阅读说明：本技术 一种基于声阵列的采煤机精确定位系统及其方法 (Accurate positioning system and method for coal mining machine based on acoustic array ) 是由 许静 许杰 张忠宇 赵新旭 杨寅威 王忠宾 吴百公 苏贞 李小虎 于 2020-07-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于声阵列的采煤机精确定位系统及其方法,包括处于综采工作面环网中的采煤机机载控制器、主动式声发射装置、安装在综采工作面进风侧端头的声音传感器阵列、计算处理装置。其声发射装置主动发出声固定波形与频段的声音信号,其频率尽量避免工作面其他设备发出声音的主要区间。机载控制器隔一段时间给声发射装置一个指令。声音传感器阵列包括3个空间分布的声音传感器,通过盲源分离算法分离出声发射装置发出的信号,根据每个传感器接收到的信号的时间差计算出声发射装置的位置,从而获取采煤机空间位置,实现其精确定位。本发明结构简单,体积小,功耗低,成本低,易于安装布置与维护。(The invention discloses an acoustic array-based accurate positioning system and method for a coal mining machine. The sound emission device actively emits sound signals with fixed waveforms and frequency bands, and the frequency of the sound emission device avoids main intervals in which other devices on a working face make sounds as much as possible. The onboard controller gives an instruction to the acoustic emission device at intervals. The sound sensor array comprises 3 sound sensors distributed in space, signals sent by the sound emission device are separated through a blind source separation algorithm, and the position of the sound emission device is calculated according to the time difference of the signals received by each sensor, so that the space position of the coal mining machine is obtained, and the accurate positioning of the coal mining machine is realized. The invention has the advantages of simple structure, small volume, low power consumption, low cost and easy installation, arrangement and maintenance.)

一种基于声阵列的采煤机精确定位系统及其方法

技术领域

本发明属于煤矿综采工作面采煤机精确定位技术领域，涉及一种基于声阵列的采煤机精确定位系统及其方法。

背景技术

随着煤炭开采技术的发展，现代化矿井的自动化和智能化程度有了很大的提升，推动了煤炭“无人化”或“少人化”开采的进程。采煤机作为综合机械化采煤工作面(简称“综采工作面”)的关键设备之一，其自动化与智能化程度很大程度上制约着煤炭开采水平。其中采煤机的精确定位技术，即准确识别采煤机当前在综采工作面的位置，是国内外煤炭开采领域公认的技术难点和发展瓶颈。

由于综采工作面处在不断推移过程中，采煤机沿着刮板输送机不断运动，且综采工作面环境恶劣，传统的定位方法难以满足采煤机精确定位的要求。轴编码器定位法与惯导定位法体积小、易于安装布置，但是在使用过程中存在累积误差难以消除的问题，存在一定的定位误差；红外定位法与激光定位法需要发射光波束，在开阔且光照条件较好的空间中精度较高，然而综采工作面中空间狭小、设备数量较多，且工作面并非平直空间，波束发射装置与接收装置之间易被遮挡，影响定位效果；超声波定位法根据发射信号道不同的接受装置之间时间差原理进行定位，但是超声波发射和接收装置体积大，功耗和成本较高，不利于推广使用。

中国专利申请CN201810794991.3公开了一种基于阵列式惯性单元的采煤机定位方法，通过在采煤机的箱体上方安装四个惯性传感单元，实时感知采煤机的角加速度和加速度数据，并通过去噪、融合解算、误差修正等一些列算法实现采煤机定位。该方法虽然结构简单，但在实际使用过程中惯性传感单元不可避免会存在累积误差的问题，影响定位精度，且本方法中解算过程过于复杂，难以实现实时定位。

中国专利申请CN201320089433.X公开了一种采煤机定位监控装置，通过在综采工作面上每三个液压支架下方设置一个监控器装置，用于实现采煤机位置测算。该方法只能获取采煤机的大致位置，由于监控器的布放非连续，在盲区位置无法实现采煤机位置测量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提出一种基于声阵列的采煤机精确定位系统及其方法，不受综采工作面空间及其他设备遮挡的影响，不受工作面粉尘、瓦斯等颗粒物与气体的影响；且每两次定位结果之间相互独立，定位过程中不存在累计误差的问题，功耗低，定位精度高，适用于各种地质条件，应用范围广。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案。

