一种液压支架与刮板输送机的推移机构运动规划方法
阅读说明：本技术 一种液压支架与刮板输送机的推移机构运动规划方法 (Movement planning method for pushing mechanism of hydraulic support and scraper conveyor ) 是由 谢嘉成 李素华 王学文 任芳 崔涛 焦秀波 蔡宁 童梦瑶 于 2021-03-24 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种液压支架与刮板输送机的推移机构运动规划方法,在液压支架上内嵌相关传感器获得的实时信息,采煤机截割过后,应用路径分割技术后利用笛卡尔路径规划方法对推移机构各结构的运动进行规划,得到基于各结构关键点的三维坐标关于时间维的运动规律,利用高斯滤波修正方法进行处理,得到最终修正轨迹。将获得的运动规律应用于Unity3D创建的煤层与虚拟煤机装备联合仿真系统中,将实时传感信息通过Unity3D中预留的接口接入虚拟环境进行联合规划,最终得到推移机构的规划后的运动。通过本发明,能够对推移机构各结构的运动进行规划,建立虚拟环境下液压支架与刮板输送机的协同推进与真实井下环境下的映射关系。(The invention provides a method for planning the movement of a pushing mechanism of a hydraulic support and a scraper conveyor, which is characterized in that real-time information obtained by a relevant sensor is embedded in the hydraulic support, after a coal mining machine cuts the hydraulic support, the movement of each structure of the pushing mechanism is planned by using a Cartesian path planning method after a path segmentation technology is applied, the movement rule of three-dimensional coordinates of each structure key point with respect to a time dimension is obtained, and a Gaussian filtering correction method is used for processing to obtain a final correction track. And applying the obtained motion rule to a coal seam and virtual coal machine equipment combined simulation system created by the Unity3D, accessing the real-time sensing information to a virtual environment through an interface reserved in the Unity3D for combined planning, and finally obtaining the planned motion of the pushing mechanism. By the method and the device, the movement of each structure of the pushing mechanism can be planned, and the mapping relation between the cooperative propulsion of the hydraulic support and the scraper conveyor in the virtual environment and the real underground environment is established.)
