[發明專利]一種綜采工作面液壓支架絕對位置和姿態檢測裝置及方法

有效

• 申請號: 201710944083.3
• 申請日: 2017-09-30
• 公開（公告）號: CN107765236B
• 公開（公告）日: 2023-04-14
• 發明（設計）人: 張武剛;郭衛;趙栓峰;王巍
• 申請（專利權）人: 西安科技大學
• 主分類號: G01S11/12
• 分類號: G01S11/12
• 代理公司: 西安創知專利事務所 61213
• 代理人: 譚文琰

1.一種綜采工作面液壓支架絕對位置和姿態檢測方法，該方法采用的裝置包括傳感器組、數據處理器(19)和與數據處理器(19)相接的數據存儲器(14)，以及設置在待檢測液壓支架上的靶標，所述傳感器組與數據處理器(19)進行無線數據傳輸，所述傳感器組包括設置在進風巷(2)頂板控制點的第一基準光電跟蹤器(3)、設置在回風巷(1)頂板控制點的第二基準光電跟蹤器(4)和多個設置在液壓支架下方過渡點處的局部光電跟蹤器(5)，以及安裝在待檢測液壓支架上的雙軸水平儀(6)，所述第一基準光電跟蹤器(3)、第二基準光電跟蹤器(4)、局部光電跟蹤器(5)和雙軸水平儀(6)均與數據處理器(19)進行無線數據傳輸，所述數據處理器(19)的輸入端接有參數輸入模塊(17)；其特征在于：

步驟一、基準點的布置及基準光電跟蹤器的安裝：首先在進風巷(2)的頂板控制點設置第一基準點，并在所述第一基準點處安裝第一基準光電跟蹤器(3)；然后，在回風巷(1)的頂板控制點設置第二基準點，并在所述第二基準點處安裝第二基準光電跟蹤器(4)；其中，所述第一基準點記作基準點A，所述第二基準點記作基準點B；

步驟二、過渡點的布置及局部光電跟蹤器的安裝：首先，分別在多個所述液壓支架頂梁下方設置多個過渡點；然后，分別在多個所述過渡點處安裝局部光電跟蹤器(5)；其中，多個所述過渡點分別為過渡點O₁、過渡點O₂、…、過渡點O_N，多個所述過渡點中第i個過渡點記作O_i，i為正整數且i＝1、2、…、N，N為所述過渡點的數量，所述過渡點O₁靠近進風巷(2)，所述過渡點O_N靠近回風巷(1)，多個所述局部光電跟蹤器(5)分別為安裝在過渡點O₁上的第一局部光電跟蹤器、安裝在過渡點O₂上的第二局部光電跟蹤器、…、安裝在過渡點O_N-1上的第N-1局部光電跟蹤器和安裝在過渡點O_N上的第N局部光電跟蹤器，多個所述局部光電跟蹤器(5)中第i局部光電跟蹤器為安裝在過渡點O_i上；

步驟三、建立東北天地理坐標系并獲取基準點的坐標：分別在基準點A、基準點B和過渡點O_i處建立東北天地理坐標系AXYZ、東北天地理坐標系BXYZ和東北天地理坐標系O_iXYZ，獲得基準點A的坐標A(x_A,y_A,z_A)和基準點B的坐標B(x_B,y_B,z_B)，通過所述參數輸入模塊(17)輸入，并存儲至數據存儲器(14)中；

步驟四、根據基準點A獲取各個過渡點的坐標，具體過程如下：

步驟401、調整所述第一基準光電跟蹤器(3)，且使所述第一基準光電跟蹤器(3)所發出激光光束投射在過渡點O₁上，所述第一基準光電跟蹤器(3)對過渡點O₁的姿態進行實時檢測，并將檢測到的過渡點O₁姿態數據O′₁無線傳送至數據處理器(19)，數據處理器(19)接收到過渡點O₁姿態數據O′₁，且所述過渡點O₁姿態數據O′₁包括第一基準光電跟蹤器(3)所發出激光光束投射至過渡點O₁上時的投射距離AO₁、基準點A與過渡點O₁連線與水平面XAY間的俯仰角θ′₁以及基準點A與過渡點O₁連線與水平面XAY中X軸間的水平角ψ′₁；并采用數據處理器(19)根據公式獲得過渡點O₁的坐標o′₁(x′₁,y′₁,z′₁)；

