一种基于惯性测量的矿用液压支架手势控制系统及方法
【专利摘要】本发明公开一种基于惯性测量的矿用液压支架手势控制系统及方法，通过惯性测量单元将操作人员的手势转换成相应的电信号；信号放大单元对其进行放大，然后通过A/D转换单元转换后传递给处理器单元进行分析处理，得到该手势对应的数列，再与标准手势数列进行比较匹配，识别出操作人员的手势，通过无线信号收发单元将该手势对应的控制信号发送给液压支架控制器无线信号收发模块，同时液压支架控制器无线信号收发模块反馈液压支架状态参数。该发明操作简单，只需操作人员做出相应的控制手势，液压支架就会做出相应的动作，在液压支架电液控按键不易操作或者发生故障的情况下控制液压支架的动作，可作为液压支架辅助控制方法，保证正常工作。
【专利说明】
一种基于惯性测量的矿用液压支架手势控制系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于惯性测量的矿用液压支架手势控制系统及方法，属于液压支架控制【技术领域】。
【背景技术】
[0002]液压支架作为综合机械化采煤的必备设备，为综采工作面采煤机、刮板输送机以及工作人员提供安全的工作空间。液压支架的控制技术近年来发展迅速，具有电液控制功能的液压支架被广泛运用到综采工作面。液压支架电液控制器作为控制液压支架的重要设备，在巷道的空间狭窄及障碍物较多的有些环境中液压支架电液控按键不易操作或者按键发生故障时，由于没有辅助控制方式，使得工作人员无法正常的进行液压支架的控制，影响了正常工作；而且现有的液压支架控制需要许多按键进行各个动作控制不仅操作复杂，而且容易发生误操作。
【发明内容】
[0003]针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于惯性测量的矿用液压支架手势控制系统及方法，操作简单，只需操作人员做出相应的控制手势，液压支架就会做出相应的动作，在液压支架电液控按键不易操作或者发生故障的情况下控制液压支架的动作，作为一种辅助控制方法，保证正常工作。
[0004]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:该基于惯性测量的矿用液压支架手势控制系统，包括操作显示部分和执行反馈部分，所述的操作显示部分包括惯性测量单元、处理器单元、供电单元、信号放大单元、数据存储单元、A/D转换单元、按键与显示单元和无线信号收发单元，惯性测量单元通过信号放大单元与A/D转换单元连接，A/D转换单元与处理器单元连接，处理器单元分别与按键与显示单元、数据存储单元和无线信号收发单元连接；所述的按键与显示单元包括按键单元和二十七个LED指示灯,供电单元为上述各单元供电；所述的执行反馈部分为液压支架控制器无线信号收发模块，无线信号收发单元与液压支架控制器无线信号收发模块无线连接。
[0005]进一步，所述的惯性测量单元为六轴MEMS惯性测量器。
[0006]进一步,所述的按键单元包括系统启动键/关闭键、O?9十个数字键、连接键、手势输入键、确认键、停止键、上一架键和下一架键。
[0007]进一步，所述的二十七个LED指示灯分别为电源指示灯、系统开启/关闭指示灯、系统与液压支架连接指示灯，降柱、移架、升柱、推溜、收护帮、伸护帮、收侧护板、伸侧护板、收平横千斤顶、伸平衡千斤顶、降柱+移架+抬底座和ASQ (即自动降移升顺序联动)，十二个液压支架动作指令指示灯和十二个液压支架状态显示灯。
[0008]进一步，所述的处理器单元为单片机。
[0009]进一步，所述的操作显示部分为手套式。
[0010]一种基于惯性测量的矿用液压支架手势控制方法，具体步骤为:
[0011](I)设定相对空间三轴坐标系:沿操作人员中指正向延伸方向为X轴正方向，水平面上与X轴正方向顺时针夹角为90°是Y轴正方向，垂直于X轴、Y轴所在的平面与重力方向相反为Z轴正方向，绕各个轴顺时针旋转为绕X轴、Y轴、Z轴的旋转正方向；
[0012](2)预先设定十二个不同的标准手势；
