液压支架直线度检测机器人激光定位矩阵研究.pdf

第45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 201901-0052 05 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2018060035 液压支架直线度检测机器人激光定位矩阵研究 杨学军， 王然风， 王怀法 太原理工大学矿业工程学院，山 西 太 原 030024 摘要 针对煤矿井下无人工作面液压支架直线度检测问题， 提出了液压支架姿态及直线度检测模型， 重 点对液压支架直线度检测机器人的激光定位矩阵进行了研究， 阐述了激光定位矩阵的软硬件设计方案。通 过分析实验结果， 得出结论 对 于 采 用 直 径 12 m m 的光敏电阻制作的激光定位矩阵， 当光 斑 直 径 为 9 “ 30 mm时，其检测误差随光斑直径的增大而减小， 最大检测误差为7. 6 mm;综合考虑检测精度和有效检测范 围，选择最佳光斑直径为12 “18 mm;影响激光定位矩阵检测精度的因素主要包括系统误差和随机误差，可 通过减小光敏电阻直径、 在光敏电阻前增加小阻值电阻等方式来降低检测误差。 关键词 煤炭开采；无人工作面；工作面直线度检测；液压支架直线度检测；液压支架直线度检测机器 人 ；激光定位矩阵 中图分类号TD355.4 文献标志码A 网络出版地址Http //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. tp. 20181217. 1706. 002. html Research on laser positioning matrix of straightness detection robot for hydraulic support YANG Xuejun, WANG Ranfeng, WANG Huaifa College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China Abstract For straightness detection of hydraulic support in unmanned working face of coal mine underground, an attitude and straightness detection model of hydraulic support was proposed. Laser positioning matrix of straightness detection robot for hydraulic support was focused on, and software and hardware design schemes of the laser positioning matrix were expounded. Through analyzing experimental results, following conclusions are gotten For laser positioning matrix made by photosensitive resistors with a diameter of 12 mm, when light spot diameter is from 9 mm to 30 mm, detection error decreases with the increase of light spot diameter, and the maximum detection error is 7. 6 mm. Considering detection precision and effective detection range synthetically, the optimal light spot diameter is selected to be from 12 mm to 18 mm. Factors influencing detection precision of the laser positioning matrix are systematic error and random error mainly. Detection error can decrease by reducing diameter of photosensitive resistor, adding resistor with low resistivity before photosensitive resistor, etc. Key words coal mining； unmanned working face; straightness detection of working face; straightness detection of hydraulic support; straightness detection robot for hydraulic support; laser positioning matrix ah 能 化 方 向 发 展 ， 其 追 求 的 目 标 是 少 人 化 和 无 人 0 引引 化[13]。