液压支架三维可视化监测系统研究

张文磊，杨思国

(滁州职业技术学院 电气工程学院，安徽 滁州 239000)

在“工业4.0”“中国制造2025”等背景下，信息技术在煤矿安全生产中扮演的角色越来越重要。煤矿的无人化智能开采能大幅降低煤矿工作人员的死亡率。在煤矿开采过程中，液压支架起着支护作用，是安全开采最重要的组成部分，对液压支架设备的状态进行远程三维可视化监测，是实现无人化开采重要的一步。

当前，液压支架数据监测主要还是依赖视频图像监测和设备组态二维图表显示。视频图像显示的缺点是占用资源多、传输延时长，再加上井下环境恶劣，视频图像严重影响监测质量；设备组态二维图表显示不易于观察监测，只有专业人员才能看懂，对操作人员的专业素质要求较高。近年来，VR、AR技术得到了蓬勃发展，这些技术具有直观性、沉浸性及交互性的特点，可用于液压支架设备状态监测。

1 系统整体架构

1.1 系统研究目标

本研究的主要目的是开发煤矿综采机械化开采装备——液压支架设备状态数据三维可视化监测系统，为井下无人化采煤机械远程控制及状态监测技术提供理论基础。具体的研究目标如下：建立一套图像逼真、数据量小并能实时显示工作状态的液压支架计算机三维可视化模型；开发一套能采集液压支架的实时工作状态数据，并能通过工业以太网传输实现数据的三维可视化，而且利于观测的系统。

1.2 系统整体技术路线

根据当前虚拟现实技术在工业设备监测和煤矿设备监测的应用研究[1-3]，本研究的主要路线见图1。

图1 技术路线Fig.1 Research flow chart

2 虚拟液压支架组创建

2.1 液压支架三维模型创建

采用实验室现有的ZZ4400/17/35型实体液压支架为参考模型，根据模型图纸的实际尺寸，采用自上而下的建模方法，先建各个零件的三维模型，再进行总体装配。需要注意的是，EON软件本身不具备强大的建模功能，但它拥有与SolidWorks软件模型进行数据转换的专用接口，而且对英文版的兼容效果更好，数据丢失率低，故建议采用英文版的SolidWorks软件。建模过程中需要注意以下几点：各个零件名称、装配体名称和存储路径不能含有中文字符；各个零件建模时坐标系原点和方向的选择要利于后期编程；零件装配时，第一个零件的局部坐标系也是装配体的全局坐标系。考虑后期编程方便，本研究选择底座为第一个零件，即其局部坐标系为液压支架的全局坐标系；零件材质不能采用系统默认值，不同类型零件使用不同材质，为后期在EON中调整修改材质提供方便。

2.2 虚拟液压支架模型创建

已建好的三维液压支架模型可以通过EON专用数据接口导入，步骤及参数设置如下：①在Scene节点下建立Frame节点，用于存储液压支架模型零部件；②在File菜单的Import选项中选择SolidWorks，选取已创建好的液压支架三维模型；③导入过程中，系统会联动打开SolidWorks软件,同时对模型进行优化。

利用环境光、漫反射、光反射等材质设置节点进行参数调节，使虚拟液压支架显示效果尽量与实际一致，同时利用全景节点模拟真实的井下工作环境。

2.3 虚拟液压支架运动部件父子关系调整

液压支架主要包括前后立柱、顶梁、掩护梁、前后连杆、侧护板、千斤顶和底座等部分，每一个运动部件都单独存储在一个节点中，利用节点的父子继承关系，可避免后期复杂的数学脚本运算并提高系统的流畅性。具体的零部件父子关系如图2所示。根据新设置的零部件父子关系图，对EON软件中虚拟液压支架各零部件的节点进行重新分配，部分零部件节点如图3所示。

