基于架间行走机器人的液压支架直线度测量方法.pdf

第 4 5 卷 第 1 期 2019年 1 月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 45 No. 1 Jan. 2019 文章编号671-251X 201901-0045-07 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2018060008 基于架间行走机器人的液压支架直线度测量方法 白晋铭， 王然风， 付翔 太原理工大学矿业工程学院，山 西 太 原 030024 摘要针对目前液压支架直线度测量方法存在测量维度低、误差较大、易受粉尘影响等问题，提出了一种 基于架间行走机器人的液压支架直线度测量方法。该方法主要用于支撑掩护式支架， 在架间行走机器人上 布置传感器， 用于直接测量液压支架底座的横向偏移、 纵向偏移、 横向斜角和纵向倾角等多维位置偏移信息， 从而通过支架位置偏移量表征液压支架的直线度信息。试验结果表明， 相邻两架偏移误差值在0. 2 cm 以 内， 相邻两架角度误差在107以内； 当模型增加到100架支架， 依据常规液压支架1. 5 m 的中心距计算， 在工 作面长度为150 m 时，预计会产生位置偏移累计误差10 cm，角度累计误差8207,对于长度不超过150 m 的 短距离综采工作面， 这个累计误差在可接受的范围内， 可满足液压支架直线度的测量需求。相比于传统的一 维测量信息， 该方法通过4 维位置偏移信息可为液压支架群的控制提供参考。 关键词 煤炭开采（ 液压支架直线度测量； 支撑掩护式支架； 架间行走机器人（ 立置偏移量； 角度偏移量（ 激光传感器 中图分类号 TD355 文献标志码A 网络出版地址Http //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. TP. 20181224. 2209. 006. html A straightness measurement of hydraulic support based on inter supports walking robot BAI Jinming, WANG Ranfeng, FU Xiang College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China Abstract In view of the problems of low measurement dimension, large error and easy to be affected by dust in current straightness measurement of hydraulic support, a straightness measurement of hydraulic support based on inter supports walking robot was proposed. This measurement is mainly used to chock-shield hydraulic support, sensors are arranged on the inter supports walking robot, which is u sed for directly measuring multi-dimensional position offset ination such as transverse offset, longitudinal offset, transverse bevel angle and longitudinal dip angle of hydraulic support base, then the straightness ination of the hydraulic support is indicated by the support position offset. The experimental results show that the deviation error of the two adjacent supports is within 0.2 cm and the angle error of the two adjacent supports is within 107. When the experimental supports model increased to 100 units, the accumulative error of position offset is expected to 10 cm, angle cumulative error is 8〇 207 according to center distance of 1. 