通讯接口等。UWB模块内置于急停闭锁模块中，可实现人员定位，无线通讯等功能。UWB单元的具体电路如图12所示，本模块中的通讯接口采用CAN通讯方式，具体电路如图8所示。

本实用新型还提出一种具有人员定位功能的液压支架控制系统，如图13至图15所示，包括刮板运输机、通过推移油缸(内置行程传感器)安装在刮板运输机上的多个液压支架、安装在每个液压支架上的液压支架控制装置以及工作人员佩戴的UWB标签，UWB标签通常安装在安全帽中并通过电池供电。液压支架控制装置中的UWB无线模块相当于UWB基站，并且所有UWB基站均独立编号。通过UWB基站与UWB标签实时通信并通过特定算法(TDOA算法)实现人员定位功能，即确定工作人员相对于动作支架的位置，当有人员出现在动作支架附近的危险区域时，支架控制装置立刻闭锁停止动作并且声光报警器开始报警提示人员赶紧离开危险区域。

通常应用UWB实现平面定位功能时需要将三个以上UWB基站固定位置以确定每个基站坐标，然后通过算法得到移动标签的坐标来确定标签位置。而本实用新型涉及的支架控制装置的UWB基站是随着采煤机的推进不停移动的，需要定位的工作人员也是在移动的，这也给人员定位带来了一定的困难。但是工作面的液压支架都是一样的，且在移架前或移架后液压支架是平行的，这样只要把支架控制装置安装在液压支架相对于宽度的居中位置就能够确定相邻三个支架控制装置上基站相对坐标位置并且能够规算出危险区域。

本控制系统的工作原理为：假设液压支架的宽度为D、长度为L，支架控制装置上UWB基站到液压支架前端垂直距离为L₁、推移油缸的推出(或缩进)长度为L₂、刮板运输机的宽度为W。这样，当动作支架为第一架时，如图13所示,以基站1为平面坐标系原点，即G₁(0,0),可得出G₂(D,0),G₃(2D,0),危险区域S的四个顶点坐标分别为

其中，推移油缸的推出长度为L₂由内置的行程传感器测量得出，其他均为常量，根据现场实际情况通过人机界面将相关参数配置到支架控制装置中。另外，UWB标签佩戴在每个工作人员的安全帽中。液压支架在动作前或者动作时，支架控制装置的UWB基站通过与之相邻的另外两个基站临时组网并协商动作支架为主基站然后应用TDOA算法一直判断附近UWB标签的位置，当系统判断工作人员进入危险区域时(即UWB标签位置横坐标在

到

且纵坐标在-(L-L₁)到L₁+L₂+W之间)，动作支架会立刻闭锁停止液压支架的动作执行并且声光报警器开始报警以警示工作人员立刻离开危险区域。

当动作支架为工作面上中间某一支架时，如图14所示以液压支架1、2、3为例，动作支架为第2架，此时动作支架2协商为主基站并定义为平面坐标系原点然后与左右邻架组网应用TDOA算法一直判断附近UWB标签的位置。此时G₂(0,0),G₁(-D,L2),G₃(D,0)。危险区域S的四个顶点坐标不变。同理当动作支架为最后一个支架时，动作支架作为主基站并定义为平面坐标系原点然后与相邻两个支架组网应用TDOA算法一直判断附近UWB标签的位置，如图15所示。

上述关于本实用新型的工作原理说明，只是为了更充分地对本实用新型进行说明，便于理解，并不是实用新型保护的内容。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。

需要强调的是，本实用新型所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出的其他实施方式，例如UWB无线技术也可以是WiFi、蓝牙、Zigbee等无线技术；单个相邻三个基站自动组网可以是三个以上基站自动组网；所述应用TDOA算法也可以是TOA或RSS等算法等，同样属于本实用新型保护的范围。