图2 零部件父子关系Fig.2 Parent-child relationship of parts

图3 部分零部件节点Fig.3 Some parts frame node

2.4 虚拟液压支架机构运动学模型建立

ZZ4400/17/35型液压支架机构运动简图如图4所示。

图4 液压支架运动简图Fig.4 Hydraulic support motion mechanism

该液压支架主体结构可简化为二自由度的并联机构，得到以下3个矢量环方程：

AC+CD=AB+BD，HA+AC+CE+EG=IG，HI+IG=HF+FG。

(1)

式(1)的位置矢量用复数可改写成

AC×eiθ1+CD×eiθ2=AB×eiθ4+BD×eiθ3，HA×eiθ8+AC×eiθ1+CE×eiθ2+EG×eiθ6=IG×eiθ7，HI+IG×eiθ7=HF×eiθ5+FG×ei6。

(2)

根据欧拉公式eiθ=cosθ+i×sinθ，对式(2)进行变换，同时将实部与虚部分开，得到以下6个方程：

AC×cosθ1+CD×cosθ2=AB×cosθ4+BD×cosθ3，HA×cosθ8+AC×cosθ1+CE×cosθ2+EG×cosθ6=IG×cosθ7，HI+IG×cosθ7=HF×cosθ5+FG×cosθ6，AC×sinθ1+CD×sinθ2=AB×sinθ4+BD×sinθ3，HA×sinθ8+AC×sinθ1+CE×sinθ2+EG×sinθ6=IG×sinθ7，IG×sinθ7=HF×sinθ5+FG×sinθ6，

(3)

式中：HF、IG为未知量，分别用立柱长度S1、S2代替，其值可由位移传感器测得，其余长度均为已知量。式(3)变成(θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，θ6，θ7)为变量的六维非线性方程组。

若令X=(x1，x2，x3，x4，x5，x6)=(θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，θ6)，则式(3)可简化为

fi(X)=0，i=1，2，3，4，5，6，X∈D⊂R6，

(4)

根据文献[4]介绍的方法，本研究采用基于GA-Broyden的混合算法求解此方程，千斤顶长度S3的值可直接由位移传感器测得，并且根据余弦定理可算出θ7的值。

3 液压支架设备状态采集

3.1 系统采集方案设计

本研究以10组液压支架为研究对象，每组液压支架都配置一个单独的数据采集模块，同时为其分配单独的IP地址，通过工业以太网进行数据交互。系统采集方案如图5所示。

3.2 采集数据处理

本研究使用研华ADAM-6017型数据模块，内置以太网功能，利用其提供的动态链接库可实现模拟量数据的采集与传输。用到的主要函数有初始化函数ADAMTCP_Open、网络连接函数ADAMTCP_Connect、模拟量寄存器读取函数ADAMTCP_Read6KAI、模块断开函数ADAMTCP_Disconnect等，编写的数据采集流程如图6所示。

图5 系统采集方案Fig.5 System acquisition scheme

图6 数据采集流程Fig.6 Data collection flow chart

4 三维可视化监测系统集成

4.1 编程软件与EON Studio 数据通信

EONX控件是EON提供的标准ActiveX控件，可集成在所有支持COM接口的开发平台中，通过EONX控件可实现虚拟液压支架与外部数据的通信。具体步骤如下：(1)创建入事件InEvent节点；(2)建立EventIn节点，用于响应入事件节点；(3)利用JavaScript语言编写脚本，对接收的数据进行处理，完成虚拟液压支架的运动控制；(4)读取并处理每组液压支架的传感器数据，同时发送到响应的EventIn节点，实现两者的通信。

4.2 系统测试与实验

图7 三维可视化监测系统界面Fig.7 3D visual monitoring system interface

通过实验对位移传感器数据进行测量读取，通过以太网传输，在程序平台对数据进行相关处理后，10组液压支架设备状态的三维可视化监测系统界面见图7。

5 结语

本研究把VR技术运用到煤矿安全生产中，实现了对液压支架设备状态的三维可视化监测，提升了监测结果的可观察性。通过工业以太网网络传输，开发了一套数据传输量小、全景式、沉浸式的三维可视化监测系统，对煤矿安全生产和无人化智能开采有一定的参考意义。