一种基于UWB的液压支架推移油缸行程测量装置及方法

技术领域

本发明提供了一种基于UWB的液压支架推移油缸行程测量装置及方法，属于液压支架推移油缸行程测量技术领域。

背景技术

随着煤矿智能化工作面的发展，越来越多的控制设备和感知设备被安装到液压支架上，推移油缸行程传感器是其中一种关键的传感器，其是否能可靠稳定运行对实现综采工作面智能化、无人化起到关键作用。而现实是工作面液压支架推移油缸安装的磁环式行程传感器会大量损坏，由于工作面工况恶劣，行程传感器损坏后维修更换异常困难，因此解决行程传感器可靠稳定工作、易维护、可更换是智能化综采工作面必须解决的课题。

液压支架推移油缸是关键部件，对液压支架推移油缸进行定量度量的行程传感器是实现智能化工作面的必备传感器。在智能化工作面中，每个支架都要安装一个行程传感器，行程传感器的用量很大。现有的行程传感器在使用过程中会有三个弊端，一是安装调试不方便，当将行程传感器安装到油缸中测试功能异常后，需要耗费大量时间和人力拆装；二是由于安装在油缸中，对传感器密封要求很高；三是检修很不方便甚至无法维修，由于行程传感器装在油缸内部，需要拆除油缸后才能进行检修。

发明内容

本发明为了解决现有液压支架推移油缸安装的行程传感器调试不方便、密封性要求高、检修不方便的问题，提出了一种基于UWB的液压支架推移油缸行程测量装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于UWB的液压支架推移油缸行程测量装置，包括UWB测距基站、第一测距标签、第二测距标签、支架控制器和上位机，所述UWB测距基站安装在液压支架顶梁上，所述第一测距标签安装在液压支架推移油缸上，能够随推移油缸一起移动，所述第二测距标签安装在液压支架底座上；

所述UWB测距基站和第二测距标签分别通过电缆与支架控制器相连，所述支架控制器与上位机无线通信；

所述第一测距标签上还集成有加速度计，第一测距标签在液压支架不工作时进入睡眠状态，支架长时间没有工作，第一测距标签的加速度计不工作，第一测距标签内部设置有定时器会定时唤醒标签；

所述支架控制器内置有根据UWB测距基站、第一测距标签、第二测距标签反馈的数据进行推移油缸行程计算的计算机程序，其中推移油缸实时行程长度计算公式为：

上式中：L

所述UWB测距基站与底座之间的垂直高度h的计算公式为：

上式中：b表示UWB测距基站与第二测距标签之间的距离，f表示UWB测距基站垂直于液压支架底座的交点与第二测距标签之间的距离。

所述支架控制器采用矿用本安型支架控制器，所述支架控制器分别通过矿用四芯电缆与UWB测距基站和第二测距标签相连，给UWB测距基站和第二测距标签供电的同时实现通信。

所述第一测距标签采用电池供电。

一种基于UWB的液压支架推移油缸行程测量方法，采用基于UWB的液压支架推移油缸行程测量装置，

当工作面不开采时，液压支架处于静止状态，支架控制器周期性读取UWB测距基站和第二测距标签的工作状态，检测设备是否正常，第一测距标签在不工作时进入睡眠状态，在工作时自动定时唤醒，通过UWB测距基站向支架控制器报告设备状态；

当工作面开采时，液压支架推移油缸行程测量步骤如下：

S1：第一测距标签测距：

S1.1：判断第一测距标签是否唤醒；

S1.2：当第一测距标签已经唤醒，则第一测距标签测量与UWB测距基站之间的距离并将测量数据上传至支架控制器；

S1.3：之后再判断第一测距标签的加速度计是否正常工作，当第一测距标签的加速度计正常工作时，则延时一段时间后重新进入步骤S1.2：

S1.4：当步骤S1.3中判断第一测距标签的加速度计不工作时，则延时一段时间后第一测距标签进入睡眠；

S1.5：当步骤S1.1中判断的第一测距标签没有及时唤醒，则判断第一测距标签是超时唤醒，此时使第一测距标签测量与UWB测距基站之间的距离并将测量数据上传至支架控制器，然后进入睡眠；

S2：第二测距标签测距：判断第二测距标签是否收到支架控制器读取数据的命令，当第二测距标签收到支架控制器读取数据的命令时，第二测距标签应答并将测距数据发送至支架控制器，

S3：液压支架推移油缸行程计算，支架控制器对第一测距标签和第二测距标签上传的测距数据进行有效性判断，当支架控制器判断第一测距标签和第二测距标签测量的数据均有效时，根据测量数据计算推移油缸的行程。

