[發明專利]一種虛實融合的液壓支架間相對位姿試驗平臺及試驗方法

有效

• 申請號: 202110311009.4
• 申請日: 2021-03-24
• 公開（公告）號: CN112945160B
• 公開（公告）日: 2022-10-04
• 發明（設計）人: 李娟莉;沈宏達;謝嘉成;李素華;崔濤;王彬彬;王振威;董夢瑤;郝梓翔
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G01B21/00
• 分類號: G01B21/00
• 代理公司: 太原晉科知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14110
• 代理人: 王軍

1.一種虛實融合的液壓支架間相對位姿狀態研究試驗方法，采用虛實融合的液壓支架間相對位姿狀態研究試驗平臺進行試驗，其特征在于，所述虛實融合的液壓支架間相對位姿狀態研究試驗平臺，包括：支架物理測試系統、虛實數據交互系統、多支架虛擬測試場景；

支架物理測試系統包括液壓支架加載試驗臺和姿態、壓力傳感監測系統；虛實數據交互系統包括物理數據模塊、虛實交互模塊及虛擬數據模塊；多支架虛擬測試場景基于虛擬測試場景構建方法建立，包括虛擬液壓支架模型以及虛擬煤層頂底板模型；

所述液壓支架加載試驗臺與物理數據模塊通訊連接，設置于水平地面上，用于實際受試液壓支架的加載測試；

姿態、壓力傳感監測系統與物理數據模塊通訊連接，包括安裝于實際受試液壓支架上的傾角傳感器、捷聯慣導、位移傳感器、壓力傳感器，用于獲取測試過程中實際受試液壓支架的實時位置、姿態、壓力數據；

物理數據模塊用于與姿態、壓力傳感監測系統、液壓支架加載試驗臺、虛實交互模塊進行數據聯通和信息交換，測試時收集姿態、壓力傳感監測系統采集的實際受試液壓支架的實時位姿、壓力數據并發送給虛實交互模塊；同時接收虛實交互模塊的實時加載壓力，調整指令控制液壓支架加載試驗臺調整施加給實際受試液壓支架加載力；

虛實交互模塊用于與物理數據模塊和虛擬數據模塊進行數據交互，實時數據與控制指令通過虛實交互模塊在物理數據模塊與虛擬數據模塊之間傳輸；

虛擬數據模塊用于接收到實際受試液壓支架的實時位姿、壓力數據后將其傳輸至多支架虛擬測試場景，驅動虛擬受試液壓支架動作并進行實時顯示；

虛擬液壓支架模型基于實際受試液壓支架的幾何外形尺寸構建，包括虛擬受試液壓支架、位于虛擬受試液壓支架左側的相鄰虛擬液壓支架和位于虛擬受試液壓支架右側的相鄰虛擬液壓支架；

虛擬煤層頂底板模型基于實際受試煤層頂底板的幾何外形尺寸構建，包括左側虛擬液壓支架煤層頂板、煤層底板，虛擬受試液壓支架煤層頂板、煤層底板，右側虛擬液壓支架煤層頂板、煤層底板；

虛實融合的液壓支架間相對位姿狀態研究試驗方法包括步驟：

步驟1：根據綜采工作面煤層結構特點，綜采工作面液壓支架群布置規律，液壓支架外形尺寸、結構特點及運動規律,確定影響液壓支架間相對位姿狀態正確性的關鍵特征因素，包括但不限于相鄰液壓支架的煤層頂底板橫向傾角和縱向傾角、液壓支架的“偏航角”、煤層頂底板相對高度、液壓支架的支護高度、立柱及平衡千斤頂壓力；

步驟2：基于虛擬場景構建方法建立虛擬煤層頂底板模型及虛擬液壓支架模型，并為虛擬煤層頂底板模型添加剛體及碰撞體組件，為虛擬受試液壓支架編寫帶有位姿驅動變量的腳本并在關鍵部件上添加剛體及碰撞體組件，為相鄰虛擬液壓支架編寫動作控制腳本并在關鍵部件上添加剛體及碰撞體組件；

步驟3：根據測試研究的需要，設置相鄰虛擬液壓支架的初始位姿狀態及其虛擬煤層頂底板處于不同的傾角狀態，包括但不限于設置虛擬相鄰液壓支架為支護狀態，設置虛擬相鄰液壓支架具有不同的偏航角度，設置相鄰虛擬液壓支架與虛擬受試液壓支架具有不同的架間距；設置相鄰虛擬液壓支架的煤層頂底板具有不同的橫向及縱向傾角；

