CN117518874A - 掘锚一体机提升机构数字孪生构建系统及其路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供掘锚一体机提升机构数字孪生构建系统及其路径规划方法，涉及煤矿设备控制技术领域，所述系统包括：中央控制系统，用于自动识别与侧帮钻架提升机构高度相关的信息，并根据与侧帮钻架提升机构高度相关的信息，自动规划侧帮钻架提升机构定位高度的路径，并通过CAN通信发送最终决策至次控制器，驱动电磁阀控制相关机构动作；数字孪生系统，用于分析各传感器信息，将侧帮钻架提升机构的姿态在上位机上呈现。本发明对侧帮钻架提升机构自动控制，实现侧帮钻架提升机构高度自动定位、最优路径的自动规划，缩短侧帮钻架提升机构高度定位的时间，提高支护作业效率。

Description

掘锚一体机提升机构数字孪生构建系统及其路径规划方法

技术领域

本发明涉及煤矿设备控制技术领域，特别是指掘锚一体机提升机构数字孪生构建系统及其路径规划方法。

背景技术

对于掘进工作面支护作业，锚杆支护是一种永久性、高安全性的支护方式，锚杆支护工艺复杂、工序繁多、人工需求量大、支护耗费时间过长，很多环节都没有实现机械化自动化，其支护效率很大程度上决定了巷道的掘进效率，成为制约掘进工作面自动化水平的主要因素之一。

目前，掘进工作面用工数量及工作强度一直居高不下，煤矿井下劳动密集、灾害事故高发，支护速度明显滞后于掘进速度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供掘锚一体机提升机构数字孪生构建系统及其路径规划方法，对侧帮钻架提升机构自动控制，实现侧帮钻架提升机构高度自动定位、最优路径的自动规划，缩短侧帮钻架提升机构高度定位的时间，提高支护作业效率。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

第一方面，掘锚一体机提升机构数字孪生构建系统，包括：

中央控制系统，用于自动识别与侧帮钻架提升机构高度相关的信息，并根据与侧帮钻架提升机构高度相关的信息，自动规划侧帮钻架提升机构定位高度的路径，并通过CAN通信发送最终决策至次控制器，驱动电磁阀控制相关机构动作；

信息感知系统，用于获取传感器和电磁阀信息，并根据传感器和电磁阀信息，测量正向进给油缸行程和负向进给油缸行程；

人机交互系统，用于实时显示故障信息、人机交互设备与控制器通信状态、主控制器与次控制器通信状态、各传感器状态和侧帮钻架提升机构实时高度；

网络系统，用于构建数字孪生系统与中央控制系统、信息感知系统的信息交互通道，实现数据传输和远程监控；

数字孪生系统，用于分析各传感器信息，将侧帮钻架提升机构的姿态在上位机上呈现。

进一步的，所述中央控制系统包括：

主控制器，用于识别与侧帮钻架提升机构高度相关的信息，并根据与侧帮钻架提升机构高度相关的信息，规划侧帮钻架提升机构定位高度的路径；

次控制器，用于通过CAN通信获取所述主控制器发送的控制指令，并根据所述控制指令驱动电磁阀控制相关机构动作，控制侧帮钻架提升机构正向进给以及负向油缸升降。

进一步的，所述信息感知系统包括：

第一位移传感器，设置于正向进给油缸内，用于测量正向进给油缸行程信号；

第二位移传感器，设置于负向进给油缸内，用于获取负向进给油缸行程信号，其中，正向进给油缸行程信号和负向进给油缸行程信号经转换调理后传输至模拟量输入端子模块，所述模拟量输入端子模块将正向进给油缸行程信号和负向进给油缸行程信号传输至主控制器。

进一步的，所述第一位移传感器和第二位移传感器均输出4-20mA信号。

进一步的，所述信息感知系统还包括操作系统，所述操作系统包括：

本机操作面板，设置于操作台内；

遥控系统，包括接收装置及遥控操作面板，接收装置设置于主控制器侧面，当本机操作面板操作时，所述本机操作面板发出控制指令后通过CAN通讯发送到主控制器中；当遥控操作面板操作时，所述遥控操作面板控制指令以无线或有线方式发送至接收装置，接收装置将接收指令通过CAN通讯转发送至主控制器中，所述主控制器根据接收指令对相关信息进行处理，并将处理结果发送给相应执行控制器。

进一步的，所述电磁阀一端接入次控制器，另一端接入正向进给油缸和负向进给油缸的液压控制管路，所述主控制器通过CAN通讯将油缸动作指令发送给次控制器，所述次控制器控制电磁阀实现油缸的伸缩动作。

第二方面，掘锚一体机提升机构数字孪生构建系统的路径规划方法，所述方法包括：

获取掘锚一体机机载侧帮钻架提升机构的运动特征、结构以及功能，建立多组件关联的孪生体；

根据多组件关联的孪生体，初始化设置侧帮钻架提升机构自动定位参数信息；

根据多组件关联的孪生体，获取人机交互各界面；

根据人机交互各界面，向侧帮钻架提升机构发送动作命令，并获取初始化后的参数信息；

根据动作命令以及初始参数信息，进行不同情况下的路径规划；

根据不同情况下的路径规划，自动定位至设定高度，标识任务已完成状态。

进一步的，所述参数信息，具体包括初始零位高度H_Z、目标高度H_S、正向油缸最大位移L_S、正向油缸进给速度S_S、负向油缸最大位移L_L、负向油缸进给速度S_L、正向油缸位移贡献系数R_S和负向油缸位移贡献系数R_L。

