CN116045935B - 一种相邻关节空间相对方位姿态测量方法和测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种相邻关节空间相对方位姿态测量方法和测量装置，属于矿用仪器仪表技术领域，在两个相邻关节上安装成对固定支架；采用M个线性矢量测量体，每个矢量测量体包括主体和子体，每组选取N个矢量测量体进行组合，构建出几何向量；选取K组，M个矢量测量体同步组合出多个几何向量，边缘计算模块对这些几何向量进行实时空间方位分析，得到相邻关节间倾斜方向、倾斜角度、关节间距及错位量等参数；构建统一的坐标体系，给出相邻关节空间唯一的实时绝对方位姿态数据。本发明结合相邻中部槽运动特性，既能直接对相邻关节姿态变化进行实时动态检测，又能保障方法和装置可行性应用，提高检测的实时性、精准度、全面性、可靠性及环境适应性。

Description

一种相邻关节空间相对方位姿态测量方法和测量装置

技术领域

本发明属于矿用仪器仪表技术领域，尤其涉及一种相邻关节空间相对方位姿态测量方法和测量装置。

背景技术

目前，国家大力促进智能化矿山建设。国内煤矿正在由机械化采煤向自动化、信息化和智能化采煤方向发展。面临的最大任务是对现有机械化设备进行信息化感知，进行参数感知、行为动态感知、环境感知等等。煤层综采装备包括采煤机、刮板机和液压支架，简称“三机”。在刮板机方面，刮板机的中部槽是刮板输送机的机身，由中板和槽帮刚等组成，上槽运煤下槽供刮板链返程用，需要中部槽与中部槽相对位姿感知；在液压支架方面，需要支架直线度感知、错位度感知、自身倾斜度感知；在割煤机方面，需要行走位置精准感知；煤壁侧顶底端煤岩识别感知；在采煤工作面方面，需要“三直两平”，设备长期保持平稳队形回采平移。在煤流运输方面，需要转载机和皮带机尾对齐感知等等。

在 “三机”联动作业过程中，普遍存在以下问题：工作人员无法实时动态地精准了解液压支架推溜后的刮板机各中部槽的相对位置状态及其变化过程；不能实时动态地精准了解割煤机经过后的中部槽的相对位置状态及其变化过程；不能实时动态地精准了解液压支架移动后所关联的中部槽的相对位置状态及其变化过程；不能实时动态地精准了解割煤机的相对位置；不能实时动态地精准了解刮板机的弯曲程度。想要实时动态的了解煤层综采设备的动态位置的难度为：（1）“三机”均是相对运动，没有绝对参考物辅助校准；（2）刮板机呈前后上下等多方向运动，缺乏直接的多参数可靠检测方法；（3）由于刮板机经常移动，操作力度大，割煤机挤压，煤炭堆积，导致现有的方位测量设备安装困难；现场充满***性气体、粉尘，且水汽大，会导致测量结果不准确。

近几年随着国内外煤矿智能化采煤技术的发展，在开采过程中，对工作面三机设备的实时工况、姿态进行检测和故障诊断，保证整个工作面设备在最佳状态下运行，相关技术也不断涌现。但现有的测量方法和相关装置存在计算方法复杂、相关设备不易安装，检测误差累积导致精度不高的问题，工作人员无法准确把握三机设备实时动态，无法满足实际工程的要求。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种相邻关节空间相对方位姿态测量方法和测量装置，可以进行实时动态检测，可行性高，便于安装使用；采用高精度多单元检测、虚拟现实、多重模型构建等技术，检测准确，精度高。

为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种相邻关节空间相对方位姿态测量装置的测量方法，所述测量方法包括以下步骤：

S101：在两个相邻关节上分别选取位置，安装固定支架，保持固定支架与关节同步移动；

S102：采用M个线性矢量测量体，M≥2；其中，每个矢量测量体包括主体和子体，所述主体和子体分别安装在各自固定支架上，处在同一水平面上，主体和子体之间的矢量参数从主体自动上传到边缘计算模块；