本发明的一种基于声阵列的采煤机精确定位系统，包括通过通讯模块进行相互通讯联接于综采工作面环网的综采工作面采煤机、采煤机机载控制器、安装在采煤机上的主动式声发射装置、安装在综采工作面进风侧端头的声音传感器阵列、与声音传感器阵列配合使用的计算处理装置；

所述的主动式声发射装置与采煤机机载控制器相连，并接入到综采工作面环网中；采煤机机载控制器用于每间隔一时间T给主动式声发射装置一个指令，控制其发出指定波形的声音信号；

所述的声音传感器阵列包括3个空间分布的声音传感器；所述的3个声音传感器安装在计算处理装置的周边，其空间分布位置不处于同一条直线；声音传感器用于接收主动式声发射装置所发出的声音信号，同时接收到综采工作面其他设备运行声音信号以及噪声信号；

所述计算处理装置用于实现采煤机精确定位算法，该装置包括用于数据在线分析计算的核心处理器，用于数据归档与参数储存的数据存储器，用于同步3个声音传感器时钟的同步时钟电路，用于和综采工作面环网通讯的通讯模块，用于采集并转换3路声音传感器信号的信号采集模块，供电用电源电路，本安兼隔爆型外壳。

进一步的，所述的主动式声发射装置安装在采煤机机身上或安装在采煤机内部隔爆腔体内；安装在采煤机机身上时，具有相应的防爆外壳和防撞击装置。

优选的，所述的核心处理器采用基于SoC平台或Atom平台的超微型计算器。

本发明的一种基于声阵列的采煤机精确定位方法，根据主动式声发射装置所发出的声音信号波形到达3个空间分布于计算处理装置周边的声音传感器时间的不同，来测定并计算采煤机的精确位置，包括以下步骤：

步骤1.定义空间坐标系：坐标原点为计算处理装置的几何中心点，Z轴正方向为铅直向上的方向，X轴正方向为面向煤壁向右并与Z轴呈90°夹角的方向，Y轴正方向为垂直于XOZ平面并指向煤壁的方向；

步骤2.根据计算处理装置的几何尺寸和3个声音传感器的空间布置，可获知3个声音传感器的空间位置分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)；

步骤3.主动式声发射装置发出声音信号，控制指令由采煤机机载控制器发出，声音信号需尽量避开综采工作面采煤机及其他设备所发出声音的频率区间；根据事先获知的综采工作面采煤机及其他设备运行过程中所发出声音信号和主动式声发射装置所发出的声音信号特征，结合声源分离算法，分离出声主动式发射装置所发出的信号波形；

步骤4.计算处理装置启动后持续接受3个声音传感器采集到的综采工作面声音信号，并进行分析计算；

步骤5.由于3个声音传感器为空间分布，所以主动式声发射装置到各个声音传感器的距离各不相同；根据3个通道分离结果，每个通道分离出的信号起始时间点距离0时刻点的时间差分别记为t1，t2，t3，声音信号的传播速度为常量c，其主动式声发射装置的空间坐标计算公式如下：

其中，

步骤6.根据步骤5所述的3个相互独立的方程可求解出主动式声发射装置的几何中心点即空间位置(xL,yL,zL)；最后根据主动式声发射装置的位置、几何尺寸以及采煤机的几何尺寸，则可确定采煤机的空间位置(xc,yc,zc)。

进一步的，在步骤3中所述的避开综采工作面采煤机及其他设备所发出声音的频率区间，可通过如下方式实现：事先采集综采工作面运行过程中的声音信号，并利用时频分析软件获取信号的时频特征，统计信号中主要能量对应的频率区间范围：f1～f2，f3～f4，f5～f6…；合成一段独立的声音信号，其频率远离上述区间，且与综采工作面去他声源信号无耦合关系。

进一步的，在步骤3中所述的主动式声发射装置发出声音信号可周期执行，周期长度建议取值3-10秒左右；周期长度的确定因素包括：综采工作面的长度、采煤机的牵引速度。

进一步的，在步骤3中，采煤机机载控制器发出控制指令后，同时通过综采工作面环网向计算处理装置发出一个信号，计算处理装置开始工作；计算处理装置初始化3通道的声音传感器信号采集电路时钟，定为0时刻。

