刮板输送机位姿模型建立方法和系统

权利要求书： 1.一种刮板输送机位姿模型建立方法，其特征在于，包括如下步骤：

S10：建立基准坐标系OXYZ，在依次联接在多个中部槽中，定义第一节中部槽的与第二节中部槽形成间隙的一侧的顶点为坐标原点O，第一节中部槽长度方向为X轴，宽度方向为Y轴，垂直于中部槽平面方向为Z轴；

S20：定义位姿模型各个参量，定义刮板输送机中部槽的长度为L，宽度为H；以刮板输送机中部槽中心点为位置标准点，在坐标系下各位置标准点定义为(x1，y1)···(xn，yn)···(xn+m，yn+m)；在弯曲状态下刮板输送机中部槽相邻两个中部槽之间间形成的夹角定义为αi，因夹角致使两刮板输送机中部槽另一侧存在间距，将此间距定义为a；在整个弯曲状态中，各刮板输送机的中部槽与水平面的夹角定义为θi；

S30：根据刮板输送机感知需求，对刮板输送机的复杂运行状况进行简化分析推导形成刮板输送机弯曲工况下位姿模型；

所述刮板输送机弯曲工况下位姿模型推导包括如下：

S301：假设刮板输送机中部槽仅前两节发生弯曲，第二节刮板输送机的中部槽与水平面的夹角θ1与前两节刮板输送机中部槽之间形成的夹角α1相等，即θ1＝α1，此时第二节的状态为：





S302：若刮板输送机中部槽发生n+m+1节弯曲，在n+1节之前属于弯曲累计阶段，第n+1节刮板输送机的中部槽与水平面之间的夹角θn为前n+1节相邻刮板输送机中部槽之间形成的夹角αi累计之和；即θn＝α1+α2+…+αn，此时第n+1节的状态为：





S303：在n+1节后属于弯曲恢复阶段，第n+2节刮板输送机的中部槽与水平面之间的夹角θn+1为前n+1节相邻刮板输送机中部槽之间形成的夹角αi累计之和与第n+2节、第n+1节刮板输送机中部槽之间形成的夹角αn+1的差；即θn+1＝α1+α2+…+αn-αn+1；此时第n+2节的状态为：





S304：在n+2节后，第n+m+1节刮板输送机的中部槽与水平面之间的夹角θn+m为前n+1节相邻刮板输送机中部槽之间形成的夹角αi累计之和与第n+2节至n+m+1节相邻刮板输送机中部槽之间形成的夹角αi累计之和的差；即θn+m＝α1+α2+…+αn-αn+1-αn+2-…-αn+m；此时第n+m+1节的状态为：





S305：综合以上各式，得出刮板输送机弯曲工况下位姿模型：







2.根据权利要求1所述的刮板输送机位姿模型建立方法，其特征在于，

在步骤S30中，对刮板输送机的复杂运行状况进行简化分析包括如下步骤：

S31：假设第一节中部槽为基准平直状态；

S32：假设刮板输送机处在平整的煤层底板中，只存在平行于煤层底板的弯曲。

3.一种刮板输送机位姿模型建立系统，其特征在于，包括：

定义坐标系模块：用于建立基准坐标系OXYZ，在依次联接在多个中部槽中，定义第一节中部槽的与第二节中部槽形成间隙的一侧的顶点为坐标原点O，第一节中部槽长度方向为X轴，宽度方向为Y轴，垂直于中部槽平面方向为Z轴；

定义参数模块：用于定义位姿模型各个参量，定义刮板输送机中部槽的长度为L，宽度为H；以刮板输送机中部槽中心点为位置标准点，在坐标系下各位置标准点定义为(x1，y1)···(xn，yn)···(xn+m，yn+m)；在弯曲状态下刮板输送机中部槽相邻两个中部槽之间间形成的夹角定义为αi，因夹角致使两刮板输送机中部槽另一侧存在间距，将此间距定义为a；在整个弯曲状态中，各刮板输送机的中部槽与水平面的夹角定义为θi；

位姿模型建立模块：根据刮板输送机感知需求，对刮板输送机的复杂运行状况进行简化分析推导形成刮板输送机弯曲工况下位姿模型；

所述刮板输送机弯曲工况下位姿模型推导包括如下：

第一计算单元：用于假设刮板输送机中部槽仅前两节发生弯曲，第二节刮板输送机的中部槽与水平面的夹角θ1与前两节刮板输送机中部槽之间形成的夹角α1相等，即θ1＝α1，计算(x1,y1)的位置坐标：





