阅读说明：本技术 基于惯导系统的煤矿综采工作面自动调直系统及方法 (Coal mine fully mechanized coal mining face automatic straightening system and method based on inertial navigation system ) 是由 李国威 常亚军 连东辉 郭建京 梁涛 崔科飞 马勇超 李红卫 于 2020-03-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于惯导系统的煤矿综采工作面自动调直系统及方法,包括顺槽主控计算机,无线通信基站,用于检测移架距离的行程传感器,设置在采煤机上的惯导系统和采煤机行走编码器。惯导系统将收到的采煤机行走编码器数据后生成采煤机位置信息后通过CAN网传输给顺槽主控计算机。顺槽主控计算机将收到的采煤机位置坐标信息生成采煤机行走轮廓曲线,计算出每个液压支架修正量和液压支架实际移架距离,通过CAN网将移架控制指令发送给每台液压支架上的电液控制器进行移架控制,完成综采工作面自动调直。本发明优点是操作简单、响应快、移架控制准确度高,不受综采工作面复杂环境如光照不足、煤尘大等的影响,抗干扰性强。(The invention discloses an inertial navigation system-based automatic alignment system and method for a fully mechanized coal mining face of a coal mine. The inertial navigation system generates coal mining machine position information after receiving the coal mining machine walking encoder data and transmits the information to the crossheading main control computer through the CAN network. And the crossheading main control computer generates a coal mining machine walking profile curve according to the received position coordinate information of the coal mining machine, calculates the correction amount of each hydraulic support and the actual support moving distance of the hydraulic support, and sends a support moving control instruction to an electro-hydraulic controller on each hydraulic support through a CAN (controller area network) network to perform support moving control so as to finish automatic straightening of the fully mechanized mining face. The invention has the advantages of simple operation, quick response, high control accuracy of the moving frame, no influence of complex environment of the fully mechanized coal mining face, such as insufficient illumination, large coal dust and the like, and strong anti-interference performance.)

基于惯导系统的煤矿综采工作面自动调直系统及方法

技术领域

本发明涉及煤矿开采领域，尤其是涉及基于惯导系统的煤矿综采工作面自动调直系统及方法。

背景技术

煤矿综采工作面的智能化、无人化是当前煤矿开采领域的发展趋势，而如何自动控制煤矿综采工作面具有较好的直线度一直是制约这一研究方向发展的核心难题。另外，根据《煤矿安全规程》规定，要求煤矿综采工作面实现“三直”，即保证液压支架、刮板输送机、煤壁为直线。由于采煤机安装在刮板输送机上，因此，刮板输送机的直线度保持要依靠液压支架调节，而液压支架能否精确调直的关键在于工作面的直线度检测和调直参数获取是否精确。因此，能否自动实现“三直”的关键是工作面的直线度检测技术和调直参数的获取。

近年来，国内一些企业和高校也相继推出了一些煤矿综采工作面调直系统及方法。中国发明专利(专利号：201711232670.6)公开了采用在工作面电缆槽边布置安装摄像头的快速巡检平台采集视频，再使用运动目标跟中算法，计算出视频采集装置的运动轨迹；但由于综采工作面存在光照不足、煤尘大的特点，导致图像处理技术很难在综采工作面应用，测量误差较大。中国发明专利(专利号：201910493976.X)公开了采用在综采工作面的每台液压支架上安装可旋转激光感应测距装置、在刮板机上安装激光感应接收装置来获取工作面液压支架与刮板机的直线度，此种方法安装设备较多，维护困难，工作面煤尘和煤层的起伏严重影响激光器测量，可靠性差。中国发明专利(专利号：201610128789.8)公开了采用超声波传感器完成刮板输机和煤壁之间距离的测量，来保证刮板输送机的直线度，但煤壁存在片帮和煤层松软的情况，会导致测量结果误差较大，造成设备过度弯曲损坏，同时刮板输送机与煤壁的距离也不能有效反应刮板输送机的直线度。

综上所述，现有的煤矿综采工作面调直系统及方法局限性大，受综采工作面光照不足、煤尘大、空间有限等复杂环境的限制，不能满足综采工作面智能化、自动化的要求，使得实际生产中煤矿综采工作面的调直还主要是依靠人工手动操作。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于惯导系统的煤矿综采工作面自动调直系统，本发明另一目的是提供该调直系统的调直方法。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