技术领域
本发明涉及路径规划
技术领域
，具体为一种液压支架与刮板输送机的推移机构运动规划方法。背景技术
智能化开采是现代煤矿开采的目标，虚拟开采是实现开采智能化的关键之一。液压支架与刮板输送机的浮动连接机构具有多个自由度的空间运动，其运动对虚拟综采工作面协同推进具有重要作用，因而需要在虚拟环境下对液压支架与刮板输送机的浮动连接机构的运动进行规划。
申请号为CN202010102529.X公开了一种液压支架与刮板输送机浮动连接机构姿态描述方法，将推移机构转换为工业机器人模型，基于工业机器人逆向运动学的解析方法确定浮动连接机构的各运动参数关系式，由于逆向运动学的多解性，根据得到运动规律对机械手模型运动的实现度，根据逐级渐进筛选法，选择最优解，确定了浮动连接机构各结构的运动规律。
申请号为CN201811509303.0公开了一种综采面液压支架推移推杆位姿感知装置、综采面液压支架推移推杆机构及方法，在每个推移推杆的左、右两侧分别设有用于实时感知所述推移推杆位姿的左侧位姿感应单元和右侧位姿感应单元，中央信号处理单元根据左侧位姿感应单元所反馈的位移和根据右侧位姿感应单元所反馈的位移来感知推移推杆的偏移程度，并通过执行机构进行调整。
申请号为CN201910306404.6公开了一种在井下复杂地况的推溜过程模拟实验装置，液压支架底座模型与刮板输送机模型是通过推移机构模型连接构成，并通过推移路线结构模型实现刮板输送机推溜过程，推移机构前端通过连接头与输送机相连,它与液压支架底座通过推移千斤顶活塞杆前端相连接，而推移千斤顶的缸体与之铰接，通过该推移机构可以模拟推溜工作对刮板输送机进行推溜，并检测出刮板输送机的轨迹线,进行轨迹修正。
上述方法中，在获得推移机构各结构的运动参数时，需要安装传感器、相机等若干电子元器件，考虑到井下空间、光线限制、以及电磁干扰无线信号等影响因素，以及液压支架数目的限制，采用电子元器件获得推移机构的角度、推移距离具有一定的难度且未考虑到在真实情况下推移机构的运动特点，并且在进行理论分析时需要进行冗杂的计算，浮动连接机构最优解确定过程复杂。目前在液压支架与刮板输送机协同推进问题上，当液压支架推移刮板输送机时，推移机构存在多自由运动，阻碍了虚拟综采工作面的协同推进，因而需要对推移机构各结构的运动进行规划，建立虚拟环境下液压支架与刮板输送机的协同推进与真实井下环境下的映射关系。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明将推移机构转换为机械手模型，在液压支架底座上内嵌相关传感器，通过虚实结合对推移机构各结构的运动进行规划，获得液压支架与刮板输送机浮动连接机构的运动。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种液压支架与刮板输送机的推移机构运动规划方法，包括：
液压支架与刮板输送机的推移机构开始推移时，采用销耳间隙补偿法消除液压支架与刮板输送机之间的销耳间隙，并获取液压支架上内嵌传感器的实时感应信息；其中，内嵌传感器至少包括安装在液压支架底座上的红外测距仪、内嵌于底座两侧的倾角传感器、以及内嵌于推移杆内的陀螺仪；
采煤机截割过后，液压支架及时将刮板输送机推移一定距离，应用路径分割技术进行分割，并利用笛卡尔路径规划方法对推移机构各结构的运动进行规划，得到基于结构关键点的三维坐标关于时间维的运动规律；
利用高斯滤波修正方法进行处理，得到最终修正轨迹；
将获得的运动规律应用于Unity3D创建的煤层与虚拟煤机装备联合仿真系统中，将实时传感信息通过Unity3D中预留的接口接入虚拟环境进行联合规划，最终得到推移机构的规划后的运动。
其中，销耳间隙补偿法是利用红外测距仪测量液压支架与刮板输送机的相对位置，测量未推移时连接头的位置的与刚推移时的连接头的位置；当红外测距结果不变时，作为推移时的初始标志，当红外测距结果开始变化时，表示推移开始，液压支架推移既定距离，由此实现对销耳间隙的补偿。
