本發(fā)明屬于煤礦液壓支架電液控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種液壓支架無線位移檢測和自動(dòng)找直系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

隨著煤礦井下液壓支架電液控制系統(tǒng)及采煤機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)采煤方式逐漸走向?qū)嵱没?。在自?dòng)采煤技術(shù)中，液壓支架自動(dòng)跟機(jī)和自動(dòng)推移是技術(shù)關(guān)鍵，其中，自動(dòng)跟機(jī)是指液壓支架自動(dòng)跟機(jī)煤機(jī)位置適時(shí)進(jìn)行動(dòng)作，自動(dòng)推移是指液壓支架根據(jù)需求自動(dòng)向前推移，推移距離應(yīng)當(dāng)符合系統(tǒng)要求。現(xiàn)有的液壓支架電控系統(tǒng)中，檢測液壓支架位移的方式是在液壓缸內(nèi)安裝行程傳感器進(jìn)行間接測量。注液時(shí)，會(huì)推動(dòng)擋板的移動(dòng)，通過位移傳感器來測量缸和擋板的位移，繼而推斷出液壓支架移動(dòng)距離。由于行程傳感器是出廠前內(nèi)置在缸體中的，因此，更換必須要拆開缸體。在實(shí)際應(yīng)用中，現(xiàn)場出現(xiàn)故障后，需要上井維修，更換不及時(shí)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。另外拉液壓支架時(shí)，擋板及刮板可能會(huì)出現(xiàn)后縮現(xiàn)象，所以液缸的位移并不直接等于液壓支架移動(dòng)距離，造成液壓支架推移距離檢測誤差較大。這是以測量液缸行程來推算液壓支架位移方法的通病。液壓支架位移測量的不準(zhǔn)確，直接導(dǎo)致了各個(gè)液壓支架并不在一條直線上，極大影響了采煤效率和安全。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有設(shè)計(jì)的不足，提供一種液壓支架無線位移檢測和自動(dòng)找直系統(tǒng)及方法，其采超寬帶無線方式直接測量液壓支架和參照物的相對位移，進(jìn)而測量和調(diào)整整排液壓支架并使其都保持在一條直線上，徹底解決了液壓支架推不到位和對不齊的問題。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題是采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種液壓支架無線位移檢測和自動(dòng)找直系統(tǒng)，包括UWB無線裝置和液壓支架控制器，每個(gè)液壓支架控制器均連接一UWB無線裝置且每個(gè)UWB無線裝置安裝在每個(gè)液壓支架上相同位置上，液壓支架上的UWB無線裝置通過液壓支架控制器進(jìn)行供電；三個(gè)UWB無線裝置等距安裝在采煤機(jī)上，三個(gè)UWB無線裝置的虛擬連線和采煤機(jī)機(jī)身處于平行狀態(tài)，采煤機(jī)上的三個(gè)UWB無線裝置由采煤機(jī)上的本安電源進(jìn)行供電，上述UWB無線裝置均有獨(dú)立編號并通過自組網(wǎng)方式連接在一起。

所述UWB無線裝置由STM天線、UWB脈沖收發(fā)電路、MCU模塊、電源電路、時(shí)鐘電路、flash電路和通訊接口電路構(gòu)成，所述MCU模塊與電源電路、UWB脈沖收發(fā)電路、時(shí)鐘電路、flash電路和通訊接口電路相連接，所述UWB脈沖收發(fā)電路與STM天線相連接用來發(fā)射和接收無線脈沖信號。

所述MCU模塊采用STM21L151模塊。

一種液壓支架無線位移檢測和自動(dòng)找直系統(tǒng)的方法，包括以下步驟：

步驟1、在采煤機(jī)上等距安裝三個(gè)UWB無線裝置，在每個(gè)液壓支架上相同位置上安裝一個(gè)UWB無線裝置；

步驟2、以采煤機(jī)上的三個(gè)UWB無線裝置作為坐標(biāo)基點(diǎn)，計(jì)算每個(gè)液壓支架的相對坐標(biāo)以及每個(gè)液壓支架到采煤機(jī)基線的距離；

步驟3、液壓支架控制器根據(jù)液壓支架到采煤機(jī)基線的距離控制液壓支架推移和找直。

所述采煤機(jī)上的三個(gè)UWB無線裝置均為嚴(yán)格等距，中間的UWB無線裝置同時(shí)向兩側(cè)的UWB無線裝置發(fā)送同步脈沖，使三個(gè)UWB無線裝置在時(shí)間上嚴(yán)格同步。

所述步驟2的具體方法為：

(1)采用AoA方法測量被測液壓支架與采煤機(jī)上的UWB無線裝置的角度；

(2)采用TDoA方法測量被測液壓支架與采煤機(jī)上的UWB無線裝置的距離差，計(jì)算出被測液壓支架的初步位置；

(3)根據(jù)被測液壓支架的初步位置，發(fā)送經(jīng)過擬合和精確調(diào)整的時(shí)間同步脈沖，使時(shí)間得到嚴(yán)格同步；

