基于测量机器人的矿用明渠泥沙沉积量监测_徐乐年.pdf

Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 基于测量机器人的矿用明渠泥沙沉积量监测 徐乐年， 郇志浩， 闫茂印 （山东科技大学 电子信息工程学院， 山东 青岛 266590） 摘要 以姚桥煤矿井下明渠水流量动态监测为研究背景， 针对矿井下明渠泥沙沉淀过厚导致 明渠流量测量不准确的问题， 设计了一款自动测量矿井下明渠泥沙沉积量的机器人。机器人由 电机、 编码器、 丝杠同轴链接， 电机转动带动丝杠与编码器转动； 通过编码器记录的电机转动圈 数与丝杠导程计算出机械臂伸长长度， 从而推算出所测量的泥沙沉积量。通过多次重复测量证 实该测量机器人在 500 mm 量程内重复误差小于 1 mm， 数据传输稳定可靠。 关键词 测量机器人； 泥深测量； 明渠流量； 伸缩杆； M－BUS 接口 中图分类号 TD676文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 03-0123-03 Monitoring of Sediment Deposition in the Open Channel of a Coal Mine Based on Measuring Robot XU Lenian, HUAN Zhihao, YAN Maoyin （School of Electronic Ination Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China） Abstract Based on the dynamic monitoring of the water flow in the underground open channel of Yaoqiao Coal Mine, a robot is designed that can automatically measure the sediment thickness of the open channel to solve the problem of inaccurate measurement of open channel flow caused by excessive sediment deposition in the open channel. The robot is coaxially linked by a motor, an encoder and a lead screw, and the motor rotates to drive the screw and the encoder to rotate. The extension length of the mechanical arm is calculated by the number of motor rotation recorded by the encoder and the lead screw lead, and then the measured amount of sediment deposition thickness is calculated. Through repeated measurements, it is confirmed that the measuring robot has the repeat error of less than 1 mm in the range of 500 mm, and the data transmission is stable and reliable. Key words measuring robot; mud depth measurement; open channel flow; telescopic rod; M-BUS interface 煤矿井下明渠水流量动态检测的准确性是保证 煤矿安全生产的重要环节，目前多数矿下明渠采用 堰板法测量明渠水流量。由于矿井明渠水流中带有 大量的杂质，当水流经过量水堰时由于堰板的阻挡 作用导致大量的泥沙淤积在堰板附近。明渠泥沙沉 淀过大会抬高堰口水头高度进而影响明渠水流量测 量的准确性[1]。以前需要人工手动测量泥沙沉积量 定期清理泥沙，由于人工测量不够及时、测量误差 大等原因导致计算机进行流量计算时误差大，而且 矿下明渠环境复杂，频繁的人工测量也给测量人员 带来危险。为此，特别需要研制一种测量明渠底部 泥沙沉积量的机器人，用于在线动态监测明渠底部 泥沙沉积量。 1测量机器人技术 测量机器人通过电机转动带动丝杠转动同时启 动编码器进行脉冲计数，丝杠转动带动机械臂上下 移动。机械臂下端安装有霍尔探头，探头下方安装 有带有永磁铁的重锤。当探头接触明渠水流底部泥 面时会推升重锤，使磁铁与内部霍尔开关靠近， 从 而触发霍尔开关导通。通过控制器、霍尔开关与编 码器联合工作计算出机械臂的伸长长度。测量机器 人工作示意图如图 1。 基准面到泥水界面的距离为 H1＝ Va Pz P I ＋Cg（1） DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.027 徐乐年， 郇志浩， 闫茂印.