S103：每组选取N个矢量测量体进行组合，其中N大于等于1，且至少有一组取值满足：M-1≥N>1；N个矢量测量体的子体重合于一点，构建出几何向量交叉点；选取K组，（组与组之间，子体不重合于一点），M个矢量测量体同步组合出K个几何向量交叉点，边缘计算模块对这些几何向量进行实时方位分析，得到相邻关节间倾斜方向、倾斜角度、关节间距及错位量等参数；

S104：通过CAN总线和以太网传送给位姿计算服务器，基于关节实际物理尺寸和实时方位分析数据，计算引擎构建统一坐标体系，给出相邻关节空间唯一的实时绝对方位姿态数据。

进一步的，所述 S102还包括主体自动感知从主体到子体之间位移变化后向量参数，主体同步实时上传向量参数到边缘计算模块。

进一步的，在所述S102中主体和子体之间通过拉绳、光栅、磁栅、电阻、容栅或图像识别进行矢量方向和长度测量。

进一步的，在S103中，每组选取N个矢量测量体进行组合，(N可为1，且至少有一组取值满足：M-1≥N>1)，N个主体与同一个子体连接，分别形成几何向量，在子体上重合于一点，构建出几何向量交叉点。

进一步的，所述边缘计算模块包括主处理器、时钟模块、CAN通信模块和电源模块；所述电源模块分别为时钟模块、主处理器和CAN通信模块提供电源。

进一步的，所述相邻关节能够拉伸、旋转和错位移动。

进一步的，所述相邻关节具体指机械铰接体、矿用刮板机上的相邻中部槽、转载机和皮带机尾、相邻液压支架中的任意一种。

进一步的，所述固定支架包括两部分，分别固定在相邻的关节上，与关节一起运动；其中，固定支架的一部分用于固定主体，另一部分用于固定子体。

进一步的，所述S103中，每组选取N个矢量值进行组合，计算出子体上汇聚点T₁参数；同理，选取出K组，计算出其他组子体汇聚点T₂、T₃…T_k参数；位姿计算引擎通过所述T₁、T₂、T₃…T_k参数，在统一的坐标系内，可确定相邻关节空间唯一的实时绝对方位姿态数据，生成中部槽相对位置映像图像。

本发明还提供了用于所述的相邻关节空间相对方位姿态测量装置的测量方法的测量装置，包括

测量体；所述测量体包括测量体底座、测量体芯、测量体子***移基准点、测量体主体、测量体子体、测量体主体和子体链接物；测量体底座上设有测量体主体，测量体主体内腔设有测量体芯，测量体芯一端连接复位装置，另一端连接测量体主体和子体链接物，测量体主体和子体链接物用于连接把测量主体和测量体子体，并向测量体主体传输测量体子体的运动变化状态；

固定支架；用于辅助达成测量体和关节形成一体，保证测量体主体和测量体子体相对于自身所固定的关节无位移变化；

关节活动限位器；在相邻的关节通过关节活动限位器相连接，实现相邻关节能够相对活动，而活动空间又得到有效控制；

边缘计算模块，与测量体进行通信，接收几何向量实时数据，分析并得到相邻关节间倾斜方向、倾斜角度、关节间距及错位量等参数；

位姿计算引擎，用于接收主体到子体之间位移的矢量参数，计算出相邻关节空间唯一的实时绝对方位姿态数据，生成中部槽相对位置映像图像。

进一步的，所述固定支架包括支架一和支架二，二者成对，支架一和支架二分别安装在相邻关节上；测量体主体安装到支架一上，实现测量体主体与关节一同步运动；测量体子体安装到支架二上，实现测量体主体与关节二同步运动。