5 m for conventional hydraulic support on the working face length of 150 m. For length of fully mechanized working face is less than 150 m, the accumulated error is in the acceptable range, can meet measurement demand of hydraulic support straightness. Compared with the traditional one-dimensional measurement ination, the can 收 稿 日 期 2018-06-05;修 回 日 期 2018-10-11;责 任 编 辑 张 强 。 基 金 项 目 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （51404167。 作 者 筒 介白晋 铭“991 男 ， 山 西 五 台 人 ， 硕 士 研 究 生 ， 主 要 研 究 方 向 为 煤 矿 机 电 一 体 化 ，E-mail 870938149qq. com。 引 用 格 式 白 晋 铭 ， 王 然 风 ， 付 翔 .基 于 架 间 行 走 机 器 人 的 液 压 支 架 直 线 度 测 量 方法工 矿 自 动 化 ，2019,451 45-51. BAI Jinming,WANG RanfengFU Xiang. A straightness measurement of hydraulic support based on inter supports walking robot[J]. Industry and Mine Automation,2019,451 45-51. 46 工 矿 自 动 化2 0 1 9 年 第 4 5 卷 provide more detailed reference for the control of hydraulic support group through the four-dimensional position offset ination. Key words coal mining; straightness measurement of hydraulic support; chock-shield hydraulic support ; inter supports walking robot ; position offset ; angle offset ; laser sensor 〇 引言〇 引言 目前， 煤矿综采工作面液压支架可以跟随采煤 机的切割时序进行自动跟架作业。 ， 由于受到 煤层 、 地质条件、 片帮等诸多 ， 液压 总是很难保 线度％ 工作面 每进 要停机， 严重 工作面的工作效 ， 同 产生 定的安 （ 12。 目前有关直线度测 研 究 可 归 纳 为 以 下 几类 拉线式测 线度方法、 基 算法的直 线度信息测量方法、 基 螺 技术、 传 感器测量方法、 视觉 建模方法等。文献[3]分 析了传统 线式测 线度的方法， 但该方法只 获取 维信息％ 面 线度信息。文献[4]提出了基于遗传算法 线度信息测量方法， 但是该方 顶板压力 与 产生的误差较大。文 献[5]提出了基 螺 技术， 这种技术 可以描绘采煤机 走轨迹， 但是只能间接收集液 线度信息％ 大误差。文献[6]提出 邻 之间安装传感 方法， 这种方法只 能收集 维 线度信息， ， 漏 丨 ， 传感 坏 。文献[ ] 提出了视觉 建 方法， 这种方法可以有效地得 线 度信息％ 不 适 用 于 井 下 粉 尘 较 多 的 工 况 。文 献[8]提出 测 与煤壁之间 获得直 线度信息， 这种方 煤壁不平 。 测量方 测量维度低、 误差大、 易 受粉尘影响的问题， 本文提出了基 间行走机器 人 线度测量方法。该测量方法主要用 ， 间行走机器人上布置 感 测 座 向偏移、 纵向 、 横向 纵向 等多维位置 息 ， 从 置 很好地表征 线 度 息 。 统 线 测 获得 维 息 ， 该 方 更好地展现 态％ E 提供更 尽的参考。 1液压支架直线度测量原理液压支架直线度测量原理 1. 1 液压支架位置三维坐标设定 工况条件下， 液压支架应保持一条直 线 ， 支架群的侧面投影应完全重合。但是， 受到顶板 件 、 周期来压、 设备 、 不 准 * 座与刮 送机连 销耳间 等诸多 ， 作 产 生 置 [9 - 10]。 