步驟402、調整所述第一局部光電跟蹤器，且使所述第一局部光電跟蹤器所發出激光光束投射在過渡點O₂上，所述第二局部光電跟蹤器對過渡點O₂的姿態進行實時檢測，并將檢測到的過渡點O₂姿態數據O′₂無線傳送至數據處理器(19)，數據處理器(19)接收到過渡點O₂姿態數據O′₂，且所述過渡點O₂姿態數據O′₂包括所述第一局部光電跟蹤器所發出激光光束投射至過渡點O₂上時的投射距離O₁O₂′、過渡點O₁與過渡點O₂連線與水平面XO₁Y的俯仰角θ′₂以及過渡點O₁與過渡點O₂連線與水平面XO₁Y中X軸間的水平角ψ′₂；并采用數據處理器(19)根據公式獲得過渡點O₂的坐標o′₂(x′₂,y′₂,z′₂)；

步驟403、按照步驟402的方法，獲取下一個過渡點的坐標；

步驟404、多次重復步驟403，直至獲取各個過渡點O_i的坐標o′_i(x′_i,y′_i,z′_i)，并存儲至數據存儲器(14)中；

步驟五、各個過渡點的坐標的校正：采用數據處理器(19)對步驟四中獲取的過渡點O_i的坐標o′_i(x′_i,y′_i,z′_i)進行校正，則獲取校正后的過渡點O_i的坐標o_i(x_i,y_i,z_i)；

步驟六、液壓支架絕對位置和姿態的獲?。翰捎盟鰯祿幚砥?19)獲取液壓支架絕對位置和姿態，具體過程為：

步驟601、首先，在待檢測液壓支架頂梁的下方設置參考點P₁，且參考點P₁距待檢測液壓支架頂梁頂部的豎直間距為h₀，并在待檢測液壓支架頂梁上設置參考點P₂，在待檢測液壓支架的底座上端設置參考點P₃，其中，所述參考點P₁和所述參考點P₂位于同一高度，所述參考點P₁、所述參考點P₂和所述參考點P₃形成的平面P₁P₂P₃與待檢測液壓支架垂直方向的中心平面重合，所述參考點P₁和所述參考點P₂之間的水平間距為P₁P₂，所述過渡點O_i靠近待檢測液壓支架；

然后，分別在所述參考點P₁、所述參考點P₂和所述參考點P₃安裝第一靶標、第二靶標和第三靶標；

最后，在待檢測液壓支架的底座前端設置目標點Q，并在目標點Q建立空間直角坐標系QXYZ，獲取所述參考點P₃在空間直角坐標系QXYZ的坐標P₃′(x_qp3,y_qp3,z_qp3)，并存儲至數據存儲器(14)中；其中，所述空間直角坐標系QXYZ是以目標點Q為坐標原點和以待檢測液壓支架前進方向為Y軸正方向的前提下，以符合右手坐標的方向為X軸正方向，且以待檢測液壓支架高度方向為Z軸正方向建立的；

步驟602、調整所述第i局部光電跟蹤器，使所述第i局部光電跟蹤器所發出激光光束分別投射在所述參考點P₁、所述參考點P₂和所述參考點P₃上，采用數據處理器(19)獲取所述參考點P₁的坐標、所述參考點P₂的坐標和所述參考點P₃的坐標，具體為：

