一种二柱式液压支架位姿检测与控制系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种二柱式液压支架位姿检测与控制系统，该系统包括控制器、数据采集装置、第一加速度传感器、第二加速度传感器、行程传感器、激光测距仪、第一电磁比例阀和第二电磁比例阀；利用加速度传感器、行程传感器、激光测距仪测量的数据传输给控制器，采用PID控制规则对液压支架位姿进行实时全姿态控制，通过控制器控制电磁比例阀的开关和流量大小，以此调节实现液压支架升架过程的快速水平升、降架以及工作面顶板倾斜时的智能贴顶，提升了液压支架的升、移架速度及跟机速度；该系统同时具备位姿检测与控制系统，功能更多，性能更好，具有不可比拟的优势。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种二柱式液压支架位姿检测与控制系统，属于液压支架

技术介绍
在综采工作面为了防止煤层顶板冒落，保证工作人员的安全和生产的正常进行，必须对顶板进行支护，液压支架是煤矿综采工作面必备的支护设备。我国许多煤矿都建立了综采自动化生产面，并配备了综采装备远程监控功能。对液压支架进行实时可靠、形象直观的远程监控，不但可以及时掌握液压支架的准确运行状态，还可以预测液压支架支护质量，而且可以根据检查结果调整支架的运行参数，提高工作面支护稳定性。液压支架典型的工作循环包括升柱、支撑、降柱三个阶段，在支架升柱阶段，我们希望液压支架能自动快速水平的上升，从而迅速接触顶板进入支撑阶段，减小支架移架期间的沉降；支撑阶段，我们希望液压支架能自动适应、贴合工作面倾斜顶板，从而保证支架与顶板接触良好，增强支架对顶板的控制力，防止支架出现低头、高射炮等支护失稳现象；降柱阶段我们希望支架可以快速水平的降柱，从而实现快速推溜、拉架，加快支架的跟机速度。目前针对液压支架的位姿检测与调整，国内众多学者展开了不同的研究。例如，中国专利文献CN103899338A公开了一种基于空间坐标变换的液压支架工作姿态确定方法，该方法通过实时测量支架构件变化的倾角值，从而获得四连杆液压支架的工作姿态，并实时测量液压支架的底座、连杆和顶梁相对于参数坐标系的倾斜角度，利用上述三个角度值以及支架本身的几何尺寸，采用建立参考坐标系和相对坐标系的方法计算出支架当前各构件的位置、角度，以及驱动油缸的长度。公开号为CN103968856A的中国专利公开了一种液压支架位姿的实时检测方法。该方法使用三轴加速度传感器和三轴陀螺仪实时测量支架顶梁的位置、倾角的变化量，通过积分的方式获得液压支架任意时刻的位姿。中国专利文献为CN103899344B的中国专利公开了一种液压支架顶梁自适应调平方法，该方法通过传感器检测顶梁倾角利用盲动试探方式对支架顶梁状态进行调整，该专利从支架初撑阶段开始控制，具有一定的局限性，且该方案采用的盲动试探法不仅试探比较过程耗费大量的时间，且极易出现支架在调整过程中步距不合适而造成支架持续振荡位姿，降低了支架支护工作的稳定性，调节精度较差。虽然目前针对液压支架位姿的检测方法有很多种，但是这些方法仅仅解决了如何获取液压支架位姿数据，且检测数据较多，受环境因素影响较大，检测精度较差；在控制方法上，现有的支架位姿控制方法往往采用盲动试探方法对支架的位姿进行控制，控制过程繁琐且精度低，支架位姿调整时易于出现振荡，无法快速、精准的实现液压支架在升柱、支撑、降柱阶段的位姿调节，因此，有必要设计一种高效率、精度调节的智能控制系统。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本技术提供一种二柱式液压支架位姿检测与控制系统。本技术的技术方案如下：一种二柱式液压支架位姿检测与控制系统，包括控制器、数据采集装置、第一加速度传感器、第二加速度传感器、行程传感器、激光测距仪、第一电磁比例阀和第二电磁比例阀；所述第一加速度传感器设置在液压支架的底座上，第二加速度传感器设置在液压支架的后连杆上，行程传感器设置在液压支架的平衡千斤顶内部，激光测距仪设置在液压支架的立柱上，第一电磁比例阀设置在液压支架平衡千斤顶液压控制回路上，第二电磁比例阀设置在液压支架立柱液压控制回路上，所述第一加速度传感器、第二加速度传感器、行程传感器、激光测距仪均与数据采集装置连接，数据采集装置与控制器连接，控制器还连接第一电磁比例阀和第二电磁比例阀。优选的，所述位姿检测与控制系统还包括输入装置，输入装置与控制器连接，所述输入装置选用显示器和键盘，或选用触摸屏显示/输入模块。优选的，所述控制器选用MSP430F5438A单片机。优选的，所述第一加速度传感器、第二加速度传感器均选用飞思卡尔MMA7361LC加速度传感器。优选的，所述行程传感器选用米朗MIRANMTL3-2000mm油缸内置磁致伸缩位移传感器。优选的，所述激光测距仪选用康力华KLH-01T-20hz激光测距仪。优选的，所述触摸屏显示/输入模块选用迪文DMT80480T070_06WT+触摸屏。优选的，所述第一电磁比例阀选用型号为4WRZe32W9-520-7X/6EG24N9ETK4F1/M的三位四通比例换向阀。