一种基于多传感器环境信息识别的超前液压支架导航系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多传感器环境信息识别的超前液压支架导航系统。主要用于煤矿综采工作面顺槽迈步式超前液压支架的位姿确定与移架导航控制。系统主要包括巷道重建三维点云数据采集与处理模块、距离数据测量模块、姿态角度数据测量模块、多传感器数据融合处理模块、超前液压支架移架导航与控制模块。通过各模块可获得顺槽巷道三维形貌的虚拟模型、超前液压支架相对于巷道的位姿数据信息、超前液压支架移架导航与控制信息，能够实现超前液压支架在工作面顺槽内实时位姿信息检测与移架导航控制，对提升超前液压支架智能化具有重要意义。义。义。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多传感器环境信息识别的超前液压支架导航系统


[0001]本专利技术涉及煤矿综采工作面顺槽迈步式超前液压支架位姿检测及移架导航与控制
，特别涉及一种基于多传感器环境信息识别的超前液压支架导航系统。

技术介绍

[0002]迈步式超前液压支架用于煤矿综采工作面顺槽超前段的顶板支护，以保障煤炭开采过程中超前巷道顶板的稳定性。超前液压支架采用液压缸伸缩的方式来进行推拉移架与位置姿态调整，移架与位置姿态调整的自动化、智能化控制是提升综采工作面两顺槽巷道辅助设备群自动化、智能化的重要环节。而实现超前液压支架群组的自动化、智能化控制的重要前提是能够准确检测获得超前液压支架相对于巷道的位姿信息以及超前液压支架推进方向上的顺槽巷道三维形貌与特征信息，确定支架推进的基准方向与路径，并对超前液压支架的动作进行自动控制。综采工作面两顺槽地质条件复杂，顺槽巷道的顶底板及侧帮在绝大多数情况下是处于凹凸不平的状况，这种地质条件状况会引起超前支架偏差位姿与不平衡状态的产生，会严重影响超前液压支架的正常工作，同时会严重增加支架姿态检测与行走控制的难度。根据超前液压支架的实际工作过程中的工作状态分析可知，超前液压支架在行进过程中会出现俯仰，侧倾、偏航、支架组推进遇障碍卡死无法前进等状态，严重时会引发支架倾倒、支架撞帮等安全事故发生，这些情况严重影响着顺槽巷道的支护效率，同时也间接影响着煤矿开采的效率与安全水平，因此，亟待提供一种用于超前液压支架的实时位姿检测与移架导航的导航定位系统。
[0003]CN111489391A公开了一种基于激光点云的超前液压支架定位系统及方法，其利用三维激光扫描仪、红外摄像仪及超前定位控制器来实现对超前液压支架在工作面超前巷道中的位置及与巷道两帮煤壁及设备的位置关系的全面监测。首先该专利技术专利公开的内容是针对全方位自主行走式超前液压支架支护单元提出的，这与本专利技术申请公开的所述迈步式超前液压支架在运动方式上有所不同，其次三维激光扫描仪采集的点云数据与红外摄像仪采集的实景图均是对于同一时空下全方位自主行走式超前液压支架单元与顺槽巷道的，利用二者主体之间的相对位置确定自主行走式超前液压支架相对于巷道两帮煤壁的位置。该专利技术并未对超前液压支架所处位置及前进方向点云数据进行采集并通过行驶轨迹建立顺槽巷道虚拟模型。此外，也并未公开针对迈步式超前液压支架的移架导航控制方面的有关信息。
[0004]CN111158000A公开了一种超前液压支架导航检测及倾角测量系统，包括检测装置模块、信号中转传输模块、分析处理模块，其用于检测障碍物距超前支护液压支架的距离以及采集超前支护液压支架的倾角信号，通过分析处理模块进行分析，若分析结果发现异常，立刻进行人工干预或发出指令停止超前液压支架的工作模式。该专利技术专利公开的内容是针对迈步式超前液压支架的距离及姿态角度信息测量与超限报警。该申请仅公开采用传感器直接测量，通过设置各个测量参数的阀值，实现超前液压支架的相关姿态角度与距离超限报警。此外，并未公开对于顺槽巷道虚拟模型构建及对于迈步式超前液压支架的高精度导
航数据信息与移架导航控制的有关信息。
[0005]以上公开的专利技术专利所述的系统及方法并没有提供用于超前液压支架移架导航相应顺槽巷道虚拟模型构建与移架导航控制的相关有效信息。因此，目前亟待提供一种用于超前液压支架的高精度实时位姿检测与移架导航控制的导航定位系统。