所述支架控制器将UWB测距基站、第一测距标签、第二测距标签上传的数据实时上传至上位机，上位机对反馈的数据进行分析，从而对UWB测距基站、第一测距标签、第二测距标签是否正常进行判断，并将判断结果进行显示。

所述液压支架推移油缸行程的计算公式如下：

上式中：L

所述UWB测距基站与液压支架底座之间的垂直高度h的计算公式为：

上式中：b表示UWB测距基站与第二测距标签之间的距离，f表示UWB测距基站垂直于液压支架底座的交点与第二测距标签之间的距离。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提供的基于UWB的液压支架推移油缸行程测量装置及方法通过采用UWB测距基站和UWB测距标签，不仅能够测量推移油缸行程，且UWB测距基站和UWB测距标签均安装在液压支架上，检修时不需要再对推移油缸进行拆除，省时省力，且通过UWB定位的技术，通过上位机对各个UWB测距基站和UWB测距标签是否正常工作进行分析，能够实时的对其进行监测，一旦发现某个基站或标签不上传数据或上传的数据不正确则判定为其损坏，能够及时获知损坏器件所在的液压支架号，对损坏器件进行更换，本发明简化了安装，提供了装置实时监控功能，降低了维护成本，提高了稳定性。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明方法的整体流程图；

图3为本发明第一测距标签的测距流程图；

图4为本发明第二测距标签的测距流程图；

图5为本发明推移油缸行程计算的流程图；

图6为采用本发明的装置进行监测维护的流程图；

图中：1为液压支架顶梁、2为液压支架底座、3为液压支架推移油缸、4为UWB测距基站、5为第一测距标签、6为第二测距标签、7为支架控制器。

具体实施方式

如图1至图6所示，本发明提供了一种基于UWB的液压支架推移油缸行程测量装置，包括UWB测距基站4、第一测距标签5、第二测距标签6、支架控制器7和上位机，所述UWB测距基站4安装在液压支架顶梁1上，所述第一测距标签5安装在液压支架推移油缸3上，能够随推移油缸一起移动，所述第二测距标签6安装在液压支架底座2上；

所述UWB测距基站4和第二测距标签6分别通过电缆与支架控制器7相连，所述支架控制器7与上位机无线通信；

所述第一测距标签5上还集成有加速度计，第一测距标签5在液压支架不工作时进入睡眠状态；支架长时间没有工作，第一测距标签5的加速度计也就不工作，第一测距标签5内部有个定时器会定时唤醒标签；

所述支架控制器7内置有根据UWB测距基站4、第一测距标签5、第二测距标签6反馈的数据进行推移油缸行程计算的计算机程序，其中推移油缸实时行程长度计算公式为：

上式中：L

所述UWB测距基站与液压支架底座之间的垂直高度h的计算公式为：

上式中：b表示UWB测距基站与第二测距标签之间的距离，f表示UWB测距基站垂直于液压支架底座的交点与第二测距标签之间的距离。

所述支架控制器7采用矿用本安型支架控制器，所述支架控制器7分别通过矿用四芯电缆与UWB测距基站4和第二测距标签6相连，给UWB测距基站4和第二测距标签6供电的同时实现通信。

所述第一测距标签5采用电池供电。

一种基于UWB的液压支架推移油缸行程测量方法，采用基于UWB的液压支架推移油缸行程测量装置，

当工作面不开采时，液压支架处于静止状态，支架控制器7周期性读取UWB测距基站4和第二测距标签6的工作状态，检测设备是否正常，第一测距标签5在不工作时进入睡眠状态，在工作时自动定时唤醒，通过UWB测距基站4向支架控制器7报告设备状态；

当工作面开采时，液压支架推移油缸行程测量步骤如下：

S1：第一测距标签测距：

S1.1：判断第一测距标签5是否唤醒；

S1.2：当第一测距标签5已经唤醒，则第一测距标签5测量与UWB测距基站4之间的距离并将测量数据上传至支架控制器7；

S1.3：之后再判断第一测距标签5的加速度计是否正常工作，当第一测距标签5的加速度计正常工作时，则延时一段时间后重新进入步骤S1.2：

S1.4：当步骤S1.3中判断第一测距标签5的加速度计不工作时，则延时一段时间后第一测距标签5进入睡眠；

S1.5：当步骤S1.1中判断的第一测距标签5没有及时唤醒，则判断第一测距标签5是超时唤醒，此时使第一测距标签5测量与UWB测距基站4之间的距离并将测量数据上传至支架控制器7，然后进入睡眠；

