基于無線傳感數(shù)據(jù)的液壓支架三維姿態(tài)監(jiān)測

張雪梅

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與通信工程系，山西 太原 030006)

隨著智能技術(shù)的快速發(fā)展，人機(jī)模型和多維環(huán)境交互變得相當(dāng)成熟[1]，近年來也逐步被應(yīng)用到了煤礦開采行業(yè)。但大多應(yīng)用只是為煤礦企業(yè)等單位提供了一種全新的培訓(xùn)技術(shù)手段，以現(xiàn)場真實(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動的三維仿真應(yīng)用仍然較少。

本文基于煤礦綜采工作面特殊工況環(huán)境，設(shè)計(jì)了ZigBee無線傾角傳感器，構(gòu)建了無線交差網(wǎng)狀網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，保證了液壓支架姿態(tài)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定采集傳輸。以現(xiàn)場無線傾角傳感器姿態(tài)數(shù)據(jù)為驅(qū)動數(shù)據(jù)源，基于Unity3D構(gòu)建液壓支架三維模型，設(shè)計(jì)了真實(shí)傳感數(shù)據(jù)驅(qū)動的液壓支架三維姿態(tài)監(jiān)測仿真系統(tǒng)。

1 姿態(tài)監(jiān)測傳感器及網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

1.1 無線傾角傳感器設(shè)計(jì)

傾角傳感器無線通信采用ZigBee無線射頻技術(shù)，選用TI公司的2.4 GHz ZigBee應(yīng)用片上系統(tǒng)解決方案專用芯片CC2530作為無線通信芯片，無線傾角傳感器電路原理圖見圖1.

圖1中RFX2401C為2.4 GHz單芯片射頻前端信號放大器，CC2530 RF輸入輸出高阻抗差分信號經(jīng)巴倫芯片2450BM15A0002轉(zhuǎn)換成單端信號，連接到RFX2401C的收發(fā)器端口TXRX，天線端口ANT使用外接50Ω天線進(jìn)行阻抗匹配。極少外圍器件射頻前端芯片RFX2401C和巴倫芯片2450BM15A0002的使用，簡化了無線射頻電路設(shè)計(jì)，降低了射頻電路中由于被動器件參數(shù)誤差造成的無線信號衰減[2].

圖1 無線傾角傳感器電路原理圖

CC2530提供了USART0和USART1兩個串行通信接口。設(shè)置USART0工作于SPI模式，連接三軸加速度計(jì)ADXL345；設(shè)置USART1工作于UART模式，用于傳感器與外部設(shè)備通信。USART1接口信號首先經(jīng)過兩片光電耦合器FOD053 L進(jìn)行電氣隔離和電壓轉(zhuǎn)換，最后通過SN65HVD3082ED轉(zhuǎn)換為RS485總線信號。

由于對ADXL345輸出直接進(jìn)行積分計(jì)算傾角，與零點(diǎn)偏置穩(wěn)定性有關(guān)的誤差會隨著積分周期的增加而快速累積，所以利用重力矢量及其在加速度計(jì)軸上的投影來計(jì)算靜態(tài)傾角。

1.2 傳感器部署及無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

根據(jù)支架與圍巖的相互作用關(guān)系，兩柱掩護(hù)式液壓支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，與圍巖作用關(guān)系好，是目前礦井應(yīng)用最為普遍的支架類型[3].以兩柱掩護(hù)式液壓支架為研究對象，分別在每個液壓支架的頂梁、底座及前連桿上部署ZigBee無線傾角傳感器，建立以頂梁、底座及前連桿角度為自變量的支架姿態(tài)監(jiān)測方法。

設(shè)計(jì)支架底座上ZigBee無線傾角傳感器為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)。頂梁和前連桿上ZigBee無線傾角傳感器為路由器節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)路由和采集。整個工作面ZigBee無線傾角傳感器組成交差網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，見圖2.

圖2 ZigBee無線傾角傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

每個支架底座ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電啟動后各自建立一個ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，對近距離頂梁和前連桿ZigBee路由器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋。頂梁和前連桿ZigBee路由器節(jié)點(diǎn)上電啟動或網(wǎng)絡(luò)斷開重連時(shí)，依據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋信號強(qiáng)度，加入信號最強(qiáng)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)起的無線網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和路由轉(zhuǎn)發(fā)。

工作面所有無線傾角傳感器依據(jù)安裝支架編號及安裝位置進(jìn)行唯一性編碼標(biāo)識，并固化存儲到傳感器FLASH芯片內(nèi)。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)組建完成后，支架底座、頂梁及前連桿無線傾角傳感器各自采集對應(yīng)位置姿態(tài)數(shù)據(jù)，協(xié)同傳感器自身唯一編碼標(biāo)識及校驗(yàn)和進(jìn)行數(shù)據(jù)組包。底座協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包通過RS485總線直接發(fā)送到本架液壓支架電液控制器，頂梁和前連桿路由器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包路由轉(zhuǎn)發(fā)到所加入無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送到相應(yīng)液壓支架電液控制器[4].

