急倾斜煤矿井下的自动化支架的中心距管理系统及方法与流程

1.本发明涉及煤矿井下支架中心距管理技术领域，尤其涉及一种用于急倾斜煤矿井下的自动化支架的中心距管理系统及方法。


背景技术：

2.因井下工作环境恶劣，飞矸较多，传感器很容易损坏，普通系统很容易因为某一个传感器损坏导致该区间参数无法取得，进而无法有效控制。


技术实现要素：

3.鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的急倾斜煤矿井下的自动化支架的中心距管理系统及方法。
4.第一方面，本发明提供了一种急倾斜煤矿井下的自动化支架的中心距管理系统，包括采煤机状态监控子系统、支架状态监测子系统、视频跟机识别子系统、溜子视频测位子系统、限推杆视频识别子系统、中心距移动管理子系统和动作机构；所述中心距移动管理子系统分别与采煤机状态监控子系统、支架状态监测子系统、视频跟机识别子系统和溜子视频测位子系统连接，所述视频跟机识别子系统与动作机构连接，所述动作机构与限推杆视频识别子系统连接，所述限推杆视频识别子系统与中心距移动管理子系统连接。
5.进一步地，所述中心距管理系统还包括动作急停子系统，所述动作急停子系统与中心距移动管理子系统连接。
6.进一步地，所述动作急停系统包括设置在每台支架的控制器上或者其沿线的喊话器上的急停按钮，使得整个系统可以在动作过程中被人为停下，提高运行安全性。
7.第二方面，本发明还提供了一种急倾斜煤矿井下的自动化支架的中心距管理方法，包括如下步骤：
8.s1：通过采煤机状态监控子系统监测、计算水平方向各支架中心点位置的采高；
9.s2：通过支架状态监测子系统监测、计算支架的实际支撑高度；
10.s3：通过中心距移动管理子系统将支架状态监测子系统得到的实际支撑高度与采煤机状态监控子系统得到的采高数据进行对比，以检查采高是否满足要求，即判断底板是否松软、接顶不充分或者顶板垮塌；
11.s4：若需调整中心距(即存在底板松软、接顶不充分或者顶板空洞)，通过视频跟机识别子系统检测支架动作区域内环境是否安全；
12.s5：若是，通过溜子视频测位子系统记录动作前溜子的初始位置用以作为中心距调整之后支架倾斜支撑角的辅助计算判据，通过动作机构实现立柱降下-升起立柱的过程，以调整中心距；
13.s6：通过溜子视频测位子系统判断伸出后的溜子的记录位置相对于初始位置是否下滑，用于后面补偿动作，如是，返回步骤s5；
14.s7：若不是，通过溜子视频测位子系统限推杆记录初始位置，通过动作机构伸出限
推杆使推杆给刮板机(溜子)给一个向上的斜撑力，保证采煤机在上行采煤的时候不会下滑。
15.s8：通过限推杆视频识别子系统根据视频比例计算限推杆伸出量，伸出量通过三角函数计算之后保证溜子与支架之间的夹角大于设定值，如果溜子与支架之间的夹角不够则给溜子的向上支撑力会不够，无法抵消溜子的下滑力，若大于则完成，若小于继续执行步骤s1-s8。
16.进一步地，所述步骤s1包括如下子步骤：
17.s11：采煤机位置通过惯导得到的前进加速度积分得到一个大致的位置；
18.s12：采煤机经过一个支架红外测试点时，采煤机的红外激光接收器接收该支架的红外激光发送器发送的激光信号，并此点作为新的基准点开始积分，同时以获得该支架的编号；
19.s13：通过采煤机的航向角确定滚筒在相对于支架的各个位置的远近，同样也是在经过一个支架之后刷新，以两架支架中心点为记录点，用以与支架上的推溜传感器数据做对比，做加权置信，得到支架中心处采煤机水平坐标；
20.s14：读取摇臂升起高度，加上滚筒直径和安装点位置补偿，得到各支架中心点位置的采高，即该点的顶底板间距。
21.进一步地，所述步骤s2包括如下子步骤：
22.s21：通过高度差传感器或顶板-平衡-底板倾角测量系统测出的角度；
23.s22：根据支架连杆几何关系计算出一个支架的支撑高度(实际建模高度)。