采用數據處理器(19)根據公式獲得參考點P₁的坐標P₁(x_ip1,y_ip1,z_ip1)，并存儲至數據存儲器(14)中；其中，O_iP₁為第i局部光電跟蹤器所發出激光光束投射至參考點P₁上時的投射距離,θ_p1為過渡點O_i與參考點P₁連線與水平面XO_iY間的俯仰角，ψ_p1為過渡點O_i與參考點P₁連線與水平面XO_iY中X軸間的水平角；采用數據處理器(19)根據公式獲得參考點P₂的坐標P₂(x_ip2,y_ip2,z_ip2)，并存儲至數據存儲器(14)中；其中，O_iP₂為第i局部光電跟蹤器所發出激光光束投射至參考點P₂上時的投射距離,θ_p2為過渡點O_i與參考點P₂連線與水平面XO_iY間的俯仰角，ψ_p2為過渡點O_i與參考點P₂連線與水平面XO_iY中X軸間的水平角；并采用數據處理器(19)根據公式獲得參考點P₃的坐標P₃(x_ip3,y_ip3,z_ip3)，并存儲至數據存儲器(14)中；其中，O_iP₃為第i局部光電跟蹤器所發出激光光束投射至參考點P₃上時的投射距離,θ_p3為過渡點O_i與參考點P₃與水平面XO_iY間的俯仰角，ψ_p3為過渡點O_i與參考點P₃連線與水平面XO_iY中X軸間的水平角；

步驟603、采用數據處理器(19)獲得待檢測液壓支架的姿態，具體過程為：

步驟6031、在所述參考點P₃安裝雙軸水平儀(6)，獲得待檢測液壓支架的俯仰角α和橫滾角β；

步驟6032、采用數據處理器(19)根據參考點P₁的坐標P₁(x_ip1,y_ip1,z_ip1)和參考點P₂的坐標P₂(x_ip2,y_ip2,z_ip2)，得到直線向量并采用數據處理器(19)根據公式獲得待檢測液壓支架頂梁的傾角λ；其中，為X_iO_iY_i坐標平面的單位法向量，且

步驟6033、采用數據處理器(19)建立所述平面P₁P₂P₃在O_iXYZ東北天地理坐標系下的平面方程，如下：

化簡后為A₁x_i+B₁y_i+C₁z_i+D₁＝0，則獲得所述平面P₁P₂P₃的法向量其中，

A₁＝z_ip2y_ip1+z_ip1y_ip3+z_ip3y_ip2-y_ip2z_ip1-y_ip3z_ip2-y_ip1z_ip3，

B₁＝z_ip2x_ip1+z_ip1x_ip3+z_ip3x_ip2-x_ip2z_ip1-x_ip3z_ip2-x_ip1z_ip3，

C₁＝y_ip2x_ip1+y_ip1x_ip3+y_ip3x_ip2-x_ip2y_ip1-x_ip3y_ip2-x_ip1y_ip3，

D₁＝z_ip3y_ip2x_ip1+x_ip3z_ip2y_ip1+y_ip3x_ip2z_ip1-z_ip3x_ip2y_ip1-x_ip3y_ip2z_ip1-y_ip3z_ip2x_ip1；

步驟6034、采用數據處理器(19)根據公式獲得待檢測液壓支架的偏轉角γ；其中為X_iO_iZ_i坐標平面的單位法向量，且

步驟604、采用數據處理器(19)根據公式獲得旋轉變換矩陣R，并采用數據處理器(19)根據公式(x_iq,y_iq,z_iq)＝(x_ip3,y_ip3,z_ip3)-(x_qp3,y_qp3,z_qp3)·R，獲得目標點Q的坐標Q(x_iq,y_iq,z_iq)；

步驟605、采用數據處理器(19)根據公式獲得東北天地理坐標系下目標點Q的坐標Q′(x_q,y_q,z_q)，并采用數據處理器(19)根據公式h＝z_ip1-z_iq+h₀，獲得待檢測液壓支架頂梁的高度h，則獲得待檢測液壓支架的絕對位置。