智能工作面刮板输送机直线度感知机理研究

摘要

为了解决煤炭智能化开采进程中刮板输送机直线度感知手段缺失的关键技术问题，在深入分析刮板输送机结构和三机联动过程中刮板输送机弯曲规律的基础上，构建了集“感知—处理—决策—调控”为一体的刮板输送机直线度智能感知系统模型；并结合光纤光栅应变传感原理及三维空间曲率传感原理，设计并研发了一种适用于煤矿复杂环境下刮板输送机三维弯曲形态实时动态感知的光纤光栅三维曲率传感器，并采用ANSYS数值模拟软件完成了对光纤光栅三维曲率传感器在曲率半径分别为100m、200m、300m、400m、500m五种情况下的传感器内置光纤光栅串应变情况的模拟研究，研究结果表明内置光纤光栅串的应变与光纤光栅串弯曲处曲率呈线性关系，仿真结果与理论结果一致，验证了传感器设计的合理性；然后基于光纤光栅三维曲率传感器传感获得的正交方向上的离散点曲率信息，采用线性插值和向量递推的方法进行了刮板输送机三维姿态算法推导，实现了刮板输送机三维弯曲形态感知与拟合重建；并通过搭建刮板输送机三维弯曲测试试验平台，分别对刮板输送机平面（三维）直线状态及平面（三维）弯曲状态下感知形态与实际形态的测量效果进行了测试，测试结果表明:在刮板输送机三维弯曲形态布置情况下，实测曲线与感知曲线基本一致，各坐标轴方向误差不大于±15mm，能够满足智能工作面对直线度的检测精度要求；最后，在刮板输送机直线度智能感知系统成功搭建的基础上，从空间曲率测量误差和三维弯曲形状重建算法误差两个大的方面对感知系统存在的误差进行了分析，并提出了减少误差的方法。

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变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2.1 刮板输送机直线度感知技术研究现状

1.2.2 光纤光栅传感技术研究现状

1.2.3 现有感知技术存在的问题

1.3 主要研究内容及技术路线

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 研究方法及技术路线

2 刮板输送机直线度智能感知系统构建

2.1系统构建原则

2.2系统整体结构模型

2.3.1三机智能联动系统

2.3.2 系统硬件结构模型构建

2.4.1 软件系统需求分析

2.4.2 软件系统主要界面开发

2.4.3 软件系统运行环境

2.4.4 系统功能特点

2.5 本章小结

3 光纤光栅三维曲率传感器研制

3.1 光纤光栅曲率感知机理

3.2 光纤光栅三维曲率感知机理

3.3 光纤光栅三维曲率传感器研制

3.3.1 传感器研制原则

3.3.2 传感器基材选择

3.3.3 传感器填充材料选择

3.3.4 光纤光栅串选择

3.3.5 传感器研制

3.4 传感器数值模拟研究

3.4.1 数值模拟软件选择

3.4.2 数值模拟结果分析

3.5 本章小结

4 刮板输送机直线度智能感知试验研究

4.1 试验模型构建

4.2.1 平面感知机理研究

4.2.2 空间感知机理研究

4.3 传感器标定测试

4.4 弯曲试验布置方案研究

4.4.1 平面弯曲试验布置与数据采集

4.4.2 空间弯曲试验布置与数据采集

4.5 试验数据处理

4.6 试验数据分析

4.7 本章小结

5 刮板输送机直线度智能感知系统误差分析

5.1 误差定义

5.2 误差组成与分析

5.2.1 测量误差分析

5.2.2 曲线拟合误差分析

5.3 本章小结

6 主要结论与展望

6.1 主要结论

6.2 展望

参考文献

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