线度 之 间 置 ， 测 之 间 置 息 ， 每 座建立三维笛卡尔坐标％ 要测 数据。 为了简化数 获取 ， 选取固定 座上、 与底座保持同一姿态的人行板作为测量平面。在测 ， 人行板进行改装％ fi掩护梁 的一端加装辅助测量板， 辅助测量板与人行板平面 垂直， 与人行板相邻的边平行。以人行板的中心位 置为测量基点， 建立的三维笛卡尔坐标系如图1 所 示 ， 其 中 X 轴指向 煤壁方向， Y 轴 指向顶板方向， Z 轴指向液压支架群排列方向， 即液 线度方向[10]。 图1人行板的三维笛卡尔坐标系 Fig. 1 3D Cartesiann coordinates of pedestrian plywood 1 .2 液压支架偏移分析 在建立了液压支架底座人行板的三维坐标后， 对底座可能存在的位置偏差进行研究， 发现了 4 种 影响液压支架直线度的偏移类型， 如 图 2 所示。 1 横向偏移 指液压支架底座之间水平方向 上存在的偏移， 如 图 2a所示。 “ 横向斜角， 指液压支架底座之间在水平方 向上存在的角度偏转， 如 图 2b所示。 “ 纵向偏移 指液压支架底座之间在竖直方 向上存在的偏移， 如 图 2c所示。 “ 纵向侧倾角， 指液压支架底座之间在竖直 方向上存在的角度偏转， 如 图 2d所示。 座 之 间 可 同 15 种 置 移的情况， 见 表 1 。 2 0 1 9 年 第 1 期白 晋 铭 等基 于 架 间 行 走 机 器 人 的 液 压 支 架 直 线 度 测 量 方 法 - “ 横向偏移 （b 横向斜角 辅助测量板 纵 向 偏 移 量F 人行板 “ 纵向偏移 d 纵向侧倾角 图2影响液压支架直线度的偏移类型 Fig. 2 Offset type of influencing straightness on hydraulic support 表1位置偏移类型 Table 1 Position offset type 位置偏移 组合数量 组合类型 1种a， （b，“） ， （d 2种ab， （ac， （ad， （bc， （bd， （cd 3种a b ， （a b d， （a c d， （b c d 4种abcd 1 . 3 液压支架直线度表征方式 为了表征 线度， 本文设计了位置 参 数 } 设 第m 置 2e2 O 。甴第 wCi EOEO 第 〃架支架产生纵向 纵向侧倾角 ， 同样可以根 方法计算。第 n C i 第 和 ； 的计算公 ， arcsin e fn 5 第 3 架 第 2 架 基准架 H 轴 图5 Y -Z平面测量原理 Fig. 5 Measurement principle of YZ plane 根 据 ； n和,， 计算第n Yn* n i n i Y et n iiH i i i n i n i y7 - Cet fi 7 E F ii ii n i ,n ] / i i 综上所述， 第 n 架支架的位置参数为 n i n i n i n i n 4i， yi， ai， /i 9 ii ii ii ii 3架间行走机器人样机试架间行走机器人样机试验 3 8 架间行走机器人试验样机组成 间行走机器人 样机 向、 后轮 驱动的四轮运动模式， 前轮由舵机控制转向， 后轮由 2 个独立的直流电动机驱动。架间行走机器人前部 安 装 i 根 i0 cm 的固定前探杆， 杆上装有完成测量 直线度的传感器。控制部分采用STM32F i03ZET6 芯片。样机 件系统主要由 、 舵机驱动 、 电动机 、 传感器* 、 串口及 2.4G 组成（ 0 ]。 HC- SR0 超声波传感器布置在车头位置， 斜 45向下， 用于判 间行走机器人 将到达人 行板模型的尽头。 2 个三轴 度传感器记录 间行走机器人的行走 ， 同 光测距传 感器所产生的系统误差[iii2]。直线度测量道 6 个 AN173B VL53L0X 激 光 测 距 传 感 器 ， 以 ToF 方式测量传感器与物体边界 ， 测量精度为 3 [i3]。传 感 器 按 图 3 布 置。 场 地 如 图 6 图6试验场地 Fig. 6 Test site 3.2 测量步骤 i 将 间 走 机 人 置 人 型 第 i 间 走 机 人 光 测 感 A B 的数据自 态 ， 与辅助测 保持 平。 2 间 走 机 人 光 测 感 器 A 和 B 与辅助测量板保持平行勻速前进， 在超声 波传感器测得数据突然变大时， 说明架间行走机器 人临近人行板边缘， 架间行走机器人减速， 保持与辅 助测 平 探 2 组 光 测 感 器伸入到相邻架上， 并且前探杆上的激光测距传感 器 C 或 E 中的一个测量到距离突然变短， 停车并执 行步骤（ 3。