張文磊，楊思國

(滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，安徽 滁州 239000)

在“工業(yè)4.0”“中國制造2025”等背景下，信息技術(shù)在煤礦安全生產(chǎn)中扮演的角色越來越重要。煤礦的無人化智能開采能大幅降低煤礦工作人員的死亡率。在煤礦開采過程中，液壓支架起著支護作用，是安全開采最重要的組成部分，對液壓支架設(shè)備的狀態(tài)進行遠程三維可視化監(jiān)測，是實現(xiàn)無人化開采重要的一步。

當(dāng)前，液壓支架數(shù)據(jù)監(jiān)測主要還是依賴視頻圖像監(jiān)測和設(shè)備組態(tài)二維圖表顯示。視頻圖像顯示的缺點是占用資源多、傳輸延時長，再加上井下環(huán)境惡劣，視頻圖像嚴重影響監(jiān)測質(zhì)量；設(shè)備組態(tài)二維圖表顯示不易于觀察監(jiān)測，只有專業(yè)人員才能看懂，對操作人員的專業(yè)素質(zhì)要求較高。近年來，VR、AR技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展，這些技術(shù)具有直觀性、沉浸性及交互性的特點，可用于液壓支架設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)研究目標(biāo)

本研究的主要目的是開發(fā)煤礦綜采機械化開采裝備——液壓支架設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)三維可視化監(jiān)測系統(tǒng)，為井下無人化采煤機械遠程控制及狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。具體的研究目標(biāo)如下：建立一套圖像逼真、數(shù)據(jù)量小并能實時顯示工作狀態(tài)的液壓支架計算機三維可視化模型；開發(fā)一套能采集液壓支架的實時工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，并能通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸實現(xiàn)數(shù)據(jù)的三維可視化，而且利于觀測的系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)整體技術(shù)路線

根據(jù)當(dāng)前虛擬現(xiàn)實技術(shù)在工業(yè)設(shè)備監(jiān)測和煤礦設(shè)備監(jiān)測的應(yīng)用研究[1-3]，本研究的主要路線見圖1。

圖1 技術(shù)路線Fig.1 Research flow chart

2 虛擬液壓支架組創(chuàng)建

2.1 液壓支架三維模型創(chuàng)建

采用實驗室現(xiàn)有的ZZ4400/17/35型實體液壓支架為參考模型，根據(jù)模型圖紙的實際尺寸，采用自上而下的建模方法，先建各個零件的三維模型，再進行總體裝配。需要注意的是，EON軟件本身不具備強大的建模功能，但它擁有與SolidWorks軟件模型進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的專用接口，而且對英文版的兼容效果更好，數(shù)據(jù)丟失率低，故建議采用英文版的SolidWorks軟件。建模過程中需要注意以下幾點：各個零件名稱、裝配體名稱和存儲路徑不能含有中文字符；各個零件建模時坐標(biāo)系原點和方向的選擇要利于后期編程；零件裝配時，第一個零件的局部坐標(biāo)系也是裝配體的全局坐標(biāo)系?？紤]后期編程方便，本研究選擇底座為第一個零件，即其局部坐標(biāo)系為液壓支架的全局坐標(biāo)系；零件材質(zhì)不能采用系統(tǒng)默認值，不同類型零件使用不同材質(zhì)，為后期在EON中調(diào)整修改材質(zhì)提供方便。

2.2 虛擬液壓支架模型創(chuàng)建

已建好的三維液壓支架模型可以通過EON專用數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入，步驟及參數(shù)設(shè)置如下：①在Scene節(jié)點下建立Frame節(jié)點，用于存儲液壓支架模型零部件；②在File菜單的Import選項中選擇SolidWorks，選取已創(chuàng)建好的液壓支架三維模型；③導(dǎo)入過程中，系統(tǒng)會聯(lián)動打開SolidWorks軟件,同時對模型進行優(yōu)化。

利用環(huán)境光、漫反射、光反射等材質(zhì)設(shè)置節(jié)點進行參數(shù)調(diào)節(jié)，使虛擬液壓支架顯示效果盡量與實際一致，同時利用全景節(jié)點模擬真實的井下工作環(huán)境。

2.3 虛擬液壓支架運動部件父子關(guān)系調(diào)整

液壓支架主要包括前后立柱、頂梁、掩護梁、前后連桿、側(cè)護板、千斤頂和底座等部分，每一個運動部件都單獨存儲在一個節(jié)點中，利用節(jié)點的父子繼承關(guān)系，可避免后期復(fù)雜的數(shù)學(xué)腳本運算并提高系統(tǒng)的流暢性。具體的零部件父子關(guān)系如圖2所示。根據(jù)新設(shè)置的零部件父子關(guān)系圖，對EON軟件中虛擬液壓支架各零部件的節(jié)點進行重新分配，部分零部件節(jié)點如圖3所示。