第二计算单元：用于当刮板输送机中部槽发生n+m+1节弯曲，计算(xn,yn)的位置坐标，其中，在n+1节之前属于弯曲累计阶段，第n+1节刮板输送机的中部槽与水平面之间的夹角θn为前n+1节相邻刮板输送机中部槽之间形成的夹角αi累计之和，即θn＝α1+α2+…+αn，此时第n+1节的状态为：





第三计算单元：用于计算在n+1节后属于弯曲恢复阶段的(xn+1,yn+1)的位置坐标，第n+2节刮板输送机的中部槽与水平面之间的夹角θn+1为前n+1节相邻刮板输送机中部槽之间形成的夹角αi累计之和与第n+2节、第n+1节刮板输送机中部槽之间形成的夹角αn+1的差；即θn+1＝α1+α2+…+αn-αn+1；此时第n+2节的状态为：





第四计算单元：用于计算在n+2节后的(xn+m,yn+m)的位置坐标，第n+m+1节刮板输送机的中部槽与水平面之间的夹角θn+m为前n+1节相邻刮板输送机中部槽之间形成的夹角αi累计之和与第n+2节至n+m+1节相邻刮板输送机中部槽之间形成的夹角αi累计之和的差，即θn+m＝α1+α2+…+αn-αn+1-αn+2-…-αn+m；此时第n+m+1节的状态为：





第五计算单元：用于根据第一计算单元、第二计算单元、第三计算单元和第四计算单元得出刮板输送机弯曲工况下位姿模型：







4.根据权利要求3所述的一种刮板输送机位姿模型建立系统，其特征在于，

所述位姿模型建立模块还包括：

第一定义单元：用于定义第一节中部槽为基准平直状态；

第二定义单元：用于定义刮板输送机处在平整的煤层底板中，只存在平行于煤层底板的弯曲。

说明书： 一种刮板输送机位姿模型建立方法和系统技术领域

本发明涉及涉及一种刮板输送机位姿模型建立方法和系统,适用于煤矿井下工作面刮板输送机的直线度感知。

背景技术

智能感知作为煤矿的智能开采三大要素之一，它同时也是最基础的一个环节。智能感知的精度对智能决策和自动控制的实现有极其重要的影响。其中，对刮板输送机直线度感知精度越高，液压支架的推移也将更加精准，采煤机的割煤效率也会更高。然而，传统刮板输送机位姿模型均是通过液压支架或采煤机间接建立的。基于液压支架建立的刮板输送机位姿模型是通过监测液压支架的推移动作来推算刮板输送机的位置姿态，基于采煤机建立的位姿模型是利用采煤机上的惯导系统计算出采煤机的运行轨迹后反演出刮板输送机的位置姿态。这两种传统的刮板输送机位姿模型都属于间接建立方法，均会产生较大的累计误差，导致刮板输送机直线度感知精度较低，难以满足智能感知要求。

发明内容

本方案针对上文提出的问题和需求，提出一种刮板输送机位姿模型建立方法，由于采取了如下技术特征而能够实现上述技术目的，并带来其他多项技术效果。

本发明的一个目的在于提出一种刮板输送机位姿模型建立方法，包括如下步骤：

S10：建立基准坐标系OXYZ，在依次联接在多个中部槽中，定义第一节中部槽的与第二节中部槽形成间隙的一侧的顶点为坐标原点O，第一节中部槽长度方向为X轴，宽度方向为Y轴，垂直于中部槽平面方向为Z轴；

S20：定义位姿模型各个参量，定义刮板输送机中部槽的长度为L，宽度为H；以刮板输送机中部槽中心点为位置标准点，在坐标系下各位置标准点定义为(x1，y1)…(xn，yn)…(xn+m，yn+m)；在弯曲状态下刮板输送机中部槽相邻两个中部槽之间间形成的夹角定义为αi，因夹角致使两刮板输送机中部槽另一侧存在间距，将此间距定义为a；在整个弯曲状态中，各刮板输送机的中部槽与水平面的夹角定义为θi；