S2：第二测距标签测距：判断第二测距标签6是否收到支架控制器7读取数据的命令，当第二测距标签6收到支架控制器7读取数据的命令时，第二测距标签6应答并将测距数据发送至支架控制器7；

S3：液压支架推移油缸行程计算，支架控制器7对第一测距标签5和第二测距标签6上传的测距数据进行有效性判断，当支架控制器7判断第一测距标签5和第二测距标签6测量的数据均有效时，根据测量数据计算推移油缸的行程。

所述支架控制器7将UWB测距基站4、第一测距标签5、第二测距标签6上传的数据实时上传至上位机，上位机对反馈的数据进行分析，从而对UWB测距基站4、第一测距标签5、第二测距标签6是否正常进行判断，并将判断结果进行显示。

所述液压支架推移油缸行程的计算公式如下：

上式中：L

所述UWB测距基站与液压支架底座之间的垂直高度h的计算公式为：

上式中：b表示UWB测距基站与第二测距标签之间的距离，f表示UWB测距基站垂直于液压支架底座的交点与第二测距标签之间的距离。

如图1所示为本发明的测量装置，包括UWB测距基站4、第一测距标签5、第二测距标签6、支架控制器7、上位机。其中UWB测距基站4安装在液压支架顶梁1上，第二测距标签6安装在液压支架底座2上，第一测距标5签安装在液压支架推移油缸3上，可以随推移油缸移动。其中UWB测距基站4和安装在液压支架底座2上的第二测距标签6通过电缆与支架控制器7连接，支架控制器7提供电源并与UWB测距基站4、第二测距标签6通信，另一个安装在液压支架推移油缸3上的第一测距标签5使用电池供电。

当工作面不开采时，液压支架处于静止状态，支架控制器7会周期读取UWB测距基站4和第二测距标签6的工作状态，检测设备是否正常，第一测距标签5会在不工作时进入睡眠状态以降低功耗，并自动定时唤醒，通过UWB测距基站4向支架控制器7报告设备状态。

本发明油缸推移行程测量的流程如图2-5所示，根据图1上设备安装示意图，设UWB测距基站垂线与液压支架底座交点与推移油缸起点距离用e表示，UWB测距基站垂线与液压支架底座交点与第二测距标签距离用f表示，第一测距标签距UWB测距基站距离用a表示，第二测距标签距UWB测距基站距离用b表示，则UWB测距基站距液压支架底座的高度h计算公式为：

本发明的测距原理为：煤矿井下综采工作面采煤过程中，液压支架跟随采煤机进行移动，而液压支架上的推移油缸和立柱跟随采煤机及采煤工作面进行实时变化，因此，本发明中，在正常采煤工作时，实时变化的测量数据为a和b，而推移油缸的行程计算，需要用到h，h根据确定量f和能够测量出来的已知量b进行计算，从而能够得到推移油缸的行程数值，其计算过程简单，且由于计算过程中可变量少，计算的推移油缸的行程距离也比较准确。

本发明对于第一测距标签5的唤醒通过在其上设置加速度计实现，当液压支架静止时，第一测距标签5的加速度为0，当液压支架开始移架时，推移油缸会进行伸缩，第一测距标签5的加速度会发生变化，根据该变化可以唤醒第一测距标签5，使其进行正常测量状态，如图3所示，而本发明为了验证第一测距标签5是否正常，设置了超时唤醒的时间限定，如果超过设定的时间第一测距标签5一直不反馈数据则可认为该标签损坏或电池没电，将其异常信息在上位机上显示，及时更换标签或标签电池。

本发明通过支架控制器7定时读取第二测距标签5的测量数据，对第二测距标签5是否正常工作进行判断，如图4所示，当支架控制器7发出的读取命令超过设定时间没有收到第二测距标签5反馈信号或第二测距标签5在短时间内反馈的距离数据有突变，则认为该标签有损坏，将其异常信息在上位机上显示，及时更换标签然后对其进行检修。

根据图5所示，当支架控制器7接收到的第一测距标签5和第二测距标签6的数据均为正常的有效数据时，则将上述数据代入推移油缸行程计算公式中进行计算，得到液压支架推移油缸的实时行程。

本发明通过支架控制器7实时上传UWB测距基站4、第一测距标签5、第二测距标签6的工作状态，上位机提供实时维保信息。如图6所示，当设备异常时，上位机的显示界面会明确显示需要维修或更换的设备所在的支架号。设备损坏后，只需要维护人员将旧设备拆下，将新设备安装即可，安装快捷省时省力。

关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、相互间连接方式以及，由上述技术特征带来的常规使用方法、可预期技术效果，除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的专利、期刊论文、技术手册、技术词典、教科书中已公开内容，或属于本领域常规技术、公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。