基于测量机器人的矿用明渠泥沙沉积量监测 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （3） 123-125， 129. XU Lenian, HUAN Zhihao, YAN Maoyin. Monitoring of Sediment Deposition in the Open Channel of a Coal Mine Based on Measuring Robot［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （3） 123-125, 129.移动扫码阅读 123 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 图 2测量机器人与工控计算机通信示意图 Fig.2Schematic diagram of communication between measurement robot and industrial computer 图 1测量机器人工作示意图 Fig.1Measuring robot working diagram 图 3测量机器人硬件连接图 Fig.3Measuring robot hardware connection diagram 图 4电机与霍尔开关电路 Fig.4Motor and Hall switch circuit 式中 H1为基准面到泥水界面的距离， mm； Va 为编码器输出总脉冲数； Pz为丝杆导程， mm;P 为编 码器每旋转 1 周输出脉冲数； I 为电机减速比； Cg为 待定常数， mm。 泥层厚度为 H2＝H－H1（2） 式中 H2为泥层厚度， mm;H 为基准面到明渠底 部的距离， mm。 基准面到泥水界面的距离通过式 （1） 计算完毕 后其结果再代入式 （2） 计算出泥层厚度， 数据通过 M-BUS 总线传输至通信分站， 通信分站通过工业以 太网传递给监控室的工控计算机[2]。测量机器人与 工控计算机通信过程示意图图 2 [3]。 2测量机器人硬件 1） 系统硬件结构。主要以 STM32 单片机为核 心,测量机器人硬件连接图如图 3[4]。单片机选择 STM32F103 单片机， 内部集成了硬件计数器、 地址自 动识别电路，简化了电路的设计，在多机通信方式 下，允许串口使用硬件比较方式从串行数据流中识 别出特定的地址数据，在未收到本机地址时单片机 处于低功耗空闲模式，收到本机地址后进入运行状 态， 实现分时上电测量[3]。 2） 电机与霍尔开关电路。测量数据的准确度是 测量机器人返回数据有效性的关键， 采用 GA12-N2 自带编码器减速电机并与霍尔开关互锁并联[5-6]。电 机与霍尔开关电路如图 4。 通过丝杆导程、 电机转速 比和编码器记录的脉冲个数计算出测量距离。霍尔 开关与电机驱动模块采用硬件互锁并联设计，当电 机运行到顶部初始位置或底部探头接触到泥水交界 面时，能通过硬件电路迅速关闭电机并通知控制器 记录编码器脉冲数。 3） 通信方式。测量机器人使用 M-BUS 通信协 议与通信分站远程通信。为增加通信分站所带测量 机器人的数量，测量机器人采用分时上电的工作方 式[2]。在某一时刻同一个分站上只有 1 个测量机器 人处于工作状态，而其他的测量机器人处于低功耗 的空闲状态，每一个测量机器人具有唯一的地址标 识，当通信分站发送的地址与测量机器人的本机地 址相符时， 测量机器人从低功耗的空闲状态进入工作 状态， 完成泥沙沉积厚度的测量与数据的返回[7]。 4） 机械臂。 机械臂结构图如图 5。 编码器、 电机、 丝杠采用同轴连接方式， 电机转动带动丝杠转动， 丝 杆转动进而带动套筒上下移动完成机械臂伸缩动 作。上限位采用霍尔开关检测伸缩臂是否回缩到零 点位置。触头部分采用可拆卸设计可以根据测量液 体密度的不同更换不同的重锤，采用非接触式霍尔 124 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 图 5机械臂结构图 Fig.5Robot arm structure 图 6试验数据曲线 Fig.6Test data curve 开关减少机械开关所带来的误差。由于触头部分在 测量时需要深入水底，非接触式霍尔开关封装在不 锈钢套筒内实现防水密封。当重锤接触泥水交界面 后会推升与重锤连接的顶部磁铁上移，从而触发霍 尔开关导通[8]。 3测量机器人软件 软件部分采用FreeRTOS 实时操作系统， 多任务 运行实现测量的同时进行网络通信、温度测量、 数 据显示等任务，能更合理安排任务和利用处理器资 源[9]。具体步骤如下 1 ） 初始状态为测量机器人的零点位置， 若是不 在零点位置测量机器人会自动恢复零点位置。 2） 初始化外部设备并打开串口接收总线数据。 3） 当接收到总线上的数据为同步命令， 启动 RTC 定时， 定时时间为 （本机地址-1） 2 h。 4） 当定时时间到， 执行 1 次测量， 并修改 RTC 定时为 24 h， 其后每间隔 24 h 测量 1 次。 5 ） 当接收到的数据为地址， 向上位机发送测量 完成的数据。 