一种液压支架无线位移检测和自动找直系统及方法与流程

本发明属于煤矿液压支架电液控制技术领域，尤其是一种液压支架无线位移检测和自动找直系统及方法。

背景技术：

随着煤矿井下液压支架电液控制系统及采煤机技术的发展，自动采煤方式逐渐走向实用化。在自动采煤技术中，液压支架自动跟机和自动推移是技术关键，其中，自动跟机是指液压支架自动跟机煤机位置适时进行动作，自动推移是指液压支架根据需求自动向前推移，推移距离应当符合系统要求。现有的液压支架电控系统中，检测液压支架位移的方式是在液压缸内安装行程传感器进行间接测量。注液时，会推动挡板的移动，通过位移传感器来测量缸和挡板的位移，继而推断出液压支架移动距离。由于行程传感器是出厂前内置在缸体中的，因此，更换必须要拆开缸体。在实际应用中，现场出现故障后，需要上井维修，更换不及时，严重影响生产。另外拉液压支架时，挡板及刮板可能会出现后缩现象，所以液缸的位移并不直接等于液压支架移动距离，造成液压支架推移距离检测误差较大。这是以测量液缸行程来推算液压支架位移方法的通病。液压支架位移测量的不准确，直接导致了各个液压支架并不在一条直线上，极大影响了采煤效率和安全。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有设计的不足，提供一种液压支架无线位移检测和自动找直系统及方法，其采超宽带无线方式直接测量液压支架和参照物的相对位移，进而测量和调整整排液压支架并使其都保持在一条直线上，彻底解决了液压支架推不到位和对不齐的问题。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种液压支架无线位移检测和自动找直系统，包括UWB无线装置和液压支架控制器，每个液压支架控制器均连接一UWB无线装置且每个UWB无线装置安装在每个液压支架上相同位置上，液压支架上的UWB无线装置通过液压支架控制器进行供电；三个UWB无线装置等距安装在采煤机上，三个UWB无线装置的虚拟连线和采煤机机身处于平行状态，采煤机上的三个UWB无线装置由采煤机上的本安电源进行供电，上述UWB无线装置均有独立编号并通过自组网方式连接在一起。

所述UWB无线装置由STM天线、UWB脉冲收发电路、MCU模块、电源电路、时钟电路、flash电路和通讯接口电路构成，所述MCU模块与电源电路、UWB脉冲收发电路、时钟电路、flash电路和通讯接口电路相连接，所述UWB脉冲收发电路与STM天线相连接用来发射和接收无线脉冲信号。

所述MCU模块采用STM21L151模块。

一种液压支架无线位移检测和自动找直系统的方法，包括以下步骤：

步骤1、在采煤机上等距安装三个UWB无线装置，在每个液压支架上相同位置上安装一个UWB无线装置；

步骤2、以采煤机上的三个UWB无线装置作为坐标基点，计算每个液压支架的相对坐标以及每个液压支架到采煤机基线的距离；

步骤3、液压支架控制器根据液压支架到采煤机基线的距离控制液压支架推移和找直。

所述采煤机上的三个UWB无线装置均为严格等距，中间的UWB无线装置同时向两侧的UWB无线装置发送同步脉冲，使三个UWB无线装置在时间上严格同步。

所述步骤2的具体方法为：

(1)采用AoA方法测量被测液压支架与采煤机上的UWB无线装置的角度；

(2)采用TDoA方法测量被测液压支架与采煤机上的UWB无线装置的距离差，计算出被测液压支架的初步位置；

(3)根据被测液压支架的初步位置，发送经过拟合和精确调整的时间同步脉冲，使时间得到严格同步；

(4)通过TDoA算法进行二次计算，得出被测液压支架的最终位置信息，继而得出采煤机与被测液压支架之间横向和纵向的距离。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明采用超宽带(UWB)无线距离测量技术，将UWB无线装置安装在液压支架及采煤机上，并通过液压支架位移测量方法和自动找直方法实现液压支架位移测量和自动找直功能，极大地提高了煤矿井下测量的准确性和精度，降低了误差，可广泛用于煤矿井下瓦斯、煤尘等爆炸危险的环境中。

2、本发明摒弃了间接测量油缸行程的形式，采用UWB无线装置直接进行测量，这种直接测量的方式更直接，更准确，同时，提高了维护的便利性，能够在井下方便的更换测量设备。

附图说明

图1是本系统的连接示意图；

图2是本发明的位移测量和自动找直原理示意图；

图3是液压支架上UWB无线装置示意图；

图4是UWB无线装置的电路方框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

一种液压支架无线位移检测和自动找直系统，如图1所示，包括UWB无线装置和液压支架控制器，每个液压支架控制器均连接一UWB无线装置并安装在每个液压支架上相同位置上，并且都有独立的编号，液压支架上的UWB无线装置通过液压支架控制器进行供电，并进行数据通信。三个UWB无线装置等距安装在采煤机上，三个UWB无线装置的虚拟连线和采煤机机身处于平行状态。所述UWB无线装置采用UWB(超宽带)技术，其利用纳秒至皮秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，并在较宽的频谱上传送极低功率的信号抗干扰性能强，传输速率高，低功耗、高安全性、无线测距精度高。