缓速启动， 当激光测距传感器E 或 C 中的另一个测量到距离突然变短， 再次停车并执行 步骤（ 3。即架间行走机器人先后触发2 次停车， 分 别针对 X-Z 和 Y-Z 平面读取数据。 3开始读取激光测距传感器上的测量数据， 得到第n 架支架与第n C i 架支架之间的相对横向 、 纵向 、 向 、 纵 向 侧倾角， 即 得 到 ， yn， a / 。根据式（ 3、 式 （ 4、 50 工 矿 自 动 化2 0 1 9 年 第 4 5 卷 式（ 7、 式8得到第n 1 架支架的位置参数y„1。 4 启动， 架间行走机器人行驶到第n 1 架支 架上， 缓 慢 行 驶 ， 与 第 1 块辅助测量板平行时 加速。 5 重复步骤“ 一 步 骤 “） 。 “ 架间行走机器人到达支架群的最后一架时 停车， 一次直线度测量完毕[14]。 3. 3 初步试验结果 由于验证样机的尺寸较小， 无法跨越液压支架 人行板之间的间隙， 所以， 架间行走机器人的验证场 地是根据ZZ9600/24.5/40型液压支架人行板的尺 寸按13.5比例缩小制作， 用木条加固的硬纸板搭 建 。摆放时设置了单独的横向偏移、 纵向偏移、 横向 斜角、 纵向侧倾角共4 种情况， 制作了 5 个支架人行 板模型。架间行走机器人测量时取一位小数， 人行 板模型摆放数据与10 次架间行走机器人的测量数 据均值对比见表2 。 表2模型实际偏移量与测量数据对比 Table 2 Comparison of placement value and measurement data 基准架 第2架 第3架 第4X架 第5架 偏移量 叉1， ， 〇 ，,1 32，M2 2，,2 33，M3 3，,3 X4，Y 4 4 ,4 35，M5， ％5，,5 * 1 0 模型实际偏移量 （0,0,0,0 5cm，0,0,0 5 cm， 3 cm，0， 0 5 cm， 3 cm，7，0 5. 5 cm， 3 cm，0，4 10 次测量均值 （0,0,0,0 5.1cm，0,0,0 5.1cm，3cm，0，5’） （5.1cm，3.1cm，6。55’，5’ ） （5.6 cm，3.1cm， 一20’，4。5’ ） 基于试验结果分析得知 三轴加速度传感器对 抵消角度测量误差效果明显。经 过 10 次重复试验， 相邻两架偏移误差值在0.2 cm 以内， 相邻两架角度 误 差 值 在 以 内 。按照模型尺寸与产生的误差折 算 ， 当人行板模型增加到100架支架， 依据常规液压 支 架 1. 5 m 的中心距计算， 在工作面长度为150 m 时， 预 计 会产生X„、 M„ 偏 移 累 计 误 差 10 cm „ 、 ,„ 角度累计误差8。 20’ 3. 4 误差分析 通过对比架间行走机器人在每个液压支架人行 型 测 值与 型 际 值 ， 分析得到以下结论 1 间 走机 人 型 测 值误 小 。 2 产生单次测量误差的主要原因是激光测距 传感器的精度不够高。 3 当 单 次 测 量 产 生 误 差 时 ％ 的 误 差 会 在 测 下 三轴 度 感 数 度 正 ， 产生较小的累计误差。而 对 于 X„、 M„ 的值， 由 于缺乏有效的抵消单次测量误差的手段， X„、 M„ 的 误差会在架间行走机器人从第1 架行走至最后1 架 的测量过程中逐渐叠加， 产生较大的累计误差。 按照常 1.5 m 中 计算 长度不超过150 m 的短距离综采工作面， 这个累计 误差在可接受的范围内。 4结论结论 1 基 间 走机 人 线度测 量方法可靠性高， 抵抗粉尘和电磁干扰的能力强， 能 够直接测量液压支架底座的多维偏移信息， 硬件部 署成本低。方法中设定的位置偏移量y„ x „，M„， 能够很好地表征液压支架的直线度信息。 该测量方法对传感器的精度要求较高， 在 精度不够 情况下 产生 大 计误 。 样 机 明 该方 度小 150 m 离综采工作面是可行的。 3为了适应山西省大多数综采工作面长度在 240〜350 m 的直线度测量需求， 可对架间行走机器 人做如下改进 ①采用精度更高的激光测距传感 器 ， 如果传感器精度达到 1 ，则该方法可以适应 度 400m 下 工作面 线度测 。 ②在架间行走机器人上加装2 块激光点阵板， 通过 接收支架端头的激光使架间行走机器人在行走过程 中 线作 基 间 走机 人 光 制导， 从而使得架间行走机器人始终保持直线行驶， 从根本上解决X „、 M„ 测量值的累计误差问题。 参 考 文 献 （References [ 1 ]李怀志， 张崇一， 辛超.薄煤层工作面液压支架关键技 术 研 究 煤 矿 机 械 ，2016，37653-55. 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