(4)通過TDoA算法進(jìn)行二次計(jì)算，得出被測液壓支架的最終位置信息，繼而得出采煤機(jī)與被測液壓支架之間橫向和縱向的距離。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：

1、本發(fā)明采用超寬帶(UWB)無線距離測量技術(shù)，將UWB無線裝置安裝在液壓支架及采煤機(jī)上，并通過液壓支架位移測量方法和自動(dòng)找直方法實(shí)現(xiàn)液壓支架位移測量和自動(dòng)找直功能，極大地提高了煤礦井下測量的準(zhǔn)確性和精度，降低了誤差，可廣泛用于煤礦井下瓦斯、煤塵等爆炸危險(xiǎn)的環(huán)境中。

2、本發(fā)明摒棄了間接測量油缸行程的形式，采用UWB無線裝置直接進(jìn)行測量，這種直接測量的方式更直接，更準(zhǔn)確，同時(shí)，提高了維護(hù)的便利性，能夠在井下方便的更換測量設(shè)備。

附圖說明

圖1是本系統(tǒng)的連接示意圖；

圖2是本發(fā)明的位移測量和自動(dòng)找直原理示意圖；

圖3是液壓支架上UWB無線裝置示意圖；

圖4是UWB無線裝置的電路方框圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施例做進(jìn)一步詳述：

一種液壓支架無線位移檢測和自動(dòng)找直系統(tǒng)，如圖1所示，包括UWB無線裝置和液壓支架控制器，每個(gè)液壓支架控制器均連接一UWB無線裝置并安裝在每個(gè)液壓支架上相同位置上，并且都有獨(dú)立的編號，液壓支架上的UWB無線裝置通過液壓支架控制器進(jìn)行供電，并進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。三個(gè)UWB無線裝置等距安裝在采煤機(jī)上，三個(gè)UWB無線裝置的虛擬連線和采煤機(jī)機(jī)身處于平行狀態(tài)。所述UWB無線裝置采用UWB(超寬帶)技術(shù)，其利用納秒至皮秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，并在較寬的頻譜上傳送極低功率的信號抗干擾性能強(qiáng)，傳輸速率高，低功耗、高安全性、無線測距精度高。

如圖2所示，本系統(tǒng)以采煤機(jī)上的三個(gè)UWB無線裝置作為無線基準(zhǔn)點(diǎn)，可以定位每個(gè)液壓支架的坐標(biāo)，并計(jì)算得出其與采煤機(jī)平行線的距離。當(dāng)液壓支架推移時(shí)，推移的位移由原始距離減去現(xiàn)有距離得出。同時(shí)，以已經(jīng)平直的多個(gè)液壓支架為參照點(diǎn)，將正在推移或檢測到不平直的液壓支架自動(dòng)找直，使其和其他液壓支架處于同一直線上。

如圖3所示，液壓支架上的UWB無線裝置由液壓支架控制器進(jìn)行供電，并通過通訊接口電路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。液壓支架控制器之間通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制命令的共享。采煤機(jī)上的三個(gè)UWB無線裝置由采煤機(jī)上的本安電源進(jìn)行供電。UWB無線裝置測量得出的坐標(biāo)信息和位移信息先發(fā)送給液壓支架控制器。液壓支架控制根據(jù)推移量的需求，控制液壓支架的推移與停止。

UWB無線裝置能夠?qū)崿F(xiàn)定位、距離測量和數(shù)據(jù)無線傳輸功能。如圖4所示，UWB無線裝置由STM天線、UWB脈沖收發(fā)電路、MCU模塊、電源電路、時(shí)鐘電路、flash電路和通訊接口電路構(gòu)成。MCU模塊采用STM21L151模塊并與電源電路、UWB脈沖收發(fā)電路、時(shí)鐘電路、flash電路和通訊接口電路相連接，UWB脈沖收發(fā)電路與STM天線相連接用來發(fā)射和接收無線脈沖信號；STM21L151(MCU)用來執(zhí)行控制命令和計(jì)算數(shù)據(jù)。通訊接口電路用于與液壓支架控制器進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)傳輸，該液壓支架控制器為用于液壓支架控制專用設(shè)備，用于對液壓支架進(jìn)行監(jiān)測和控制。

本發(fā)明采用UWB自組網(wǎng)技術(shù)，每個(gè)UWB無線裝置除了可以測距和定位外，還可以自動(dòng)進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)建立和相互間數(shù)據(jù)傳輸。本發(fā)明在進(jìn)行定位時(shí)，采用AoA和TDoA相結(jié)合的優(yōu)化算法，使測量精度更高，更準(zhǔn)確。在這兩種基本定位算法基礎(chǔ)上，提出了一些具體的優(yōu)化算法，能夠使測量更準(zhǔn)確。

