一种综采工作面液压支架采煤高度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光通信应用技术领域。尤其是涉及一种综采工作面液压支架采煤高度测量装置及方法。

背景技术

液压支架作为综采工作面三机配套设备中的重要设备，其位姿状态的好坏将直接决定采场顶板的支护效果，从而影响综采工作面设备的自动化协同推进过程。对于液压支架的位姿状态的关键参数之一是采煤高度，而传统靠人工观察的方法存在效率低、误差大的缺点。因此，开发液压支架采煤高度测量装置，进而实现液压支架位姿状态的实时在线监测，是提高综采工作面生产效率，提升工作面智能化程度的重要手段。

针对以上问题，中国专利公开号为CN202010741993.3的发明专利公开了一种综采工作面液压支架支撑高度和顶梁倾角测量装置，通过在液压支架顶梁安装视觉模块，利用视觉测量技术计算液压支架支撑高度。

发明人在实现本发明创造的过程中发现：上述方法需要在每台液压支架上安装视觉测量模块，视觉测量模块实际成本较高。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种综采工作面液压支架采煤高度测量装置及方法，至少可以在一定程度上降低测量装置的铺设成本。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供一种综采工作面液压支架采煤高度测量装置，包括：包括可见光通信光源、可见光电子标签和处理器，所述可见光通信光源安装于所述综采工作面液压支架顶梁上，所述可见光电子标签安装于所述综采工作面液压支架底座上，所述处理器与所述可见光通信光源通信连接；所述可见光通信光源，包括用于向所述可见光电子标签发射可见光定位请求信号的发光模块，所述可见光定位请求信号中携带有可见光电子标签标识信息及请求发送时间点；所述可见光电子标签，用于接收所述可见光定位请求信号，并根据所述可见光电子标签标识信息确定是否需要响应所述可见光定位请求信号；所述可见光电子标签，还用于需要响应所述可见光定位请求信号时，返回响应信号；所述响应信号中携带有可见光定位请求信号到达所述可见光电子标签的请求送达时间点及响应所述可见光定位请求信息的响应发送时间点；所述可见光通信光源，还包括第一光接收模块和第一控制模块，所述第一光接收模块用于接收响应信号，并传送到所述第一控制模块；所述第一控制模块用于根据请求发送时间点与请求送达时间点计算出发送时间，以及根据响应发送时间点与响应送达时间点计算出接收时间，根据所述发送时间与接收时间确定出所述可见光通信光源和可见光电子标签之间的相对位置信息，并发送至处理器；所述处理器，用于根据所述可见光通信光源和所述可见光电子标签之间的相对位置信息解算得到综采工作面液压支架采煤高度。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述可见光电子标签包括第二光接收模块、信号解调模块、第二控制模块、信号调制模块、光反射模块和储能模块；所述第二光接收模块，用于接收所述可见光定位请求信号，并传递到信号解调模块；所述信号解调模块，用于将所述可见光定位请求信号解调得到所述可见光电子标签标识信息，并将所述电子标签标识信息传递到所述第二控制模块；所述第二控制模块，用于将所述可见光电子标签自身的身份标识码与所述可见光电子标签标识信息进行匹配，以判断是否需要响应所述可见光定位请求信号；所述第二控制模块中具有所述可见光电子标签自身的身份标识码；所述信号调制模块，用于调制携带有可见光定位信号到达所述可见光电子标签的请求送达时间点及响应所述可见光定位请求信息的响应发送时间点的响应信号；所述光反射模块，用于返回响应信号；所述储能模块，用于将接收到的光定位请求信号中的光能转换为电能，为所述第二光接收模块、信号解调模块、第二控制模块和信号调制模块供电。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述处理器包括特征构建模块、关系建立模块和模型训练模块；其中，所述特征构建模块，用于将发送时间与接收时间的和作为样本构建数据特征；所述关系建立模块，用于将在预先设定的第一参考空间物理坐标系下确定出的可见光通信光源和可见光电子标签之间的相对位置信息作为样本标签，建立样本与样本标签之间的映射关系，作为样本数据；所述模型训练模块用于利用机器学习算法对多组所述样本数据进行训练、得到神经网络预测模型。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述第一控制模块还用于控制所述发光模块以预定的发射方向角与光强度发送可见光定位请求信号至可见光电子标签；所述信号解调模块，还用于将所述可见光定位请求信号解调为电信号；所述第二控制模块，还用于对所述电信号进行处理，当确定需要响应所述可见光定位请求信号之后，生成电响应信号；所述信号调制模块，还用于将所述电响应信号调制成光响应信号发送。