本发明所述的基于惯导系统的煤矿综采工作面自动调直系统，包括顺槽主控计算机，综采工作面无线通信基站，设置在每台液压支架上的行程传感器，以及设置在采煤机上的惯导系统和采煤机行走编码器；所述惯导系统通过无线方式与所述无线通信基站通信，无线通信基站通过CAN网与所述顺槽主控计算机通信，所述采煤机行走编码器通过有线方式与惯导系统通信并通过载波形式与顺槽主控计算机通信；顺槽主控计算机通过CAN网与每台所述液压支架上的电液控制器通信，所述电液控制器用于接收顺槽主控计算机发送的控制指令对液压支架进行控制。

本发明所述煤矿综采工作面自动调直系统的调直方法，包括下述步骤：

步骤1，惯导系统模型建立：

步骤1.1,在所述采煤机机身外部的中间位置处安装所述惯导系统，将该安装位置设定为原点O；

步骤1.2,建立惯导系统坐标系：惯导系统安装完成后，设置惯导系统导航坐标系(O，X，Y，Z)，所述导航坐标系以惯导系统安装位置为原点O，过原点O指向采煤机行走方向为X轴正方向，过原点O指向综采工作面推进方向为Y轴正方向，过原点O垂直向上为Z轴正方向，设定Z轴＝0；

步骤1.3，上传采煤机行走轨迹坐标：所述采煤机行走编码器将测得的参数传入所述惯导系统实时计算出精确的采煤机实时行走位置坐标(X_T，Y_T，Z_T)信息，并上传至所述顺槽主控计算机；

步骤2，采煤机行走轮廓曲线形成：所述采煤机实时行走位置坐标(X_T，Y_T，Z_T)是在坐标系(OX，OY，OZ)的空间坐标，且Z_T＝0；

步骤2.1，采煤机行走完整轮廓曲线识别：采用设置机头标志点和机尾标志点对采煤机行走轮廓曲线识别，即判断采煤机的行走轨迹是否完整；

步骤2.2，采煤机行走轨迹片段拼接：当采煤机行走编码器测量过程中断时，惯导系统将从原点O重新纪录采煤机行走轨迹，对本次采煤机行走轨迹进行拼接，纪录中断t时刻的采煤机坐标点(X_t,Y_t)，令重新记录的所有采煤机坐标点分别与所述坐标点(X_t,Y_t)相加，即得到完整的采煤机行走轨迹测量曲线，i＝1,2,3…N；

步骤2.3，坐标点优化：

步骤2.3.1,将生成的采煤机行走轨迹测量曲线坐标点等间隔划分，设定划分间隔为L，将每个相等间隔内的所有采煤机坐标点(X_l,Y_l)进行算术平均生成一个坐标点(X_L,Y_L)代表该间隔区域坐标点，如果间隔区域生成的坐标点数量为0，则跳过该区域；

步骤2.3.2,采用三次样条插值法和自然边界条件，将所有所述等间隔区域代表点(X_L,Y_L)进行曲线拟合，生成采煤机行走曲线的初步轮廓线l′₀；

步骤2.4，旋转所述初步轮廓线l′₀至水平状态：以设置的所述机头标志点和机尾标志点之间的连线为实际轮廓参考线l₀，并向两边延长，将初步轮廓线l′₀通过旋转公式：X_R＝X_Tcos(β)+Y_Tsin(β)、Y_R＝Y_Tcos(β)-X_Tsin(β)旋转至水平方向，即令实际轮廓参考线l₀与X轴重合，其中坐标点(X_R,Y_R)为旋转后的采煤机位置坐标点，(X_T,Y_T)为实时采煤机位置坐标点，β为实际轮廓参考线l₀与X轴的夹角，通过实际轮廓参考线l₀的斜率求倒即得；采用l₁表示旋转后参考线，l′₁表示旋转后的初步轮廓曲线，l″₁表示旋转后自动调直期望结果线，且旋转后参考线l₁和旋转后自动调直期望结果线l″₁都与X_T轴平行；

步骤2.5，平滑处理：采用二次指数滑动平均算法，对所述旋转后的初步轮廓曲线l′₁进行平滑处理，得到用于计算每个液压支架修正量RPC的采煤机轮廓曲线l′₂；

步骤2.6，设定最大移架距离D_max和最小移架距离D_min，所述最大移架距离D_max为液压支架满量程移架时每个液压支架所允许的最大移架距离，所述最小移架距离D_min为液压支架所允许的最小移架距离；