工作面直线度检测和控制是实现工作面无 目前， 煤矿开采正由综合机械化向自动化和智 人化的关键技术[47]之一。工作面直线度是综采工 收 稿 日 期 2018-06-15;修 回 日 期 2018-12-05;责 任 编 辑 李 明 。 基 金 项 目 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （51404167。 作 者 筒 介 杨 学 军“971 ， 男 ， 山 西 河 津 人 ， 博 士 研 究 生 ， 主 要 研 究 方 向 为 机 器 人 在 煤 矿 无 人 工 作 面 的 应 用 ，E-mail yaiigxuejun tyut. 。 引 用 格 式 杨 学 军 ， 王 然 风 ， 王 怀 法.液 压 支 架 直 线 度 检 测 机 器 人 激 光 定 位 矩 阵 研 究[J].工 矿 自 动 化 ，2019,45152-56. YANG XuejunWANG Ranfeng/WANG Huaifa. Research on laser positioning matrix of straightness detection robot for hydraulic support[J]. Industry and Mine Automation,2019,451 52-56. 2 0 1 9 年 第 1 期 杨 学 军 等 液 压 支 架 直 线 度 检 测 机 器 人 激 光 定 位 矩 阵 研 究 53 由首尾架决定的机器人 激光线 图1液压支架姿态及直线度检测模型 Fig. 1 Attitude and straightness detection model of hydraulic support 该模型在基本不改变液压支架结构的前提下， 利用液压支架固有结构， 基于移动机器人， 以激光线 为参考基准， 对每架液压支架的空间姿态及整个液 压支架群直线度进行检测， 有效消除了累计误差。 机器人还可携带摄像头或其他传感器， 给工作面以 外的人员提供视频图像和数据， 使他们及时了解工 作面情况。 本文主要围绕液压支架直线度检测机器人的激 光定位矩阵进行研究。 1激光定位原理激光定位原理 激光发射装置安装在液压支架的一端， 由 1 组 激光发射器和1 个激光测距仪组成。当机器人在液 压支架人工行走平台上行走时， 通过被固定激光束 激光基准线） 照射的激光定位矩阵来测量机器人相 对激光束的偏移量， 再接收激光测距仪测量的机器 作面工程质量评价的重要指标， 是保证无人工作面 能够自动连续推进的关键[8]，其 包 含 3 个方面的含 义 某壁直， 刮板输送机直， 液压支架直“ 三直” [9]。 其中液压支架直是“ 三直” 的基础， 它对工作面能否 正常工作起决定性作用。液压支架直不仅指液压支 架要排成直线， 还指液压支架要直立支撑。只有保 证液压支架直， 才能保证与之互为支点进行推拉前 进的刮板输送机直， 进而保证以刮板输送机为运行 轨道的采煤机走直线， 把煤壁切直[1011]。按照工作 面液压支架操作工操作规范要求， 工作面直线度需 达到50 mm[12]，才能保证液压支架、刮板输送机 及采煤机正常工作。鉴此， 本文提出液压支架姿态 及直线度检测模型， 如 图 1 所示。液压支架直线度 测机 人 带 2 平 光 定 1 光 达 ， 走 人工 走 平 ， 首尾架决定的激光线为基准， 通过激光定位矩阵对 自身进行定位， 同时用激光雷达检测待测支架相对 机器人的位置， 从而得到每一架支架的姿态及整个 线度 ， 续 提 5 待 测 I支 架 慕 I /----------------A----------------N 1 人相对激光发射器的距离， 从而获得机器人相对于 安装激光发射器的支架的6 个自由度姿态（ 绕右手 直角坐标系三轴的旋转角度和沿三轴的平移距离） 。 固定激光束由激光发射器发射的散射度很小的 点状激光线形成， 主要起固定参考作用。激光定位 矩阵通过若干个光敏电阻形成的矩阵来指示激光照 射的坐标， 从而确定其相对固定激光束在径向的偏 。 常用光敏电阻的暗电阻为1 〜10 M ， 明电 阻为几百至数千欧， 利用该特性设计激光定位矩阵 中 1 测 ， 图 2 所 。 光 敏 电阻没有接收到激光时， 其阻值很大， 三极管基极电 压很小， 无法触发三极管工作， 此时集电极电压为高 电平； 当光敏电阻接收到激光时， 其阻值变小， 三极 管基极电压增大， 触发三极管导通， 集电极电压为低 平 。 