基于全息投影的液压支架工作姿态的再现系统及其方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于全息投影的液压支架工作姿态的再现系统，其由井下物理层、地面数据层以及地面系统层组成；同时公开了基于全息投影的液压支架工作姿态的再现方法：井下物理层描述了整个工作面上液压支架的工作姿态的信息，数据采集卡采集转换后的信息传输至地面数据层，并对这些命令与参数进行处理与存储后送至地面系统层进行模型的调整与显示，将整个综采工作面的液压支架姿态信息，故障信息以及支架的动作信息，全部采集并存储在地面数据层中，方便了地面系统层的使用和日后的系统操作与维护。动静结合的三维液压支架的真实动作模型，经过多通道全息投影系统的显示，能够真实再现综采工作面的液压支架的工作姿态。
【专利说明】基于全息投影的液压支架工作姿态的再现系统及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于全息投影的液压支架工作姿态的再现系统及其方法，属于矿用设备的自动化控制系统领域。
【背景技术】
[0002]矿用设备的控制系统，尤其是液压支架电液控制系统，在其智能化方面的要求已经越来越高。液压支架在煤矿综采智能化成套装备中扮演着非常重要的角色，能否实时了解液压支架工作姿态及状态极大地影响着控制系统的监测与控制性能。
[0003]然而，就目前各煤矿研究状态来看，并没有存在能够实时对液压支架工作姿态及状态真实再现的方法及系统，导致在进行液压支架的实时监测时，无法真实再现液压支架的工作姿态，这对于综采工作面的智能化控制与监测显然会带来一定的不利影响。
【发明内容】
[0004]为了克服上述缺陷，本发明提供一种基于全息投影的液压支架工作姿态的再现系统及其方法，其能够实时真实的再现液压支架的工作姿态，大大的提高综采工作面智能化装备的性能。
[0005]本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是:一种基于全息投影的液压支架工作姿态的再现系统，所述再现系统由井下物理层、地面数据层以及地面系统层组成；所述井下物理层包括采煤机、刮板运输机、液压支架以及与液压支架数量相对应的数据采集卡；所述地面数据层包括支架姿态信息库、支架故障信息库以及支架动作库；所述地面系统层由全息图像合成系统和多通道全息投影系统组成；
[0006]所述每台液压支架上都安装有倾角传感器、液压缸位移传感器和液压缸压力传感器，倾角传感器、液压缸位移传感器和液压缸压力传感器分别与数据采集卡电连接，所述数据采集卡与地面数据层通信连接；所述地面数据层与地面系统层的全息图像合成系统通信连接，所述全息图像合成系统与多通道全息投影系统信号连接。
[0007]所述井下物理层是本系统的数据来源，描述了整个工作面上液压支架的工作姿态的信息，采煤机定位红外接收器、液压缸位移传感器、液压缸压力传感器、倾角传感器以及陀螺仪，并通过所述数据采集卡将液压缸位移传感器、液压缸压力传感器与倾角传感器采集到的液压支架工作姿态信息进行采集与转换，得到数字信息，然后通过所述井下物理层的通讯总线，将所述数据采集卡采集转换后的信息传输至地面数据层，将所述数字信息进行分类与存储，以便下一步数据处理，同时可供系统操作与维护使用。
[0008]在所述地面数据层中，支架姿态信息库将整个综采工作面的所有液压支架的姿态信息进行存储，包括来自倾角传感器的数字值，各个液压缸的位移值，各个液压缸的压力值，当前收到采煤机红外信号的液压支架信号、各个液压缸的压力值、位移值以及陀螺仪的完整信息数据；支架故障信息库，主要来自于液压支架控制器及主控制器的内部故障信息，根据所述的故障信息，决定是否对当前液压支架的动作进行报警处理并修正；支架动作库来自于支架的控制器对支架的实时动作处理，每一个支架的动作都对应于第一个具体的控制器命令以及控制参数，根据这些命令与参数，地面系统层进行模型的调整与显示。
[0009]所述全息图像合成系统由液压支架3D参数化模型、液压支架数字化全息3D模型、控制器、动作管理器和动作干扰器组成，所述液压支架3D参数化模型与液压支架数字化全息3D模型连接，所述液压支架数字化全息3D模型与控制器相连接，所述动作干扰器连接在工作管理器上，所述动作管理器与液压支架数字化全息3D模型相连接。
[0010]所述的全息图像合成系统的输入数据来自地面数据层的各个数据库，输出为液压支架数字化的全息3D模型。