进一步的，所述的声音传感器及配套的信号采集模块的信号采样频率，至少不小于主动式声发射装置所发出声音信号最大频率的2倍，以保证采样精度，避免信号混叠。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果和优点：

(1)本发明所提出的采煤机精确定位系统具有结构简单，主动式声发射装置、声音传感器阵列以及计算处理装置体积小，功耗低，成本低，易于安装布置与维护。

(2)本发明通过安装在采煤机机身上的主动式声发射装置所发出的指定声音信号，达到空间分布的3个声音传感器时间差的不同，实现采煤机空间位置的精确计算。

(3)本发明的基于声阵列的采煤机精确定位方法，不受综采工作面空间及其他设备遮挡的影响，不受工作面粉尘、瓦斯等颗粒物与气体的影响。且每两次定位结果之间相互独立，定位过程中不存在累计误差的问题，功耗低，定位精度高，适用于各种地质条件，应用范围广。

(4)本发明定位方法，解算过程简单快速，易于提高系统实时性，可有效降低系统硬件配置要求。

附图说明

图1是本发明的一种实施例的系统框图。

图2是本发明的一种实施例的声音传感器阵列布置示意图。

图3是本发明的一种实施例的方法流程图。

具体实施方式

本发明的一种基于声阵列的采煤机精确定位系统，包括通过通讯模块进行相互通讯联接于综采工作面环网的综采工作面采煤机、采煤机机载控制器、安装在采煤机上的主动式声发射装置、安装在综采工作面进风侧端头的声音传感器阵列、与声音传感器阵列配合使用的计算处理装置。

所述的主动式声发射装置与采煤机机载控制器相连，并接入到综采工作面环网中；采煤机机载控制器用于每间隔一时间T给主动式声发射装置一个指令，控制其发出指定波形的声音信号。进一步的，所述的主动式声发射装置安装在采煤机机身上或安装在采煤机内部隔爆腔体内；安装在采煤机机身上时，具有相应的防爆外壳和防撞击装置。

所述的声音传感器阵列包括3个空间分布的声音传感器；所述的3个声音传感器安装在计算处理装置的周边，其空间分布位置不处于同一条直线；声音传感器用于接收主动式声发射装置所发出的声音信号，同时接收到综采工作面其他设备运行声音信号以及噪声信号。

所述计算处理装置用于实现采煤机精确定位算法，该装置包括用于数据在线分析计算的核心处理器，用于数据归档与参数储存的数据存储器，用于同步3个声音传感器时钟的同步时钟电路，用于和综采工作面环网通讯的通讯模块，用于采集并转换3路声音传感器信号的信号采集模块，供电用电源电路，本安兼隔爆型外壳。优选的，所述的核心处理器采用基于SoC平台或Atom平台的超微型计算器。

本发明的一种基于声阵列的采煤机精确定位方法，根据主动式声发射装置所发出的声音信号波形到达3个空间分布于计算处理装置周边的声音传感器时间的不同，来测定并计算采煤机的精确位置，包括以下步骤：

步骤1.定义空间坐标系：坐标原点为计算处理装置的几何中心点，Z轴正方向为铅直向上的方向，X轴正方向为面向煤壁向右并与Z轴呈90°夹角的方向，Y轴正方向为垂直于XOZ平面并指向煤壁的方向；

步骤2.根据计算处理装置的几何尺寸和3个声音传感器的空间布置，可获知3个声音传感器的空间位置分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)；

步骤3.主动式声发射装置发出声音信号，控制指令由采煤机机载控制器发出，声音信号需尽量避开综采工作面采煤机及其他设备所发出声音的频率区间；根据事先获知的综采工作面采煤机及其他设备运行过程中所发出声音信号和主动式声发射装置所发出的声音信号特征，结合声源分离算法，分离出声主动式发射装置所发出的信号波形。