技术实现思路

[0006]针对上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种基于多传感器环境信息识别的超前液压支架导航系统。其主要包括巷道重建三维点云数据采集与处理模块、距离数据测量模块、姿态角度数据测量模块、多传感器数据融合处理模块、超前液压支架移架导航与控制模块。
[0007]所述一种基于多传感器环境信息识别的超前液压支架导航系统通过各个模块之间的协同工作，可提升超前液压支架在顺槽巷道全场景环境下的相对位姿检测精度与自主移架导航与控制的能力，进而可实现超前液压支架实时位姿的高精度解算检测与自主移架导航控制，避免与巷道侧帮及相近设备之间发生碰撞，提升超前液压支架的工作效率与安全性、可靠性，提升迈步式超前液压支架的智能化。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用下述技术方案：本专利技术实施例提供一种基于多传感器环境信息识别的超前液压支架导航系统，主要包括：巷道重建三维点云数据采集与处理模块、距离数据测量模块、姿态角度数据测量模块、多传感器数据融合处理模块、超前液压支架移架导航与控制模块。
[0009]所述巷道重建三维点云数据采集与处理模块、所述距离数据测量模块及所述姿态角度数据测量模块分别与所述多传感器数据融合处理模块连接。
[0010]所述多传感器数据融合处理模块与所述超前液压支架移架导航与控制模块相连接。
[0011]所述各模块之间依次连接共同构成所述一种基于多传感器环境信息识别的超前液压支架导航系统的内部通讯网络，用于煤矿综采工作面顺槽巷道迈步式超前液压支架的位置姿态确定与移架导航控制。
[0012]所述迈步式超前液压支架为分两列布置于综采工作面顺槽巷道的两侧，利用液压缸的动作来完成在顺槽巷道内的推拉移架与位姿调整动作。
[0013]所述巷道重建三维点云数据采集与处理模块包括激光雷达、视觉里程计，所述激光雷达、视觉里程计垂直安装于两侧超前液压支架前端的中心位置处，对超前液压支架前端位置所处的顺槽巷道截面的三维特征点云数据与超前液压支架的行驶轨迹进行采集与记录，最后利用点云数据与记录的行驶轨迹对顺槽虚拟模型进行重建。
[0014]进一步地，所述巷道重建三维点云数据采集与处理模块，分别采用十六线激光雷达传感器与双目视觉里程计对顺槽巷道三维形貌特征点云数据与超前液压支架行驶轨迹数据进行扫描采集记录，同时对采集的实时点云数据进行过滤筛选与记录，主要包括顺槽巷道顶板、底板、巷道侧帮的特征点云数据信息及超前液压支架的行驶轨迹数据，用于超前液压支架行经与行进方向上顺槽巷道虚拟模型的重建。
[0015]更进一步地，随着超前液压支架向前移架，巷道重建三维点云数据采集与处理模块不断地对新位置处的顺槽巷道的三维特征点云数据进行采集，同时对点云数据进行过滤
筛选与记录，进而实现顺槽全场景数值化虚拟巷道的重建。
[0016]所述距离数据测量模块，包括多个距离测量传感器，分别安装于两侧超前液压支架的顶梁前后端、底座前后端、顶梁及底座靠近顺槽巷道侧帮的一端，对超前液压支架前端障碍物距离、前后组超前液压支架的距离及控制关键位置点至顺槽巷道侧帮的距离信息进行测量，并可根据需要进行报警阀值设置，进行超限报警提醒。
[0017]优选地，所述距离测量传感器共有十四个，均为超声波测距传感器。
[0018]所述姿态角度数据测量模块，包括多个倾角测量传感器，分别安装于超前液压支架的顶梁下端、底座上端，分别对两侧超前液压支架的主体结构的侧倾角与俯仰角进行测量与记录，并可根据需要进行报警阀值设置，进行超限报警提醒。
[0019]优选地，所述倾角测量传感器共有四个，均为双本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多传感器环境信息识别的超前液压支架导航系统，其特征在于：主要包括巷道重建三维点云数据采集与处理模块、距离数据测量模块、姿态角度数据测量模块、多传感器数据融合处理模块、超前液压支架移架导航与控制模块，主要用于煤矿综采工作面顺槽巷道迈步式超前液压支架的位姿确定与移架导航；所述迈步式超前液压支架为分两列对称布置于综采工作面顺槽巷道的两侧，通过液压缸的动作来完成在顺槽巷道内的推拉移架与位姿调整动作；所述巷道重建三维点云数据采集与处理模块包括激光雷达、视觉里程计，所述激光雷达、视觉里程计垂直安装于两侧超前液压支架前端的中心位置处，对超前液压支架行经位置及行进方向上的顺槽巷道三维特征点云数据与超前液压支架的行驶轨迹进行采集与记录，最后利用点云数据与记录的行驶轨迹对顺槽虚拟模型进行重建；所述距离数据测量模块，包括多个距离测量传感器，分别安装于两侧超前液压支架的顶梁前后端、底座前后端、顶梁及底座靠近顺槽巷道侧帮的一端，对超前液压支架前端障碍物距离、前后组超前液压支架的距离及控制关键位置点至顺槽巷道侧帮的距离信息进行测量与记录，并可根据需要进行报警阀值设置，进行超限报警提醒；所述姿态角度数据测量模块，包括多个倾角测量传感器，分别安装于超前液压支架的顶梁下端、底座上端，分别对两侧超前液压支架的主体结构的侧倾角与俯仰角进行测量与记录，并可根据需要进行报警阀值设置，进行超限报警提醒；所述多传感器数据融合处理模块，分别对巷道重建三维点云数据、行驶轨迹数据、距离数据、姿态角度数据进行融合处理，过滤提取有效关键数据信息，获得超前液压支架自身所处位置姿态信息及构建支架行经位置及行进方向上顺槽巷道三维形貌虚拟模型，并基于多传感器环境信息数据对两侧超前液压支架相对于顺槽巷道的偏航角进行解算，获取超前液压支架的实时位姿状况；所述超前液压支架移架导航与控制模块，根据从所述多传感器数据融合处理模块获取的行经及行进方向上顺槽巷道三维形貌数据信息、超前液压支架相对于顺槽巷道的高精度位置姿态数据信息，输出超前液压支架移架导航信息，对超前液压支架的液压缸行程进行控制，进而分别对超前液压支架的移架动作与位置姿态调整...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈洪岩，马英，徐亚军，陈洪月，张德生，任怀伟，王鑫，杨辛未，张强，张坤，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
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