[0011]所述多通道全息投影系统为全息投影仪组，多通道全息投影系统可以将多块全息投影屏幕拼接在一起显示更为宏大的3D场景显示，对于整个综采工作面大型3D场景，需要多通道的全息投影系统，控制器将全息图像合成系统的液压支架数字化全息3D模型数据送入全息投影仪组里以备显示，通过对各个通道投影屏幕内容进行边缘融合，可以完美的将各个通道内容拼接在一起，真实再现综采工作面3D场景，其真实再现性能进一步提高。
[0012]一种基于全息投影的液压支架工作姿态的再现方法，所述再现系统包括以下步骤:
[0013](I)将综采工作面信息进行采集、转换并归类放入地面数据层中进行存储；(2)动作干扰器将地面数据层中的数据信息进行分类与等级评定；
[0014](3)动作干扰器将步骤(2)中得到的分类与等级评定送入神经网络进行组网与训练，得出贴合实际情况的权重与阈值，并形成稳定的神经网络；
[0015](4)动作干扰器从地面数据层中取出采集到的当前液压支架实时动作命令与参数信息，经过神经网络进行计算，并得到干扰强度；
[0016](5)动作干扰器将步骤(4)中得到的干扰强度递交给所述动作管理器，所述动作管理器根据当前液压支架的实时动作命令与参数信息，选择液压支架动作中的一个，并赋予标准的动作值或者是动作序列；
[0017](6)动作管理器将标准的动作值或者是动作序列加上来自所述动作干扰器的干扰强度，得出最终的动作值或者动作序列；
[0018](7)全息图像合成系统将根据动作管理器的动作值或者动作序列，参考地面数据层中的信息，将液压支架3D参数化模型进行动作调整，同时，将调整后的液压支架3D参数化模型进行全息处理，形成最终的液压支架数字化全息3D模型；
[0019](8)全息图像合成系统将形成的液压支架数字化全息3D模型送入到多通道全息投影系统，即全息投影仪组的源数据控制器中，以待显示；
[0020](9)经过上个各个步骤的工作，全息投影仪组就可以实时再现在采煤过程中采煤机液压支架的工作姿态。
[0021]所述动作干扰器对步骤(2)中评定出的类别主要包括:底板工况等级，顶板压力等级、刮板机推移干扰、工作面倾角、液压泵站性能和液压阀性能。
[0022]所述动作干扰器还产生一个随机因子。
[0023]所述全息图像合成系统分析地面数据层的数据，进行归类与等级评定，将结果乘上随机因子送入神经网络进行组网与训练，最终将得到一个干扰强度，所述干扰强度将作为对液压支架3D参数化模型标准化动作值进行修正的主要依据。然后，将调整后的液压支架3D参数化模型进行全息图像处理与合成，送入全息投影仪组的控制器，以便多通道全息投影系统的使用。
[0024]本发明的有益效果是:将整个综采工作面的液压支架姿态信息，故障信息以及支架的动作信息，全部采集并存储在地面数据层中，方便了地面系统层的使用和日后的系统操作与维护。将参数化的3D模型引入干扰强度，地面数据层的真实数据信息，产生动静结合的三维液压支架的真实动作模型，经过多通道全息投影系统的显示，能够真实再现综采工作面的液压支架的工作姿态。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是本发明的系统结构框图；
[0026]图2是本发明液压支架工作姿态再现方法的流程图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图和具体的实施方式对本发明进行进一步的阐述。
[0028]如图1和图2所示，一种基于全息投影的液压支架工作姿态的再现系统，所述再现系统由井下物理层、地面数据层以及地面系统层组成；所述井下物理层包括采煤机、刮板运输机、液压支架以及与液压支架数量相对应的数据采集卡；所述地面数据层包括支架姿态信息库、支架故障信息库以及支架动作库；所述地面系统层由全息图像合成系统和多通道全息投影系统组成；
[0029]所述每台液压支架上都安装有倾角传感器、液压缸位移传感器和液压缸压力传感器，倾角传感器、液压缸位移传感器和液压缸压力传感器分别与数据采集卡电连接，所述数据采集卡与地面数据层通信连接；所述地面数据层与地面系统层的全息图像合成系统通信连接，所述全息图像合成系统与多通道全息投影系统信号连接。
[0030]所述井下物理层是本系统的数据来源，描述了整个工作面上液压支架的工作姿态的信息，采煤机定位红外接收器、液压缸位移传感器、液压缸压力传感器、倾角传感器以及陀螺仪，并通过所述数据采集卡将液压缸位移传感器、液压缸压力传感器与倾角传感器采集到的液压支架工作姿态信息进行采集与转换，得到数字信息，然后通过所述井下物理层的通讯总线，将所述数据采集卡采集转换后的信息传输至地面数据层，将所述数字信息进行分类与存储，以便下一步数据处理，同时可供系统操作与维护使用。