步骤2.7，设定自动调直误差d_ε：计算采煤机行走轮廓曲线l′₂中最高点A和最低点B分别与旋转后参考线l₁之间的垂直距离d_h、d_l，则：d_ε＝|d_h|+|d_l|；

当d_ε≤100mm时为自动调直误差允许范围内；

步骤3，计算调直参数：

步骤3.1，设置修正量RPC：所述RPC最大值为RPC_max＝0，在所述最低点B处修正量最小，RPC_Bmin＝D_min-D_max，最高点A处的修正量为RPC_A＝D_min-D_max，则对于轮廓曲线l′₂上任意一点M，设所述M点到最低点B垂直距离为D_M，根据公式：RPC_M＝RPC_A×(D_M/D_max)，即可计算得到轮廓曲线l′₂上任意一点M的修正量RPC_M；

步骤3.2，计算实际移架距离：根据所有均匀分布在旋转后参考线l₁上液压支架的宽度和间隔距离，确定每个液压支架中点位置在轮廓曲线l′₂坐标系的横坐标X_k，k＝1,2,3…k，k为液压支架的总个数；由所述横坐标X_k即可计算得到每个液压支架中点到最低点B的垂直距离D_k，进而计算得到每个液压支架中点的修正量RPC_k；根据计算得到的修正量RPC_k，由公式：m_k＝D_max+RPC_k，计算得到每个液压支架移架的实际距离m_k；

步骤4，实现综采工作面自动调直：顺槽主控计算机将液压支架移架的实际距离m_k下发给对应液压支架的所述电液控制器，电液控制器控制对应的液压支架按照行程传感器的量程移架；

步骤5，每次综采工作面自动调直前，先对采煤机的行走轮廓曲线l′₂进行一次测量，即完成步骤2，之后判断d_ε是否小于或等于100mm，如果d_ε≤100mm，则在下一次开采循环中继续测量不矫正，即继续执行步骤2，如果d_ε>1000m，则在下一次开采循环中执行步骤3至步骤5实现综采工作面自动调直，如此循环，直至d_ε≤100mm。

进一步地，步骤2.3.1中,将生成的采煤机行走轨迹测量曲线坐标点等间隔0.5m划分，即设定的划分间隔L＝0.5m。

进一步地，步骤2.6中，设定的所述最大移架距离D_max等于采煤机滚筒的截深；设定的所述最小移架距离D_min为采煤机滚筒截深的二分之一。

进一步地，步骤4中，所述电液控制器控制对应的液压支架按照行程传感器的量程移架；移架过程中记录每个所述液压支架移架的时间，当出现个别所述行程传感器故障时，为保证移架的顺利进行，该液压支架按时间T移架，T为该液压支架左、右邻架移架时间的平均值。

本发明优点体现在以下方面：

1，操作简单、响应快、移架控制准确度高。

2，采用捷联惯导和采煤机编码器组合对采煤的行走轨迹进行检测计算，不受综采工作面复杂环境如光照不足、煤尘大等的影响，抗干扰性强。

3，提供了两种采煤机行程编码器与捷联惯导数据传输的方式，解决了不同厂家生产的采煤机无法与捷联惯导直接进行数据传输问题；惯导系统与采煤机行走编码器采用直接传输方式，增强了生成采煤机行走轨迹的实时性。

4，采用无线基站进行无线网络覆盖，无线基站之间采用光纤连接，液压支架电液控制器与顺槽主控计算机采用CAN网相连，保证数据传输的可靠性和高效性。

5，综采工作面自动调直采用移架调直，液压支架推溜时按满量程进行推溜，方式简化了综采工作面自动调直操作，增强了自动调直的精度和可控性，这是因为控制液压移架的移动行程比控制推溜的要容易。

6，设置机头标志点、机尾标志点以及最大移架距离和最小移架距离，简化了移架目标值m的计算过程，提高计算结果的准确性和移架效率。

7，记录了每个液压支架移架的时间，当个别液压支架行程传感器出现故障时，可以根据该液压支架左、右邻架移架时间的平均值来移架调直，保证了自动调直的顺利进行。

附图说明

图1是本发明所述系统的结构示意图。

图2是本发明所述综采工作面旋转示意图，箭头为综采工作面推进方向。

图3是本发明所述综采工作面调直原理示意图，箭头为综采工作面推进方向。

图4是本发明所述方法的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1所示，本发明所述基于惯导系统的煤矿综采工作面自动调直系统，包括顺槽主控计算机1，设置在综采工作面端头和端尾的无线通信基站2、3，无线通信基站2、3之间通过光缆通信，综采工作面的每台液压支架上设置有用于检测移架距离的行程传感器，以及设置在采煤机4上的捷联惯导系统5和采煤机行走编码器6。