进一步的，所述人机交互各界面上显示有故障信息界面和通信状态界面；

所述故障信息界面包括正向进给油缸第一位移传感器是否存在连接故障以及负向进给油缸第二位移传感器是否存在连接故障；

所述通信状态界面包括人机交互设备与控制器通信状态是否正常、主控制器与次控制器通信状态是否正常、本安操作面板与主控制器通信状态是否正常、遥控操作面板与遥控接收装置通信状态是否正常以及遥控接收装置与主控制器通信状态是否正常。

进一步的，根据不同情况下的路径规划，包括：

计算侧帮钻架提升机构当前提升高度H_L＝H_Z+Y_1L×R_S-Y_2L×R_L，其中，Y_1L为正向油缸位移，Y_2L为负向油缸位移；

根据当前提升高度H_L，判断当前提升高度H_L与目标高度H_S的关系；

根据当前提升高度H_L与目标高度H_S的关系，规划目标定位高度的路径。

本发明的上述方案至少包括以下有益效果：

本发明的上述方案，构建侧帮钻架提升机构数字孪生体，缩短侧帮钻架提升机构的自动定位时间，实现对侧帮钻架提升机构定位路径的自动规划、钻架工作姿态的远程可视化呈现，路径提高煤矿巷道侧帮锚杆支护效率。

通过数字孪生构建，将掘锚一体机侧帮钻架在上位机三维画面中进行一对一等比例孪生，形成可视可控的掘锚一体机机载侧帮钻架；通过采集侧帮钻架传感器信息，对侧帮钻架提升机构自动控制，实现侧帮钻架提升机构高度自动定位、最优路径的自动规划，实现对掘锚一体机机载侧帮钻架工作姿态的临场感应、远程监控，缩短侧帮钻架提升机构高度定位的时间，提高支护作业效率，改善劳动者作业环境，提高煤矿开采自动化、智能化水平。

附图说明

图1是本发明的实施例提供的掘锚一体机提升机构数字孪生构建系统示意图。

图2是本发明的实施例提供的掘锚一体机提升机构数字孪生构建系统的路径规划方法流程示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明的实施例提出掘锚一体机提升机构数字孪生构建系统，包括：

中央控制系统，用于自动识别与侧帮钻架提升机构高度相关的信息，并根据与侧帮钻架提升机构高度相关的信息，自动规划侧帮钻架提升机构定位高度的路径，并通过CAN通信发送最终决策至次控制器，驱动电磁阀控制相关机构动作；

信息感知系统，用于获取传感器和电磁阀信息，并根据传感器和电磁阀信息，测量正向进给油缸行程和负向进给油缸行程；

人机交互系统，用于实时显示故障信息、人机交互设备与控制器通信状态、主控制器与次控制器通信状态、各传感器状态和侧帮钻架提升机构实时高度；

网络系统，用于构建数字孪生系统与中央控制系统、信息感知系统的信息交互通道，实现数据传输和远程监控；

数字孪生系统，用于分析各传感器信息，将侧帮钻架提升机构的姿态在上位机上呈现。

在本发明实施例中，构建侧帮钻架提升机构数字孪生体，缩短侧帮钻架提升机构的自动定位时间，实现对侧帮钻架提升机构定位路径的自动规划、钻架工作姿态的远程可视化呈现，路径提高煤矿巷道侧帮锚杆支护效率；通过数字孪生构建，将掘锚一体机侧帮钻架在上位机三维画面中进行一对一等比例孪生，形成可视可控的掘锚一体机机载侧帮钻架；通过采集侧帮钻架传感器信息，对侧帮钻架提升机构自动控制，实现侧帮钻架提升机构高度自动定位、最优路径的自动规划，实现对掘锚一体机机载侧帮钻架工作姿态的临场感应、远程监控，缩短侧帮钻架提升机构高度定位的时间，提高支护作业效率，改善劳动者作业环境，提高煤矿开采自动化、智能化水平。

所述中央控制系统包括：

主控制器，用于识别与侧帮钻架提升机构高度相关的信息，并根据与侧帮钻架提升机构高度相关的信息，规划侧帮钻架提升机构定位高度的路径；

次控制器，用于通过CAN通信获取所述主控制器发送的控制指令，并根据所述控制指令驱动电磁阀控制相关机构动作，控制侧帮钻架提升机构正向进给以及负向油缸升降。

在本发明实施例中，中央控制系统的主控制器自动识别与侧帮钻架提升机构高度相关的信息、自动规划实现侧帮钻架提升机构定位高度的最优化路径，其最终决策通过CAN通信方式发送至次控制器，进而驱动电磁阀控制相关机构动作，对侧帮钻架提升机构正向进给、负向油缸升降控制，实现对侧帮钻架提升机构定位高度的自动化、高效控制。

在本发明实施例中，中央控制系统可以自动识别与侧帮钻架提升机构高度相关的信息，并根据这些信息进行路径规划和控制指令的生成，实现对提升机构的自动控制，可以减少人工操作的需求，提高工作效率和精度。通过中央控制系统的路径规划功能，可以根据目标高度和当前高度，计算出最优的路径和动作指令，使得侧帮钻架提升机构能够精确地定位到设定的高度，可以确保工作的准确性和稳定性。中央控制系统可以实时监测侧帮钻架提升机构的运行状态和各个传感器的数据，通过监控系统，可以及时发现故障和异常情况，并进行相应的处理和维修，提高设备的可靠性和安全性。中央控制系统可以记录和存储侧帮钻架提升机构的运行数据和参数信息，包括高度、位移、速度等，这些数据可以用于后续的分析和优化，帮助提升机构的性能和效率。因此，中央控制系统的应用可以提供自动化控制、精确定位、实时监控和数据分析等有益效果，提高侧帮钻架提升机构的工作效率和可靠性。