第二方面，本发明实施例提供一种综采工作面液压支架采煤高度测量方法，包括步骤：在综采工作面液压支架顶梁上安装可见光通信光源，以及在所述综采工作面液压支架底座上安装可见光电子标签，将所述可见光通信光源与处理器通信连接；开启所述可见光通信光源，向安装于综采工作面液压支架底座上的可见光电子标签发送可见光定位请求信号；所述可见光定位请求信号中携带有可见光电子标签标识信息及请求发送时间点；所述可见光电子标签在接收到所述可见光定位请求信号之后，根据所述可见光电子标签标识信息确定是否需要响应所述可见光定位请求信号；若需要，则返回响应信号；所述响应信号中携带有可见光定位请求信号到达所述可见光电子标签的请求送达时间点及响应所述可见光定位请求信息的响应发送时间点；所述可见光通信光源在接收到响应信号之后，根据请求发送时间点与请求送达时间点计算出发送时间，以及根据响应发送时间点与响应送达时间点计算出接收时间；根据所述发送时间与接收时间确定出所述可见光通信光源和可见光电子标签之间的相对位置信息，并发送至处理器；所述处理器根据所述可见光通信光源和可见光电子标签之间的相对位置信息解算得到综采工作面液压支架采煤高度。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述根据所述可见光电子标签标识信息确定是否需要响应所述可见光定位请求信号包括：所述可见光电子标签将自身的身份标识码与所述可见光电子标签标识信息进行匹配；若匹配成功，则确定需要响应所述可见光定位请求信号。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，在根据所述发送时间与接收时间确定出所述可见光通信光源和可见光电子标签之间的相对位置信息，发送至处理器之后，所述方法还包括：所述处理器将发送时间与接收时间的和作为样本构建数据特征；将在预先设定的第一参考空间物理坐标系下确定出的可见光通信光源和可见光电子标签之间的相对位置信息作为样本标签，建立样本与样本标签之间的映射关系，作为样本数据；获取历史液压支架在综采工作面中不同位姿时的所述发送时间与接收时间的和，重复上述步骤，得到多组样本数据；利用机器学习算法对多组所述样本数据进行训练，得到神经网络预测模型。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述可见光电子标签为无源可见光电子标签，所述向安装于综采工作面液压支架底座上的可见光电子标签发送可见光定位请求信号包括：控制可见光定位请求信号以预定的发射方向角与光强度发送至可见光电子标签；所述可见光电子标签在接收到所述可见光定位请求信号之后，还包括：将所述可见光定位请求信号解调为电信号；对所述电信号进行处理，当确定需要响应所述可见光定位请求信号之后，生成电响应信号，将所述电响应信号调制成光响应信号发送。

本发明实施例提供的综采工作面液压支架采煤高度测量装置及方法，包括可见光通信光源、可见光电子标签和处理器，所述可见光通信光源安装于所述综采工作面液压支架顶梁上，所述可见光电子标签安装于所述综采工作面液压支架底座上，所述处理器与所述可见光通信光源通信连接。这样，通过处理所述可见光通信光源与所述可见光电子标签之间传递的光信号，能够得到所述综采工作面液压支架采煤高度，与通过处理视觉测量模块采集的图像测量所述综采工作面液压支架采煤高度的方式相比，在一定程度上降低了测量装置的生产成本，也在一定程度上增强了测量装置在煤尘、电磁干扰严重的综采工作面中的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明一实施例综采工作面液压支架采煤高度测量装置的示意图；