采煤机行走编码器6有两种数据传输方式：一种方式是通过有线方式直接与捷联惯导系统5通信将数据传输给捷联惯导系统5；另一种方式是通过载波形式与顺槽主控计算机1通信，再由顺槽主控计算机1通过CAN网和无线通信基站2、3将数据传输给捷联惯导系统5。

捷联惯导系统5将收到的采煤机行走编码器数据后生成采煤机位置信息后，将采煤机位置信息通过无线方式传输给无线通信基站2、3，由无线通信基站2、3通过CAN网传输给顺槽主控计算机1。顺槽主控计算机1将收到的采煤机位置坐标信息生成采煤机行走轮廓曲线，计算出每个液压支架修正量和液压支架实际移架距离，然后通过CAN网将移架控制指令发送给每台液压支架上的电液控制器。各电液控制器根据收到的控制指令对各液压支架进行移架控制，完成综采工作面的自动调直。

如图1、2、3、4所示，本发明所述的综采工作面自动调直方法，按照下述步骤进行：

步骤1，捷联惯导系统模型建立：

步骤1.1,在采煤机4机身外部的中间位置处安装捷联惯导系统5，将该安装位置设定为原点O；捷联惯导系统5在每次工作之前都需要在静止状态下对准原点O，以消除刚上电或长时间运行后捷联惯导系统5产生的零点偏差。

步骤1.2,建立捷联惯导系统坐标系：捷联惯导系统5安装完成后，设置捷联惯导系统导航坐标系(O，X，Y，Z)，导航坐标系以捷联惯导系统5安装位置为原点O，过原点O指向采煤机4行走方向为X轴正方向，过原点O指向综采工作面推进方向为Y轴正方向，过原点O垂直向上为Z轴正方向，设定Z轴＝0。

步骤1.3，上传采煤机行走轨迹坐标：采煤机行走编码器6将测得的参数传入捷联惯导系统5实时计算出精确的采煤机4实时行走位置坐标(X_T，Y_T，Z_T)信息，并上传至顺槽主控计算机1。

步骤2，采煤机行走轮廓曲线形成：采煤机4实时行走位置坐标(X_T，Y_T，Z_T)是在坐标系(OX，OY，OZ)的空间坐标，且Z_T＝0。

步骤2.1，采煤机行走完整轮廓曲线识别：如图3所示，采用设置机头标志点c和机尾标志点d对采煤机4行走轮廓曲线识别，即判断采煤机4的行走轨迹是否完整。在实际生产中，机头标志点c一般设置在距离综采工作面端头a点十个液压支架7长度的位置，机尾标志点d一般设置在距离综采工作面端尾f点十个液压支架长度的距离。以采煤机4上行为例(即采煤由综采工作面端头a点向综采工作面端尾f点行走)：当采煤机4从综采工作面端头b点开始向综采工作面端尾f点方向行走越过机尾标志点d后，到第一次改变方向位置点e时，认为采煤机4行走轨迹测量完成，即点b到点e之间的行走轮廓曲线就是完整行走轨迹，测量过程要求点ab之间的距离<点ac之间的距离，点ef之间的距离<点df之间的距离。

步骤2.2，采煤机行走轨迹片段拼接：当采煤机行走编码器6测量过程中断时，惯导系统5将从原点O重新纪录采煤机行走轨迹，这时需要对本次采煤机行走轨迹进行拼接，纪录中断t时刻的采煤机坐标点(X_t,Y_t)，令重新记录的所有采煤机坐标点分别与坐标点(X_t,Y_t)相加，即得到完整的采煤机行走轨迹测量曲线，i＝1,2,3…N；

步骤2.3，坐标点优化：

步骤2.3.1,将生成的采煤机行走轨迹测量曲线坐标点等间隔划分，设定划分间隔L＝0.5m，将每个相等间隔内的所有采煤机坐标点(X_l,Y_l)进行算术平均生成一个坐标点(X_L,Y_L)代表该间隔区域坐标点，如果间隔区域生成的坐标点数量为0，则跳过该区域；最终优化后的采煤机行走轨迹测量曲线上点的总数小于或等于间隔区域总数。