24.进一步地，所述步骤s3包括如下子步骤：
25.s31：通过中心距移动管理子系统将支架状态监测子系统得到的实际支撑高度与采煤机状态监控子系统得到的采高数据进行对比；
26.s32：若实际支撑高度大于所述采高则认为支架进入松软易泥化的泥岩或支架存在“卧底”；通过检测支架立柱压力是否正常，若立柱压力正常判断为支架存在“卧底”，则在支架中心距调整动作上会加入抬底动作，在收回/伸出支架侧护板之前将支架底板顶起方便移动；通过对于支架立柱压力和平衡压力的检测分析，在支架立柱升起至最大行程之后，立柱压力仍小于初撑力范围，则认为可能存在顶板空洞；
27.s33：若实际支撑高度小于所述采高则认为接顶不充分或者顶板垮塌；通过对于支架立柱压力和平衡压力的检测分析，若立柱压力大于初撑力范围，平衡压力大于预设，则认为可能存在顶板垮塌；若立柱压力小于初撑力范围，则认为可能存在接顶不充分，增加立柱升起时间标志打开，在后续动作中增加立柱的升起时间，保证接顶不充分部分能被消除。
28.进一步地，所述步骤s4具体包括：
29.若需调整中心距(即底板松软、接顶不充分或者顶板垮塌)，视频跟机识别子系统检测通过图像识别该支架和左右两台支架动作区域内是否存在操作人员，或者在立柱附近是否有明显异物，如果存在，以控制中心距调整动作不启动，报警提示。
30.进一步地，所述步骤s5中通过溜子视频测位子系统记录动作前溜子的初始位置用以作为中心距调整之后支架倾斜支撑角的辅助计算判据具体包括：
31.当确定了需要移动的支架满足了移动条件之后，识别一次该支架在溜子上的相对标记点，重新学习并刷新标记点学习好的灰度参数，只允许该参数单方向变化(即认为标记
点只会因为煤灰的堆积变暗轮廓更模糊，当人工清理之后，按下重新标定件回到最初状态)，防止因为采煤过程中的煤灰堆积使得无法识别，计算出当前支架摄像头相对于溜子的位置，并记录，与此同时，还会记录安装于支架顶板内侧的位移传感器的初始位置。
32.进一步地，所述步骤s5中所述通过动作机构实现立柱降下-升起立柱的过程以调整中心距包括如下步骤：
33.s51：支架立柱下降，抬底油缸根据情况工作或者不工作；在立柱安装了直径2.0的节流孔的情况下，如果处于接顶状态，抬底无需抬起，则该支架立柱降下动作维持1.5s；如抬底需要升起，该支架的立柱降下2.5s，抬底抬起；
34.s52：在上方支架降下后，上方支架的侧护收回，腾出一个能够使该支架有3
°
向上角度的间隙。
35.进一步地，所述步骤s52还包括：在支架立柱下降后，检查单位时间间隔的立柱下腔压力变化，若小于设定区间则认为顶板垮塌，停止后续动作；若存在压力变化，认为是侧护抵死，存在憋压，并短暂收侧护，释放卡住的压力，执行抬底油缸根据情况工作或者不工作。
36.进一步地，所述步骤s6包括：
37.通过溜子视频测位子系统实时计算支架相对于标记点的距离变化，如果超过设定时间位置未出现变化则认为存在矸石卡住了侧护板，会停止整个动作，报警提示，收回抬底，升起立柱至超过设定初撑力，上方支架伸出侧护。
38.本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
39.因井下工作环境恶劣，飞矸较多，传感器很容易损坏，普通系统很容易因为某一个传感器损坏导致该区间参数无法取得，进而无法有效控制，所以本发明所有涉及运行参数输入的系统都增加了二裕度设计，使得在单方测量/计算失效的时候，系统可以继续运行，提高了生产效率。通过加入二裕度设计，还可以通过比较这两个裕度的输入，推测出系统可能处于的工作状态，进而在原动作流程中加入一些补偿矫正动作，使得中心距控制过程更加的准确可靠。对于一些飞矸较多或者位置紧凑不便于安装传感器的动作副(如限推杆位置)，采用了图像识别，将传统的开环动作变为了闭环可监测动作，(不但监测了限推杆的伸出量，还可以直接看到推杆与支架的角度(即溜子抬起角度)，而这个角度是中心距控制系统的主要控制目的之一，保证了溜子的支撑力)。