在步骤3中，所述的避开综采工作面采煤机及其他设备所发出声音的频率区间，可通过如下方式实现：事先采集综采工作面运行过程中的声音信号，并利用时频分析软件获取信号的时频特征，统计信号中主要能量对应的频率区间范围：f1～f2，f3～f4，f5～f6…；合成一段独立的声音信号，其频率远离上述区间，且与综采工作面去他声源信号无耦合关系。所述的主动式声发射装置发出声音信号可周期执行，周期长度建议取值3-10秒左右；周期长度的确定因素包括：综采工作面的长度、采煤机的牵引速度。其采煤机机载控制器发出控制指令后，同时通过综采工作面环网向计算处理装置发出一个信号，计算处理装置开始工作；计算处理装置初始化3通道的声音传感器信号采集电路时钟，定为0时刻。

步骤4.计算处理装置启动后持续接受3个声音传感器采集到的综采工作面声音信号，并进行分析计算；

步骤5.由于3个声音传感器为空间分布，所以主动式声发射装置到各个声音传感器的距离各不相同；根据3个通道分离结果，每个通道分离出的信号起始时间点距离0时刻点的时间差分别记为t1，t2，t3，声音信号的传播速度为常量c，其主动式声发射装置的空间坐标计算公式如下：

其中，

步骤6.根据步骤5所述的3个相互独立的方程可求解出主动式声发射装置的几何中心点即空间位置(xL,yL,zL)；最后根据主动式声发射装置的位置、几何尺寸以及采煤机的几何尺寸，则可确定采煤机的空间位置(xc,yc,zc)。

进一步的，所述的声音传感器及配套的信号采集模块的信号采样频率，至少不小于主动式声发射装置所发出声音信号最大频率的2倍，以保证采样精度，避免信号混叠。

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明的一种实施例的系统框图。如图1所示。本发明的该实施例系统，包括综采工作面采煤机及其机载控制器、安装在采煤机上的主动式声发射装置、安装在综采工作面进风侧端头的声音传感器阵列、与声音传感器阵列配合使用的计算处理装置等。

所述主动式声发射装置安装在采煤机机身上或者安装在采煤机内部隔爆腔体内，若安装在采煤机机身上因具有相应的防爆外壳以及相应的防撞击装置。

所述主动式声发射装置与采煤机机载控制器相连，并接入到综采工作面环网中。采煤机机载控制器隔一段时间T给主动式声发射装置一个指令，控制其发出指定波形的声音信号。

T的取值可根据综采工作面的长度、采煤机的牵引速度等因素大致确定，一般建议取值3-10秒左右。

图2是本发明的一种实施例的声音传感器阵列布置示意图。如图2所示，所述声音传感器阵列由3个空间分布的工业级防尘麦克风组成，用于接收主动式声发射装置所发出的声音信号，同时也会接受到综采工作面其他设备运行声音信号，以及噪声信号。声音传感器呈空间分布，不在同一条直线上，且安装在计算处理装置旁。

所述计算处理装置主要用于实现采煤机精确定位算法，该装置包括用于数据在线分析计算的核心处理器，用与数据归档与参数储存的数据存储器，用于同步3个声音传感器时钟的同步时钟电路，用于和综采工作面环网通讯的通讯模块，用于采集并转换3路声音传感器信号的信号采集模块，用于给本装置供电的电源电路，以及本装置的本安兼隔爆型外壳。

所述核心处理器是基于SoC平台或Atom平台的超微型计算器。所述通讯模块与综采工作面环网可以通过无线WiFi、无线MESH、无线Zigbee等无线，或者矿用阻燃网线、屏蔽双绞线、电力载波线等有线方式连接。

其声音传感器及配套的信号采集模块的信号采样频率，应该至少是主动式声发射装置所发出声音信号最大频率的2倍以上，以保证采样精度，避免信号混叠。

所述计算处理装置大多时间处于低功耗的待机状态，只有在接收到采煤机机载控制器发出的开始运行信号后，计算处理装置开始工作，以降低系统功耗。

本发明所提出的采煤机精确定位系统具有结构简单，主动式声发射装置、声音传感器阵列以及计算处理装置体积小，功耗低，成本低，易于安装布置与维护。

图3是本发明的一种实施例的方法流程图。如图3所示，本发明的该实施例方法，是利用主动式声发射装置所发出的声音信号波形达到3个空间分布的声音传感器时间的不同计算获得。其具体实现步骤和过程如下：

