基于信息融合技术的液压支架姿态监测方法研究

摘要

随着煤矿综采工作面智能化发展，作为采煤链上的重要一环，液压支架发挥着核心推动作用。液压支架智能化关键技术之一的姿态监测技术目前在理论方面还不够完善，因此对其进行深层次的研究是很有必要的。 本文在对两柱掩护式液压支架与围岩耦合关系分析的基础上，建立了液压支架姿态监测模型，研究了姿态角度和支护高度两参数的多传感器融合方法，设计了姿态监测虚拟仪器平台，核心内容总结如下： （1）以液压支架底座水平、顶梁前端抬头这一典型姿态为例建立了液压支架几何模型，在此基础上建立了液压支架顶梁受载解析模型，用MATLAB推导出姿态角度，立柱、平衡千斤顶压力和受载合力大小、位置的关系式，得出了监测受载合力的基础是对液压支架姿态进行监测的结论；对不同的底座姿态下可能出现的液压支架姿态种类进行总结，得出了液压支架姿态监测的参数要求，建立了融合倾角传感器和陀螺仪数据的液压支架姿态监测模型。 （2）研究了基于卡尔曼滤波算法的液压支架姿态角度融合求解方法，并利用MATLAB对该算法进行仿真，结果表明卡尔曼滤波融合算法的融合效果较好，融合后最大振幅由3.753°降到0.746°，角度最大误差由10.8672°降到几乎趋近于零，对误差起到了很好的收敛作用。样机实验结果表明，在静止环境下，陀螺仪的累计误差使最大角度偏差为0.28°，经算法融合后最大偏差降到0.09°；在动态环境下，倾角传感器受加速度影响测量波动大，融合后角度更接近真实值。 （3）研究了倾角传感器双轴耦合关系，建立底座在不同姿态下各支护高度求解公式。利用倾角传感器和陀螺仪的测量角度数据，研究了分批估计算法和自适应加权算法，提出了一种精确求解液压支架支护高度的二级融合算法，经样机实验数据处理后，与算术均值法和普通分批估计法对比，二级融合算法相对误差为 %0.00786 ，融合效果最好。 （4）建立了基于图形化语言LabVIEW软件的虚拟仪器姿态数据采集平台，结合对实际液压支架姿态监测需求的分析，设计了姿态数据采集平台功能，利用LabVIEW编写了姿态数据采集虚拟仪器平台各功能的后面板程序，实现了液压支架姿态的有效监测。

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第一章 绪论

1.1课题的来源、背景及意义

1.2国内外发展动态和研究现状

1.2.1液压支架国内外发展动态

1.2.2液压支架姿态监测技术国内外研究现状

1.3研究的目的和内容

1.3.1研究的目的

1.3.2课题主要研究内容

第二章 液压支架与围岩耦合理论及受载姿态分析

2.1液压支架与围岩耦合关系

2.1.1液压支架概述

2.1.2砌体梁假说下液压支架载荷分析

2.2液压支架受载分析

2.2.1顶梁受载计算流程

2.2.2 液压支架几何模型

2.2.3 顶梁受载解析模型

2.3液压支架与围岩耦合监测

2.3.1液压支架与围岩耦合监测参数

2.3.2液压支架与围岩耦合监测模型

2.3.3液压支架耦合监测流程

2.4液压支架姿态角度求解理论分析

2.4.1液压支架姿态分析

2.4.2姿态角监测参数及其求解方案

2.5液压支架姿态监测模型

2.5.1液压支架姿态监测结构模型

2.5.2液压支架姿态解算流程

2.5.3液压支架姿态监测框架结构

2.6本章小结

第三章 多传感器融合姿态角度解算方法研究

3.1液压支架姿态角度多传感器融合解算方案

3.2液压支架姿态角度数据获取

3.2.1倾角传感器姿态角度求解

3.2.2陀螺仪姿态角度求解

3.3卡尔曼滤波算法理论

3.3.1卡尔曼滤波原理

3.3.2卡尔曼滤波模型

3.3.3 卡尔曼滤波仿真分析

3.3.4 实验验证

3.4 本章小结

第四章 液压支架支护高度多传感器融合求解方法研究

4.1 支护高度多传感融合求解方案

4.2支护高度求解模型

4.2.1倾角传感器双轴耦合关系

4.2.2支护高度求解

4.3液压支架高度二级融合融合算法研究

4.3.1 分批估计算法模型

4.3.2自适应加权融合算法

4.3.3组合融合算法验证

4.3.4与其他数据处理方法对比

4.4本章小结

第五章 姿态监测虚拟仪器平台设计与开发

5.1 虚拟仪器平台结构设计

5.1.1虚拟仪器硬件和软件

5.1.2姿态数据采集平台结构设计

5.2 软件平台模块设计方案

5.2.1软件平台模块功能

5.2.2软件平台模块运行流程

5.3软件平台模块程序设计

5.3.1用户登陆模块

5.3.2参数设置模块

5.3.3数据采集模块

5.3.4数据处理模块

5.3.5报警模块

5.3.6数据存储模块

5.3.7报表生成模块

5.3.8 液压支架姿态数据采集平台

5.4本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

附录

致 谢

攻读学位期间发表的学术论文