阅读说明：本技术 采煤机自主导航系统及方法 (Autonomous navigation system and method for coal mining machine ) 是由 符世琛 马源 张子悦 于 2019-12-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种采煤机自主导航系统及方法,该系统包括全站仪,UWB固定基站群,UWB移动基站群,UWB定位节点,寻北仪,倾角传感器。其中,全站仪作为系统基准安装在运输上山与区段运输平巷交点。将UWB固定基站群安装在综采工作面与运输平巷交点转载机处,作为采煤工作面的坐标基准。UWB移动基站群安装至液压支架顶板下方,随液压支架移动自主标定。UWB节点、寻北仪以及倾角传感器安装至采煤机机身。采煤机工作时,UWB移动基站群对UWB节点进行定位并传输至UWB固定基站群；UWB固定基站群由全站仪进行标定,通过坐标变换矩阵完成采煤机在基准坐标系的定位,寻北仪及倾角传感器用以对采煤机机身姿态进行绝对测量,从而完成采煤机在完整煤层采煤中的全自主导航。(The invention discloses an autonomous navigation system and method for a coal mining machine. The total station is used as a system reference and is installed at the intersection point of the transport ascending mountain and the section transport roadway. And installing the UWB fixed base station group at the position of a reversed loader at the intersection point of the fully mechanized coal mining face and the transportation roadway to serve as the coordinate reference of the coal mining face. The UWB mobile base station group is installed below a hydraulic support top plate and moves with the hydraulic support to be calibrated automatically. The UWB node, the north seeker and the tilt sensor are mounted to the body of the coal mining machine. When the coal mining machine works, the UWB mobile base station group positions the UWB nodes and transmits the UWB nodes to the UWB fixed base station group; the UWB fixed base station group is calibrated by a total station, positioning of the coal mining machine in a reference coordinate system is completed through a coordinate transformation matrix, and the north finder and the tilt sensor are used for absolute measurement of the posture of the coal mining machine body, so that full autonomous navigation of the coal mining machine in complete coal seam coal mining is completed.)

采煤机自主导航系统及方法

技术领域

本发明涉及一种综采工作面的采煤机，特别是涉及一种采煤机自主导航系统及其方法。

背景技术

采煤机是综采成套装备的主要设备之一。在传统的煤层开采过程中。采煤机的行进路线由测量部门绘制，采煤工作人员通过控制液压支架群及刮板输送机状态，进而控制采煤机的采集路线。目前，采煤机的导航方式主要为人工直视遥控。由于矿井巷道环境恶劣，这种导航方法不仅效率低，而且精度有限。此外，采煤工作面为矿井事故多发区，大大增加了采煤工作人员的工作强度及工作危险性。

随着社会的进步，矿井工作人员的安全受到了越来越多的关注。近年来，一些高等院校和其他科研机构针采煤机导航问题进行了一定的研究。

公开号为“CN102183255A”的专利公开了一种“综采工作面采煤机定位装置及定位方法”；公开号为“CN108180904A”的专利公开了一种“采煤机多惯导定位装置及方法”；公开号为“CN108548534A”的专利公开了一种“井下采煤机定位方法”；公开号为“CN108827220A”的专利公开了一种“基于捷联惯导的煤矿综采工作面直线度检测方法”；公开号为“CN109186589A”的专利公开了一种“一种基于阵列式惯性单元的采煤机定位方法”；公开号为“CN110285810A”的专利公开了一种“一种基于惯性导航数据的采煤机自主定位方法及装置”。

上述若干方法均采用单套惯导或多套惯导系统对采煤进行导航，但惯导系统误差随时间累积误差呈非线性增大，没有其他方式标定的情况下，最终系统失效，无法满足实际工业需求。

公开号为“CN106570877B”的专利公开了一种“基于采煤机虚拟样机与真实图像配准的采煤机位姿定位系统及方法”；公开号为“CN109115172A”的专利公开了一种“基于机器视觉的采煤机机身位姿检测方法”；公开号为“CN109736803A”的专利公开了一种“一种基于红外线定位的井下自动采煤系统及方法”；公开号为“CN109903383A”的专利公开了一种“一种采煤机在工作面煤层三维模型中精确定位方法”；公开号为“CN110231626A”的专利公开了一种“一种采煤机定位监测系统及其监测方法”。