S30：根据刮板输送机感知需求，对刮板输送机的复杂运行状况进行简化分析推导形成刮板输送机弯曲工况下位姿模型；

所述刮板输送机弯曲工况下位姿模型推导包括如下：

S301：假设刮板输送机中部槽仅前两节发生弯曲，第二节刮板输送机的中部槽与水平面的夹角θ1与前两节刮板输送机中部槽之间形成的夹角α1相等，即θ1＝α1，此时第二节的状态为：





S302：若刮板输送机中部槽发生n+m+1节弯曲，在n+1节之前属于弯曲累计阶段，第n+1节刮板输送机的中部槽与水平面之间的夹角θn为前n+1节相邻刮板输送机中部槽之间形成的夹角αi累计之和；即θn＝α1+α2+…+αn，此时第n+1节的状态为：





S303：在n+1节后属于弯曲恢复阶段，第n+2节刮板输送机的中部槽与水平面之间的夹角θn+1为前n+1节相邻刮板输送机中部槽之间形成的夹角αi累计之和与第n+2节、第n+1节刮板输送机中部槽之间形成的夹角αn+1的差；即θn+1＝α1+α2+…+αn-αn+1；此时第n+2节的状态为：





S304：在n+2节后，第n+m+1节刮板输送机的中部槽与水平面之间的夹角θn+m为前n+1节相邻刮板输送机中部槽之间形成的夹角αi累计之和与第n+2节至n+m+2节相邻刮板输送机中部槽之间形成的夹角αi累计之和的差；即θn+m＝α1+α2+…+αn-αn+1-αn+2-…-αn+m；此时第n+m+1节的状态为：





S305：综合以上各式，得出刮板输送机弯曲工况下位姿模型：







在本发明的一个实施例中，在步骤S30中，对刮板输送机的复杂运行状况进行简化分析包括如下步骤：

S31：假设第一块中部槽为基准平直状态；

S32：假设刮板输送机处在平整的煤层底板中，只存在平行于煤层底板的弯曲。

本发明的另一个目的在于提出一种刮板输送机位姿模型建立系统，包括：

定义坐标系模块：用于建立基准坐标系OXYZ，在依次联接在多个中部槽中，定义第一节中部槽的与第二节中部槽形成间隙的一侧的顶点为坐标原点O，第一节中部槽长度方向为X轴，宽度方向为Y轴，垂直于中部槽平面方向为Z轴；

定义参数模块：用于定义位姿模型各个参量，定义刮板输送机中部槽的长度为L，宽度为H；以刮板输送机中部槽中心点为位置标准点，在坐标系下各位置标准点定义为(x1，y1)…(xn，yn)…(xn+m，yn+m)；在弯曲状态下刮板输送机中部槽相邻两个中部槽之间间形成的夹角定义为αi，因夹角致使两刮板输送机中部槽另一侧存在间距，将此间距定义为a；在整个弯曲状态中，各刮板输送机的中部槽与水平面的夹角定义为θi；

位姿模型建立模块：根据刮板输送机感知需求，对刮板输送机的复杂运行状况进行简化分析推导形成刮板输送机弯曲工况下位姿模型；

所述刮板输送机弯曲工况下位姿模型推导包括如下：

第一计算单元：用于假设刮板输送机中部槽仅前两节发生弯曲，第二节刮板输送机的中部槽与水平面的夹角θ1与前两节刮板输送机中部槽之间形成的夹角α1相等，即θ1＝α1，计算(x1,y1)的位置坐标：





第二计算单元：用于当刮板输送机中部槽发生n+m+1节弯曲，计算(xn,yn)的位置坐标，其中，在n+1节之前属于弯曲累计阶段，第n+1节刮板输送机的中部槽与水平面之间的夹角θn为前n+1节相邻刮板输送机中部槽之间形成的夹角αi累计之和；即θn＝α1+α2+…+αn，此时第n+1节的状态为：





第三计算单元：用于计算在n+1节后属于弯曲恢复阶段的(xn+1,yn+1)的位置坐标，第n+2节刮板输送机的中部槽与水平面之间的夹角θn+1为前n+1节相邻刮板输送机中部槽之间形成的夹角αi累计之和与第n+2节、第n+1节刮板输送机中部槽之间形成的夹角αn+1的差；即θn+1＝α1+α2+…+αn-αn+1；此时第n+2节的状态为：