步驟4：將實際受試液壓支架置于液壓支架加載測試臺上，將姿態、壓力傳感監測系統的傾角傳感器、捷聯慣導、位移傳感器、壓力傳感器安裝到實際受試液壓支架的對應位置上；

步驟5：開始測試：

根據井下的實際液壓支架群工作規律，按從位于虛擬液壓支架左側的相鄰虛擬液壓支架到實際受試液壓支架再到位于虛擬液壓支架右側的相鄰虛擬液壓支架的順序依次執行收護幫板、降柱、移架、升柱、伸出互幫動作，模擬井下液壓支架群的跟機移架動作；

測試過程分為以下三個階段；

第一階段，位于虛擬受試液壓支架左側的相鄰虛擬液壓支架順序執行收護幫板、降柱、移架、升柱、伸出互幫動作；

在位于虛擬受試液壓支架左側的相鄰虛擬液壓支架執行動作過程中，虛擬受試液壓支架頂梁側護板及掩護梁側護板上添加的碰撞體與位于虛擬受試液壓支架左側的相鄰虛擬液壓支架頂梁側護板及掩護梁側護板上添加的碰撞體實時進行碰撞檢測，若檢測到碰撞發生，則發送指令至虛擬數據模塊，虛擬數據模塊根據井下實際液壓支架間發生擠架、咬架情況時液壓支架的壓力變化規律，確定虛擬受試液壓支架頂板加載壓力變化值，并通過虛實交互模塊、物理數據模塊將加載壓力調整指令發送至實際液壓支架加載測試臺，調整實際受試液壓支架實時頂板壓力；

在位于虛擬受試液壓支架左側的相鄰虛擬液壓支架執行動作過程中，虛擬受試液壓支架底座上添加的碰撞體與位于虛擬受試液壓支架左側的相鄰虛擬液壓支架底座上添加的碰撞體實時進行碰撞檢測，當兩虛擬液壓支架底座發生碰撞時，在虛擬測試場景內進行提示；

液壓支架執行降柱、升柱相關動作時會對相鄰液壓支架的頂板壓力產生影響，虛擬數據模塊基于井下真實液壓支架壓力數據變化規律，結合位于虛擬受試液壓支架左側的相鄰虛擬液壓支架當前所執行動作類型，確定實際受試液壓支架應受加載壓力變化值，并將加載壓力調整指令通過虛實交互模塊、物理數據模塊實時傳輸至液壓支架加載測試臺，調整實際受試液壓支架實時頂板壓力；

同時，利用Unity 3d的Transform面板借助UGUI組件將工作過程中位于虛擬受試液壓支架左側的相鄰虛擬液壓支架與虛擬受試液壓支架間的相對位置數據及位于虛擬受試液壓支架左側的相鄰虛擬液壓支架的姿態數據實時顯示在虛擬測試場景的數據顯示面板中；

在位于虛擬受試液壓支架左側的相鄰虛擬液壓支架順序執行動作過程中，姿態、壓力傳感監測系統中的壓力傳感器實時獲取實際受試液壓支架的平衡千斤頂及立柱壓力值，物理數據模塊收集實時壓力數據，經過虛實交互模塊及虛擬數據模塊傳輸至虛擬測試場景中進行實時顯示；

第二階段，在位于虛擬受試液壓支架左側的相鄰虛擬液壓支架完成設定所有動作后，在真實環境下控制實際受試液壓支架依次執行收護幫板、降柱、移架、升柱、伸出互幫動作；

同時，姿態、壓力傳感監測系統獲取實際受試液壓支架的實時位姿數據并借助物理數據模塊、虛實交互模塊、虛擬數據模塊將實時位姿數據傳輸至虛測試擬場景內，利用實時位姿數據驅動對應的虛擬受試液壓支架同步進行動作、位姿變化；