优选的，所述第二电磁比例阀选用型号为4WRZe52W9-1000-7X/6EG24N9ETK4F1/M的三位四通比例换向阀。一种二柱式液压支架位姿检测与控制系统的使用方法，包括以下步骤，(1)信号采集：将第一加速度传感器测量的底座加速度、第二加速度传感器测量的后连杆加速度、行程传感器测取的平衡千斤顶长度、激光测距仪测取的立柱长度传输给数据采集装置，数据采集装置对接收的信号进行滤波处理后得到加速度、长度原始数据，并将加速度、长度原始数据传输给控制器；(2)数据处理：控制器根据接收到的加速度、长度原始数据，计算出液压支架底座的实时倾角、后连杆与底座的夹角以及液压支架实时行为位姿，并输出液压支架的实时行为位姿；然后，控制器根据液压支架操作人员动作指令及工作面顶板倾角，计算出液压支架所要达到的最终位姿，并对比液压支架当前行为位姿得出位移差，再根据最优动作规则表，以液压支架动作速度最快、用液量最省原则智能判定出液压支架最优动作方案，控制器根据位移差及设定的步进次数，计算出液压支架阶段步进值，并将阶段步进值设定为控制器的阶段目标参数值；(3)PID控制运算：控制器将阶段目标参数值与行程传感器和激光测距仪的实时检测数据对比，获取阶段目标参数值与实时检测数据的差值；(4)指令输出：控制器根据步骤(3)所述的差值，输出第一电磁比例阀、第二电磁比例阀的控制信号，控制信号控制第一电磁比例阀、第二电磁比例阀的运动方向和开口度大小以改变进出平衡千斤顶及立柱的流量，从而改变平衡千斤顶及立柱的长度，实现液压支架的位姿误差反馈控制，使液压支架逐步到达最终位姿。优选的，步骤(1)中，所述滤波处理是指数据采集装置采用中值滤波法对第一加速度传感器、第二加速度传感器、行程传感器和激光测距仪对传输给数据采集装置的数据进行滤波处理，其具体过程包括：连续采样N个数据，然后用堆序法原理对采集的N个数据进行排序，找出N个数据中的最大值和最小值，去掉最大值和最小值，然后计算剩余的N-2个数据的算术平均值，N取为3-14。优选的，步骤(2)中，控制器计算出液压支架实时行为位姿，具体包括以下过程：(a)读取液压支架后连杆第二加速度传感器输出的αh及底座第一加速度传感器输出的αd，变换得出液压支架后连杆的绝对倾角β及底座的绝对倾角α：β=arcsinah/g,α=arcsinad/g]]>液压支架后连杆相对底座的倾角：θ0＝β+α(I)；(b)当步骤(a)计算出液压支架后连杆相对底座的倾角θ0后，通过读取液压支架平衡千斤顶和立柱的长度，将平衡千斤顶和立柱的长度带入液压支架的实时行为位姿状态方程(II)，可得出液压支架的实时位姿参数，最后在显示器上输出液压支架当前位姿状态，完成液压支架实时位姿状态监测；ϵθ0θ1θ2θ3θ4θ5θ6&本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二柱式液压支架位姿检测与控制系统，其特征在于，包括控制器、数据采集装置、第一加速度传感器、第二加速度传感器、行程传感器、激光测距仪、第一电磁比例阀和第二电磁比例阀；所述第一加速度传感器设置在液压支架的底座上，第二加速度传感器设置在液压支架的后连杆上，行程传感器设置在液压支架的平衡千斤顶内部，激光测距仪设置在液压支架的立柱上，第一电磁比例阀设置在液压支架平衡千斤顶液压控制回路上，第二电磁比例阀设置在液压支架立柱液压控制回路上，所述第一加速度传感器、第二加速度传感器、行程传感器、激光测距仪均与数据采集装置连接，数据采集装置与控制器连接，控制器还连接第一电磁比例阀和第二电磁比例阀。

【技术特征摘要】
1.一种二柱式液压支架位姿检测与控制系统，其特征在于，包括控制器、数据采集装置、第一加速度传感器、第二加速度传感器、行程传感器、激光测距仪、第一电磁比例阀和第二电磁比例阀；所述第一加速度传感器设置在液压支架的底座上，第二加速度传感器设置在液压支架的后连杆上，行程传感器设置在液压支架的平衡千斤顶内部，激光测距仪设置在液压支架的立柱上，第一电磁比例阀设置在液压支架平衡千斤顶液压控制回路上，第二电磁比例阀设置在液压支架立柱液压控制回路上，所述第一加速度传感器、第二加速度传感器、行程传感器、激光测距仪均与数据采集装置连接，数据采集装置与控制器连接，控制器还连接第一电磁比例阀和第二电磁比例阀。2.如权利要求1所述的二柱式液压支架位姿检测与控制系统，其特征在于，所述位姿检测与控制系统还包括输入装置，输入装置与控制器连接，所述输入装置选用显示器和键盘，或选用触摸屏显示/输入模块。3.如权利要求1所述的二柱式液压支架位姿检测与控制系统，其特征在于，所述控制器选用MSP430F5438A单...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾庆良，孟昭胜，万丽荣，杨扬，王成龙，孔帅，逯振国，刘鹏，姜考，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：新型
国别省市：山东;37