[0031]在所述地面数据层中，支架姿态信息库将整个综采工作面的所有液压支架的姿态信息进行存储，包括来自倾角传感器的数字值，各个液压缸的位移值，各个液压缸的压力值，当前收到采煤机红外信号的液压支架信号、各个液压缸的压力值、位移值以及陀螺仪的完整信息数据；支架故障信息库，主要来自于液压支架控制器及主控制器的内部故障信息，根据所述的故障信息，决定是否对当前液压支架的动作进行报警处理并修正；支架动作库来自于支架的控制器对支架的实时动作处理，每一个支架的动作都对应于第一个具体的控制器命令以及控制参数，根据这些命令与参数，地面系统层进行模型的调整与显示。
[0032]所述全息图像合成系统由液压支架3D参数化模型、液压支架数字化全息3D模型、控制器、动作管理器和动作干扰器组成，所述液压支架3D参数化模型与液压支架数字化全息3D模型连接，所述液压支架数字化全息3D模型与控制器相连接，所述动作干扰器连接在工作管理器上，所述动作管理器与液压支架数字化全息3D模型相连接。
[0033]所述的全息图像合成系统的输入数据来自地面数据层的各个数据库，输出为液压支架数字化的全息3D模型。
[0034]所述多通道全息投影系统为全息投影仪组，多通道全息投影系统可以将多块全息投影屏幕拼接在一起显示更为宏大的3D场景显示，对于整个综采工作面大型3D场景，需要多通道的全息投影系统，控制器将全息图像合成系统的液压支架数字化全息3D模型数据送入全息投影仪组里以备显示，通过对各个通道投影屏幕内容进行边缘融合，可以完美的将各个通道内容拼接在一起，真实再现综采工作面3D场景，其真实再现性能进一步提高。
[0035]一种基于全息投影的液压支架工作姿态的再现方法，所述再现系统包括以下步骤:
[0036](I)将综采工作面的液压支架的姿态信息、支架故障信息以及支架进行的动作信息经过数据采集卡进行采集、将模拟信号转换为数字信息，并将数字信息经过通讯总线，传输至地面数据层的数据库、归类放入数据库中进行存储；
[0037]所述的数据采集卡将采集并转换的数据分为支架的姿态信息、支架的故障信息以及支架的动作信息。
[0038]支架的姿态信息，主要包括各个液压缸的位移值、各个液压缸的压力值、液压支架的倾角值、接收到采煤机红外信号的液压支架的支架信号以及陀螺仪三轴加速度值。
[0039]支架的故障信息包括液压支架控制器中设定的所有故障信息以及数据采集卡的
故障信息。
[0040]支架的动作值包括的动作主要为:推溜、拉溜、降柱、升柱、移架、伸插板、收插板、收尾梁、伸尾梁、伸侧护板、收侧护板、伸护帮板、收护帮板、收平衡千斤顶、伸平衡千斤顶、自动顺序联动等等。
[0041]支架的姿态相关的信息存储在所述的支架姿态信息库中，支架故障相关的信息存储在支架的故障信息库中，支架的实时动作信息则存储在支架动作库中。
[0042](2)动作干扰器将地面数据层中的数据信息进行分类与等级评定；
[0043](3)动作干扰器将步骤(2)中得到的分类与等级评定送入神经网络进行组网与训练，得出贴合实际情况的权重与阈值，并形成稳定的神经网络；
[0044](4)动作干扰器从地面数据层中取出采集到的当前液压支架实时动作命令与参数信息，经过神经网络进行计算，并得到干扰强度；
[0045](5)动作干扰器将步骤(4)中得到的干扰强度递交给所述动作管理器，所述动作管理器根据当前液压支架的实时动作命令与参数信息，选择液压支架动作中的一个，并赋予标准的动作值或者是动作序列；
[0046](6)动作管理器将标准的动作值或者是动作序列加上来自所述动作干扰器的干扰强度，得出最终的动作值或者动作序列；
[0047](7)全息图像合成系统将根据动作管理器的动作值或者动作序列，参考地面数据层中的信息，将液压支架3D参数化模型进行动作调整，同时，将调整后的液压支架3D参数化模型进行全息处理，形成最终的液压支架数字化全息3D模型；
[0048](8)全息图像合成系统将形成的液压支架数字化全息3D模型送入到多通道全息投影系统，即全息投影仪组的源数据控制器中，以待显示；[0049](9)经过上个各个步骤的工作，全息投影仪组就可以实时再现在采煤过程中采煤机液压支架的工作姿态。
[0050]所述动作干扰器对步骤(2)中评定出的类别主要包括:底板工况等级，顶板压力等级、刮板机推移干扰、工作面倾角、液压泵站性能和液压阀性能。
[0051]所述动作干扰器还产生一个随机因子。
