基于信息融合技术的超前液压支架姿态感知方法及实验验证.pdf
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1、第 48 卷增 1煤炭学报Vol.48Supp.12023 年4 月JOUNAL OF CHINA COAL SOCIETYApril2023基于信息融合技术的超前液压支架姿态感知方法及实验验证张坤1,2,孙政贤1,刘亚3,李玉霞1,杜明超1,马英4,魏训涛1,2,徐亚军4,王鑫1,余铜柱2,丁超1(1山东科技大学 山东省机器人与智能技术重点实验室,山东 青岛266590;2兖矿能源集团股份有限公司 设备管理中心,山东 济宁273500;3北斗天地股份有限公司,陕西 西安710000;4天地科技股份有限公司,北京100013)摘要:超前耦合支护系统空间姿态动态监测方法融合了众多的先进感知传感器
2、,而单一感知传感器间相对独立,无法融合由于复杂扰动变化引起的超前液压支架组的空间姿态动态信息和相对位置信息反馈。采用多传感器系统协同作业的原理,结合超前液压支架组相对位置调整、移架和顶底板变形引起的 2 种典型空间姿态变化情况,提出一种基于信息融合技术的超前液压支架组姿态感知方法。采用超声波测距传感器测量超前液压支架组与巷帮相对位置动态信息,将小于安全距离进行位置调整过程中所引发的超前液压支架组空间姿态变化视为航向角度的动态变化,实现超前液压支架组位置调整、移架过程的空间姿态感知。采用九轴姿态传感器感知支架顶梁、底座和连杆机构的姿态动态变化信息,利用卡尔曼滤波算法融合单个姿态传感器各轴姿态数据
3、,抑制测量过程中噪声的影响,利用自适应加权融合算法将所有姿态传感器具有相同变化趋势的同轴数据进行融合,实现对超前液压支架组空间姿态数据的动态融合感知。最后使用超前液压支架组空间姿态感知实验台对所提出的超前液压支架组空间姿态感知方法进行实验验证分析。实验结果表明:横滚角融合结果最大误差为 0024 3,最小误差为 0001 6,平均绝对误差为 0004 8,偏航角融合结果最大误差为 0027 6,最小误差为 0001 2,平均绝对误差为 0004 7,验证了所提出的姿态感知方法的准确性。关键词:超前液压支架;姿态感知;信息融合;自适应加权算法;实验验证中图分类号:TP0288文献标志码:A文章编
4、号:02539993(2023)S1034512移动阅读收稿日期:20220429修回日期:20220809责任编辑:郭晓炜DOI:1013225/jcnkijccs20220621基金项目:国家自然科学基金资助项目(52104134,51974159);第七届中国科协青托工程资助项目(2021QNC001)作者简介:张坤(1990),男,山东威海人,副教授,硕士生导师,博士。Email:zhangkunliaoning 163com通讯作者:杜明超(1992),男,山东高密人,讲师,硕士生导师,博士。Email:Dumingchaoupc 163com引用格式:张坤,孙政贤,刘亚,等 基于信
5、息融合技术的超前液压支架姿态感知方法及实验验证J 煤炭学报,2023,48(S1):345356ZHANG Kun,SUN Zhengxian,LIU Ya,et al esearch and experimental verification of attitude perceptionmethodof advanced hydraulic support based on information fusion technology J Journal of China Coal Society,2023,48(S1):345356.esearch and experimental veri
6、fication of attitude perception method of advancedhydraulic support based on information fusion technologyZHANG Kun1,2,SUN Zhengxian1,LIU Ya3,LI Yuxia1,DU Mingchao1,MA Ying4,WEI Xuntao1,2,XU Yajun4,WANG Xin1,YU Tongzhu2,DING Chao1(1Shandong Provincial Key Laboratory of obotics andIntelligent Technol
7、ogy,Shandong University Science and Technology,Qingdao266590,China;2 De-vice Management Center,Yankuang Energy Co,Ltd,Jining273500,China;3 Beidou Tiandi Co,Ltd,Xi an710000,China;4 Tiandi TechnologyCo,Ltd,Beijing100013,China)Abstract:The spatial attitude dynamic monitoring method of advanced coupling
8、 support system integrates many ad-vanced sensing sensors,and the single sensing sensor is relatively independent,which cannot fuse the spatial atti-煤炭学报2023 年第 48 卷tude dynamic information and relative position information feedback of advanced hydraulic support group causedby complex disturbance ch