附图说明
40.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考图形表示相同的部件。在附图中：
41.图1示出了本发明实施例一中一种急倾斜煤矿井下的自动化支架的中心距管理系统的连接示意图；
42.图2示出了本发明实施例二中一种急倾斜煤矿井下的自动化支架管理方法的流程示意图；
43.图3示出了本发明实施例二中步骤(1)的流程示意图；
44.图4示出了本发明实施例二中步骤(2)的流程示意图；
45.图5示出了本发明实施例二中步骤(3)的流程示意图；
46.图6示出了本发明实施例二中步骤(5)的的流程示意图；
47.图7示出了井下采煤机运动轨迹的俯视图；
48.图8示出了井下采煤机的支架左视图；
49.图9是采煤机滚筒和采高位移传感器的位置示意图。
具体实施方式
50.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
51.实施例一
52.如图1所示，一种急倾斜煤矿井下的自动化支架的中心距管理系统，包括采煤机状态监控子系统、支架状态监测子系统、视频跟机识别子系统、溜子视频测位子系统、限推杆视频识别子系统、中心距移动管理子系统和动作机构；所述中心距移动管理子系统分别与采煤机状态监控子系统、支架状态监测子系统、视频跟机识别子系统和溜子视频测位子系统连接，所述视频跟机识别子系统与动作机构连接，所述动作机构与限推杆视频识别子系统连接，所述限推杆视频识别子系统与中心距移动管理子系统连接。
53.在本实施例中，所述中心距管理系统还包括动作急停子系统，所述动作急停子系统与中心距移动管理子系统连接。
54.在本实施例中，所述动作急停系统包括设置在每台支架的控制器上或者其沿线的喊话器上的急停按钮，使得整个系统可以在动作过程中被人为停下，提高运行安全性。
55.在本实施例中，如图7-9所示，采煤机状态监控子系统、支架状态监测子系统、视频跟机识别子系统、溜子视频测位子系统、限推杆视频识别子系统、中心距移动管理子系统、动作机构均为现有存在的系统，本发明这些系统结合起来形成一种用于急倾斜煤矿井下的自动化支架的中心距管理系统，以解决现有技术存在的问题。如采煤机状态监控子系统包括采煤机的红外激光接收器、若干支架的红外激光发送器、采煤机的航向角、支架上的推溜传感器等，支架状态监测子系统包括高度差传感器或顶板-平衡-底板倾角测量系统，动作机构包括支架立柱、抬底油缸、支架的侧护等。采高位移传感器：采煤机监测采高的实际结构，通过摇臂升起量计算出滚筒高度，进而得到理论采高。陀螺仪：惯导的一种实现方式，一种为加速度惯导，只使用加速度计，一种为加速度和陀螺仪共同组成的惯导。
56.实施例二
57.如图2-9所示，一种急倾斜煤矿井下的自动化支架的中心距管理方法，包括如下步骤：
58.(1)通过采煤机状态监控子系统监测、计算水平方向各支架中心点位置的采高；
59.(2)通过支架状态监测子系统监测、计算支架的实际支撑高度；
60.(3)通过中心距移动管理子系统将支架状态监测子系统得到的实际支撑高度与采煤机状态监控子系统得到的采高数据进行对比，以检查采高是否满足要求，即判断底板是否松软、接顶不充分或者顶板垮塌；
61.(4)若需调整中心距(中心距是指两个支架的中心轴线之间的距离，在支架紧密排放的情况下，中心距只与单个支架的侧护伸出量有关系(因为侧护只有一边会伸出，另一边会使用限位机构锁止))，即存在底板松软、接顶不充分或者顶板空洞，通过视频跟机识别子系统检测支架动作区域内环境是否安全；
62.(5)若是，通过溜子视频测位子系统记录动作前溜子的初始位置用以作为中心距调整之后支架倾斜支撑角的辅助计算判据，通过动作机构实现立柱降下-升起立柱的过程，以调整中心距；
63.(6)通过溜子视频测位子系统判断伸出后的溜子的记录位置相对于初始位置是否下滑，用于后面补偿动作，如是，返回步骤s5；
