[发明专利]一种支撑掩护式液压支架姿态智能监测系统及其测量方法

权利要求书

1.一种支撑掩护式液压支架姿态智能监测系统，其特征在于：支撑掩护式液压支架姿态智能监测系统包括智能监测装置和上位机；智能监测装置为矿用防爆型电气设备，包括一台二维激光雷达、一个3轴倾角传感器和一个测控主机，将测控主机与3轴倾角传感器固定在智能监测装置机壳内，二维激光雷达固定在机壳外部；智能监测装置固定安装在支撑掩护式液压支架底座钢板上，处于两个前立柱之间的位置；测控主机通过电缆对激光雷达和倾角传感器进行供电、控制、数据接收和数据处理，并将解算结果传输到上位机；

所述一种支撑掩护式液压支架姿态智能监测系统的测量方法，包括：

首先，支撑掩护式液压支架姿态智能监测系统分为定时和手动两个工作模式；

当在定时模式下，智能监测装置定时唤醒开启监测模式，完成一次测量后自动进入待机模式；

在手动模式下，工作人员在上位机操作界面根据需求启动智能监测装置开始监测工作；

在两种工作模式下，3轴倾角传感器均始终处于工作状态，当3轴倾角传感器输出的倾角变化大于设定的阈值时，智能监测装置自动开启监测模式，并将测量结果上传给上位机；

其次，以激光雷达的旋转轴心为原点，建立坐标轴，根据3轴倾角传感器输出的倾斜角度及激光雷达轴心到底座的距离可得出底座所在的直线方程，表示为：

l_e:y＝k_ex+m_e

进一步，智能监测装置开始监测时，测控主机控制激光雷达沿垂直方向快速旋转，进行180°快速测距扫描，完成一次扫描后，激光雷达输出一组点云数据，表示扫描时激光照射至液压支架内各表面的离散点到测量起始点的距离和旋转夹角，表示为(r_i，α_i)(i＝1,2,3，...，n)；

进一步，3轴倾角传感器测量输出的液压支架的水平倾角为α₀，则雷达输出的点云数据修正为(r _i，α_i-α₀)(i＝1,2,3,...,n)，对其进行Hough变换、卡尔曼滤波处理提取出4条最优直线，对应支撑掩护式液压支架的护帮板、顶梁、掩护梁和前连杆在激光扫描空间平面的直线方程，分别表示为：

l_a:y＝k _a x+m _a

l_b:y＝k _b x+m _b

l_c:y＝k _c x+m _c

l_d:y＝k _d x+m _d

进一步，直线a与b、b与c、c与d、d与e在空间的交点A、C、D、E的坐标分别为：

A：C：

D：E：

进一步，根据顶梁与A、C两点的长度，得前梁的伸缩长度：

L _AB＝L _AC-L _BC

其中：

进一步，可得A点到前立柱与顶梁铰接点的距离为L₁，已知B点到后立柱与顶梁铰接点的距离为L ₂，以A、B两点为原点，以L₁和L ₂为半径做两个圆；分别联立两圆和直线l_b的方程：

对两组方程组求解，在方程组(1)中舍弃横坐标较小的点，在方程组(2)中舍弃横坐标较大的点；最后得出前后立柱与顶梁铰接点F，G在直角坐标系中的坐标：(x ₁，y ₁)，(x ₂，y₂)；

进一步，作一条平行于直线l_e的过原点的直线：

l_e1：y＝k _e x

已知前后立柱轴心在激光雷达轴心所在高度上两点距离为L ₃，以原点为圆心，L ₃为半径作圆，联立圆O与直线l_e1的方程：

解算方程组(3)，舍弃横坐标较小的点，得到在后立柱上与激光雷达轴心距离底座同一高度的点H(x ₃，y ₃)；

进一步，通过点O，F，G，H的坐标确定前后立柱所在直线方程为：

l _OF：

l _GH：

至此，实现对液压支架全部运动构件姿态的解算。