如图2所示，本系统以采煤机上的三个UWB无线装置作为无线基准点，可以定位每个液压支架的坐标，并计算得出其与采煤机平行线的距离。当液压支架推移时，推移的位移由原始距离减去现有距离得出。同时，以已经平直的多个液压支架为参照点，将正在推移或检测到不平直的液压支架自动找直，使其和其他液压支架处于同一直线上。

如图3所示，液压支架上的UWB无线装置由液压支架控制器进行供电，并通过通讯接口电路进行数据传输。液压支架控制器之间通过CAN总线进行数据和控制命令的共享。采煤机上的三个UWB无线装置由采煤机上的本安电源进行供电。UWB无线装置测量得出的坐标信息和位移信息先发送给液压支架控制器。液压支架控制根据推移量的需求，控制液压支架的推移与停止。

UWB无线装置能够实现定位、距离测量和数据无线传输功能。如图4所示，UWB无线装置由STM天线、UWB脉冲收发电路、MCU模块、电源电路、时钟电路、flash电路和通讯接口电路构成。MCU模块采用STM21L151模块并与电源电路、UWB脉冲收发电路、时钟电路、flash电路和通讯接口电路相连接，UWB脉冲收发电路与STM天线相连接用来发射和接收无线脉冲信号；STM21L151(MCU)用来执行控制命令和计算数据。通讯接口电路用于与液压支架控制器进行通讯和数据传输，该液压支架控制器为用于液压支架控制专用设备，用于对液压支架进行监测和控制。

本发明采用UWB自组网技术，每个UWB无线装置除了可以测距和定位外，还可以自动进行无线网络建立和相互间数据传输。本发明在进行定位时，采用AoA和TDoA相结合的优化算法，使测量精度更高，更准确。在这两种基本定位算法基础上，提出了一些具体的优化算法，能够使测量更准确。

一种液压支架无线位移检测和自动找直的方法包括以下步骤：

步骤1、在采煤机上等距安装三个UWB无线装置，在每个液压支架上相同位置上安装一个UWB无线装置。

为了保证测量的精度，采煤机上的三个UWB无线装置安装距离为严格等距，中间的B点可同时向A点和C点发送同步脉冲，使三个UWB无线装置在时间上严格同步。

同时，液压支架与液压支架之间的距离一般为1.5米，因此设定液压支架与液压支架间有限横向距离范围，对各个液压支架的位置数据进行相互验证和筛选，剔除无效数据，提高测量精度。

步骤2、以采煤机上的三个UWB无线装置作为坐标基点，计算每个液压支架的相对坐标以及每个液压支架到采煤机基线的距离。

在本步骤中，UWB无线装置通过天线发送，接收装置接收到脉冲后，计算这个脉冲传播的时间并和光速相乘，即可得接收和发送点之间的距离。多个基准点都测得和被测点的距离后，便可计算出其相对坐标，以及横向距离分量和纵向距离分量(位移)。具体方法如下：

(1)采用AoA方法测量被测点(液压支架)与基准点(采煤机)的角度。

本发明中对AoA算法进行了一些优化，采煤机上的ABC三个点分别对同一个液压支架无线点进行测量时，AB两点测量的角度与BC测量的角度之和，等于AC测量的角度。通过角与线长的数学计算，将判断为不准确的测量数据抛弃，即可增加测量精度。

(2)采用TDoA方法测量被测点与基准点的距离差，从而计算出被测点的初步位置。

采用TDoA测量距离时，ABC三个点分别两两组合对同一个液压支架无线点进行测量，分为AB点组合测量，AC点组合测量和BC点组合测量。对测量结果进行筛选，根据三者的距离关系，剔除无效数据，提高测量精度。

(3)基于计算出的初步位置信息，经过计算，发送经过拟合和精确调整的时间同步脉冲，使时间得到严格同步。

(4)通过TDoA算法进行二次计算，得出被测点的最终位置信息，继而得出采煤机与液压支架之间横向和纵向的距离。

步骤3、液压支架控制器根据每个液压支架到采煤机基线的距离控制液压支架推移和找直。

如果每个液压支架到基准点的距离都相等，则所有液压支架就在一条直线上，并且这条直线和采煤机是平行关系；当采煤机行走过去，其后的液压支架会向前推移；液压支架原来到采煤机基线的距离减去移动后位置到基线的距离即为推移的位移；UWB无线装置将这个数据实时传递给液压支架控制器；液压支架控制器将位移数据与预设数据进行比较，控制液压支架是否继续推移，到达预设位移后，停止推移。

由于液压支架与液压支架之间也互为参照点，相互检验是否平直。如果检测到某支架没有平直，液压支架控制器会发出推移命令，使其调整到平直为止。

本发明不仅限于煤矿井下液压支架系统中液压支架位移检测和自动找直这一种方式，类似相关方式也可以运用这种方案。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。