其中，路径分割技术是在已知液压支架与刮板输送机之间的连接头的初始位置与最终位置时，通过将整个路径分割成多个片段，使用一系列的低次多项式进行拼接后得到整个的运动轨迹公式；
一个n次多项式的路径为q(t)＝a0+a1t+a2t2+…+antn，求解该方程共需要n+1个条件，通过已知的点和位置、速度、加速度、加加速度方程的有限次求导进行方程求解与路径平滑，整个运动轨迹要考虑到以下边界条件：q(t0)＝q0，q(t1)＝q1，q(t2)＝q2，q(t3)＝q3， q(t4)＝q4，将路径分割成四个片段：q1(t)、q2(t)、 q3(t)和q4(t)进行分析。
其中，笛卡尔路径规划方法是机械手在一定的时间内，从点运动到点根据获得的X有关时间变化的函数表达式，建立P1和P2点之间的线性关系，得到坐标y、z关于时间变量的函数表达式运动到点得到坐标y、z关于时间变量的函数表达式，表示为：
其中，推移机构是由液压油缸、活塞杆、推移杆、连接头组成，用来连接液压支架与刮板输送机的一个浮动连接机构；
浮动连接系统的运动具有4个自由度：在推移过程中活塞杆沿着其轴线方向发生伸缩运动，推移杆绕着连接销轴的轴线方向发生俯仰运动，推移杆绕着连接销轴产生偏航角，连接头绕着销轴轴线方向产生偏航角。
其中，由于浮动连接机构运动的不确定性和液压支架与刮板输送机的位置限制，使得利用笛卡尔路径规划确定的推移机构的运动轨迹在合理的范围内波动，且与液压支架推移机构实际运动轨迹之间存在的误差，利用高斯滤波修正方法进行处理：高斯滤波修正方法是一种线性滤波，通过筛选高概率发生区的数据进行加权平均后以其算术平均值作为滤波输出，对服从正态分布的噪声进行有效抑制。
其中，煤层与虚拟煤机装备联合仿真系统是在Unity3D虚拟环境下创建的虚拟仿真系统，由虚拟截割煤层底板模型、虚拟液压支架群和虚拟刮板输送机组成，通过对虚拟煤机装备与煤层安装相关物理引擎，实现虚拟煤机装备自适应铺设与推进；
其中，虚拟截割煤层底板是在虚拟环境下根据采煤机截割信息建立的虚拟截割煤层底板模型；
虚拟液压支架是在虚拟环境下建立的与实际液压支架相等价的、可以在虚拟煤层底板上自适应铺设与推进，并且可模拟真实液压支架运动的虚拟液压支架；
虚拟刮板输送机是与实际刮板输送机相等价的、自适应铺设在虚拟底板上，并且模拟真实刮板输送机运动的虚拟刮板输送机。
本发明所提供的一种液压支架与刮板输送机的推移机构运动规划方法，与现有技术相比，具有如下的有益效果：
(1)针对液压支架与刮板输送机浮动连接机构的多自由度运动，利用工业机器人运动学知识，进行了运动规划，这对分析刮板输送机的运动过程、研究液压支架与刮板输送机的浮动连接特性、液压支架位姿与刮板输送机位姿间的相对关系具有重要作用。
(2)实时传感信息输出至虚拟场景进行推移机构的路径规划，并将规划结果再反馈至实际场景，实现了实时传感信息指导推移机构各部分运动，可以实现在虚拟环境下计算规划的路径和实际运动之间的误差，实现了虚实交互。
(3)避免了冗杂的计算过程，将传感信息与运动学知识融合后得到的运动规律可以使推移机构的运动比较合理，可快速、高效的得到推移机构的运动轨迹，在虚拟环境下可实现快速得到刮板输送机的运动轨迹并对刮板输送机的直线度进行分析与规划等。
(4)借助推移机构的运动规划，可在虚拟环境下液压支架与刮板输送机的动作的轨迹和顺序的快速预演，做到虚拟作业过程全程模拟，实现工作面运行过程实时性及运动可视化。
(5)根据单一推移机构的路径规划，可以得到群液压支架的推移机构的运动轨迹，可对采煤机后滚筒截割过程进行分析，得到采煤机截割路径与规划路径的关系，可通过控制采煤机截割底板路径改变截割底板的起伏进而实现推移机构和采煤机截割运动路径的双向优化。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明提供的一种液压支架与刮板输送机的推移机构运动规划方法的流程示意图。
图2是本发明提供的一种液压支架与刮板输送机的推移机构运动规划方法的传感器的安装示意图。
图3是本发明提供的一种液压支架与刮板输送机的推移机构运动规划方法的推移机构等价机械手模型规划路径示意图。