所述信息感知系统包括：

第一位移传感器，设置于正向进给油缸内，用于测量正向进给油缸行程信号；

第二位移传感器，设置于负向进给油缸内，用于获取负向进给油缸行程信号，其中，正向进给油缸行程信号和负向进给油缸行程信号经转换调理后传输至模拟量输入端子模块，所述模拟量输入端子模块将正向进给油缸行程信号和负向进给油缸行程信号传输至主控制器；所述第一位移传感器和第二位移传感器均输出4-20mA信号。

在本发明实施例中，信息感知系统可以实时监测正向进给油缸和负向进给油缸的行程信号，即侧帮钻架提升机构的位移信息，通过监测系统，可以及时了解机构的运动状态和位置，实现对机构的实时监测和控制。第一位移传感器和第二位移传感器输出的4-20mA信号可以提供高精度的位移测量，可以确保对侧帮钻架提升机构位移的准确度和稳定性，提高工作的精度和可靠性。信息感知系统将位移信号传输至主控制器，可以实现数据的快速传输和处理，主控制器可以根据位移信号进行路径规划和控制指令的生成，实现对提升机构的精确控制。通过监测位移信号，信息感知系统可以检测正向进给油缸和负向进给油缸是否存在故障或异常情况，例如，如果位移信号超出了正常范围，可能意味着油缸存在堵塞或损坏等问题，可以及时发现并进行维修，提高设备的可靠性和安全性。因此，信息感知系统的应用可以实现实时监测、高精度测量、数据传输和故障检测等有益效果，提高侧帮钻架提升机构的工作精度和可靠性。

所述信息感知系统还包括操作系统，所述操作系统包括：

本机操作面板，设置于操作台内；

遥控系统，包括接收装置及遥控操作面板，接收装置设置于主控制器侧面，当本机操作面板操作时，所述本机操作面板发出控制指令后通过CAN通讯发送到主控制器中；当遥控操作面板操作时，所述遥控操作面板控制指令以无线或有线方式发送至接收装置，接收装置将接收指令通过CAN通讯转发送至主控制器中，所述主控制器根据接收指令对相关信息进行处理，并将处理结果发送给相应执行控制器。

在本发明实施例中，本机操作面板设置于操作台内，方便操作人员对侧帮钻架提升机构进行控制和调整，操作人员可以直接通过本机操作面板发送控制指令，实现对机构的操作和调节，提高操作的便捷性和效率。遥控系统包括接收装置和遥控操作面板，可以实现对侧帮钻架提升机构的远程控制，当操作人员使用遥控操作面板时，通过无线或有线方式将控制指令发送至接收装置，接收装置再将指令通过CAN通讯发送至主控制器，可以实现对机构的遥控操作，方便在远距离或难以接近的情况下进行控制。操作系统通过CAN通讯将控制指令传输至主控制器，主控制器根据接收到的指令对相关信息进行处理，并将处理结果发送给相应的执行控制器，可以实现快速的指令传输和响应，提高机构的控制精度和响应速度。操作系统提供了本机操作面板和遥控操作面板两种操作方式，可以根据实际需求选择合适的操作方式，本机操作面板适用于近距离操作和调节，而遥控操作面板适用于远程控制和操作，可以满足不同场景下的操作需求，提高操作的灵活性和多样性。因此，操作系统的应用可以提供方便操作、远程控制、快速响应和多样化操作等有益效果，提高侧帮钻架提升机构的操作便捷性和控制灵活性。

如图1所示，所述电磁阀一端接入次控制器，另一端接入正向进给油缸和负向进给油缸的液压控制管路，所述主控制器通过CAN通讯将油缸动作指令发送给次控制器，所述次控制器控制电磁阀实现油缸的伸缩动作。

在本发明实施例中，通过主控制器发送油缸动作指令，次控制器控制电磁阀的开关状态，从而实现对正向进给油缸和负向进给油缸的液压控制，电磁阀的开关状态可以精确控制油缸的伸缩动作，确保机构的运动精度和稳定性。电磁阀的控制通过CAN通讯实现，可以实现快速的指令传输和响应，主控制器发送油缸动作指令后，次控制器能够迅速控制电磁阀的开关状态，实现油缸的快速伸缩动作，提高机构的响应速度。电磁阀在液压控制管路中起到关键的控制作用，其稳定性和可靠性对于机构的安全运行至关重要，通过精确控制和快速响应，电磁阀能够确保油缸的动作准确性和稳定性，提高机构的安全性和可靠性。电磁阀的控制可以根据需要进行调整和变化，以适应不同工况和操作要求，通过主控制器发送不同的油缸动作指令，可以实现油缸的伸缩动作的灵活控制，满足不同工作场景下的需求。因此，电磁阀在侧帮钻架提升机构中的应用可以提供精确控制、快速响应、可靠性和安全性以及灵活性等有益效果，保证机构的运动精度和安全性能。

在本发明另一优选的实施例中，具体的，信息感知系统与决策层主控制器关联，模拟量信号直连，包括第一位移传感器、第二位移传感器，其中第一位移传感器安装于正向进给油缸内，第二位移传感器安装于负向进给油缸内，用于测量正向进给油缸行程、负向进给油缸行程；第一位移传感器、第二位移传感器均输出4-20mA信号，信号经转换调理模块后的信号接入模拟量输入端子模块EL3068，由主控制器进行信号读取与处理。操作系统包括本机操作面板及遥控系统，本机操作面板安装于操作台内，遥控系统包括接收装置及遥控操作面板，接收装置安装于主控制器附近，遥控操作面板手持；本机操作面板及遥控操作面板均可实现对系统的控制，两种操作面板控制方式间相互闭锁，本机操作面板操作时，操作面板发出控制指令后通过CAN通讯方式发送到主控制器中，遥控操作面板操作时，操作面板控制指令以无线或有线方式发送至接收装置，接收装置将接收指令通过CAN通讯方式转发送至主控制器中，主控制器根据接收指令对相关信息进行处理，并将处理结果发送给相应执行控制器。电磁阀一端接入次控制器，一端接入正向进给油缸、负向进给油缸的液压控制管路，主控制器通过CAN通讯方式将油缸动作指令发送给次控制器，然后次控制器控制电磁阀实现油缸的伸缩动作。