9、anges Based on the principle of cooperative operation of multi-sensor system,combinedwith two typical spatial posture changes caused by the relative position adjustment of advanced hydraulicsupport group,frame shifting and roof and floor deformation,a posture perception method of advanced hydraulic
10、sup-port group based on information fusion technology is proposed The ultrasonic ranging sensor is used to measure the dy-namic information of the relative position between the advanced hydraulic support group and the roadway side Thespatial attitude change of the advanced hydraulic support group ca
11、used by the position adjustment process less than thesafe distance is regarded as the dynamic change of the heading angle,so as to realize the spatial attitude perceptionof the position adjustment and the frame shifting process of the advanced hydraulic support group The nine-axis atti-tude sensor i
12、s used to perceive the attitude dynamic change information of the top beam,the base and the link-age mechanism of the support The Kalman filter algorithm is used to fuse the attitude data of each axis of a single atti-tude sensor to suppress the influence of noise in the measurement process The adap
13、tive weighted fusion algorithm isused to fuse the coaxial data with the same change trend of all attitude sensors,so as to realize the dynamic fusion per-ception of the spatial attitude data of the advanced hydraulic support group Finally,the spatial attitude perception ex-periment platform of the a
14、dvanced hydraulic support group is used to verify and analyze the proposed spatial attitudeperception method of the advanced hydraulic support group The experimental results show that the maximum error ofroll angle fusion is 0024 3,the minimum error is 0001 6,and the average absolute error is 0004 8
15、 The maximumerror of yaw angle fusion is 0027 6,the minimum error is 0001 2,and the average absolute error is 0004 7 Theaccuracy of the proposed attitude perception method is verifiedKey words:advanced hydraulic support;posture sensing;information fusion;adaptive weighted algorithm;experimental veri
16、fication超前耦合支护系统作为综采工作面回采巷道安全高效支护的主要装备,与巷道围岩进行耦合支护作用13。随着开采强度和开采深度的不断增加,复杂扰动对耦合支护系统的稳定性造成很大的影响,诱发巷道围岩的变形,打破超前耦合支护系统力平衡,造成支护装备姿态发生变化,进而造成装备的失效等安全事故发生45。因此,如何采用先进的感知技术对超前液压支架工作姿态进行动态感知,并采用相应的数据融合技术对感知信号进行融合,进而指导超前液压支架姿态动态适应性调整,成为综采工作面回采巷道安全高效支护亟需解决的问题。针对超前液压支架姿态监测技术,国内外众多专家学者开展了大量的研究并取得了显著的成果。VAZE 等6
17、提出通过数学模型对液压支架中的姿态参数进行解算,使用编码器以及倾角传感器测量出支护过程中立柱、连杆的长度和角度,通过所建立数学模型计算出液压支架中不易于测量的姿态参数。EID 等7 提出一种液压支架在综采工作面中的定位方法,基于惯性导航技术,实现了液压支架群组的位置和姿态监测。HAS 等8 改变传统液压支架控制方式,将非线性控制引入液压支架控制领域,实现了支架电液控制系统动态滑模鲁棒控制。ZHANG等9 研究了超前液压支架群组的直线度监测方法,该方法可基于各基准点的位置来确定设备的位姿监测,实现回采巷道内超前液压支架群组位置和姿态的监测。张坤等1011 研究了倾角传感器测量姿态的特性,提出了一