[0013](3)通过运动学理论分析得出每个标准手势的X轴、Y轴和Z轴的加速度分量及绕X轴、Y轴、Z轴的旋转角速度值；
[0014](4)将理论分析得出的每个手势的X轴、Y轴和Z轴的加速度分量及绕X轴、Y轴、Z轴的旋转角速度值，传递给单片机进行分析处理，处理后转换成一个标准数列，然后存储在数据存储单元中；
[0015](5)十二个标准数列分别对应液压支架的降柱、移架、升柱、推溜、收护帮、伸护帮、收侧护板、伸侧护板、收平横千斤顶、伸平衡千斤顶、降柱+移架+抬底座和ASQ(即自动降移升顺序联动)十二个动作的控制信号；
[0016](6)将液压支架控制器无线信号收发模块安装在液压支架上，并与液压支架电液控制器连接，操作显示部分以手套形式固定在操作人员手中；
[0017](7)操作人员按下手势输入键后，操作人员任意做出十二个手势之一，六轴MEMS惯性测量器将测得X轴、Y轴和Z轴的加速度分量及绕X轴、Y轴、Z轴的旋转角速度值传递给单片机进行处理后转换成数列；
[0018](8)单片机将步骤￠)中得到的数据序列与存储在数据存储单元中的标准数列进行匹配，若匹配成功，对应的液压支架动作指令指示灯会点亮，则操作人员通过按确认键使单片机通过无线信号收发单元发出相应地控制信号；若液压支架动作指令指示灯未点亮，则需重新做出手势；
[0019](9)液压支架控制器无线信号收发模块接收到传来的控制信号，通过液压支架电液控制器控制液压支架做出相应的动作，同时将液压支架的状态信息反馈给操作显示部分，若液压支架按照操作人员所做的手势完成相应的动作后，则对应的液压支架状态显示灯点亮。
[0020]与现有技术相比，本发明采用MEMS惯性测量器和单片机相结合的方式，只需操作人员做出相应的控制手势，通过MEMS惯性测量器识别手势，液压支架就会做出相应的动作，只需一个确认键就可以完成多个液压支架动作，无需多组控制按键；在液压支架电液控按键不易操作或者发生故障的情况下控制液压支架的动作，作为一种辅助控制方法，保证了正常工作。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是本发明的电原理框图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0023]如图1所示，该基于惯性测量的矿用液压支架手势控制系统，包括操作显示部分和执行反馈部分，所述的操作显示部分包括惯性测量单元、处理器单元、供电单元、信号放大单元、数据存储单元、A/D转换单元、按键与显示单元和无线信号收发单元,惯性测量单元通过信号放大单元与A/D转换单元连接，A/D转换单元与处理器单元连接，处理器单元分别与按键与显示单元、数据存储单元和无线信号收发单元连接；所述的按键与显示单元包括按键单元和二十七个LED指示灯，供电单元为上述各单元供电；所述的执行反馈部分为液压支架控制器无线信号收发模块，无线信号收发单元与液压支架控制器无线信号收发模块无线连接。
[0024]优选的，所述的惯性测量单元为六轴MEMS惯性测量器；其具有尺寸紧凑，灵敏度高等特点，能够方便的安装到操作显示部分中。
[0025]进一步，所述的按键单元包括系统启动键/关闭键、O?9十个数字键、连接键、手势输入键、确认键、停止键、上一架键和下一架键；所述系统启动/关闭键用于控制整个系统的开启和关闭，10个数字键用于输入被控制液压支架的支架号，连接键用于连接被控液压支架和手势控制系统，按下手势输入键用于手势的采集和匹配，按下确认键用于确定系统向液压支架发出控制指令，按下停止键用于停止正在动作的液压支架，按上一架键用来连接被控液压支架的上一台支架，按下一架键用来连接被控液压支架的下一台支架。
[0026]进一步，所述的二十七个LED指示灯分别为电源指示灯、系统开启/关闭指示灯、系统与液压支架连接指示灯，降柱、移架、升柱、推溜、收护帮、伸护帮、收侧护板、伸侧护板、收平横千斤顶、伸平衡千斤顶、降柱+移架+抬底座和ASQ，十二个液压支架动作指令指示灯，其作用为当对应动作的指示灯亮后才能按确认键向液压支架发送控制指令；十二个液压支架状态显示灯，其作用为显示液压支架是否按照控制命令完成动作。