64.(7)若不是，如图7所示，伸出限推杆使推杆给刮板机(溜子)给一个向上的斜撑力，保证采煤机在上行采煤的时候不会下滑。且在限推杆伸出将推杆顶置中间位置时，支架自身的要求偏转角度3
°
可以通过相似三角形的几何关系反映到摄像头在溜子上的视点移动距离。
65.(8)通过限推杆视频识别子系统根据视频比例计算限推杆伸出量，并伸出量通过三角函数计算之后保证溜子与支架之间的夹角大于设定值，如果溜子与支架之间的夹角不够则给溜子的向上支撑力会不够，无法抵消溜子的下滑力，设定值可为3
°
，其只是作为一个经验值，若大于则完成，若小于继续执行步骤s1-s8。
66.在本实施例中，如图3所示，所述步骤(1)包括如下子步骤：
67.(11)采煤机位置通过惯导得到的前进加速度积分得到一个大致的位置；
68.(12)采煤机经过一个支架红外测试点时，采煤机的红外激光接收器接收该支架的红外激光发送器发送的激光信号，并此点作为新的基准点开始积分，同时以获得该支架的编号；
69.(13)通过采煤机的航向角确定滚筒在相对于支架的各个位置的远近，同样也是在经过一个支架之后刷新，以两架支架中心点为记录点，用以与支架上的推溜传感器数据做对比，做加权置信，得到支架中心处采煤机水平坐标；
70.(14)读取摇臂升起高度，加上滚筒直径和安装点位置补偿，得到各支架中心点位置的采高，即该点的顶底板间距。
71.在本实施例中，如图4所示，所述步骤(2)包括如下子步骤：
72.(21)通过高度差传感器或顶板-平衡-底板倾角测量系统测出的角度；
73.(22)根据支架连杆几何关系可以算出一个支架的支撑高度(实际建模高度)。
74.高度差传感器是利用液位高低差的压强差值来反推安装间距，结合安装尺寸位置可以推出支架支撑高度；而顶板-平衡-底板倾角测量系统是通过顶底板角度差，加上两连架杆摆动角度，计算出简化的支架双摇杆模型的上下间距进而得到一个支撑高度。
75.在本实施例中，如图5所示，所述步骤(3)包括如下子步骤：
76.(31)通过中心距移动管理子系统将支架状态监测子系统得到的实际支撑高度b与采煤机状态监控子系统得到的采高a数据进行对比；
77.(32)若实际支撑高度b大于所述采高a则认为支架进入松软易泥化的泥岩或支架存在“卧底”；通过检测支架立柱压力是否正常，若立柱压力正常判断为支架存在“卧底”，则在支架中心距调整动作上会加入抬底动作，在收回/伸出支架侧护板之前将支架底板顶起
方便移动；通过对于支架立柱压力和平衡压力的检测分析，在支架立柱升起至最大行程之后，立柱压力仍小于初撑力范围，则认为可能存在顶板空洞；
78.(33)若实际支撑高度b小于所述采高a则认为接顶不充分或者顶板垮塌；通过对于支架立柱压力和平衡压力的检测分析，若立柱压力大于初撑力范围，平衡压力大于预设，则认为可能存在顶板垮塌；若立柱压力小于初撑力范围，则认为可能存在接顶不充分，增加立柱升起时间标志打开，在后续动作中增加立柱的升起时间，保证接顶不充分部分能被消除。
79.具体地，如果只使用采煤机状态监控子系统所得到的的高度a在截割滚筒刚经过时，采高是与此读数相等的，但是随着支架的支护跟进，采煤通道底板湿软或者采煤通道顶板整体性不好，支架支护介入之后会使得这个高度发生变化，如顶板破碎垮塌，支架拉架时前部下沉使底板被部分铲起，都会使得实际支护高度发生变化，而这个高度的变化一来会使得支架下的行人通过举例变窄，二来也容易使得支架的支撑力减弱。又因支撑环境是急倾斜工作面，支架支撑力不够会出现支架、溜子下滑，影响既定的采煤位置甚至可能损坏两端的巷道或巷道设备。又因为顶板情况一般是被支架挡住无法看见的，所以一般用立柱和平衡的压力反应接顶情况。
80.1、立柱压力过小，则认为顶板没有受力，即空顶，空顶时支架无论如何都无法自己产生支撑力，所以它在下方支架开始调架的时候必须和下方支架同步伸收侧护，否则按照正常流程该支架会因为提前收侧护让空间而下滑。