图4是本发明提供的一种液压支架与刮板输送机的推移机构运动规划方法的推移机构的路径分割技术示意图。
图5是本发明提供的一种液压支架与刮板输送机的推移机构运动规划方法的笛卡尔路径规划示意图。
图6是本发明提供的一种液压支架与刮板输送机的推移机构运动规划方法的路径优化示意图。
图7是本发明提供的一种液压支架与刮板输送机的推移机构运动规划方法的推移机构路径虚拟规划流程图。
图8是本发明提供的一种液压支架与刮板输送机的推移机构运动规划方法的液压支架连接头关键点的X坐标规划轨迹曲线。
图9是本发明提供的一种液压支架与刮板输送机的推移机构运动规划方法的液压支架连接头关键点的Y坐标规划轨迹曲线。
图10是本发明提供的一种液压支架与刮板输送机的推移机构运动规划方法的液压支架连接头关键点的Z坐标规划轨迹曲线。
图11是本发明提供的一种液压支架与刮板输送机的推移机构运动规划方法的液压支架连接头关键点的x坐标修正结果轨迹曲线。
图12是本发明提供的一种液压支架与刮板输送机的推移机构运动规划方法的针对y坐标的联合修正结果轨迹曲线。
图13是本发明提供的一种液压支架与刮板输送机的推移机构运动规划方法的针对z坐标的联合修正结果轨迹曲线。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明提供了一种液压支架与刮板输送机的推移机构运动规划方法，包括：
液压支架与刮板输送机的推移机构开始推移时，采用销耳间隙补偿法消除液压支架与刮板输送机之间的销耳间隙，并获取液压支架上内嵌传感器的实时感应信息；
其中，内嵌传感器至少包括安装在液压支架底座上的红外测距仪、内嵌于底座两侧的倾角传感器、以及内嵌于推移杆内的陀螺仪。传感器的安装方案如图2所示。
采煤机截割过后，液压支架及时将刮板输送机推移一定距离，应用路径分割技术进行分割，并利用笛卡尔路径规划方法对推移机构各结构的运动进行规划，得到基于结构关键点的三维坐标关于时间维的运动规律。
图3是推移机构等价机械手模型规划路径示意图，对推移机构连接头初始位置与最终位置之间的路径进行规划。
利用高斯滤波修正方法进行处理，得到最终修正轨迹；
将获得的运动规律应用于Unity3D创建的煤层与虚拟煤机装备联合仿真系统中，将实时传感信息通过Unity3D中预留的接口接入虚拟环境进行联合规划，最终得到推移机构的规划后的运动。
其中，销耳间隙补偿法是利用红外测距仪测量液压支架与刮板输送机的相对位置，测量未推移时连接头的位置的与刚推移时的连接头的位置；当红外测距结果不变时，作为推移时的初始标志，当红外测距结果开始变化时，表示推移开始，液压支架推移既定距离，由此实现对销耳间隙的补偿。
其中，路径分割技术是在已知液压支架与刮板输送机之间的连接头的初始位置与最终位置时，通过将整个路径分割成多个片段，使用一系列的低次多项式进行拼接后得到整个的运动轨迹公式；
图4是推移机构的路径分割技术示意图，一个n次多项式的路径为q(t)＝a0+a1t+a2t2+…+antn，求解该方程共需要n+1个条件，通过已知的点和位置、速度、加速度、加加速度方程的有限次求导进行方程求解与路径平滑，整个运动轨迹要考虑到以下边界条件：q(t0)＝q0，q(t1)＝q1，q(t2)＝q2，q(t3)＝q3，q(t4)＝q4， 将路径分割成四个片段：q1(t)、q2(t)、q3(t)和q4(t)进行分析。
上述四个片段的内容如表1所示：
表1路径切割形成的各片段内容示意
图5是笛卡尔路径规划示意图，机械手在一定的时间内，从点运动到点根据获得的X有关时间变化的函数表达式，建立P1和点P2之间的线性关系，得到坐标y、z关于时间变量的函数表达式运动到点得到坐标y、z关于时间变量的函数表达式，表示为：
其中，推移机构是由液压油缸、活塞杆、推移杆、连接头组成，用来连接液压支架与刮板输送机的一个浮动连接机构；
浮动连接系统的运动具有4个自由度：在推移过程中活塞杆沿着其轴线方向发生伸缩运动，推移杆绕着连接销轴的轴线方向发生俯仰运动，推移杆绕着连接销轴产生偏航角，连接头绕着销轴轴线方向产生偏航角。