图2激光定位矩阵单点检测原理 Fig. 2 Single point detection principle of laser positioning matrix 2激光定位矩阵设计激光定位矩阵设计 文献[13]利用光敏电阻矩阵的一维特征设计激 光对位传感器， 对液压支架移位进行了控制[14]。本 文主要利用光敏电阻矩阵的二维特征设计激光定位 。 2. 1 硬件设计 目前常见的环氧树脂封装光敏电阻直径有3, 4,5,7， 11， 12,20,25 mm 等 。光敏电阻直径越小， 制作的激光定位矩阵分辨率和精度越高， 但相同面 积的矩阵所需光敏电阻较多， 导致设计、 制作、 控制 难度成倍增加。综合考虑精度需求、 设计制作难度 及成本， 选择直径为12 mm的光敏电阻设计激光定 。 为便于制作和扩展矩阵面积， 激光定位矩阵由 数个相同的激光定位矩阵单元组成， 每个单元由电 源 、 光敏电阻面板、 扫描电路、 检测电路、 控制器、 数 码管显示电路和数据输出电路组成， 如 图 3 所示。 激光定位矩阵单元的光敏电阻面板由64个光 第 o 架 第 1架 第 2架 第 Z-1 架 第 /架 第 Z 1 架 第 架 54 工 矿 自 动 化2 0 1 9 年 第 4 5 卷 图3激光定位矩阵单元硬件组成 Fig. 3 Hardware composition of laser positioning matrix unit 敏电阻以8 X 8 方式排列而成， 如 图 4 所示。光敏电 阻长边为12 mm， 短 边为10.5 mm。为使电阻排列 ， 光敏区域尽 ， 相邻 交 列 ， 相 邻 2 个电阻中心距为11. 4 mm， 每个激光定位矩 阵单元尺寸约为91 mmX 91 mm。当待测量面积大 该值时， 可将多个相同激光定 元进 接 ， 从而满足要求， 如 4 个单元可拼成1 个尺寸约为 182 mmX182 mm 光定 。 图4光敏电阻面板电阻排列方式 Fig. 4 Resistor arrangement mode of photosensitive resistor panel 电源采用DC5 V 可充电干电池， 为整个激光定 位矩阵单元电路供电。控 制 器 采 用 STC89C5 2 单 片机。 省单片机 ， 扫 描 电 路 由 9 个 CD4051模拟开关组成， 分两级控制， 如 图 5 所示。 第 8 ， 其 8 入端分别 光敏 面 每 8 光敏 ， 8 出端接第二级控制中模拟开关的8 个输入端。第二 1 ， 其输出端按图2 方式代 替光敏电阻接三极管基极， 三极管集电极接单片机 P3 . 2 端 口 。扫 描 电 路 控 制 方 式 单 片 机 P2. 0 P2. 5端口通过控制一级控制中挺拟开关的A ， B ， C 端口和__* 级控制中挺拟开关的A 1， Bx， C 1端 口 ， 依 次对光敏电阻面板中64个光敏电阻进行循环扫描， 通过检测其电平高低即可判断出哪个光敏电阻接收 到激光照射。单片机将接收到激光的电阻坐标采集 元进行判别、 计算等 ， 得 光照射点 坐标， 连续检测即可得到激光定位矩阵（ 即机器人） 相对于激光束在360方向上的距离偏移量， 由数码 管输出显示， 并 片 机 T X D 和 RXD 端口输出 r■ ► 扫 描 电 路 数 据 输 出 电 路 CiBiAi〇 4 〇 1 〇 2 〇 3 1个模拟开关第二级控制） 图5激光定位矩阵单元扫描电路 Fig. 5 Scanning circuit of laser positioning matrix unit 2.2 控制程序设计 激光定 序 基 于 K eil软件编写， 主要由主函数、 扫描 函数和数据处理函数组成， 控制流程如图6 所示。 图6激光定位矩阵控制流程 Fig. 6 Control flow of laser positioning matrix 数据处理函数是激光定位矩阵控制程序的核 心。随着检测距离的増大， 激光斑点会増大， 此时激 光定位矩阵上会有几个光敏电阻同时检测到激光， 要判断光斑形状， 并判 有 ， 最后计 算所有感光电阻坐标的平均值并输出。 设备。 6 4 个光敏电阻 CC T 人 Y 8 个模拟开关第一级控制） 641 人 6 8〇7 5 62 640863 61 路 电 测 检 器 制 控 描制号 扫控信 光敏电阻面板 2 0 1 9 年 第 1 期 杨 学 军 等 液 压 支 架 直 线 度 检 测 机 器 人 激 光 定 位 矩 阵 研 究 55 3激光定位矩阵实验研究激光定位矩阵实验研究 3. 1 激光定位矩阵硬件制作 激光定位矩阵单元硬件分成3 层制作。第一层 为光敏电阻面板层， 其上焊接64个共阳连接的光敏 ， 第二层 描电路层， 其上安装9 个模 芯片； 第三层 测 层 ， * 检测电路、 数码管显示电路、 数 出电路等。 3.2 实验及分析 3.2.1 用 9 个激光定位矩阵单元组成1 个尺寸约为 274mmX274 mm的激光定位矩阵进行实验。所用 激光发射器型号为FU650AD100-GD24,其输出波 长 为 650 nm 的正圆形光斑， 亮度和尺寸均可调， 工 作电压为DC2.8〜5.2V ， 管芯功率为100m f 。