上述若干方法采用机器视觉、激光光束或激光雷达的方法对采煤机进行定位，但采煤工作面环境恶劣粉尘大，对视觉信号或激光信号影响极大，因此无法保证系统精度。

公开号为“CN108661637A”的专利公开了一种“用于采煤机位置定位的感知控制方法；该专利主要利用旋转编码器测量采煤机行走部的距离，从而推算采煤机的位置坐标，但是该方法仅能测量采煤机的局部位置，无法实现采煤机相对于矿井基准坐标系的绝对测量。

公开号为“CN108981685A”的专利公开了一种“综采工作面采煤机定位装置；该专利提出了一种激光、红外、超声以及惯导融合的组合采煤机定位方案，但仅提供了粗略文字方案，并无实际意义。

鉴于以上发明的种种缺陷，为了实现采煤机的完全自主导航，将矿井工作人员彻底从采煤工作面的繁重危险的工作中解救出来，经过不断的研究及设计，并经反复试验及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容

技术问题：本发明的主要目的在于，针对目前采煤工作面实际情况及现有采煤机定位及定向技术的种种缺陷。提出一种采煤机自主导航系统及方法。旨在实现在整个煤层开采过程中无需人工参与，采煤机可自主进行定位导航。

技术方案：本发明的目的是这样实现的：一种采煤机自主导航系统，其特征是：该系统包括：全站仪，UWB固定基站群，UWB移动基站群，UWB定位节点，寻北仪，倾角传感器。其中，全站仪作为系统基准安装在运输上山与区段运输平巷交点。将UWB固定基站群安装在综采工作面与运输平巷交点转载机处，作为采煤工作面的坐标基准。UWB移动基站群安装至液压支架顶板下方，随液压支架移动自主标定。UWB节点、寻北仪以及倾角传感器安装至采煤机机身。采煤机工作时，UWB移动基站群对UWB节点进行定位并传输至UWB固定基站群；UWB固定基站群由全站仪进行标定，通过坐标变换矩阵完成采煤机在基准坐标系的定位，寻北仪及倾角传感器用以对采煤机机身姿态进行绝对测量，从而完成采煤机在完整煤层采煤中的全自主导航。

所述的采煤机自主导航系统，其特征是：所述的UWB节点固定在采煤机机身，并且与UWB移动基站群呈视距传播，采煤机移动时，UWB移动基站群对UWB节点进行实时UWB测距，根据测距信息建立定位方程组，通过解算可建立UWB节点相对于UWB移动基站的相对空间坐标。所述的寻北仪及倾角传感器安装至采煤机机身工控箱内，当采煤机完成一个纵向断面采煤时，对采煤机航向角、俯仰角以及横滚角进行测量标定，采煤机坐标及姿态信息由UWB节点的天线进行传输。

所述的采煤机自主导航系统，其特征是：所述的UWB移动基站与液压支架匹配布置，每台液压支架的顶板底部安装一台UWB移动基站。当单台液压支架移动时，单台UWB移动基站由其他UWB移动基站标定并更新空间位置坐标，实现UWB移动基站群的坐标自主平移。

所述的采煤机自主导航系统，其特征是：所述的UWB固定基站群包括4台UWB测距基站，以确定的位置安装至区段运输平巷与采煤工作面交点的转载机处，作为采煤工作面的坐标基准。当液压支架进行纵向移动时，UWB固定基站随转载机一同纵向移动，移动后的位置坐标由全站仪标定。