4理论分析 使用减速比 I210 的电机， 丝杆导程 Pz2 mm， 编码器每旋转 1 周输出脉冲个数 P7，由计算推导 得出丝杆移动 1 mm 编码器输出的脉冲数 P I PZ 735 个。 精确度为 1 735 0.001 36 mm， 远远小于 1 mm 测 量精度。 由于本设备需要满足煤矿防爆要求与设备低功 耗的要求，对所采用的单片机进行了降频处理。为 提高对编码器输出脉冲的准确采集， 对 STM32 内部 计数器脉冲输入源先进行预分频设置，分频系数为 7 分频[10]。 即丝杆移动 1 mm 脉冲数 P I PZ 105 个。 理 论精度为 1 105 0.009 52 mm， 计算误差远小于 1 mm 测量精度， 完全满足设计要求。 5试验结果 标定基准面到泥面与水面交界面的距离为 500 mm， 测量机器人多次测量得到的数据如图 6。 从试验结果可以看出，测量结果处于 （500 0.15）mm。本设备测量的最大误差在 0.3 mm 以内， 能够达到 1 mm 的精度，能够满足绝大多数工业测 量的需求。 6结语 针对矿井下明渠泥沙沉淀量过大致明渠流量测 量不准确的问题， 设计了本测量机器人， 对矿用明渠 泥沙沉积量监测机器人的工作原理及软、硬件组成 进行了详细的介绍。通过试验验证，测量机器人测 量精度完全满足设计要求。已于 2017 年 10 月应用 于大屯煤电公司姚桥煤矿，运行结果表明测量机器 人的测量结果准确、 数据传输稳定。 参考文献 ［1］ 卢慧.量水堰法自动测流系统的设计 ［D］ .武汉 华中 科技大学， 2016. ［2］ 张磊.基于 ARM 的矿用监测分站 ［D］ .青岛 山东科技 大学， 2010. ［3］ 徐乐年， 刘伟光， 王全.基于 M-BUS 的矿用超声波明 渠流量计设计 ［J］ .煤矿机电， 2011 （4） 43-46. ［4］ 徐乐年， 戚玉涵， 员玉良， 等.基于 M-BUS 的智能明渠 流量传感器的设计与应用 ［J］ .煤矿安全， 2008 （12） （下转第 129 页） 125 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 68-70. ［5］ 陈雷， 洪占勇.增量式编码器信号处理系统设计及仿 真测试 ［J］ .现代电子技术， 2015， 38 （23） 44-46. ［6］ 孙冬青.一种井下仪用减速器的设计及应用 ［J］ .内燃 机与配件， 2018 （8） 28-29. ［7］ 张宪栋.矿井通风自动报警系统的设计与应用 ［J］ .山 西焦煤科技， 2009 （1） 43-46. ［8］ 徐冬， 李凤玲， 张宁， 等.基于霍尔开关的磁性浮子式 液位传感器设计 ［J］ .传感器与微系统， 2017， 36 （7） 110-111. ［9］ 赵波.基于 STM32 和 FreeRTOS 的温度测量系统设计 ［J］ .电子技术与软件工程， 2019 （3） 68-69. ［10］ 李汉， 米志红， 林春熙.一种宽范围测速系统的设计 ［J］ .机电工程， 2010， 27 （11） 52-56. 作者简介 徐乐年 （1965） ， 山东烟台人， 教授， 硕士研 究生导师， 博士， 2006 年毕业于山东科技大学， 主要从事煤 矿检测仪表和监测系统的研发工作， 发表学术论文 50 余篇。 （收稿日期 2019-05-24； 责任编辑 李力欣） （上接第 125 页） 分析可以看出，自动卸荷装置能够满足防爆车辆的 使用要求，消除了因蓄能器带压维修拆解带来的安 全隐患，为煤矿井下的安全生产提供有力的保证， 并取得了很好的经济效益。 参考文献 ［1］ 杨希.煤矿用防爆车辆动力控制装置设计改进 ［J］ .煤 矿安全， 2017 （5） 127-129. ［2］ 马艳卫， 柳玉龙， 常凯， 等.煤矿井下防爆车辆新型蓄能 器自动卸荷装置 ZL201410848310.9 ［P］ .2017-01-25. ［3］ 国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局. 煤矿安全规程 ［M］ .北京 煤炭工业出版社， 2016. ［4］ 郭锐， 唱荣蕾， 赵静一， 等.液压制动系统蓄能器充液 特性研究 ［J］ .农业机械学报， 2004， 45 （7） 7-12. ［5］ 王瑞龙.国内外防爆车辆技术标准分析 ［J］ .煤矿安全， 2017 （3） 216-218. ［6］ MT/T 9892006 矿用防爆柴油机无轨胶轮车通用技 术条件 ［S］ . ［7］ 雷天觉.液压工程手册 ［M］ .北京 机械工业出版社， 1990. ［8］ 路甬祥.液压气动技术手册 ［M］ .北京 机械工业出版 社， 2002. ［9］ 姚怀新.工程车辆液压动力学与控制原理 ［M］ .北京 人民交通出版社， 2006. ［10］ 周抚平.装载机双泵合流液压系统中卸荷阀特性的 研究 ［D］ .柳州 广西科技大学， 2014. ［11］ 张宁.防喷器起下钻试验台蓄能器卸荷阀组响应特 性分析 ［J］ .内蒙古石油化工， 2018 （3） 1-3. 作者简介 马艳卫 （1982） ， 男， 河北石家庄人， 副研究 员， 本科， 2006 年毕业于兰州理工大学， 从事煤矿机电产品 的开发与管理工作。 （收稿日期 2019-06-14； 责任编辑 李力欣） 129 ChaoXing