图2为本发明一实施例综采工作面液压支架采煤高度测量装置的模块化的结构示意图；

图3为本发明一实施例综采工作面液压支架采煤高度测量方法的流程图；

图4为本发明另一实施例综采工作面液压支架采煤高度测量装置信号处理流程示意框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，本文所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

参看图1和图2所示，本发明实施例提供的综采工作面液压支架采煤高度测量装置，包括：包括可见光通信光源、可见光电子标签和处理器，所述可见光通信光源安装于所述综采工作面液压支架顶梁上，所述可见光电子标签安装于所述综采工作面液压支架底座上，所述处理器与所述可见光通信光源通信连接，具体地，可以通过电力线、以太网线或者光纤通信连接；所述可见光通信光源，包括用于向所述可见光电子标签发射可见光定位请求信号的发光模块，所述可见光定位请求信号中携带有可见光电子标签标识信息及请求发送时间点；所述可见光电子标签，用于接收所述可见光定位请求信号，并根据所述可见光电子标签标识信息确定是否需要响应所述可见光定位请求信号；所述可见光电子标签，还用于需要响应所述可见光定位请求信号时，返回响应信号；所述响应信号中携带有可见光定位请求信号到达所述可见光电子标签的请求送达时间点及响应所述可见光定位请求信息的响应发送时间点；所述可见光通信光源，还包括第一光接收模块和第一控制模块，所述第一光接收模块用于接收响应信号，并传送到所述第一控制模块；所述第一控制模块用于根据请求发送时间点与请求送达时间点计算出发送时间，以及根据响应发送时间点与响应送达时间点计算出接收时间，根据所述发送时间与接收时间确定出所述可见光通信光源和可见光电子标签之间的相对位置信息，并发送至处理器；所述处理器，用于根据所述可见光通信光源和所述可见光电子标签之间的相对位置信息解算得到综采工作面液压支架采煤高度。

其中，第一控制模块分别与发光模块和第一光接收模块电联接；可见光通信光源中还可以设有电光转换模块和光电转换模块，所述电光转换模块可用于将电信号转换成可见光定位请求信号，所述光电转换模块可用于将响应信号转换成电信号；发光模块至少包括光驱动模块和LED(Light-Emitting Diode)光源(又称发光二极管)，光驱动模块可以用于驱动LED光源发出肉眼不可见的高频闪烁光信号。

本发明实施例提供的综采工作面液压支架采煤高度测量装置，通过处理所述可见光通信光源与所述可见光电子标签之间传递的光信号，能够得到所述综采工作面液压支架采煤高度，与通过处理视觉测量模块采集的图像测量所述综采工作面液压支架采煤高度的方式相比，在一定程度上降低了测量装置的生产成本，也在一定程度上增强了测量装置在煤尘、电磁干扰严重的综采工作面中的可靠性。

可见光电子标签通过内部各个模块的协同工作实现接收可见光定位请求和返回响应信号，在一实施例中，所述可见光电子标签包括第二光接收模块、信号解调模块、第二控制模块、信号调制模块、光反射模块和储能模块；所述第二光接收模块，用于接收所述可见光定位请求信号，并传递到信号解调模块；所述信号解调模块，用于将所述可见光定位请求信号解调得到所述可见光电子标签标识信息，并将所述电子标签标识信息传递到所述第二控制模块；所述第二控制模块，用于判断是否需要响应所述可见光定位请求信号；所述信号调制模块，用于调制携带有可见光定位信号到达所述可见光电子标签的请求送达时间点及响应所述可见光定位请求信息的响应发送时间点的响应信号；所述光反射模块，用于返回响应信号；所述储能模块，用于将接收到的光定位请求信号中的光能转换为电能，为所述第二光接收模块、信号解调模块、第二控制模块和信号调制模块供电。

其中，储能模块分别与第二光接收模块、信号解调模块、第二控制模块、信号调制模块和光反射模块电联接；第二控制模块还分别与信号解调模块、信号调制模块和光反射模块电联接，光反射模块还与信号调制模块电联接。