[0052]所述的液压支架3D参数化模型包括液压支架的三维空间几何结构参数，运动副约束关系参数以及各个零部件对应的物理性能参数。动作干扰器的核心是一个神经网络运算器，将来自所述地面数据层的支架相关动作与姿态信息与上一个随机因子，构建一个稳定的网络，输出一个干扰强度值。干扰强度值被送入动作管理器中，依据干扰强度将，对动作的标准动作值进行调整。
[0053]举例说明，在液压支架进行推溜的时候，其标准推移行程设定为每次推移100mm，但由于工作面底板工况、顶板处于的工作压力以及当前液压泵站所能提供给当前液压支架的液压压力等都处于变化中，故最终得到的推移行程值并未达到100mm，为了模拟这一过程，将液压支架3D参数化模型对应的标准动作值加上一个干扰强度值，就可以完美的展现液压支架的工作姿态。
[0054]将整个综采工作面的液压支架姿态信息，故障信息以及支架的动作信息，全部采集并存储在地面数据层中，方便了地面系统层的使用和日后的系统操作与维护。将参数化的3D模型引入干扰强度，地面数据层的真实数据信息，产生动静结合的三维液压支架的真实动作模型，经过多通道全息投影系统的显示，能够真实再现综采工作面的液压支架的工作姿态。
【权利要求】
1.一种基于全息投影的液压支架工作姿态的再现系统，其特征在于:所述再现系统由井下物理层、地面数据层以及地面系统层组成；所述井下物理层包括采煤机、刮板运输机、液压支架以及与液压支架数量相对应的数据采集卡；所述地面数据层包括支架姿态信息库、支架故障信息库以及支架动作库；所述地面系统层由全息图像合成系统和多通道全息投影系统组成； 所述每台液压支架上都安装有倾角传感器、液压缸位移传感器和液压缸压力传感器，倾角传感器、液压缸位移传感器和液压缸压力传感器分别与数据采集卡连接，所述数据采集卡与地面数据层通信连接；所述地面数据层与地面系统层的全息图像合成系统通信连接，所述全息图像合成系统与多通道全息投影系统信号连接。
2.根据权利要求1所述的基于全息投影的液压支架工作姿态的再现系统，其特征在于:所述全息图像合成系统由液压支架3D参数化模型、液压支架数字化全息3D模型、控制器、动作管理器和动作干扰器组成，所述液压支架3D参数化模型与液压支架数字化全息3D模型连接，所述液压支架数字化全息3D模型与控制器相连接，所述动作干扰器连接在工作管理器上，所述动作管理器与液压支架数字化全息3D模型相连接。
3.根据权利要求1或2所述的基于全息投影的液压支架工作姿态的再现系统，其特征在于:所述多通道全息投影系统为全息投影仪组。
4.一种基于全息投影的液压支架工作姿态的再现方法，其特征在于:所述再现系统包括以下步骤: (1)将综采工作面信息进行采集、转换并归类放入地面数据层中进行存储； (2)动作干扰器将地面数据层中的数据信息进行分类与等级评定； (3)动作干扰器将步骤(2)中得到的分类与等级评定送入神经网络进行组网与训练，得出贴近实际情况的权重与`阈值，并形成稳定的神经网络； (4)动作干扰器从地面数据层中取出采集到的当前液压支架实时动作命令与参数信息，经过神经网络进行计算，并得到干扰强度； (5)动作干扰器将步骤(4)中得到的干扰强度递交给所述动作管理器，所述动作管理器根据当前液压支架的实时动作命令与参数信息，选择液压支架动作中的一个，并赋予标准的动作值或者是动作序列； (6)动作管理器将标准的动作值或者是动作序列加上来自所述动作干扰器的干扰强度，得出最终的动作值或者动作序列； (7)全息图像合成系统将根据动作管理器的动作值或者动作序列，参考地面数据层中的信息，将液压支架3D参数化模型进行动作调整，同时，将调整后的液压支架3D参数化模型进行全息处理，形成最终的液压支架数字化全息3D模型； (8)全息图像合成系统将形成的液压支架数字化全息3D模型送入到多通道全息投影系统，即全息投影仪组的源数据控制器中，以待显示； (9)经过上个各个步骤的工作，全息投影仪组就可以实时再现在采煤过程中采煤机液压支架的工作姿态。
5.根据权利要求4所述的基于全息投影的液压支架工作姿态的再现方法，其特征在于:所述动作干扰器对步骤(2)中评定出的类别包括:底板工况等级，顶板压力等级、刮板机推移干扰、工作面倾角、液压泵站性能和液压阀性能。
6.根据权利要求5所述的基于全息投影的液压支架工作姿态的再现方法，其特征在于:所述动作干扰器还`产生一个随机因子。
【文档编号】G06N3/08GK103775118SQ201310739318
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年12月27日 优先权日:2013年12月27日
【发明者】王忠宾, 张霖, 谭超, 周晓谋, 闫海峰, 姚新港 申请人:中国矿业大学