2 姿態(tài)監(jiān)測數(shù)學(xué)模型分析

基于液壓支架對稱性結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析時(shí)，兩柱掩護(hù)式液壓支架可簡化為二維平面桿鉸鏈機(jī)構(gòu)模型(圖3)[5].設(shè)O為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平向左和垂直向上為X軸和Y軸正方向。A—K為支架結(jié)構(gòu)件間的鉸接點(diǎn)。L1—L24為支架制造原始結(jié)構(gòu)尺寸。M為立柱長度，N為平衡千斤頂長度，H為支架支撐高度。

圖3 支架二維平面機(jī)構(gòu)模型圖

設(shè)α、β、γ分別為頂梁、前連桿、底座與X軸正方向的夾角，由傾角傳感器測得。設(shè)θ1、θ2、θ3、θ4分別為后連桿、掩護(hù)梁、立柱、平衡千斤頂與X軸正方向的夾角，(XA,YA)～(XK,YK)分別為鉸接點(diǎn)A—K的坐標(biāo)值。由此可求得鉸接點(diǎn)A、B、C及E的坐標(biāo)值:

(1)

(2)

(3)

(4)

連接鉸接點(diǎn)BA、ED及GE，設(shè)δ1、δ2及δ5分別為LBA、LED及LGE與X軸正方向的夾角，姿態(tài)解析模型見圖4.

圖4 姿態(tài)解析模型圖

其中,LBA、LED、LGE長度和δ1、δ3、δ4角度均可依據(jù)支架二維平面機(jī)構(gòu)模型，由支架已知參數(shù)求得。由L3、L4、LBA、LED四連桿結(jié)構(gòu)可得如下等式：

L3sin(π-β)+LBAsinδ1=LEDsinδ2+L4sin(π-θ1)

(5)

L3cos(π-β)+LEDcosδ2=LBAcosδ1+L4cos(π-θ1)

(6)

在給定β的情況下，由等式(5)和(6)聯(lián)立可求得θ1及δ2.又由圖4分析可知：θ2=δ2+δ3，δ5=θ2-δ4+π/2.因此在已知E點(diǎn)坐標(biāo)的情況下，可求得G點(diǎn)的坐標(biāo)：

(7)

從而，由圖3進(jìn)一步可求得J、K點(diǎn)的坐標(biāo)，立柱及平衡千斤頂工作長度M、N，立柱及平衡千斤頂與X軸正方向的夾角θ3、θ4：

(8)

(9)

(10)

(11)

θ3=tan-1(YK-YC)/(XK-XC)

(12)

θ4=tan-1(YJ-YF)/(XJ-XF)

(13)

3 三維姿態(tài)監(jiān)測平臺設(shè)計(jì)

3.1 支架三維模型設(shè)計(jì)

三維模型是構(gòu)成游戲場景的主要元素，Unity3D自身只提供了盒子、球體、膠囊等簡單三維模型。使用三維建模軟件3DMAX，按照液壓支架實(shí)際制造尺寸進(jìn)行精確建模設(shè)計(jì)、添加模型材質(zhì)、設(shè)置模型組件坐標(biāo)原點(diǎn)及父子關(guān)系等，最后導(dǎo)出為Unity軟件支持的3D模型格式FBX文件。

以支架銷軸方向?yàn)閆軸方向進(jìn)行三維建模設(shè)計(jì)，支架模型組件坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置見圖5，其中鉸接點(diǎn)O、A、B、C、E、F、G分別為底座、后連桿、前連桿、立柱、掩護(hù)梁、平衡千斤頂及頂梁模型組件坐標(biāo)原點(diǎn)。為了達(dá)到精確的三維姿態(tài)仿真效果，按照支架降柱到最底部的位姿進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，并且存儲初始位姿參數(shù)到基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫，用于初始化模型驅(qū)動腳本變量。

圖5 支架模型組件坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置圖

設(shè)置底座為根節(jié)點(diǎn)父模型，立柱、前連桿、后連桿為其子模型；掩護(hù)梁為前連桿的子模型，頂梁、平衡千斤頂為掩護(hù)梁的子模型。

3.2 三維姿態(tài)仿真實(shí)現(xiàn)

三維姿態(tài)仿真實(shí)現(xiàn)流程見圖6，姿態(tài)數(shù)據(jù)采集服務(wù)程序負(fù)責(zé)與支架電液控制器建立連接，通過RS485總線實(shí)時(shí)讀取電液控制器轉(zhuǎn)發(fā)的傾角傳感器數(shù)據(jù)，以服務(wù)接口的形式給姿態(tài)計(jì)算引擎提供支架姿態(tài)數(shù)據(jù)。基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫用于存儲錄入的支架原始制造尺寸及支架模型初始位姿參數(shù)，供姿態(tài)計(jì)算引擎及三維模型驅(qū)動腳本使用。