18、种多传感器数据的融合方法,创建支架姿态模型求解姿态角和支护高度,开发了一套液压支架姿态监测平台,实现了液压支架的远程监控。同时,在多信号融合技术方面,李辉等12 提出了一种基于多传感器振动信号信息融合和广义循环互相关熵谱的轴承故障诊断方法,推导了广义互相关熵、广义循环互相关熵和广义循环互相关熵谱密度的计算公式,将两路振动信号通过广义循环互相关熵进行融合,应用于电机轴承故障诊断。姜万录等13 提出了一种新颖的全矢数据融合增强深度森林的旋转设备故障诊断方法,针对旋转设备振动信号特点,选择全矢谱技术与深度森林多粒度扫描相结合,用于接收同源双通道信号输入,增强了数据的完备性,并改善深度森林级联层以减少
19、深层特征消失及特征冗余。潘作舟等14 针对传统随机加权算法在目标信号为变量时,总均方误差远大于信号为常量时的情况,提出了一种改进的自适应随机加权算法,利用所采信号的相对波动值自适应地调整当前采集信号与历史采集信号间的比例关系,得到更加接近真值的估计值。孙健等15 将 GBD 相机获取的深度图像转换为三维643增刊 1张坤等:基于信息融合技术的超前液压支架姿态感知方法及实验验证点云,剔除地面点云后进行投影得到模拟 2D 激光数据,然后与二维激光雷达数据进行点云配准,以获取2 个传感器之间的位姿关系,最后通过扩展卡尔曼滤波(EKF)将 2 组激光数据进行融合。上述研究成果为超前液压支架的姿态监测及
20、相关传感数据的融合提供了理论和工程实践支撑。但是现有支架的姿态感知方法多集中于工作面液压支架的监测,对回采巷道超前液压支架的研究尚不完善,且回采巷道因岩层的复杂运动造成的姿态不适应尤为突出。同时,采用多种传感器对一台设备姿态进行监测,数据间的融合、匹配、关联特性对设备姿态的准确表达尤其重要。因此,笔者考虑复杂采动以及岩层运动造成超前液压支架姿态变化以及支架位置调整造成的姿态变化情况,采用超声波测距传感器动态监测超前液压支架与巷道两帮的位置信息,将该过程中的位置信息转化为超前液压支架航向角变化。进而采用九轴姿态传感器采集顶梁、连杆以及底座的姿态数据,分别采用卡尔曼滤波算法融合滤波单个姿态传感器各
21、轴角度数据,抑制测量过程中噪声的影响,采用自适应加权融合算法将所有姿态传感器具有相同变化趋势的同轴数据进行融合,实现对采动影响和位置调整 2 种工作状态中的超前液压支架空间姿态动态监测。最后在超前液压支架姿态监测实验台进行相应的实验测试,验证所提出方法的正确性。研究成果可为综采工作面超前耦合支护系统的自适应智能控制和煤矿安全高效开采提供理论依据和技术支撑。1超前液压支架空间姿态监测方案超前液压支架依靠左右两组支架单元,配合中间连接油缸与围岩中布置的锚护系统对巷道进行耦合支护,如图 1 所示。超前液压支架在正常支护过程中与巷道两帮保持一定的安全距离,若小于安全距离则需通过平衡油缸调整超前液压支架
22、位置,此时将造成超前液压支架的姿态信息发生变化。同时,采动及岩层运动也将造成超前液压支架的空间姿态发生改变,因此结合超前液压支架工作模式,首先通过超声波测距传感器测得超前液压支架与两侧巷道围岩的间距,转化为支架的角度变化信息,再通过九轴姿态传感器测得超前液压支架顶梁、底座及连杆的角度数据,进而获得超前液压支架在各工作状态的姿态信息。图 1超前液压支架组各部位传感器安装示意Fig1Installation of sensors in each part of advanced hydraulic support group通过合理布置超声波测距传感器,减少探测盲区,测出更加精确的相对位置数据,通
23、过控制系统使超前液压支架与巷道两侧始终保持安全支护距离,再使用九轴姿态传感器将超前液压支架与巷道间的相对位置关系转换成角度数据,并利用卡尔曼滤波算法将单个姿态传感器各轴的角度数据进行融合滤波,将所有姿态传感器具有相同变化趋势的姿态数据进行自适应加权融合,求解更加精确的超前液压支架位置和姿态数据。超前液压支架组空间姿态监测方案如图 2 所示。定义巷道前进方向为 x 轴、巷道宽度方向为 y轴、巷道高度方向为 z 轴,如图 3 所示。定义超前液压支架绕 z 轴旋转与 x 轴间形成的夹角为偏航角 ,超前液压支架绕 x 轴旋转与 y 轴间形成的夹角为横滚角 ,超前液压支架绕 z 轴旋转与 x 轴间的夹角
24、为俯仰角 。743煤炭学报2023 年第 48 卷图 2超前液压支架姿态监测方案Fig2The posture monitoring scheme of advanced hydraulic support图 3超前液压支架姿态角度定义Fig 3Definition of the attitude angle of theadvanced hydraulic support2超前液压支架组相对位置监测2.1超声波测距传感器测距原理超声波测距传感器的选型考虑实际应用场景中测量范围、测量精度、测量环境以及信号的输出方式等多方面因素,选用 US1000G18UM121 型超声波测距传感器,该型号传感
25、器输出为 010 V 的模拟量,具有温度补偿功能,检测盲区为 050 mm,安全防护等级为 IP67,具有较高的抗震性能,满足巷道的实际工况使用需求,其参数见表 1。表 1US1000G18UM121 超声波测距传感器参数Table 1US1000G18UM121 ultrasonic rangingsensor parameters参数参数值电压/V1530电流/mA45体积/mm38592输出形式/V010分辨率/mm035输出频率/kHz255检测范围/mm501 000超前液压支架利用超声波的反射性来对巷道两帮的距离进行探测,判断出超前液压支架所处巷道的相对位置,确保支架与巷道两帮始终
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