图6是路径优化示意图，由于浮动连接机构运动的不确定性和液压支架与刮板输送机的位置限制，使得利用笛卡尔路径规划确定的推移机构的运动轨迹在合理的范围内波动，且与液压支架推移机构实际运动轨迹之间存在的误差，利用高斯滤波修正方法进行处理：高斯滤波修正方法是一种线性滤波，通过筛选高概率发生区的数据进行加权平均后以其算术平均值作为滤波输出，对服从正态分布的噪声进行有效抑制。
高斯滤波修正方法公式表示为：
其中，t指的是连接头运动位置的坐标值，μ指的是遵从正态分布的随机变量的均值，σ是随机变量的标准差，n是获得的连接头运动位置坐标点的个数。
整个规划轨迹可以看作多个高斯函数的拼接，因而需要对各路径片段进行修正，即对规划轨迹波动较大的地方进行高斯修正，修正函数R(x)如下：
其中k为路径片段的个数。
图7是推移机构路径虚拟规划流程图，将图6中的内容通过C# 语言编入仿真系统，在Unity3D虚拟环境下建立煤层与虚拟煤机装备联合仿真系统，调用Unity3D中时间模块，实时虚拟液压支架推移刮板输送机时，实时输入传感信息，并利用时间变化，对推移机构的路径进行规划。
该系统由虚拟截割煤层底板模型、虚拟液压支架群和虚拟刮板输送机组成，通过对虚拟煤机装备与煤层安装相关物理引擎，实现虚拟煤机装备自适应铺设与推进；
其中，虚拟截割煤层底板是在虚拟环境下根据采煤机截割信息建立的虚拟截割煤层底板模型；该模型对刮板输送机姿态具有重要作用，是推移机构路径规划优劣的重要影响因素之一。
虚拟液压支架是在虚拟环境下建立的与实际液压支架相等价的、可以在虚拟煤层底板上自适应铺设与推进，并且可模拟真实液压支架运动的虚拟液压支架；
虚拟刮板输送机是与实际刮板输送机相等价的、自适应铺设在虚拟底板上，并且模拟真实刮板输送机运动的虚拟刮板输送机。
选取1号液压支架及其对应的中部槽为研究对象。群液压支架推移刮板输送机后，推移时间为0.33s，将时间分为(0s,0.06s)， (0.06s,0.15s)，(0.15s,0.24s)，(0.24s,0.33s)四个时间段，分别在限定的时间段内计算中部槽的x坐标值相对于时间的函数关系，继而可得到1号液压支架连接头关键点的规划轨迹曲线如图8-10所示。
由图8-10可以看出，规划得到的浮动连接机构等价末端执行器的坐标曲线大致围绕真实曲线上下波动。规划得到的坐标x与实际轨迹间的误差波动比较大，最大误差在1.3cm内，且规划轨迹存在类似泊松分布的现象，导致x坐标的规划曲线存在峰值；规划得到的y坐标值与z坐标值的变化趋势与实际值较一致，最大局部误差分别为 2cm与1cm。因而需要对局部误差进行修正，需要进行滤波处理至与实际值的最大差值在0.1cm内。对x坐标修正结果如图11所示，规划得到的x坐标的理论值在(0.06s,0.15s),(0.15s,0.24s),(0.24s,0.3s)之间均存在峰值，需要进行滤波处理至与实际值的最大差值在0.1cm内。第一次修正后，得到的轨迹最大差值为0.26cm，根据修正结果需在 (0.06s,0.12s),(0.15s,0.24s),(0.24s,0.27s)内进行二次修正，修正结果与实际值的最大差值为0.08cm,符合要求。以x值为变量采用笛卡尔路径规划与高斯滤波修正方法对y坐标与z坐标进行联合修正，联合修正结果如图12和13所示。
液压支架上的电液控系统可以获得推移机构的推移行程，可以得到活塞杆伸出量d1，连接头的摆动角度γ可以由推移杆的偏航角α、俯仰角β，底座的倾角δ得出，推移机构各结构姿态计算模型如下公式，其中d是红外测距仪得到的液压支架与中部槽的位置差，l1是推移杆的长度，l2是连接头的长度，γ值的计算公式如下。
由此可以确定推移机构各结构的运动。
以上仅为本发明较佳的实施方式，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改，因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所做的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
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