人机交互系统与中央控制系统的主控制器之间物理关联，采用ModbusTCP通讯方式，实时显示故障信息、人机交互设备与控制器通信状态、主控制器与次控制器通信状态、各传感器状态、侧帮钻架提升机构实时高度。

网络系统构建数字孪生系统与中央控制系统、信息感知系统的信息交互通道。数字孪生系统构建掘锚一体机机载侧帮钻架提升机构的数字孪生体，分析各传感器信息，将侧帮钻架提升机构的姿态在上位机实景呈现。人机交互层中的人机界面与决策层中的主控制器之间物理关联，采用ModbusTCP通讯方式；中央控制层各控制器间采用CAN通讯方式；信息感知层中的传感器与决策层主控制器关联，模拟量信号直连；信息感知层中的操作系统与中央控制层中的主控制器间采用CAN通讯方式；信息感知层中的电磁阀与中央控制层中的次控制器模拟量信号直连。

如图2所示，掘锚一体机提升机构数字孪生构建系统的路径规划方法，所述方法包括：

步骤11，获取掘锚一体机机载侧帮钻架提升机构的运动特征、结构以及功能，建立多组件关联的孪生体；

步骤12，根据多组件关联的孪生体，初始化设置侧帮钻架提升机构自动定位参数信息；

步骤13，根据多组件关联的孪生体，获取人机交互各界面；

步骤14，根据人机交互各界面，向侧帮钻架提升机构发送动作命令，并获取初始化后的参数信息；

步骤15，根据动作命令以及初始参数信息，进行不同情况下的路径规划；

步骤16，根据不同情况下的路径规划，自动定位至设定高度，标识任务已完成状态。

在本发明实施例中，通过获取掘锚一体机机载侧帮钻架提升机构的运动特征、结构和功能，并建立多组件关联的孪生体，系统可以对机构进行准确的路径规划，可以确保机构能够按照预定的路径和动作完成定位任务，提高路径规划的效率和准确性。通过初始化设置侧帮钻架提升机构的自动定位参数信息，系统可以实现对机构的自动定位，可以减少人工干预的需求，提高定位的自动化程度，节省时间和人力成本。通过获取人机交互各界面，系统可以实现与操作人员的交互和信息传递，操作人员可以通过界面观察机构的状态和故障信息，及时发现问题并采取相应的措施，提高机构的安全性和可靠性。通过向侧帮钻架提升机构发送动作命令，并获取初始化后的参数信息，系统可以实时更新机构的状态和参数，可以确保路径规划和定位过程中的参数准确性，提高机构的控制精度和稳定性。根据不同情况下的路径规划，系统可以自动将机构定位至设定高度，并标识任务已完成状态，可以提高定位任务的自动化程度，减少人工操作的需求，提高工作效率。因此，本发明具有高效准确的路径规划、自动化定位、人机交互界面、实时参数更新和自动定位任务完成等有益效果，提高机构的工作效率和控制精度。

在本发明一优选的实施例中，所述参数信息，具体包括初始零位高度H_Z、目标高度H_S、正向油缸最大位移L_S、正向油缸进给速度S_S、负向油缸最大位移L_L、负向油缸进给速度S_L、正向油缸位移贡献系数R_S和负向油缸位移贡献系数R_L。

在本发明实施例中，初始零位高度H_Z和目标高度H_S是路径规划的基础参数。通过准确设置初始零位高度和目标高度，系统可以根据机构的当前位置和目标位置进行路径规划，确保机构能够按照预定的路径达到目标高度。这样可以提高路径规划的精确性和准确性。正向油缸最大位移L_S和负向油缸最大位移L_L是控制油缸伸缩动作的限制条件，通过设置合适的最大位移值，可以确保油缸的伸缩范围在安全和可控的范围内，可以提高控制的灵活性，适应不同工况和操作要求。正向油缸进给速度S_S和负向油缸进给速度S_L是控制油缸运动速度的参数，通过设置适当的进给速度，可以控制油缸的运动速度，确保机构的运动平稳和稳定，可以提高工作效率和安全性。正向油缸位移贡献系数R_S和负向油缸位移贡献系数RL是调节油缸位移对机构高度变化的影响程度的参数，通过调节位移贡献系数，可以实现对油缸位移的精确控制，确保机构能够按照预定的路径达到目标高度，可以提高路径规划和定位的准确性和稳定性。

在本发明一优选的实施例中，所述人机交互各界面上显示有故障信息界面和通信状态界面；

所述故障信息界面包括正向进给油缸第一位移传感器是否存在连接故障以及负向进给油缸第二位移传感器是否存在连接故障；

所述通信状态界面包括人机交互设备与控制器通信状态是否正常、主控制器与次控制器通信状态是否正常、本安操作面板与主控制器通信状态是否正常、遥控操作面板与遥控接收装置通信状态是否正常以及遥控接收装置与主控制器通信状态是否正常。