进一步的，所述位姿计算引擎包括通信接口、防爆计算机和数据分析器；所述通信接口负责采集来自测量体同步数据，同时传送给防爆计算机；数据分析器运行在防爆计算机上，负责分析测量体数据，构建统一的坐标系，进行关节建模，描绘出相邻关节实时空间唯一的相对方位姿态。

与现有技术相比，本发明的优点及有益效果为：

（1）本发明提供了一种相邻关节空间相对方位姿态测量方法和测量装置，本发明通过边缘计算模块对几何向量进行实时空间方位分析，得到相邻关节间倾斜方向、倾斜角度、关节间距及错位量等参数；通过CAN总线和以太网传送给位姿计算服务器，计算引擎构建统一坐标体系，给出相邻关节空间唯一的实时绝对方位姿态数据。

本发明能够解决国内构建智能工作面三机联动问题，为无人工作面建设奠定感知基础，促进工作面“三机”协同作业，加速智能矿山建设。

（2）本发明结合相邻中部槽运动特性，采用独创的多轴位移微动相控阵感知方法和算法，辅助专用安装固定支架，既能直接对刮板机中部槽姿态变化进行实时动态检测，又能贴合实际，保障算法和装置极大地可行性应用。本发明采用高精度多单元检测、虚拟现实、多重模型构建等技术，有效消除刮板机工作过程中中部槽姿态传感器无法可靠安装使用、检测不准确等问题。本发明比其它检测方法相比，能更进一步地提高检测的实时性、精准度、全面性、可靠性及环境适应性。

（3）本发明设计关键点参数采集等，能够快速精准识别相邻关节在空间相对方位姿态。专用安装固定支架，实现每个测量体的主体和子体，固定到关节上后，其保持与关节的相对位置保持不变，为高精准感知奠定基础。设计微米级检测技术、多重面体模型构建、关键点参数采集等，能够快速精准识别相邻关节在空间相对方位姿态。

（4）本发明可应用于智能矿山综采工作面中，以达到实时动态监测刮板机姿态变化，本发明与其它监测路径相比，能够更能贴近现场实际应用，便于安装、使用及可靠性保障，监测关键参数更精准、实时、可靠，分辨率高且无累积误差。

附图说明

图1是本发明实施例提供的相邻关节空间相对方位姿态测量方法的流程图。

图2是本发明实施例提供的相邻关节空间相对方位姿态测量方法的原理图。

图3是本发明实施例提供的相邻关节空间相对方位姿态测量装置结构示意图。

图4是本发明实施例提供的测量体结构示意图。

图5是本发明实施例提供的多组测量体组合结构示意图。

图6是本发明实施例提供的边缘计算模块内部结构图。

其中，a-三测量单体二次组合模式；b-五测量单体二次组合模式；c-五测量单体三次组合模式；d-七测量单体三次组合模式。

图中：1、关节一，2、关节二，3、关节链接活动限位器，4、支架一，5、支架二，6、测量体主体，7、测量体子体，8、测量体主体和子体链接物，9、不同主体链接同一子体，10、一个主体链接一个子体， 11、测量体底座，12、测量体芯，13、测量体子***移基准点，14、防爆计算机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1~2所示，本发明提供了一种相邻关节空间相对方位姿态测量方法，包括以下步骤：

S101：在两个相邻关节上分别选取位置，安装固定支架，保持固定支架与关节同步移动；

S102：采用M个矢量测量体，（M≥2），其中，每个矢量测量体包括主体和子体，所述主体和子体分别安装在各自固定支架上，处在同一水平面上，主体和子体之间通过非形变拉绳连接，主体和子体之间的矢量参数可自动从主体上传到边缘计算模块；

所述矢量测量体的主体和子体之间通过拉绳连接，主体自动感知从主体到子体之间位移的矢量参数，矢量参数包含拉绳方向和拉绳长度，主体同步实时上传采集的矢量参数到边缘计算模块；