圖6 三維姿態(tài)仿真流程圖

姿態(tài)計(jì)算引擎首先從基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫加載支架原始制造尺寸數(shù)據(jù)(L1—L24)到計(jì)算機(jī)內(nèi)存，實(shí)時(shí)從姿態(tài)數(shù)據(jù)采集服務(wù)程序讀取各支架傾角傳感器數(shù)據(jù)(α、β、γ)，利用姿態(tài)數(shù)學(xué)模型動態(tài)計(jì)算后連桿、掩護(hù)梁、立柱、平衡千斤頂與X軸正方向夾角θ1、θ2、θ3、θ4，立柱及平衡千斤頂工作長度M、N，采用全局變量的形式傳遞給三維模型驅(qū)動腳本。

使用C#語言作為腳本程序開發(fā)語言，掛接腳本到根節(jié)點(diǎn)父模型，通過Find方法獲取指定名稱模型游戲?qū)ο螅ㄟ^Transform類成員方法Rotate和Translate控制游戲?qū)ο笮D(zhuǎn)和移動。在腳本程序變量申明部分，首先為各模型組件游戲?qū)ο笊昝骱缶Y為_new和_old兩個變量，其中_new變量存儲游戲?qū)ο笞钚聽顟B(tài)值，由姿態(tài)計(jì)算引擎實(shí)時(shí)更新，_old變量存儲游戲?qū)ο笊弦粋€狀態(tài)值。

在Start方法中，通過讀取基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫模型初始位姿參數(shù)對各模型組件游戲?qū)ο骭new和_old變量進(jìn)行初始化賦值，且初始化_new等于_old.在Update方法中，通過計(jì)算_new和_old的差值實(shí)時(shí)獲取各模型組件游戲?qū)ο竺恳粠D(zhuǎn)的角度或移動的長度。腳本程序Update方法中，支架底座及立柱模型組件游戲?qū)ο罂刂剖纠a如下：

void Update(){

private float r_dizuo;

private float r_lizhu;

private float m_ lizhu;

r_dizuo=r_dizuo_new-r_dizuo_old;

m_transform.Find(“dizuo”).Rotate(new Vector3(0, 0, r_dizuo));

r_dizuo_old=r_dizuo_new;

r_lizhu=r_ lizhu _new-r_ lizhu _old;

m_lizhu=m_lizhu_new-m_lizhu_old;

m_transform.Find(“l(fā)izhu”).Rotate(new Vector3(0, 0, r_lizhu));

m_transform.Find(“l(fā)izhu”).Translate(new Vector3(m_lizhu * Mathf.Cos(r_ lizhu _new), m_lizhu * Mathf.Sin(r_ lizhu _new), 0);

r_ lizhu _old=r_ lizhu _new;

m_lizhu_old=m_lizhu_new;

}

4 測試分析

實(shí)踐表明，液壓支架姿態(tài)變化形式主要是頂梁的抬頭及低頭，底座的抬頭及低頭[6].借助某支架制造廠液壓支架測試臺，在被測支架的底座、頂梁及前連桿上部署無線傾角傳感器，針對頂梁和底座的抬頭、低頭對三維姿態(tài)仿真系統(tǒng)進(jìn)行測試驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)1：調(diào)整液壓支架測試臺角度調(diào)節(jié)油缸，使支架底座保持水平(γ=0°)，頂梁分別處于抬頭(α=5°)、低頭(α=-5°)及水平(α=0°)，三維姿態(tài)仿真界面分別見圖7a)、7b)及7c).

圖7 支架底座水平三維姿態(tài)仿真圖

實(shí)驗(yàn)2：調(diào)整液壓支架測試臺角度調(diào)節(jié)油缸，使支架底座處于抬頭(γ=-5°)，頂梁分別處于抬頭(α=5°)、低頭(α=-5°)及水平(α=0°)，三維姿態(tài)仿真界面分別見圖8a)、8b)及8c).

圖8 支架底座抬頭三維姿態(tài)仿真圖

實(shí)驗(yàn)3：調(diào)整液壓支架測試臺角度調(diào)節(jié)油缸，使支架底座處于低頭(γ=5°)，頂梁分別處于抬頭(α=5°)、低頭(α=-5°)及水平(α=0°)，三維姿態(tài)仿真界面分別見圖9a)、9b)及9c).

圖9 支架底座低頭三維姿態(tài)仿真圖

對比試驗(yàn)1、2、3液壓支架測試臺設(shè)定值和圖7、8、9傳感器讀數(shù)可知，傾角傳感器采集數(shù)據(jù)偏差均小于0.5°，精度可滿足液壓支架姿態(tài)監(jiān)測功能需求。從圖7、8、9可以看出，支架三維姿態(tài)仿真系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了真實(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動下的支架底座及頂梁的抬頭、低頭姿態(tài)仿真。

5 結(jié) 論

基于ZigBee無線技術(shù)設(shè)計(jì)了支架姿態(tài)監(jiān)測傾角傳感器，借助液壓支架電液控制器作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，構(gòu)建了ZigBee交差網(wǎng)狀網(wǎng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，有效保證了支架姿態(tài)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定采集和傳輸。基于Unity3D開發(fā)平臺，借助支架二維數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了真實(shí)傳感器數(shù)據(jù)驅(qū)動的液壓支架三維姿態(tài)監(jiān)測仿真系統(tǒng)，為煤礦綜采工作面三維可視化及虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。