在本发明实施例中，故障信息界面显示正向进给油缸第一位移传感器和负向进给油缸第二位移传感器的连接故障情况，通过监测连接故障，操作人员可以及时发现传感器连接问题，并采取相应的排除措施，确保传感器正常工作，提高系统的可靠性和稳定性。通信状态界面显示人机交互设备与控制器、主控制器与次控制器、本安操作面板与主控制器、遥控操作面板与遥控接收装置以及遥控接收装置与主控制器之间的通信状态；通过监测通信状态，操作人员可以及时了解各个设备之间的通信是否正常，如果发现通信故障，可以及时进行排查和修复，确保设备间的正常通信，提高系统的稳定性和可靠性。通过故障信息界面和通信状态界面的显示，操作人员可以快速定位故障和通信问题的具体位置，有助于进行故障诊断和维修，可以减少故障排查的时间和成本，提高故障处理的效率和准确性。通过监测故障信息和通信状态，可以及时发现和解决潜在的故障和通信问题，有助于提高系统的安全性，避免因故障或通信问题引发的意外情况，保障设备和操作人员的安全。

在本发明另一优选的实施例中，根据不同情况下的路径规划，包括：

计算侧帮钻架提升机构当前提升高度H_L＝H_Z+Y_1L×R_S-Y_2L×R_L，其中，Y_1L为正向油缸位移，Y_2L为负向油缸位移；

根据当前提升高度H_L，判断当前提升高度H_L与目标高度H_S的关系；

根据当前提升高度H_L与目标高度H_S的关系，规划目标定位高度的路径。

在本发明实施例中，通过计算当前提升高度H_L，可以准确地确定机构的当前位置，可以提供准确的参考值，用于后续路径规划和定位过程中的判断和调整，提高路径计算的准确性和精度。根据当前提升高度H_L与目标高度H_S的关系，系统可以判断机构当前的位置相对于目标位置的高度差，根据不同的关系，可以制定相应的路径规划策略，以实现最优化的目标定位，可以提高定位的准确性和效率，节省时间和能源成本。根据当前提升高度H_L与目标高度H_S的关系，系统可以根据具体情况制定不同的路径规划策略，可以根据实际需求和工况的变化，灵活调整路径规划，以适应不同的工作场景和要求。通过规划目标定位高度的路径，系统可以确保机构按照最优化的路径进行定位，可以提高工作效率，减少不必要的移动和调整，节省时间和资源。通过路径规划的优化，系统可以更精确地控制机构的运动，准确地将机构定位到目标高度，可以提高定位的精度和稳定性，确保工作的准确性和可靠性。

如图1所示，当具体应用时，掘锚一体机提升机构数字孪生构建系统，包括：

人机交互层110，中央控制层120，信息感知层130，网络层和数字孪生层140。人机交互层110包括人机交互界面，中央控制层120包括主、次控制器及体现控制逻辑的程序，信息感知层130包括各传感器、执行元件及命令发送元件，网络层包括中央控制层控制器之间、控制器与人机交互硬件之间、控制器与数字孪生层之间的通信网络，数字孪生层140包括上位机工控机以及导向组件、滑架组件、框架组件的三维模型。其中，人机交互层包括数字孪生体参数设置初始化界面111、状态信息界面112。

参数设置初始化界面111包括信息为侧帮钻架提升机构目标高度H_S、正向油缸最大位移L_S、正向油缸进给速度SS、负向油缸最大位移L_L、负向油缸进给速度S_L、初始零位高度H_Z、正向油缸贡献系数R_S、负向油缸对侧贡献系数R_L。其中侧帮钻架提升机构目标高度H_S为动作完成时的最终高度，其数值大小取决于锚护工艺及煤层地质条件，根据施工现场条件灵活设置；初始零位高度H_Z为正向油缸完全缩回、负向油缸完全缩回时侧帮钻架提升机构的高度，取决于侧帮钻架提升机构本身设计参数；L_S为正向油缸完全伸出时的油缸位移，取决于油缸本身参数；S_S为正向油缸伸出、缩回的速度，取决于液压系统的流量、压力等；L_L为负向油缸完全伸出时的油缸位移，取决于油缸本身参数；S_L为负向进给油缸伸出、缩回的速度，取决于液压系统的流量、压力等；R_S为正向油缸位移改变量所引起的侧帮钻机提升机构高度改变系数，如正向进给油缸位移增大(减小)1mm，则侧帮钻机提升机构高度增加(减少)R_S mm；R_L为负向油缸位移改变量所引起的侧帮钻机提升机构高度改变系数，如负向油缸位移增大(减小)1mm，则侧帮钻机提升机构高度减少(增加)R_L mm。

初始参数H_S、L_S、S_S、L_L、S_L、H_Z、R_S、R_L通过如下方式设置：操作本安操作面板或遥控面板翻页功能键至参数设置界面；操作参数选择功能键，选择需设置的参数；操作参数设置功能键，对选择的参数进行数值设置；如用本安操作面板设置目标高度2000mm，操作面板功能按键“翻页”至参数设置界面，操作面板功能按键“参数选择”选中参数设置界面的“目标高度”，操作面板功能按键“参数设置”并输入数值2000，目标高度H_S设置成功。各参数设置时，本安操作面板或遥控面板命令，通过CAN通讯方式发送至主控制器，主控制器通过ModbusTCP通讯方式将参数设置信息发送至人机交互界面，并在参数设置初始化界面进行显示。

状态信息界面112包括信息为故障信息、通信状态、各传感器状态、侧帮钻架提升机构实时高度及完成状态，状态信息界面的作用是监测各位移传感器本身是否能正常工作、人机交互设备与控制器通信是否正常、各控制器间通讯是否正常、操作控制系统与主控制器通信是否正常、当前自动定位所在高度及是否完成预设目标，具体实现为，故障信息包括正向油缸第一位移传感器故障、负向油缸第二位移传感器故障，第一位移传感器、第二位移传感器输出4-20mA电流模拟信号，经过信号隔离栅转换为1-5V电压模拟信号，转换后信号接入模拟量采集模块被主控制器采集，若主控制器采集的位移传感器模拟量对应数值超出了其理论值的20％，即小于3277×80％或大于16384×120％，则位移传感器测定数值不准确，判定位移传感器故障；人机交互设备与控制器通信状态，由人机交互设备判断。