光 斑直径最小可调值 50 m 处 ， 光 斑 直 径 5 mm 200 m 处，光斑直径 30 mm。 在光斑直径为3,6，12，18,24,30 mm情况下对 激光定 测 精 度 进 行 实 验 ， 图 7 所。 日60「一理论值一实测值 g 60「一理论值一实测值 1 11 21 31 41 51 1 11 21 31 41 51 移动距离/ _ 移动距离/mm 光斑直径为3 mm b 光斑直径为6 mm 移动距离/mm 移动距离/mm “ 光斑直径为12 mm d 光斑直径为18 mm “ 光斑直径为24 mm “ 光斑直径为30 mm 图7不同光斑直径下激光定位矩阵检测精度实验结果 Fig. 7 Detection precision experiment results of laser positioning matrix under different light spot diameters 3. 2. 2结果分析 从 图 7 可看出， 激光定位矩阵的检测精度与光 斑直径有很大关系， 当光斑直径为3, mm时 ， 均有 检测盲区， 无 法 实 现 连 续 测 量。当光斑直径大于 12 mm时 ， 其最大检测误差随着光斑直径增大而减 小 ， 对应的误差分别为6. 70,5. 80,3. 92,2. 90 mm。 这是由于随着光斑直径增大， 光斑包含的光敏电阻 增多， 从而提高了检测精度。 光斑直径增加7,8,9，10，11 mm 5 种，按相同 方式进行实验。从实验结果可知， 光斑直径从9 mm 开始， 激光定位矩阵不再出现检测盲区； 9,10,11， 12，18,24,30 mm光斑直径情况下，激光定位矩阵 的最大检测误差为7. 6 mm。实验结果表明， 激光 定位矩阵的检测精度与光斑直径正相关。 3. 2. 3边界效应 当 光 斑 落 到 激 光 定 位 矩 阵 边 界 时 ， 对 9 〜 30 mm光斑直径范围内的激光定位矩阵逐一进行实 验 ， 结果表明边界效应产生的误差与光斑直径 丨 关 ， 最大误差由10. 7 mm逐渐增大到20. 4 mm。这 是由于光斑到达边界时， 边界外的光斑照射处没有 电阻， 这时计算出的光斑中心与实际光斑中心出现 偏差。为了避免该种情况， 需要减小矩阵每个检测 方向上的有效检测范围， 减 小 值 为 1 个光斑直径 度 。 选择最佳光斑直径需要兼顾检测精度和有效检 测范围。本文设计的激光定位矩阵在煤矿液压支架 中移动， 活动空间狭小， 设计时在满足检测精度的情 况下需重点考虑有效检测范围， 因此选择最佳光斑 直径范围为12〜18 mm。 3.2.4 测 精 度 大 分 析 发 现 ， 光 定 检测精度的因素主要 系统误差和随机误差。 系统误 光敏 径及其感光材料的分 布面积、 排列方式， 固定激光光斑大小、 功率， 比较电 阻值， 电源电压等。减小系统误差的措施适当减小 光敏电阻直径;合理排列光敏电阻， 使感光材料分布 光发射 、 光斑 度和圆 度 ； 稳定电源电压； 安装可调比较电阻， 以选择最佳 值 。 随 机 误 界 光 、 光 敏 明 的制造差异、 实验误差等。减小随机误差措施 挑选 明电阻值相近的光敏电阻； 在光敏电阻前串联小阻 值电阻， 以减小三极管基极电压的波动。 4结论结论 “ 设计并制作了液压支架直线度检测机器人 的激光定位矩阵。实 验 结 果 表 明 ， 对于采用直径 12 mm 光 敏 作 光 定 ， 光 斑 径 为 9〜30 mm时 ， 激光定位矩阵的检测误差随光 斑直径的增大而减小， 最大检测误差为7. 6 mm， 56 工 矿 自 动 化2 0 1 9 年 第 4 5 卷 足液压支架50 mm的直线度误差要求。 2 激光定位矩阵检测精度随光斑直径的增大 而增加， 但边界效应会更加显著， 必须减小有效检测 范围来保证检测精度。激光定位矩阵在煤矿液压支 架中移动， 活动空间狭小， 综合考虑检测精度和有效 检测范围， 选择最佳光斑直径区间为1 2 “ 1 8 mm。 “ 经实验分析， 影响激光定位矩阵检测精度 的因素主要包括系统误差和随机误差。提出了减小 2 种误差的措施， 为下一步研究提供了理论和实验 。 参 考 文 献 （References [ 1 ] 王国法.综采成套技术与装备系统集成[M ].北 京 煤 炭工业出版社，2016. [ 2 ] 张良， 李首滨， 黄曾华 ， 等.煤矿综采工作面无人化开 采 的 内 涵 与 实 现[ ] .煤 炭 科 学 技 术 ，2014,42 9 26-29. ZHANG Liang, LI Shoubin, HUANG Zenghua,et al. Definition and realization of unmanned mining in fully-mechanized coal mining face [ J]. Coal Science and Technology ,2014,429 26-29. [ 3 ] 郝尚清， 王世博， 谢 贵 君 ， 等.