圖2 零部件父子關(guān)系Fig.2 Parent-child relationship of parts

圖3 部分零部件節(jié)點Fig.3 Some parts frame node

2.4 虛擬液壓支架機構(gòu)運動學(xué)模型建立

ZZ4400/17/35型液壓支架機構(gòu)運動簡圖如圖4所示。

圖4 液壓支架運動簡圖Fig.4 Hydraulic support motion mechanism

該液壓支架主體結(jié)構(gòu)可簡化為二自由度的并聯(lián)機構(gòu)，得到以下3個矢量環(huán)方程：

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

(1)

式(1)的位置矢量用復(fù)數(shù)可改寫成

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)

根據(jù)歐拉公式eiθ=cosθ+i×sinθ，對式(2)進行變換，同時將實部與虛部分開，得到以下6個方程：

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為未知量，分別用立柱長度S1、S2代替，其值可由位移傳感器測得，其余長度均為已知量。式(3)變成(θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，θ6，θ7)為變量的六維非線性方程組。

若令X=(x1，x2，x3，x4，x5，x6)=(θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，θ6)，則式(3)可簡化為

fi(X)=0，i=1，2，3，4，5，6，X∈D?R6，

(4)

根據(jù)文獻[4]介紹的方法，本研究采用基于GA-Broyden的混合算法求解此方程，千斤頂長度S3的值可直接由位移傳感器測得，并且根據(jù)余弦定理可算出θ7的值。

3 液壓支架設(shè)備狀態(tài)采集

3.1 系統(tǒng)采集方案設(shè)計

本研究以10組液壓支架為研究對象，每組液壓支架都配置一個單獨的數(shù)據(jù)采集模塊，同時為其分配單獨的IP地址，通過工業(yè)以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)采集方案如圖5所示。

3.2 采集數(shù)據(jù)處理

本研究使用研華ADAM-6017型數(shù)據(jù)模塊，內(nèi)置以太網(wǎng)功能，利用其提供的動態(tài)鏈接庫可實現(xiàn)模擬量數(shù)據(jù)的采集與傳輸。用到的主要函數(shù)有初始化函數(shù)ADAMTCP_Open、網(wǎng)絡(luò)連接函數(shù)ADAMTCP_Connect、模擬量寄存器讀取函數(shù)ADAMTCP_Read6KAI、模塊斷開函數(shù)ADAMTCP_Disconnect等，編寫的數(shù)據(jù)采集流程如圖6所示。

圖5 系統(tǒng)采集方案Fig.5 System acquisition scheme

圖6 數(shù)據(jù)采集流程Fig.6 Data collection flow chart

4 三維可視化監(jiān)測系統(tǒng)集成

4.1 編程軟件與EON Studio 數(shù)據(jù)通信

EONX控件是EON提供的標(biāo)準ActiveX控件，可集成在所有支持COM接口的開發(fā)平臺中，通過EONX控件可實現(xiàn)虛擬液壓支架與外部數(shù)據(jù)的通信。具體步驟如下：(1)創(chuàng)建入事件InEvent節(jié)點；(2)建立EventIn節(jié)點，用于響應(yīng)入事件節(jié)點；(3)利用JavaScript語言編寫腳本，對接收的數(shù)據(jù)進行處理，完成虛擬液壓支架的運動控制；(4)讀取并處理每組液壓支架的傳感器數(shù)據(jù)，同時發(fā)送到響應(yīng)的EventIn節(jié)點，實現(xiàn)兩者的通信。

4.2 系統(tǒng)測試與實驗

圖7 三維可視化監(jiān)測系統(tǒng)界面Fig.7 3D visual monitoring system interface

通過實驗對位移傳感器數(shù)據(jù)進行測量讀取，通過以太網(wǎng)傳輸，在程序平臺對數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理后，10組液壓支架設(shè)備狀態(tài)的三維可視化監(jiān)測系統(tǒng)界面見圖7。

5 結(jié)語

本研究把VR技術(shù)運用到煤礦安全生產(chǎn)中，實現(xiàn)了對液壓支架設(shè)備狀態(tài)的三維可視化監(jiān)測，提升了監(jiān)測結(jié)果的可觀察性。通過工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸，開發(fā)了一套數(shù)據(jù)傳輸量小、全景式、沉浸式的三維可視化監(jiān)測系統(tǒng)，對煤礦安全生產(chǎn)和無人化智能開采有一定的參考意義。