主控制器与次控制器通信状态，由次控制器向主控制器发送心跳数值，主控制器接收心跳后判断数值在一定时间间隔内是否发生变化，判定主控制器与次控制器通信是否正常；本安操作面板向主控制器发送心跳状态1，主控制器接收到心跳1则本安操作面板与主控制器通信正常，接收到心跳2则本安操作面板与主控制器通信中断；遥控接收装置向主控制器以一定频率持续发送0，1，0，1跳变信号，主控制器对接收到该字节的跳变信号计数，判断计数值在一定时间间隔内是否发生变化，判定主控制器与遥控接收装置通信是否正常；主控制器对接收到该字节的跳变信号计数，判断计数值在一定时间间隔内是否发生变化，判定遥控操作面板与遥控接收装置通信是否正常；当前自动定位所在高度由主控制器计算，位移传感器无故障条件下，主控制器读取第一位移传感器、第二位移传感器的模拟量值，根据线性比例关系转算出第一位移传感器、第二位移传感器的位移，然后根据侧帮钻架提升机构初始零位高度H_Z、正向油缸位移的贡献系数R_S、负向油缸的贡献系数R_L动态计算侧帮钻架提升机构实时高度并在状态信息界面实时显示，当侧帮钻架提升机构高度达到目标高度时，状态信息界面做出任务完成的状态指示。

其中，中央控制层120包括主控制器121、次控制器122。上述的控制器指可编程逻辑控制器PLC，其决策功能主要通过逻辑控制程序实现。主控制器121的决策功能主要包括侧帮钻架提升机构高度自动定位的路径优化、正向油缸伸缩决策、负向油缸伸缩决策；次控制器122的决策功能主要包括，判断与主控制器的通讯状态，在通讯状态正常的情况下，按照主控制器发送的正向油缸伸缩命令、负向油缸伸缩命令控制相应电磁的输出，实现对正向油缸、负向油缸的伸缩控制。主控制器121接收侧帮钻架提升机构自动定位命令后，读取固态参数提升机构初始零位高度H_Z、正向油缸位移的贡献系数R_S、负向油缸的贡献系数R_L，根据初始读取的正向油缸位移传感器的模拟量值I_Y1、负向油缸位移传感器的模拟量值I_Y2，计算侧帮钻架提升机构的初始提升高度H_I，对比侧帮钻架提升机构的初始高度H_I与目标高度H_S，结合正向油缸进给速度S_S与负向油缸进给速度S_L，可得出侧帮钻架提升机构实现目标高度的最优化路径，给出在当前目标高度下的正向油缸伸缩策略、负向油缸伸缩决策，并将正向油缸伸缩控制指令、负向油缸伸缩控制指令以CAN通讯方式发送给次控制器122，次控制器122执行控制指令，实现对正向油缸电磁阀、负向油缸电磁阀的开合控制，正向油缸、负向油缸按照规划的最优化路径动作。中央控制层具体作用体现在控制方法中。

信息感知层130包括操作系统131、传感器132、电磁阀133。操作系统131包括本安操作面板、遥控操作系统，遥控操作系统包括遥控操作面板和遥控接收装置；本机操作面板、遥控操作系统在任何操作模式下均可实现各项初始化参数的设置、操作模式的切换，侧帮钻架提升机构自动定位相关命令，本机操作模式下，只有本机操作面板起作用，遥控操作模式下，只有遥控操作系统起作用。传感器132包括正向油缸位移传感器、负向油缸位移传感器，位移传感器的作用包括测量正向油缸伸缩距离、负向油缸伸缩距离、侧帮钻架提升机构定位高度，作为侧帮钻架提升机构实现目标高度最优化路径规划、正向油缸电磁阀控制、负向油缸电磁阀控制的依据。电磁阀133包括正向进给油缸电磁阀、负向进给油缸电磁阀，作用是与次控制器122连接实现油缸伸缩控制。传感器输出4-20mA信号，接入信号隔离转换模块输出1-5V信号，接入模拟量输入端子模块EL3068后由主控制器进行信号读取与处理。操作系统中的本安操作面板安装于机身操作台，便于操作；遥控接收装置安装于机身合适位置，无线接收天线安装于机身，上方有防护以防止煤块掉落砸坏，空旷保证信号无遮挡；本安操作面板包括按键、急停按钮，遥控操作面板包括按键、拨码开关、急停按钮；操作面板发出的控制指令以CAN通讯方式发送到主控制器中，主控制器根据接收指令通过CAN通讯方式发出相应的电磁阀控制指令至次控制器，实现对油缸的控制。电磁阀安装在各油缸液压管路处，接入次控制器，根据次控制器发出的信号开合，实现对正向进给油缸、负向进给油缸的伸缩控制。

如图1所示，人机交互层110，中央控制层120，信息感知层130，数字孪生层140分别以不同的通讯方式构成一个通讯链路。以设备具体操作为基础，通讯链路作用：人机交互层110以ModbusTCP通信方式发送提升机构相关状态信息至上位机及本机显示界面，本机显示界面分类显示提升机构的工作状态、故障等信息；中央控制层120中主控制器121通过CAN通讯方式接收信息感知层130中操作系统131发送的各控制命令并进行处理，通过CAN通讯方式向决策层120次控制器122发送电磁阀控制指令；决策层120次控制器122根据接收到的电磁阀控制指令控制相应引脚输出信号，引脚与电磁阀直接连接，控制电磁阀的开合，实现对正向油缸、负向油缸的伸缩控制；信息感知层130中，传感器132的数据以模拟信号的形式传递给隔离栅，隔离后信号接入模拟量采集模块，以EtherNet内部通讯方式发送至决策层120中的主控制器121；数字孪生层140通过高速以太网络接收提升机构状态信息，根据得到的信息实时改变提升机构数字孪生体的姿态，并在上位机界面实时呈现。