在實際受試液壓支架執行動作過程中，虛擬受試液壓支架頂梁側護板和掩護梁側護板上添加的碰撞體與位于虛擬受試液壓支架左側的相鄰虛擬液壓支架及位于虛擬受試液壓支架右側的相鄰虛擬液壓支架頂梁側護板和掩護梁側護板上添加的碰撞體實時進行碰撞檢測，若檢測到發生碰撞，則發送指令至虛擬數據模塊，虛擬數據模塊根據實際井下液壓支架間發生擠架、咬架情況時液壓支架的壓力變化規律確定虛擬受試液壓支架頂板加載壓力變化值，并通過虛實交互模塊、物理數據模塊將加載壓力調整指令發送至實際液壓支架加載測試臺，調整實際受試液壓支架實時頂板壓力；

在實際受試液壓支架執行動作過程中，虛擬受試液壓支架底座上添加的碰撞體與位于虛擬受試液壓支架左側的相鄰虛擬液壓支架及位于虛擬受試液壓支架右側的相鄰虛擬液壓支架底座上添加的碰撞體實時進行碰撞檢測，當兩虛擬液壓支架底座發生碰撞時，虛擬測試場景內會進行相應提示；

在實際受試液壓支架執行動作過程中，利用Unity 3d的Transform面板借助UGUI組件將虛擬受試液壓支架與位于虛擬受試液壓支架左側的相鄰虛擬液壓支架及位于虛擬受試液壓支架右側的相鄰虛擬液壓支架間的相對位姿數據實時展示在虛擬場景中；

在實際受試液壓支架執行動作過程中，姿態、壓力傳感監測系統中的壓力傳感器實時獲取實際受試液壓支架的平衡千斤頂及立柱壓力值，物理數據模塊收集實時壓力數據，經過虛實交互模塊及虛擬數據模塊傳輸至虛擬測試場景中進行實時顯示；

第三階段，在實際受試液壓支架完成設定所有動作后，在虛擬測試場景內控制位于虛擬受試液壓支架右側的相鄰虛擬液壓支架順序執行收護幫板、降柱、移架、升柱、伸出互幫動作；

在位于虛擬受試液壓支架右側的相鄰虛擬液壓支架執行動作過程中，受試虛擬液壓支架頂梁側護板及掩護梁側護板上添加的碰撞體與位于虛擬受試液壓支架右側的相鄰虛擬液壓支架頂梁側護板及掩護梁側護板上添加的碰撞體實時進行碰撞檢測，若檢測到碰撞發生，則發送指令至虛擬數據模塊，虛擬數據模塊根據實際井下液壓支架間發生擠架、咬架情況時液壓支架的壓力變化規律，確定虛擬受試液壓支架頂板加載壓力變化值，并通過虛實交互模塊、物理數據模塊將加載壓力調整指令發送至實際液壓支架加載測試臺，調整實際受試液壓支架實時頂板壓力；

液壓支架執行降柱、升柱相關動作時會對相鄰液壓支架的頂板壓力產生影響，虛擬數據模塊基于井下真實液壓支架壓力數據變化規律，結合位于虛擬受試液壓支架右側的相鄰虛擬液壓支架當前所執行動作類型，確定實際受試液壓支架應受加載壓力值并將加載壓力調整指令通過虛實交互模塊、物理數據模塊實時傳輸至液壓支架加載測試臺，調整實際受試液壓支架實時頂板壓力；

同時，利用Unity 3d的Transform面板借助UGUI組件將工作過程中位于虛擬受試液壓支架右側的相鄰虛擬液壓支架與虛擬受試液壓支架間的相對位置數據及位于虛擬受試液壓支架右側的相鄰虛擬液壓支架的姿態數據實時顯示在虛擬測試場景的數據顯示面板中；

在位于虛擬受試液壓支架右側的相鄰虛擬液壓支架順序執行動作過程中，姿態、壓力傳感監測系統中的壓力傳感器實時獲取實際受試液壓支架的平衡千斤頂及立柱壓力值，物理數據模塊收集實時壓力數據，經過虛實交互模塊及虛擬數據模塊傳輸至虛擬測試場景中進行實時顯示；

步驟6：位于虛擬受試液壓支架右側的相鄰虛擬液壓支架完成所有設定動作后，發送指令至虛擬數據模塊，虛擬數據模塊存儲測試過程中的左右相鄰虛擬液壓支架的位姿數據、受試液壓支架的位姿數據和壓力數據；

同時，虛擬數據模塊通過虛擬交互模塊發送指令至物理數據模塊控制實際液壓支架加載測試臺停止加載，恢復初始狀態。