S103：每组选取N个矢量测量体进行组合，(N可为1，且至少有一组取值满足：M-1≥N>1)，N个矢量测量体的子体重合于一点，构建出空间N个拉绳线段相交于一点，构建出几何向量交叉点；一个测量体也可作为一组；

选取K组（组与组之间，子体不重合于一点），每组均有所属的子体汇聚点，M个矢量测量体同步组合出K个几何向量交叉点，边缘计算模块对这些几何向量进行实时方位分析，得到相邻关节间倾斜方向、倾斜角度、关节间距及错位量等参数；

S104：位姿计算引擎构建统一的坐标体系，基于关节实际物理尺寸和实时相对方位分析数据，在统一坐标系内标识出相邻关节空间唯一的实时绝对方位姿态数据，生成中部槽相对位置映像图像。

如图6所示，所述边缘计算模块包括主处理器、时钟模块、CAN通信模块和电源模块；所述电源模块分别为时钟模块、主处理器和CAN通信模块提供电源。

1）所述主处理器采用GD32F405VGT6主芯片，工作在3.3V，本实施例中可通过PB10、PB11、PD13管脚连接矢量测量体1，通过PA8、PC9、PD14管脚连接矢量测量体2，通过PB8、PB9、PD15管脚连接测量矢量测量体3，所述主处理器有多个管脚用于连接测量多个矢量测量体，完成测量矢量参数后从所述矢量测量体主体自动上传。

2）所述时钟模块采用时钟芯片DS1302S。所述时钟模块便于为记录采集的数据提供精准的采集时刻。

3）所述电源模块采用芯片SD8942，把外部输入9~24VDC转成3.3VDC，供主芯片GD32F405VGT6和时钟芯片DS1302S使用；采用B0305S把3.3VDC转成5VDC，供CAN通信模块使用。

4）所述CAN通信模块设计两路通信通道CAN0和CAN1。在CAN0中，采用TJA1050T/CM118芯片完成can协议驱动，在TJA1050T/CM118芯片和GD32F405VGT6芯片之间采用6N137器件实现输出信号隔离；在TJA1050T/CM118芯片和GD32F405VGT6芯片之间采用SW-SPST器件实现输入信号隔离，共同完成数据的收发。

在CAN1中，采用TJA1050T/CM118芯片完成can协议驱动，在TJA1050T/CM118芯片和GD32F405VGT6芯片之间采用6N137器件实现输出信号隔离；在TJA1050T/CM118芯片和GD32F405VGT6芯片之间采用SW-SPST器件实现输入信号隔离，共同完成数据的收发。

本发明中所述相邻关节，能够拉伸、旋转和错位移动，具体指机械铰接体、矿用刮板机上的相邻中部槽、转载机和皮带机尾、相邻液压支架等。

本发明中所述固定支架由两部分组成，分别固定在相邻的关节上，与关节形成一体。支架的一部分固定测量体主体，另一部分固定测量体子体，与关节一起运动。

本发明中的拉绳还可以用其余接触或非接触方式替代，可采用光栅、磁栅、电阻、容栅或图像识别及其他方式进行矢量长度测量。

本发明中所述每组选取N个矢量值，进行组合，计算出子体上汇聚点T₁参数。同理，通过组合出K组，计算出其他组子体汇聚点T₂、T₃…T_k参数。本发明中所述T₁、T₂、T₃…T_k参数可通过位姿计算引擎，在统一的坐标系内，可确定相邻关节空间唯一的相对方位姿态。

本发明中所述每个测量体主体和子体，通过安装支架固定到关节上，实现测量体主体和子体分别与自身所在的关节和支架无相对位移。

本发明中所有参与测量的测量体进行同步采集，并传送至位姿计算引擎。

如图3~5所示，本实施例提供了一种矿山开采中相邻关节空间相对方位姿态测量装置，包括：

测量体；每个测量体由测量体底座11、测量体芯12、测量体子***移基准点13、测量体主体6、测量体主体和子体链接物8、测量体子体7组成。测量体底座11上设有测量体主体6，测量体主体6内腔设有测量体芯12，测量体芯12一端连接复位装置，另一端连接测量体主体和子体链接物8，测量体主体和子体链接物8负责把测量主体6和子体7连接起来，并向测量主体6传输测量子体7的运动变化状态，测量体子体7为测量体主体和子体链接物的另一端在支架上的固定点。本实施例的测量体主体和子体链接物8具体为钢丝绳。