掘锚一体机提升机构数字孪生构建系统的路径规划方法，其控制方式主要由操作人员通过操作系统发送启动指令，由控制装置自动完成。操作系统包括两类：本安操作面板、遥控操作系统，操作系统参数设置、工作模式、控制命令均可通过两类操作系统来实现；本安操作面板、遥控操作系统中的模式选择按键均可实现不同工作模式的选择，参数设置功能键均可设置参数，控制命令只有当前选择工作模式对应的操作系统才能有效发布。

本发明的掘锚一体机提升机构数字孪生构建系统的路径规划方法。共包含以下几个步骤：

对掘锚一体机机载侧帮钻架提升机构的运动特征、结构、功能等进行分析，实现掘锚一体机机载侧帮钻架提升机构的拆分，相关控制系统的安装，建立掘锚一体机机载侧帮钻架提升机构的数字孪生体；根据接收到的侧帮钻架提升机构的位置信息，不断调整侧帮钻架提升机构的姿态，通过3Dmax在上位机实时呈现。

初始化设置侧帮钻架提升机构自动定位相关参数，具体包括目标定位高度H_S；正向油缸最大位移L_S；正向油缸进给速度S_S；负向油缸最大位移L_L、负向油缸进给速度S_L；初始零位高度H_Z；正向油缸位移对侧帮提升机构行程的贡献系数R_S、负向油缸对侧帮提升机构行程的贡献系数R_L。

查询人机交互各界面。故障信息界面，包括正向油缸第一位移传感器是否存在连接故障、负向油缸第二位移传感器是否存在连接故障；通信状态界面，包括人机交互设备与控制器通信状态是否正常、主控制器与次控制器通信状态是否正常、本安操作面板与主控制器通信状态是否正常、遥控操作面板与遥控接收装置通信状态是否正常、遥控接收装置与主控制器通信状态是否正常。

发送侧帮钻架提升机构动作命令，获取初始参数信息，包括主控制器自动获取侧帮钻架提升机构自动定位相关参数H_S、L_L、S_L、L_S、S_S、H_Z、R_S、R_L；读取正向进给油缸第一位移传感器模拟量初始值I_Y1、负向进给油缸第二位移传感器模拟量初始值I_Y2，计算正向进给油缸初始位移Y_1L＝(I_Y1-3277)×L_S/(16384-3277)、负向进给油缸初始化位移Y_2L＝(IY2-3277)×L_L/(16384-3277)；

最优化路径规划，首先计算侧帮钻架提升机构当前高度H_L＝H_Z+Y_1L×R_S-Y_2L×R_L，然后判断侧帮钻架提升机构当前高度H_L与目标高度H_S的关系，包括H_L<H_S、HL＝H_S、HL>H_S三种情况，规划三种情况下实现目标定位高度的最优化路径：

H_L<H_S，S_L≥S_S，采取首先减小侧帮钻架提升机构负向油缸位移的策略，若负向油缸可减小的最大有效位移不小于H_S-H_L，则减小负向油缸位移，直至侧帮钻架提升机构高度达到目标值H_S；

H_L<H_S，S_L≥S_S，采取首先减小侧帮钻架提升机构负向油缸位移的策略，若负向油缸可减小的最大有效位移不小于H_S-H_L，则首先减小负向油缸位移至0，然后增大正向油缸位移，直至侧帮钻架提升机构高度达到目标值H_S；

H_L<H_S，S_L<S_S，采取首先增大侧帮钻架提升机构正向进给油缸位移的策略，若正向油缸可增大的最大有效位移不小于H_S-H_L，则增大正向油缸位移，直至侧帮钻架提升机构高度达到目标值H_S；

H_L<H_S，S_L<S_S，采取首先增大侧帮钻架提升机构正向进给油缸位移的策略，若正向油缸可增大的最大有效位移小于H_S-H_L，则增大正向油缸位移至最大值，然后减小负向油缸位移，直至侧帮钻架提升机构高度达到目标值H_S；

H_L>H_S，S_L≥S_S，采取首先增大侧帮钻架提升机构负向进给油缸位移的策略，若负向油缸可增大的最大有效位移不小于H_L-H_S，则增大负向油缸位移，直至侧帮钻架提升机构高度达到目标值H_S；

H_L>H_S，S_L≥S_S，采取首先增大侧帮钻架提升机构负向进给油缸位移的策略，若负向油缸可增大的最大有效位移小于H_L-H_S，则增大负向油缸位移至最大值，然后减小正向油缸位移，直至侧帮钻架提升机构高度达到目标值H_S；

H_L>H_S，S_L<S_S，采取首先减小侧帮钻架提升机构正向进给油缸位移的策略，若正向油缸可减小的最大有效位移不小于H_L-H_S，则减小正向油缸位移，直至侧帮钻架提升机构高度达到目标值H_S；

H_L>H_S，S_L<S_S，采取首先减小侧帮钻架提升机构正向进给油缸位移的策略，若正向油缸可减小的最大有效位移小于H_L-H_S，则减小正向油缸位移至0，然后增大负向油缸位移，直至侧帮钻架提升机构高度达到目标值H_S；

H_L＝H_S，侧帮钻架提升机构负向油缸、正向油缸保持当前状态不变，侧帮钻架提升机构按最优化路径自动定位至设定高度，标识任务已完成状态，为启动下一次自动定位任务做准备。