第四计算单元：用于计算在n+2节后的(xn+m,yn+m)的位置坐标，第n+m+1节刮板输送机的中部槽与水平面之间的夹角θn+m为前n+1节相邻刮板输送机中部槽之间形成的夹角αi累计之和与第n+2节至n+m+1节相邻刮板输送机中部槽之间形成的夹角αi累计之和的差；即θn+m＝α1+α2+…+αn-αn+1-αn+2-…-αn+m；此时第n+m+1节的状态为：





第五计算单元：用于根据第一计算单元、第二计算单元、第三计算单元和第四计算单元得出刮板输送机弯曲工况下位姿模型：







在本发明的一个实施例中，所述位姿模型建立模块还包括：

第一定义单元：用于定义第一块中部槽为基准平直状态；

第二定位单元：用于定义刮板输送机处在平整的煤层底板中，只存在平行于煤层底板的弯曲。

相较于现有技术中的基于液压支架或采煤机的运动来实现对刮板输送机位姿模型的间接建立，本方法通过对刮板输送机相邻两节中部槽间角度变化量的监测实现了对刮板输送机位姿模型的直接建立。该位姿模型建立方法有利于消除间接建立模型的累积误差，提高了对刮板输送机位姿监测的精度。

下文中将结合附图对实施本发明的最优实施例进行更加详尽的描述，以便能容易理解本发明的特征和优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下文中将对本发明实施例的附图进行简单介绍。其中，附图仅仅用于展示本发明的一些实施例，而非将本发明的全部实施例限制于此。

图1为根据本发明实施例的刮板输送机弯曲位姿模型建立方法流程图；

图2为根据本发明实施例的刮板输送机弯曲位姿模型示意图。

具体实施方式

为了使得本发明的技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚，下文中将结合本发明具体实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。附图中相同的附图标记代表相同部件。需要说明的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的一个目的在于提出一种刮板输送机位姿模型建立方法，如图1和图2所示，包括如下步骤：

S10：建立基准坐标系OXYZ，在依次联接在多个中部槽中，定义第一节中部槽的与第二节中部槽形成间隙的一侧的顶点为坐标原点O，第一节中部槽长度方向为X轴，宽度方向为Y轴，垂直于中部槽平面方向为Z轴；

S20：定义位姿模型各个参量，定义刮板输送机中部槽的长度为L，宽度为H；以刮板输送机中部槽中心点为位置标准点，在坐标系下各位置标准点定义为(x1，y1)…(xn，yn)…(xn+m，yn+m)；在弯曲状态下刮板输送机中部槽相邻两个中部槽之间间形成的夹角定义为αi，因夹角致使两刮板输送机中部槽另一侧存在间距，将此间距定义为a；在整个弯曲状态中，各刮板输送机的中部槽与水平面的夹角定义为θi；

S30：根据刮板输送机感知需求，对刮板输送机的复杂运行状况进行简化分析推导形成刮板输送机弯曲工况下位姿模型；

所述刮板输送机弯曲工况下位姿模型推导包括如下：

S301：假设刮板输送机中部槽仅前两节发生弯曲，第一节刮板输送机的中部槽与水平面的夹角θ1与前两节刮板输送机中部槽之间形成的夹角α1相等，即θ1＝α1，此时第二节的状态为：





S302：若刮板输送机中部槽发生n+m+1节弯曲，在n+1节之前属于弯曲累计阶段，第n+1节刮板输送机的中部槽与水平面之间的夹角θn为前n+1节相邻刮板输送机中部槽之间形成的夹角αi累计之和；即θn＝α1+α2+…+αn，此时第n+1节的状态为：





S303：在n+1节后属于弯曲恢复阶段，第n+2节刮板输送机的中部槽与水平面之间的夹角θn+1为前n+1节相邻刮板输送机中部槽之间形成的夹角αi累计之和与第n+2节、第n+1节刮板输送机中部槽之间形成的夹角αn+1的差；即θn+1＝α1+α2+…+αn-αn+1；此时第n+2节的状态为：





S304：在n+2节后，第n+m+1节刮板输送机的中部槽与水平面之间的夹角θn+m为前n+1节相邻刮板输送机中部槽之间形成的夹角αi累计之和与第n+2节至n+m+1节相邻刮板输送机中部槽之间形成的夹角αi累计之和的差；即θn+m＝α1+α2+…+αn-αn+1-αn+2-…-αn+m；此时第n+m+1节的状态为：