Claims

1.一种矿用具有人员定位功能的液压支架控制装置，包括控制器壳体及其内部的控制电路，在控制器壳体的前面板上设有操作按键、闭锁组件和蜂鸣器组件，在控制器壳体的后盖组件上设有插座定位板，其特征在于：所述控制电路包括主控模块、人机界面交互模块、急停闭锁模块、UWB无线模块和接口模块，主控模块分别与人机界面交互模块、急停闭锁模块、UWB无线模块、接口模块相连接，所述UWB无线模块与工作人员佩戴的UWB标签进行通信实现人员定位功能。

2.根据权利要求1所述矿用具有人员定位功能的液压支架控制装置，其特征在于：所述主控模块包括MCU单元及与其相连接的电源转换单元、左邻架通讯单元、右邻架通讯单元、红外接收单元、声光报警单元、倾角传感器单元、模拟量采集单元、电磁阀驱动单元；所述电源转换单元将电源箱提供的直流电源转换为主控模块所需的DC3.3V电源，所述左邻架通讯单元、右邻架通讯单元采用CAN通讯与左、右相邻控制器通讯，所述红外接收单元与红外接收器连接实现红外接收功能，所述声光报警单元与声光报警器连接实现声光报警的功能，所述倾角传感器单元与倾角传感器连接实现检测支架倾斜角度功能，所述电磁阀驱动单元与电磁阀驱动器连接实现控制电磁阀的功能，所述模拟量采集单元与行程传感器或压力传感器连接实现模拟量采集功能。

3.根据权利要求1所述矿用具有人员定位功能的液压支架控制装置，其特征在于：所述人机界面交互模块包括与MCU单元相连接的液晶显示单元、键盘输入单元、键盘指示灯单元、蜂鸣器单元。

4.根据权利要求1所述矿用具有人员定位功能的液压支架控制装置，其特征在于：所述急停闭锁模块由两个微动开关组成并与MCU单元的GPIO相连接，实现急停和闭锁功能。

5.根据权利要求1所述矿用具有人员定位功能的液压支架控制装置，其特征在于：所述UWB无线模块包括与MCU单元相连接的UWB单元、指示灯单元、通讯接口。

6.根据权利要求1所述矿用具有人员定位功能的液压支架控制装置，其特征在于：所述接口模块包括两个左、右邻架接口、声光报警器接口、红外接收器接口、2路倾角传感器接口、2路电磁阀驱动器接口和6路模拟量采集接口。

7.根据权利要求1至6任一项所述矿用具有人员定位功能的液压支架控制装置，其特征在于：所述控制器壳体和后盖组件组件均采用非金属复合材料并构成装置主体，装置主体防护采用全密封免灌胶设计以达到IP68等级；所述闭锁组件、蜂鸣器组件均为可单独拆卸结构，并且防水等级为IP68。

8.根据权利要求1至6任一项所述矿用具有人员定位功能的液压支架控制装置，其特征在于：所后盖组件组件包括12个四芯插座及2个六芯插座，四芯插座用于与红外接收器、声光报警器、压力传感器、倾角传感器、电磁阀驱动器、行程传感器和接近传感器直接连接，六芯插座为左右邻架连接使用；所述插座定位板采用304不锈钢材质制成。

9.一种采用权利要求1至8任一项所述矿用具有人员定位功能的液压支架控制装置的控制系统，其特征在于：包括刮板运输机、液压支架、矿用具有人员定位功能的液压支架控制装置、内置行程传感器的推移油缸以及工作人员佩戴的UWB标签，多个液压支架分别通过推移油缸安装在刮板运输机上，在每个液压支架上均安装有独立编号的矿用具有人员定位功能的液压支架控制装置，通过液压支架控制装置与UWB标签实时通信实现实现人员定位功能及报警功能。

10.根据权利要求9所述矿用具有人员定位功能的液压支架控制装置的控制系统，其特征在于：所述矿用具有人员定位功能的液压支架控制装置至少为三个，并安装在液压支架相对于宽度的居中位置。