步骤1.定义空间坐标系：坐标原点为计算处理装置的几何中心点，Z轴正方向为铅直向上的方向，X轴正方向为面向煤壁向右并与Z轴呈90°夹角的方向，Y轴正方向为垂直于XOZ平面并指向煤壁的方向。

步骤2.根据计算处理装置的几何尺寸和声音传感器的空间布置，可获知3个声音传感器的空间位置，分别为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)。

步骤3.主动式声发射装置发出声音信号，控制指令由采煤机机载控制器发出，声音信号应尽量避开综采工作面采煤机及其他设备所发出声音的频率区间。

步骤4.计算处理装置开始工作后一直接受3个声音传感器采集到的综采工作面声音信号，并进行分析计算。

步骤5.由于3个声音传感器为空间分布，所以主动式声发射装置到各个声音传感器的距离各不相同。根据3个通道分离结果，每个通道分离出的信号起始时间点距离0时刻点的时间差分别记为t₁，t₂，t₃，声音信号的传播速度为常量c。主动式声发射装置的空间坐标计算公式如下：

其中，

步骤6.上述3个相互独立的方程可求解出主动式声发射装置的空间位置(x_L,y_L,z_L)，且计算结果唯一。最后根据主动式声发射装置安装位置、几何尺寸以及采煤机的几何尺寸，便可得知采煤机的空间位置(x_c,y_c,z_c)。

步骤2中采用声音传感器和主动式声发射装置的几何中心点代表该设备的空间位置，主动式声发射装置的位置定义为(x_L,y_L,z_L)，为未知的待求解量，如图2所示。

步骤3中避开综采工作面采煤机及其他设备所发出声音的频率区间，可通过如下方式实现：事先采集综采工作面运行过程中的声音信号，并利用时频分析软件获取信号的时频特征，统计信号中主要能量对应的频率区间范围，如f₁～f₂，f₃～f₄，f₅～f₆…；合成一段独立的声音信号，其频率远离上述区间，且与综采工作面去他声源信号无耦合关系。

另外，步骤3中主动式声发射装置发出声音信号可周期执行，周期长度可根据综采工作面的长度、采煤机的牵引速度等因素大致确定，一般建议取值3-10秒左右。

同时，步骤3中采煤机机载控制器发出控制指令后，同时通过综采工作面环网向计算处理装置发出一个信号，计算处理装置开始工作(其他时间处于低功耗待机运行状态)。计算处理装置初始化3通道的声音传感器信号采集电路时钟，定为0时刻。

在步骤5中根据事先获知的综采工作面采煤机及其他设备运行过程中所发出声音信号，以及主动式声发射装置所发出的声音信号特征，结合声源分离算法(如主成分分析法、空间聚类法、信息论算法等)，分离出声主动式发射装置所发出的信号波形。

总之，本发明的一种基于声阵列的采煤机精确定位系统及方法，其系统包括综采工作面采煤机及其机载控制器、安装在采煤机上的主动式声发射装置、安装在综采工作面进风侧端头的声音传感器阵列、与声音传感器阵列配合使用的计算处理装置等，该系统通过安装在采煤机机身上的主动式声发射装置所发出的指定声音信号，达到空间分布的3个声音传感器时间差的不同，实现采煤机空间位置的精确计算。该系统结构简单、体积小、功耗低且成本低，易于安装布置与维护。本发明方法，其主动式声发射装置主动发声固定波形与频段的声音信号，发出的声音频率尽量避免工作面其他设备发出声音的主要区间。主动式声发射装置与采煤机机载控制器相连，并接入到综采工作面环网中。采煤机机载控制器隔一段时间给主动式声发射装置一个指令，控制其发出指定声音。声音传感器阵列由3个空间分布的声音传感器组成，通过盲源分离算法分离出声发射装置发出的信号，根据每个传感器接收到的信号的时间差计算出主动式声发射装置的位置，从而获取采煤机空间位置，实现其精确定位。本发明方法不受综采工作面空间及其他设备遮挡的影响，不受工作面粉尘、瓦斯等颗粒物与气体的影响。且每两次定位结果之间相互独立，定位过程中不存在累计误差的问题，功耗低，定位精度高，适用于各种地质条件，应用范围广。