S305：综合以上各式，得出刮板输送机弯曲工况下位姿模型：







在本发明的一个实施例中，在步骤S30中，对刮板输送机的复杂运行状况进行简化分析包括如下步骤：

S31：假设第一块中部槽为基准平直状态；

S32：假设刮板输送机处在平整的地貌环境中，只存在水平弯曲。

相较于现有技术中的基于液压支架或采煤机的运动来实现对刮板输送机位姿模型的间接建立，本方法通过对刮板输送机相邻两节中部槽间角度变化量的监测实现了对刮板输送机位姿模型的直接建立。该位姿模型建立方法有利于消除间接建立模型的累积误差，提高了对刮板输送机位姿监测的精度。

本发明的另一个目的在于提出一种刮板输送机位姿模型建立系统，包括：

定义坐标系模块：用于建立基准坐标系OXYZ，在依次联接在多个中部槽中，定义第一节中部槽的与第二节中部槽形成间隙的一侧的顶点为坐标原点O，第一节中部槽长度方向为X轴，宽度方向为Y轴，垂直于中部槽平面方向为Z轴；

定义参数模块：用于定义位姿模型各个参量，定义刮板输送机中部槽的长度为L，宽度为H；以刮板输送机中部槽中心点为位置标准点，在坐标系下各位置标准点定义为(x1，y1)…(xn，yn)…(xn+m，yn+m)；在弯曲状态下刮板输送机中部槽相邻两个中部槽之间间形成的夹角定义为αi，因夹角致使两刮板输送机中部槽另一侧存在间距，将此间距定义为a；在整个弯曲状态中，各刮板输送机的中部槽与水平面的夹角定义为θi；

位姿模型建立模块：根据刮板输送机感知需求，对刮板输送机的复杂运行状况进行简化分析推导形成刮板输送机弯曲工况下位姿模型；

所述刮板输送机弯曲工况下位姿模型推导包括如下：

第一计算单元：用于假设刮板输送机中部槽仅前两节发生弯曲，第二节刮板输送机的中部槽与水平面的夹角θ1与前两节刮板输送机中部槽之间形成的夹角α1相等，即θ1＝α1，计算(x1,y1)的位置坐标：





第二计算单元：用于当刮板输送机中部槽发生n+m+1节弯曲，计算(xn,yn)的位置坐标，其中，在n+1节之前属于弯曲累计阶段，第n+1节刮板输送机的中部槽与水平面之间的夹角θn为前n+1节相邻刮板输送机中部槽之间形成的夹角αi累计之和，即θn＝α1+α2+…+αn，此时第n+1节的状态为：





第三计算单元：用于计算在n+1节后属于弯曲恢复阶段的(xn+1,yn+1)的位置坐标，第n+2节刮板输送机的中部槽与水平面之间的夹角θn+1为前n+1节相邻刮板输送机中部槽之间形成的夹角αi累计之和与第n+2节、第n+1节刮板输送机中部槽之间形成的夹角αn+1的差；即θn+1＝α1+α2+…+αn-αn+1；此时第n+2节的状态为：





第四计算单元：用于计算在n+2节后的(xn+m,yn+m)的位置坐标，第n+m+1节刮板输送机的中部槽与水平面之间的夹角θn+m为前n+1节相邻刮板输送机中部槽之间形成的夹角αi累计之和与第n+2节至n+m+1节相邻刮板输送机中部槽之间形成的夹角αi累计之和的差；即θn+m＝α1+α2+…+αn-αn+1-αn+2-…-αn+m；此时第n+m+1节的状态为：





第五计算单元：用于根据第一计算单元、第二计算单元、第三计算单元和第四计算单元得出刮板输送机弯曲工况下位姿模型：







在本发明的一个实施例中，所述位姿模型建立模块还包括：

第一定义单元：用于定义第一块中部槽为基准平直状态；

第二定位单元：用于定义刮板输送机处在平整的煤层底板中，只存在平行于煤层底板的弯曲。

相较于现有技术中的基于液压支架或采煤机的运动来实现对刮板输送机位姿模型的间接建立，本系统通过对刮板输送机相邻两节中部槽间角度变化量的监测实现了对刮板输送机位姿模型的直接建立，该位姿模型建立系统有利于消除间接建立模型的累积误差，提高了对刮板输送机位姿监测的精度。

上文中参照优选的实施例详细描述了本发明所提出的刮板输送机位姿模型建立方法的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明理念的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型，且可以对本发明提出的各种技术特征、结构进行多种组合，而不超出本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。