一種液壓支架無線位移檢測和自動(dòng)找直的方法包括以下步驟：

步驟1、在采煤機(jī)上等距安裝三個(gè)UWB無線裝置，在每個(gè)液壓支架上相同位置上安裝一個(gè)UWB無線裝置。

為了保證測量的精度，采煤機(jī)上的三個(gè)UWB無線裝置安裝距離為嚴(yán)格等距，中間的B點(diǎn)可同時(shí)向A點(diǎn)和C點(diǎn)發(fā)送同步脈沖，使三個(gè)UWB無線裝置在時(shí)間上嚴(yán)格同步。

同時(shí)，液壓支架與液壓支架之間的距離一般為1.5米，因此設(shè)定液壓支架與液壓支架間有限橫向距離范圍，對各個(gè)液壓支架的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行相互驗(yàn)證和篩選，剔除無效數(shù)據(jù)，提高測量精度。

步驟2、以采煤機(jī)上的三個(gè)UWB無線裝置作為坐標(biāo)基點(diǎn)，計(jì)算每個(gè)液壓支架的相對坐標(biāo)以及每個(gè)液壓支架到采煤機(jī)基線的距離。

在本步驟中，UWB無線裝置通過天線發(fā)送，接收裝置接收到脈沖后，計(jì)算這個(gè)脈沖傳播的時(shí)間并和光速相乘，即可得接收和發(fā)送點(diǎn)之間的距離。多個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)都測得和被測點(diǎn)的距離后，便可計(jì)算出其相對坐標(biāo)，以及橫向距離分量和縱向距離分量(位移)。具體方法如下：

(1)采用AoA方法測量被測點(diǎn)(液壓支架)與基準(zhǔn)點(diǎn)(采煤機(jī))的角度。

本發(fā)明中對AoA算法進(jìn)行了一些優(yōu)化，采煤機(jī)上的ABC三個(gè)點(diǎn)分別對同一個(gè)液壓支架無線點(diǎn)進(jìn)行測量時(shí)，AB兩點(diǎn)測量的角度與BC測量的角度之和，等于AC測量的角度。通過角與線長的數(shù)學(xué)計(jì)算，將判斷為不準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)拋棄，即可增加測量精度。

(2)采用TDoA方法測量被測點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)的距離差，從而計(jì)算出被測點(diǎn)的初步位置。

采用TDoA測量距離時(shí)，ABC三個(gè)點(diǎn)分別兩兩組合對同一個(gè)液壓支架無線點(diǎn)進(jìn)行測量，分為AB點(diǎn)組合測量，AC點(diǎn)組合測量和BC點(diǎn)組合測量。對測量結(jié)果進(jìn)行篩選，根據(jù)三者的距離關(guān)系，剔除無效數(shù)據(jù)，提高測量精度。

(3)基于計(jì)算出的初步位置信息，經(jīng)過計(jì)算，發(fā)送經(jīng)過擬合和精確調(diào)整的時(shí)間同步脈沖，使時(shí)間得到嚴(yán)格同步。

(4)通過TDoA算法進(jìn)行二次計(jì)算，得出被測點(diǎn)的最終位置信息，繼而得出采煤機(jī)與液壓支架之間橫向和縱向的距離。

步驟3、液壓支架控制器根據(jù)每個(gè)液壓支架到采煤機(jī)基線的距離控制液壓支架推移和找直。

如果每個(gè)液壓支架到基準(zhǔn)點(diǎn)的距離都相等，則所有液壓支架就在一條直線上，并且這條直線和采煤機(jī)是平行關(guān)系；當(dāng)采煤機(jī)行走過去，其后的液壓支架會(huì)向前推移；液壓支架原來到采煤機(jī)基線的距離減去移動(dòng)后位置到基線的距離即為推移的位移；UWB無線裝置將這個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞給液壓支架控制器；液壓支架控制器將位移數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，控制液壓支架是否繼續(xù)推移，到達(dá)預(yù)設(shè)位移后，停止推移。

由于液壓支架與液壓支架之間也互為參照點(diǎn)，相互檢驗(yàn)是否平直。如果檢測到某支架沒有平直，液壓支架控制器會(huì)發(fā)出推移命令，使其調(diào)整到平直為止。

本發(fā)明不僅限于煤礦井下液壓支架系統(tǒng)中液壓支架位移檢測和自動(dòng)找直這一種方式，類似相關(guān)方式也可以運(yùn)用這種方案。

需要強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明所述的實(shí)施例是說明性的，而不是限定性的，因此本發(fā)明包括并不限于具體實(shí)施方式中所述的實(shí)施例，凡是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案得出的其他實(shí)施方式，同樣屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。