固定支架；用于辅助达成测量体和关节形成一体，保证测量体主体6和测量体子体7相对于自身所固定的关节无位移变化，固定支架包括支架一4和支架二5；在关节一1选取位置安装支架一4，在关节二上选取位置安装支架二5。支架4和支架5共安装M个测量体（M＞2），即M个测量体主体6和M个测量体子体7。测量体主体6安装到支架4上，实现测量体主体6与关节一1同步运动；测量体子体7安装到支架5上，测量体子体7与关节二2同步运动。测量体主体6与测量体子体7，通过测量体主体和子体链接物8连接。

关节活动限位器；在相邻的关节一1和关节二2通过关节活动限位器3相连接，这种连接方式实现相邻关节彼此能够相对活动，而活动空间又得到有效控制，比如，拉伸不超过5cm, 弯曲不超过2°等特征。

位姿计算引擎，由通信接口、防爆计算机14和数据分析器组成，通信接口负责采集来自测量体同步数据，同时传送给防爆计算机14；数据分析器运行在防爆计算机14上，负责分析测量体数据，构建统一的坐标系，进行关节建模，描绘出相邻关节实时空间唯一的相对方位姿态。

本发明中测量体子体基准点13与测量体子体7之间的位移可变，其变动通过测量体芯12反映出来。

本发明中所述测量体主体6与测量体子体7形成一对一、多对一关系。所述测量体子体7至少两个有效参与测量，测量体主体6至少三个有效参与测量。所述每个测量体都能够与计算引擎通信。

如图5所示，为构造测量模型，对测量体进行组合，组合原则是至少有3个测量体参与组合；至少一组组合有两个单体构成；至少组合出两组；每个测量单体在水平方向或垂直方向可行参与一次组合。测量体主体与子体形成一对一、多对一关系。三个测量单体二次组合模式，五测量单体二次组合模式，五测量单体三次组合模式，七测量单体三次组合模式，由此，M测量体、K次组合模式，要求M-1≥K≥2；N可为1，且至少有一组取值满足：M-1≥N>1。

如图3所示，测量体主体6通过线缆把测量数据实时传输给防爆计算机14，防爆计算机14运行虚拟现实模型和程序，构建空间面体，进行空间面体规则分析，包含几何模型、物理模型、行为模型和规则模型等，计算出子体上关键点T₁参数。同理，可计算出其他子体上关键点T₂、T₃…T_k参数，标识出相邻关节空间唯一的相对方位姿态。

本发明的一种相邻关节相对方位姿态测量方法和装置，分为三个大步骤依次进行，第一大步，由于受现场工况和实际应用等因素影响，采用专用固定支架，实现测量体牢牢地固定在关节上，与关节同步运动。第二大步就是多轴微动相控阵感知技术，从线、面、体等不同层次感知相邻关节的运动及姿态变化。第三大步就是虚拟呈现映射现实，灵活地构建客观模型，实时三维展示空间位置关系。

本发明的实施方式可以通过硬件、机械结构、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用测量体、信号处理和逻辑电路来实现；结构部分可以利用不锈钢、波纹管和可变套管相结合来实现；软件部分可以存储在微处理中，由适当的指令执行***。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用装置可采用微控制器来负责数据的采集和通信。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种相邻关节空间相对方位姿态测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：