步骤2.3.2,采用三次样条插值法和自然边界条件，将所有间隔区域代表点(X_L,Y_L)进行曲线拟合，生成采煤机行走曲线的初步轮廓线l′₀，如图2所示。

步骤2.4，旋转初步轮廓线l′₀至水平状态：以设置的机头标志点c和机尾标志点d之间的连线为实际轮廓参考线l₀，并向两边延长，将初步轮廓线l′₀通过旋转公式：X_R＝X_Tcos(β)+Y_Tsin(β)、Y_R＝Y_Tcos(β)-X_Tsin(β)旋转至水平方向，即令实际轮廓参考线l₀与X轴重合，其中坐标点(X_R,Y_R)为旋转后的采煤机位置坐标点，(X_T,Y_T)为实时采煤机位置坐标点，β为实际轮廓参考线l₀与X轴的夹角，通过实际轮廓参考线l₀的斜率求倒即得；采用l₁表示旋转后参考线，l′₁表示旋转后的初步轮廓曲线，l″₁表示旋转后自动调直期望结果线，且旋转后参考线l₁和旋转后自动调直期望结果线l″₁都与X_T轴平行,如图2所示。

步骤2.5，平滑处理：采用二次指数滑动平均算法，对旋转后的初步轮廓曲线l′₁进行平滑处理，得到用于计算每个液压支架修正量RPC的采煤机轮廓曲线l′₂，如图3所示。

步骤2.6，设定最大移架距离D_max和最小移架距离D_min，所述最大移架距离D_max为液压支架满量程移架时每个液压支架所允许的最大移架距离，所述最小移架距离D_min为液压支架所允许的最小移架距离；最大移架距离D_max一般等于采煤机滚筒的截深。

最小移架距离D_min不能设置过小或过大，一般取采煤机滚筒截深的二分之一。这是因为，若D_min取值比较小，如D_min＝0，虽然可以最少的刀数调直，但对综采工作面的推进速度影响最大，严重影响生产进度。若D_min取值越大，则需要调直的刀数越多，自动调直的过程越漫长，如果D_min＝D_max，则相当于关闭了自动调直功能。

步骤2.7，设定自动调直误差d_ε：计算采煤机行走轮廓曲线l′₂中最高点A和最低点B分别与旋转后参考线l₁之间的垂直距离d_h、d_l，则：

设定d_ε＝|d_h|+|d_l|；当d_ε≤100mm时为自动调直误差允许范围内。

步骤3，计算调直参数：

步骤3.1，设置修正量RPC：RPC最大值为RPC_max＝0，在最低点B处修正量最小，RPC_Bmin＝D_min-D_max，最高点A处的修正量为RPC_A＝D_min-D_max，则对于轮廓曲线l′₂上任意一点M，设任意一M点到最低点B垂直距离为D_M，根据公式：RPC_M＝RPC_A×(D_M/D_max)，即可计算得到轮廓曲线l′₂上任意一M点的修正量RPC_M。

步骤3.2，计算实际移架距离：根据所有均匀分布在旋转后参考线l₁上液压支架7的宽度和间隔距离，确定每个液压支架7中点位置在轮廓曲线l′₂坐标系的横坐标X_k，k＝1,2,3…k，k为液压支架7的总个数；由横坐标X_k即可计算得到每个液压支架7中点到最低点B的垂直距离D_k，进而计算得到每个液压支架7中点的修正量RPC_k；根据计算得到的修正量RPC_k，由公式：m_k＝D_max+RPC_k，计算得到每个液压支架7移架的实际距离m_k；

步骤4，实现综采工作面自动调直：顺槽主控计算机1将液压支架7移架的实际距离m_k下发给对应液压支架7的电液控制器，电液控制器控制对应的液压支架7按照行程传感器的量程移架。

在正常移架过程中记录每个液压支架7移架的时间，如果出现个别行程传感器故障，为保证移架的顺利进行，该液压支架7按时间T移架，T为该液压支架7左、右邻架的移架时间平均值。

步骤5，每次综采工作面自动调直前，先对采煤机5的行走轮廓曲线l′₂进行一次测量，即完成步骤2，之后判断d_ε是否小于或等于100mm，如果d_ε≤100mm，则在下一次开采循环中继续测量不矫正，即继续执行步骤2；如果d_ε>1000m，则在下一次开采循环中执行步骤3至步骤5，实现综采工作面自动调直，如此循环，直至d_ε≤100mm。