长壁综采工作面采煤机 定 位 定 姿 技 术 研 究[J ].工 矿 自 动 化 ，2014,40 6 21-258 HAO Shangqing, WANG Shibo, XIE Guijun, et al. Research of determination technologies of position and attitude of shearer on long-wall fully mechanized coal mining face[J]. Industry and Mine Automation， 2014,40621-25. [ 4 ] 索智文.煤矿综采工作面无人化开采技术研究[J].工 矿自动化，2017,43122-26. SUO Zhiwen. Study on unmanned mining technology of fully mechanized coal mining face[J]. Industry and Mine Automation,2017,431 22-26. [5 ]沈庆华.试论煤矿无人工作面开采技术[J].能源技术 与管理，2017,423 172-173. [ 6 ]麻晓东.煤矿无人工作面开采技术探讨[J].能源与节 肯 邑 ，20175140-141. MA Xiaodong. Discussion on the mining technologies used at unmanned working face in coal mines [J]. Energy and Energy Conservation,20175 140-141. [ 7 ] 么会争.综采工作面液压支架安装定位技术的研究 [J ].煤炭与化工，2016,392 119-121. YAO Huizheng. Research on the positioning technology of hydraulic support installation of fully mechanized working face [J]. Coal and Chemical Industry,2016，392 119-121. [ 8 ] 孙丙科， 何勇华.综采工作面自动化控制系统设计与 应用[J ].工矿自动化，2014，40184-86. SUN Bingke HE Yonghua. Design and application of automation control system of fully mechanized coal mining face[J]. Industry and Mine Automation , 2014， 40184-86. [ 9 ] 李俊士.一种基于多种传感器的工作面找直方法[ ] . 煤矿机电，2014611-12. LI Junshi. A straightness control technology based on multi-sensor of fully mechanized coal face[J]. Colliery Mechanical k Electrical Technology , 20146 11-12. [ 0 ] 郭华栋.浅析综采工作面保持“三直” 的重要性和途径 [J].科技信息，201222423. [ 1 ] 朱真才.采掘机械与液压传动[M ].徐 州 中国矿业大 学出版社 20118 [ 2 ] 杨瞾.基于视觉测量的综采工作面直线度测量技术研 究[J].煤炭工程，2016，489 134-136. YANG Zhao. Research on measurement technology of working face straightness based on vision measurement [ J ]. Coal Engineering，2016， 48 9 134-1368 [ 3 ] 赵世民， 刘清.用于工作面液压支架对齐的激光对位 传感器设计[J ].工矿自动化，2016，4 21 74-77. ZHAO Shimin , LIU Qing. Design of laser alignment sensor for alignment of hydraulic supports on working face [ J ]. Industry and Mine Automation， 2016，42 1174-77. [ 4 ] 牛剑峰.综采工作面直线度控制系统研究[J ].工矿自 动 化，2015，4155-8. NIU Jianfeng. Research of straightness control system of fully-mechanized coalmining face[J]. Industry and Mine Automation , 2015 415 5-8.