可见光电子标签可以接收可见光定位请求信号之外的光信号，在一实施例中，所述可见光电子标签具有身份标识码，所述身份标识码用于与所述可见光定位请求信号中携带的可见光电子标签标识信息进行匹配。换句话讲，身份标识码发挥密钥的作用，一个身份标识码可以只与一个可见光定位请求信号中携带的可见光电子标签标识信息匹配成功。

处理器也是通过内部各个模块的协同工作实现构建处理器内的神经网络预测模型，在一实施例中，所述处理器包括特征构建模块、关系建立模块和模型训练模块；其中，所述特征构建模块用于将发送时间与接收时间的差作为样本构建数据特征，所述关系建立模块，用于将在预先设定的第一参考空间物理坐标系下确定出的可见光通信光源和可见光电子标签之间的相对位置信息作为样本标签，建立样本与样本标签之间的映射关系，作为样本数据，建立样本与样本标签之间的映射关系，作为样本数据；所述模型训练模块用于利用机器学习算法对多组所述样本数据进行训练、得到神经网络预测模型。

在一实施例中，所述第一控制模块还用于控制所述发光模块以预定的发射方向角与光强度发送可见光定位请求信号至可见光电子标签；所述信号解调模块，还用于将所述可见光定位请求信号解调为电信号；所述第二控制模块，还用于对所述电信号进行处理，当确定需要响应所述可见光定位请求信号之后，生成电响应信号；所述信号调制模块，还用于将所述电响应信号调制成光响应信号发送。这样，光电子标签通过信号解调模块、第二控制模块和信号调制模块的协同合作，可以实现可见光定位请求信号转化为电信号，电响应信号转化为光响应信号。

实施例二

参看图3所示，本发明实施例提供的综采工作面液压支架采煤高度测量方法，包括步骤：

S01、在综采工作面液压支架顶梁上安装可见光通信光源，以及在所述综采工作面液压支架底座上安装可见光电子标签，将所述可见光通信光源与处理器通信连接，由此，可见光通信光源与处理器可以进行信息传递。

具体地，可见光通信光源与可见光电子标签之间需要确保没有遮挡物，由此，可将光通信光源产生的光信号可以传递到可将光电子标签。可以理解的是，灰尘等空气中的微小颗粒并不会阻挡光信号的传播。

S02、开启所述可见光通信光源，向安装于综采工作面液压支架底座上的可见光电子标签发送可见光定位请求信号；所述可见光定位请求信号中携带有可见光电子标签标识信息及请求发送时间点。

发送的可见光定位请求信号为多个，每个可见光定位请求信号中分别携带有可见光电子标签标识信息及请求发送时间点。

S03、所述可见光电子标签在接收到所述可见光定位请求信号之后，根据所述可见光电子标签标识信息确定是否需要响应所述可见光定位请求信号。

本实施例中，每个可见光电子标签具有唯一的身份标识码，所述根据所述可见光电子标签标识信息确定是否需要响应所述可见光定位请求信号包括：所述每个可见光电子标签将唯一的身份标识码与所述可见光定位请求信号中携带的可见光电子标签标识信息进行匹配；若匹配成功，则确定需要响应所述可见光定位请求信号。

具体地，在第二光接收部接收到可见光定位请求信号后，首先将其传送到信号解调模块，通过信号解调模块对光信号解调得到标识信息，将标识信息传送到第二控制部，与第二控制部中的身份识别码进行匹配，若匹配成功，则确定需要响应所述光信号，若匹配失败，则确定不需要响应光信号。由此，通过在可见光定位请求信号中携带可见光电子标签识别信息，能够使可见光电子标签响应特定的可见光通信光源发出的可见光定位请求信号，从而提高确定综采工作面液压支架采煤高度的效率以及精确度。