81.2、立柱压力在偏小范围，则认为是接顶不充分，则在本架调架完成之后增加立柱升起时间，保证初撑力，充分接顶。
82.3、当a《b时，且立柱压力正常，则认为支架在拉架过程中存在卧底，即支架下沉(前端陷入松软地板中)，在后续拉架、中心距调整动作中需要伸出抬底油缸，抬起支架，避免陷入地板中无法移动。
83.4、当a《b，且检测到立柱压力过大，则认为在支架的上方可能存在顶板垮塌，这种情况下，普通的降柱流程是没有办法使支架的上部和顶板分离的，侧护也没有办法移动，故在中心距控制过程中尝试延长立柱降下时间，如果压力在降下过程中一直没有明显变化则停止。此时支架进行报警提示，跳过调架流程，防止顶板垮塌情况恶化。
84.在本实施例中，所述步骤(4)具体包括：
85.若需调整中心距(即底板松软、接顶不充分或者顶板垮塌，这些条件并非中心距调整决定条件，中心距只在自身测量结果不符合要求时需要调整，这些条件只决定了中心距调整的方式)，视频跟机识别子系统检测通过图像识别该支架和左右两台支架动作区域内是否存在操作人员，或者在立柱附近是否有明显异物，如果存在，以控制中心距调整动作不启动，报警提示。
86.在本实施例中，所述步骤s5中通过溜子视频测位子系统记录动作前溜子的初始位置用以作为中心距调整之后支架倾斜支撑角的辅助计算判据具体包括：
87.当确定了需要移动的支架满足了移动条件之后，识别一次该支架在溜子上的相对标记点，重新学习并刷新标记点学习好的灰度参数，只允许该参数单方向变化(即认为标记点只会因为煤灰的堆积变暗轮廓更模糊，当人工清理之后，按下重新标定件回到最初状态)，防止因为采煤过程中的煤灰堆积使得无法识别，计算出当前支架摄像头相对于溜子的位置，并记录，与此同时，还会记录安装于支架顶板内侧的位移传感器的初始位置。
88.在本实施例中，所述步骤(5)中所述动作机构执行相应动作实现支架侧护伸出包括如下步骤：
89.s51：支架立柱下降，抬底油缸根据情况工作或者不工作；在立柱安装了直径2.0的节流孔的情况下，如果处于接顶状态，抬底无需抬起，则该支架立柱降下动作维持1.5s；如抬底需要升起，该支架的立柱降下2.5s，抬底抬起；通过该支架侧护伸出/收回至标准中心距对应的侧护伸出量+下一架支架摆出角度需要的该支架收回量。
90.s52：在上方支架降下后，上方支架的侧护收回，腾出一个能够使该支架有3
°
向上角度的间隙。
91.在一些实施例中，所述步骤(51)还包括：在支架立柱下降后，检查单位时间间隔的立柱下腔压力变化，若小于设定区间则认为顶板垮塌，停止后续动作；若存在压力变化，认为是侧护抵死，存在憋压，并短暂收侧护，释放卡住的压力，执行抬底油缸根据情况工作或者不工作。
92.在本实施例中，所述步骤(6)还包括：
93.通过溜子视频测位子系统实时计算支架相对于标记点的距离变化，如果超过设定时间位置未出现变化则认为存在矸石卡住了侧护板，会停止整个动作，报警提示，收回抬底，升起立柱至超过设定初撑力，上方支架伸出侧护。
94.由于井下工作环境恶劣，飞矸较多，传感器很容易损坏，普通系统很容易因为某一个传感器损坏导致该区间参数无法取得，进而无法有效控制，所以本发明所有涉及运行参数输入的系统都增加了二裕度设计，使得在单方测量/计算失效的时候，系统可以继续运行，提高了生产效率。通过加入二裕度设计，还可以通过比较这两个裕度的输入，推测出系统可能处于的工作状态，进而在原动作流程中加入一些补偿矫正动作，使得中心距控制过程更加的准确可靠。对于一些飞矸较多或者位置紧凑不便于安装传感器的动作副(如限推杆位置)，采用了图像识别，将传统的开环动作变为了闭环可监测动作，(不但监测了限推杆的伸出量，还可以直接看到推杆与支架的角度(即溜子抬起角度)，而这个角度是中心距控制系统的主要控制目的之一，保证了溜子的支撑力)。
95.应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。