[0027]优选所述的处理器单元为单片机；其具有高性能、低成本、低功耗的特点。
[0028]进一步，所述的操作显示部分为手套式；采用手套式便于操作人员携带及使用。
[0029]该基于惯性测量的矿用液压支架手势控制方法，其具体步骤为:
[0030](I)事先对X、Y、Z三个轴坐标系进行定义，因为其坐标系不是空间绝对坐标系，而是相对坐标系；现对坐标轴作如下定义，沿操作人员中指正向延伸方向为X轴正方向，水平面上与X轴正方向顺时针夹角为90°是Y轴正方向，垂直于X轴、Y轴所在的平面与重力方向相反为Z轴正方向，绕各个轴顺时针旋转为绕X轴、Y轴、Z轴的旋转正方向；
[0031 ] (2)预先设定十二个不同的标准手势；
[0032](3)按下系统启动键、等待系统启动指示灯亮之后表示系统开始工作；按下需要操作的液压支架的编号，按下连接键，等待连接指示灯亮之后表示连接成功；通过运动学理论分析得出每个标准手势的X轴、Y轴和Z轴的加速度分量及绕X轴、Y轴、Z轴的旋转角速度值；
[0033](4)将理论分析得出的每个手势的X轴、Y轴和Z轴的加速度分量及绕X轴、Y轴、Z轴的旋转角速度值，传递给单片机进行分析处理，处理后转换成一个标准数列，然后存储在数据存储单元中；所述的标准数列由一个24位的字节组成，0-3位为绕Z轴旋转的数列，
4-7位为沿Z轴的加速度数列，8-11位为绕Y轴旋转的数列，12-15位为沿Y轴的加速度数列，16-19位为绕X轴旋转的数列，20-23位为沿X轴的加速度数列；进而得出十二个标准数列；
[0034](5)如表I所示，十二个标准数列分别对应液压支架的降柱、移架、升柱、推溜、收护帮、伸护帮、收侧护板、伸侧护板、收平横千斤顶、伸平衡千斤顶、降柱+移架+抬底座和ASQ十二个动作的控制信号；
[0035](6)将液压支架控制器无线信号收发模块安装在液压支架上，并与液压支架电液控制器连接，操作显示部分以手套形式固定在操作人员手中；
[0036](7)操作人员按下手势输入键后,操作人员任意做出十二个手势之一,六轴MEMS惯性测量器将测得X轴、Y轴和Z轴的加速度分量及绕X轴、Y轴、Z轴的旋转角速度值，传递给单片机进行处理后转换成数列；
[0037](8)为了减少误操作的概率，处理器单元要对六轴MEMS惯性测量器传来的数据进行处理判断，当操作者的手势行程少于15cm或者手势旋转角小于30°时，系统判定为误操作。在正常操作下，单片机将步骤(6)中得到的数据序列与存储在数据存储单元中的标准数列进行匹配，若匹配成功，对应的液压支架动作指令指示灯会点亮，则操作人员通过按确认键单片机通过无线信号收发单元发出相应地控制信号；例如当操作者手势沿X轴正方向平移超过15cm时，根据分析手势的运动学规律，系统将检测到一个沿X轴方向的加速度和减速度，此时处理器单元将数列的20-23位写入数据[11-1-1]，整个数列为[11-1-1 0000
00000000 0000 0000]，得出移架的数列，将这个数列和数据存储单元里的标准数列匹配，得到液压支架的移架指令，此时液压支架移架指令指示灯会点亮，操作人员通过按确认键使单片机通过无线信号收发单元发出相应地控制信号；同理，当操作者手势绕X轴正向做顺时针旋转超过30°时，系统将根据检测到的手势旋转方向，将数列的16-19位写入数据
[1111]，整个数列为[0000 1111 0000 0000 0000 0000]，得出伸侧护板的数列，将这个数列和数据存储单元里的标准数列匹配，得到液压支架的伸侧护板指令，此时液压支架伸侧护板指令指示灯会点亮，操作人员通过按确认键使单片机通过无线信号收发单元发出相应地控制信号；若液压支架动作指令指示灯未点亮，则需重新做出手势；
[0038](9)液压支架控制器无线信号收发模块接收到传来的控制信号，通过液压支架电液控制器控制液压支架做出相应的动作，同时将液压支架的状态信息反馈给操作显示部分，若液压支架按照操作人员所做的手势完成相应的动作后，则对应的液压支架状态显示灯点亮。
[0039]表1:
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【权利要求】
1.一种基于惯性测量的矿用液压支架手势控制系统，其特征在于，包括操作显示部分和执行反馈部分，所述的操作显示部分包括惯性测量单元、处理器单元、供电单元、信号放大单元、数据存储单元、A/D转换单元、按键与显示单元和无线信号收发单元,惯性测量单元通过信号放大单元与A/D转换单元连接，A/D转换单元与处理器单元连接，处理器单元分别与按键与显示单元、数据存储单元和无线信号收发单元连接；所述的按键与显示单元包括按键单元和二十七个LED指示灯，供电单元为上述各单元供电；所述的执行反馈部分为液压支架控制器无线信号收发模块，无线信号收发单元与液压支架控制器无线信号收发模块无线连接。
2.根据权利要求1所述的基于惯性测量的矿用液压支架手势控制系统，其特征在于，所述的惯性测量单元为六轴MEMS惯性测量器。
3.根据权利要求1或2所述的基于惯性测量的矿用液压支架手势控制系统，其特征在于，所述的按键单元包括系统启动键/关闭键、O?9十个数字键、连接键、手势输入键、确认键、停止键、上一架键和下一架键。
4.根据权利要求1或2所述的基于惯性测量的矿用液压支架手势控制系统，其特征在于，所述的二十七个LED指示灯分别为电源指示灯、系统开启/关闭指示灯、系统与液压支架连接指示灯，降柱、移架、升柱、推溜、收护帮、伸护帮、收侧护板、伸侧护板、收平横千斤顶、伸平衡千斤顶、降柱+移架+抬底座和ASQ，十二个液压支架动作指令指示灯和十二个液压支架状态显示灯。
5.根据权利要求1所述的基于惯性测量的矿用液压支架手势控制系统，其特征在于，所述的处理器单元为单片机。
6.根据权利要求1所述的基于惯性测量的矿用液压支架手势控制系统，其特征在于，所述的操作显示部分为手套式。
7.一种基于惯性测量的矿用液压支架手势控制方法，其特征在于，具体步骤为: (1)设定相对空间三轴坐标系:沿操作人员中指正向延伸方向为X轴正方向，水平面上与X轴正方向顺时针夹角为90°是Y轴正方向，垂直于X轴、Y轴所在的平面与重力方向相反为Z轴正方向，绕各个轴顺时针旋转为绕X轴、Y轴、Z轴的旋转正方向； (2)预先设定十二个不同的标准手势； (3)通过运动学理论分析得出每个标准手势的X轴、Y轴和Z轴的加速度分量及绕X轴、Y轴、Z轴的旋转角速度值； (4)将理论分析得出的每个手势的X轴、Y轴和Z轴的加速度分量及绕X轴、Y轴、Z轴的旋转角速度值，传递给单片机进行分析处理，处理后转换成一个标准数列，然后存储在数据存储单兀中； (5)十二个标准数列分别对应液压支架的降柱、移架、升柱、推溜、收护帮、伸护帮、收侧护板、伸侧护板、收平横千斤顶、伸平衡千斤顶、降柱+移架+抬底座和ASQ十二个动作的控制信号； (6)将液压支架控制器无线信号收发模块安装在液压支架上，并与液压支架电液控制器连接，操作显示部分以手套形式固定在操作人员手中； (7)操作人员按下手势输入键后，操作人员任意做出十二个手势之一，六轴MEMS惯性测量器将测得X轴、Y轴和Z轴的加速度分量及绕X轴、Y轴、Z轴的旋转角速度值传递给单片机进行处理后转换成数列； (8)单片机将步骤￠)中得到的数据序列与存储在数据存储单元中的标准数列进行匹配，若匹配成功，对应的液压支架动作指令指示灯会点亮，则操作人员通过按确认键使单片机通过无线信号收发单元发出相应地控制信号；若液压支架动作指令指示灯未点亮，则需重新做出手势； (9)液压支架控制器无线信号收发模块接收到传来的控制信号，通过液压支架电液控制器控制液压支架做出相应的动作，同时将液压支架的状态信息反馈给操作显示部分，若液压支架按照操作人员所做的手势完成相应的动作后，则对应的液压支架状态显示灯点売。
【文档编号】E21D23/12GK104141505SQ201410306090
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年6月30日 优先权日:2014年6月30日
【发明者】王忠宾, 范祯科, 谭超, 许静, 周晓谋, 闫海峰, 姚新港 申请人:中国矿业大学