在确定需要响应所述可见光定位请求信号后，可见光电子标签记录所述可见光定位请求信号的请求送达时间点。

S04、若需要，则返回响应信号；所述响应信号中携带有可见光定位请求信号到达所述可见光电子标签的请求送达时间点及响应所述可见光定位请求信息的响应发送时间点。

S05、所述可见光通信光源在接收到响应信号之后，根据请求发送时间点与请求送达时间点计算出发送时间，以及根据响应发送时间点与响应送达时间点计算出接收时间。

S06、根据所述发送时间与接收时间确定出所述可见光通信光源和可见光电子标签之间的相对位置信息，并发送至处理器。

如图4所示，示例性地，可见光通信光源可以包括信号处理部分、计时电路部分、光发射和光接收部分；S06中确定可见光通信光源和可见光电子标签之间的相对位置信息的方式可以为：由可见光通信光源发出一个持续的光脉冲，经过待测距离之后，被可见光电子标签反射；

反射的光脉冲信号被光接收模块接收，计时电路和信号处理模块通过计算光脉冲和光回波信号到达之间的时间间隔，得出可见光电子标签与可见光通信光源的距离。

具体地，根据所述发送时间与接收时间确定出所述可见光通信光源和可见光电子标签之间的相对位置信息包括：根据测距公式：光速乘以发送与接收时间的和除以2得到可见光通信光源和可见光电子标签之间具体的相对位置。

S07、所述处理器根据所述可见光通信光源和可见光电子标签之间的相对位置信息解算得到综采工作面液压支架采煤高度。

可以理解的是，由于可见光通信光源安装于液压支架顶梁上，可见光电子标签安装于液压支架底座上，这样，通过计算液压支架底座与可将光电子标签之间的距离A、可见光通信光源与可见光电子标签之间的距离和液压支架顶梁与可见光通信光源之间的距离B之和，再结合液压支架自身的结构参数，例如底座自身厚度、顶梁自身高度及顶梁当前的倾角等，根据空间几何学知识运算即可确定出综采工作面液压支架采煤高度。

为了提高以后的预测效率，在一些实施例中，在根据所述发送时间与接收时间确定出所述可见光通信光源和可见光电子标签之间的相对位置信息，发送至处理器之后，所述方法还包括：所述处理器将发送时间与接收时间的和作为样本构建数据特征；将在预先设定的第一参考空间物理坐标系下确定出的可见光通信光源和可见光电子标签之间的相对位置信息作为样本标签，建立样本与样本标签之间的映射关系，作为样本数据；获取历史液压支架在综采工作面中不同位姿时的所述发送时间与接收时间的和，重复上述步骤，得到多组样本数据；利用机器学习算法对多组所述样本数据进行训练，得到神经网络预测模型。这样，处理器可以通过内部的神经网络预测模型处理可见光通信光源传送的所述发送时间与接收时间的和，直接查询映射关系就可以快速得到综采工作面液压支架采煤高度。

其中，第一参考空间物理坐标系可以是以综采工作面为参考空间，以第一个液压支架为坐标原点，建立的柱坐标系。

在一实施例中，所述可见光电子标签为无源可见光电子标签，所述向安装于综采工作面液压支架底座上的可见光电子标签发送可见光定位请求信号包括：控制可见光定位请求信号以预定的发射方向角与光强度发送至可见光电子标签；所述可见光电子标签在接收到所述可见光定位请求信号之后，还包括：将所述可见光定位请求信号解调为电信号；对所述电信号进行处理，当确定需要响应所述可见光定位请求信号之后，生成电响应信号，将所述电响应信号调制成光响应信号发送。

通过将所述可将光定位请求信号解调为电信号后，可见光定位请求信号中的可见光电子标签标识信息可以与所述可见光电子标签唯一的身份标识码进行匹配，从而使可见光电子标签确定是否需要响应所述可见光定位请求信号。

本发明提供的综采工作面液压支架采煤高度测量方法，通过光信号确定综采工作面液压支架采煤高度的方式，与视觉测量模块相比较，受煤尘、电磁干扰等外界条件的干扰比较小，能够以简单的方式实现采煤高度的测量。

需要说明的是，在本文中，各个实施例之间描述的方案的侧重点不同，但是各个实施例又存在某种相互关联的关系，在理解本发明方案时，各个实施例之间可相互参照；另外，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。