本发明提供的掘锚一体机提升机构数字孪生构建系统的路径规划方法，实现了掘锚一体机机载侧帮钻架提升机构数字孪生体的构建，提供了侧帮钻架路径自动规划的具体可行的控制方法流程，实现定位路径最优化，提高了侧帮钻架提升机构定位效率，实现了锚杆支护高效进行，推动了锚杆支护电液控制技术的发展。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.掘锚一体机提升机构数字孪生构建系统，其特征在于，包括：

中央控制系统，用于自动识别与侧帮钻架提升机构高度相关的信息，并根据与侧帮钻架提升机构高度相关的信息，自动规划侧帮钻架提升机构定位高度的路径，并通过CAN通信发送最终决策至次控制器，驱动电磁阀控制相关机构动作；

信息感知系统，用于获取传感器和电磁阀信息，并根据传感器和电磁阀信息，测量正向进给油缸行程和负向进给油缸行程；

人机交互系统，用于实时显示故障信息、人机交互设备与控制器通信状态、主控制器与次控制器通信状态、各传感器状态和侧帮钻架提升机构实时高度；

网络系统，用于构建数字孪生系统与中央控制系统、信息感知系统的信息交互通道，实现数据传输和远程监控；

数字孪生系统，用于分析各传感器信息，将侧帮钻架提升机构的姿态在上位机上呈现。

2.根据权利要求1所述的掘锚一体机提升机构数字孪生构建系统，其特征在于，所述中央控制系统包括：

主控制器，用于识别与侧帮钻架提升机构高度相关的信息，并根据与侧帮钻架提升机构高度相关的信息，规划侧帮钻架提升机构定位高度的路径；

次控制器，用于通过CAN通信获取所述主控制器发送的控制指令，并根据所述控制指令驱动电磁阀控制相关机构动作，控制侧帮钻架提升机构正向进给以及负向油缸升降。

3.根据权利要求2所述的掘锚一体机提升机构数字孪生构建系统，其特征在于，所述信息感知系统包括：

第一位移传感器，设置于正向进给油缸内，用于测量正向进给油缸行程信号；

第二位移传感器，设置于负向进给油缸内，用于获取负向进给油缸行程信号，其中，正向进给油缸行程信号和负向进给油缸行程信号经转换调理后传输至模拟量输入端子模块，所述模拟量输入端子模块将正向进给油缸行程信号和负向进给油缸行程信号传输至主控制器。

4.根据权利要求3所述的掘锚一体机提升机构数字孪生构建系统，其特征在于，所述第一位移传感器和第二位移传感器均输出4-20mA信号。

5.根据权利要求4所述的掘锚一体机提升机构数字孪生构建系统，其特征在于，所述信息感知系统还包括操作系统，所述操作系统包括：

本机操作面板，设置于操作台内；

遥控系统，包括接收装置及遥控操作面板，接收装置设置于主控制器侧面，当本机操作面板操作时，所述本机操作面板发出控制指令后通过CAN通讯发送到主控制器中；当遥控操作面板操作时，所述遥控操作面板控制指令以无线或有线方式发送至接收装置，接收装置将接收指令通过CAN通讯转发送至主控制器中，所述主控制器根据接收指令对相关信息进行处理，并将处理结果发送给相应执行控制器。

6.根据权利要求5所述的掘锚一体机提升机构数字孪生构建系统，其特征在于，所述电磁阀一端接入次控制器，另一端接入正向进给油缸和负向进给油缸的液压控制管路，所述主控制器通过CAN通讯将油缸动作指令发送给次控制器，所述次控制器控制电磁阀实现油缸的伸缩动作。

7.如权利要求1至6中任一项所述的掘锚一体机提升机构数字孪生构建系统的路径规划方法，其特征在于，所述方法包括：

获取掘锚一体机机载侧帮钻架提升机构的运动特征、结构以及功能，建立多组件关联的孪生体；

根据多组件关联的孪生体，初始化设置侧帮钻架提升机构自动定位参数信息；

根据多组件关联的孪生体，获取人机交互各界面；

根据人机交互各界面，向侧帮钻架提升机构发送动作命令，并获取初始化后的参数信息；

根据动作命令以及初始参数信息，进行不同情况下的路径规划；

根据不同情况下的路径规划，自动定位至设定高度，标识任务已完成状态。

8.根据权利要求7所述的掘锚一体机提升机构数字孪生构建系统的路径规划方法，其特征在于，所述参数信息，具体包括初始零位高度H_Z、目标高度H_S、正向油缸最大位移L_S、正向油缸进给速度S_S、负向油缸最大位移L_L、负向油缸进给速度S_L、正向油缸位移贡献系数R_S和负向油缸位移贡献系数R_L。

9.根据权利要求8所述的掘锚一体机提升机构数字孪生构建系统的路径规划方法，其特征在于，所述人机交互各界面上显示有故障信息界面和通信状态界面；

所述故障信息界面包括正向进给油缸第一位移传感器是否存在连接故障以及负向进给油缸第二位移传感器是否存在连接故障；

所述通信状态界面包括人机交互设备与控制器通信状态是否正常、主控制器与次控制器通信状态是否正常、本安操作面板与主控制器通信状态是否正常、遥控操作面板与遥控接收装置通信状态是否正常以及遥控接收装置与主控制器通信状态是否正常。

10.根据权利要求9所述的掘锚一体机提升机构数字孪生构建系统的路径规划方法，其特征在于，根据不同情况下的路径规划，包括：

计算侧帮钻架提升机构当前提升高度H_L＝H_Z+Y_1L×R_S-Y_2L×R_L，其中，Y_1L为正向油缸位移，Y_2L为负向油缸位移；

根据当前提升高度H_L，判断当前提升高度H_L与目标高度H_S的关系；

根据当前提升高度H_L与目标高度H_S的关系，规划目标定位高度的路径。