S101：在两个相邻关节上分别选取位置，安装固定支架，保持固定支架与关节同步移动；

所述固定支架包括两部分，分别固定在相邻的关节上，与关节同步运动，无相对位移；其中，固定支架的一部分用于固定主体，另一部分用于固定子体；

S102：采用 M个线性矢量测量体，M≥2；每个矢量测量体包括主体和子体，所述主体和子体分别安装在各自固定支架上，主体和子体之间的矢量参数从主体自动上传到边缘计算模块；

所述边缘计算模块包括主处理器、时钟模块、CAN通信模块和电源模块；所述电源模块分别为时钟模块、主处理器和 CAN通信模块提供电源；

S103：每组选取 N个矢量测量体进行组合，其中 N大于等于 1，且至少有一组取值满足：M-1≥N>1；N个矢量测量体的子体重合于一点，构建出几何向量交叉点；选取 K组，M-1≥K≥2，其中组与组之间，子体不重合于一点，M个矢量测量体同步组合出 K个几何向量交叉点，边缘计算模块对这些几何向量进行实时方位分析，得到相邻关节间倾斜方向、倾斜角度、关节间距及错位量参数；

S104：通过 CAN总线和以太网传送给位姿计算服务器，基于关节实际物理尺寸和实时方位分析数据，计算引擎构建统一坐标体系，给出相邻关节空间唯一的实时绝对方位姿态数据。

2. 根据权利要求 1所述的测量方法，其特征在于，所述 S102还包括主体自动感知从主体到子体之间位移变化后的向量参数，主体同步实时上传参数到边缘计算模块。

3. 根据权利要求 2所述的测量方法，其特征在于，在所述 S102中主体和子体之间通过拉绳、光栅、磁栅、电阻、容栅或图像识别进行矢量参数测量。

4. 根据权利要求 1所述的测量方法，其特征在于，所述 S103中，每组选取 N个矢量值进行组合，根据几何原理，计算出子体上汇聚点 T1参数；同理，选取出 K组，计算出其他组子体汇聚点 T2、T3...Tk参数；位姿计算引擎通过所述 T1、T2、T3...Tk参数，在统一的坐标系内，可确定相邻关节空间唯一的实时绝对方位姿态数据，生成中部槽相对位置映像图像。

5. 一种用于权利要求 1~4任一项所述的相邻关节空间相对方位姿态测量方法的测量装置，其特征在于，

包括测量体；所述测量体包括测量体底座、测量体芯、测量体子***移基准点、测量体主体、测量体子体、测量体主体和子体链接物；测量体底座上设有测量体主体，测量体主体内腔设有测量体芯，测量体芯一端连接复位装置，另一端连接测量体主体和子体链接物，测量体主体和子体链接物用于连接测量体主体和测量体子体，并向测量体主体传导测量体子体的运动变化状态；

固定支架；用于辅助达成测量体和关节形成一体，保证测量体主体和测量体子体相对于自身所固定的关节无位移变化；

关节活动限位器；在相邻的关节通过关节活动限位器相连接，实现相邻关节能够相对活动，而活动空间又得到有效控制；

边缘计算模块，与测量体进行通信，接收几何向量实时数据，分析并得到相邻关节间倾斜方向、倾斜角度、关节间距及错位量参数；

位姿计算服务器，通过 CAN总线和以太网与边缘计算模块通信，计算出相邻关节空间唯一的实时绝对方位姿态数据，生成中部槽相对位置映像图像。

6. 根据权利要求 5所述的测量装置，其特征在于，所述固定支架包括支架一和支架二，二者成对，支架一和支架二分别安装在相邻关节上；测量体主体安装到支架一上，实现测量体主体与关节一同步运动；测量体子体安装到支架二上，实现测量体子体与关节二同步运动。

7.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于，所述位姿计算服务器包括通信接口、防爆计算机和数据分析器；所述通信接口负责采集来自测量体同步数据，同时传送给防爆计算机；数据分析器运行在防爆计算机上，负责分析测量体数据，构建统一的坐标系，进行关节建模，描绘出相邻关节实时空间唯一的相对方位姿态。