所述的采煤机自主导航系统，其特征是:所述的全站仪安装至运输上山与区段运输平巷的交点处，由地测人员在煤层开采前进行标定，作为采煤机自主导航系统的坐标基准。

所述的采煤机自主导航系统的采煤机自主导航方法，其特征是：

采煤工作开始前，将全站仪安装至运输上山与区段运输平巷的交点处，全站仪坐标由地测人员事先标定，作为采煤机自主导航系统的坐标基准；将全站仪目标棱镜与UWB固定基站安装至区段运输平巷与采煤工作面交点处的转载机上，目标棱镜与UWB固定基站存在确定的位置关系；当系统工作，全站仪通过对目标棱镜进行测距和测角，确定目标棱镜相对于全站仪坐标基准的三位坐标，进而得到UWB固定基站的确定位置坐标；UWB移动基站群分别安装至液压支架群顶板的底部，每台UWB移动基站由UWB固定基站群进行测距，根据多组测距信息建立定位观测方程组，求解即可得到UWB移动基站相对于固定基站群的位置坐标，当液压支架依次纵向移动时，单台UWB移动基站由附近未移动的基站测距并解算位置坐标，从而实现UWB基站群的坐标自主连续平移；UWB定位节点安装至采煤机机身，采煤机工作时，UWB移动基站群对UWB定位节点进行实时测距并解算，从而得到采煤机位置相对于UWB移动基站群的实时位置坐标，通过坐标系变换矩阵进而得到采煤机相对于全站仪基准坐标系的位置坐标；寻北仪及倾角传感器安装至采煤机机身，当采煤机完成一个纵向采煤截割时，启动寻北仪及倾角传感器对采煤机姿态角进行测量标定，测量信息通过UWB定位节点天线传输至全站仪坐标系处的系统终端，从而实现采煤机的全自主导航。

本发明采煤机自主导航系统及方法与现有技术对比，具有明显的有点与有益效果。借由上述技术方案，本发明可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列几点：

(1)本发明利用超宽带无线电模块、寻北仪、倾角传感器、全站仪代替了传统人工目测采煤方式，解决了传统采煤机截割不准确、液压支架跑偏等问题，提高了巷道成型的质量与效率。实现了煤层采掘中采煤机的定位导航全自主化，将劳动力彻底从繁重、危险的采煤工作面环境中解放出来。并且该系统可以实时监测采煤机位姿及姿态，拟合出采煤机的移动航线以及液压支架群的位置坐标变化。

(2)本发明采煤机自主导航系统及方法，利用内附铷原子钟的UWB无线电模块，采用信号双向飞行时间测距法，大大提高了系统定位精度，在检测范围内，机身定位节点误差可控制在2cm以内。利用高精度陀螺寻北仪及倾角传感器对采煤机机身姿态进行校准，使得系统位姿测量精度可达0.1°以上。

(3)本发明采煤机自主导航系统及方法，通过全站仪、UWB固定基站群、UWB移动基站群等设备的组合测量，可实现采煤机在煤层坐标系中的绝对位置测量。随着采煤工作的进行，液压支架群依次进行纵向移动，单台液压支架移动时，其配套的UWB模块由附近其他UWB基站进行定位，从而更新位置坐标，实现采煤工作面坐标系的自主标定。

综上所述，本发明特殊结构的采煤机自主导航系统，目的在于提出一种全新的采煤机三维坐标自主连续定位及机身位姿参数连续检测系统及方法，可实现采煤机工作过程中的完全自主化，彻底将采煤工作人员从采煤工作面的危险环境中解放出来。该系统不仅具有很高的经济价值，而且具有很好的社会价值。其具有上述诸多的优点及实用价值，其自主导航原理和结构设计未见公开发表或实用而确属创新，在采煤机自主导航技术领域上有很大突破，并产生了好用及实用的效果，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

上述如此结构构成的本发明采煤机自主导航系统及方法的技术创新，对于现今同行业的技术人员来说均具有许多可取之处，而确实具有技术进步性。

如上所述是本发明的基本构思。但是，在本发明的技术领域内，只要具备最基本的知识，可以对本发明的其他可操作的实施例进行改进。在本发明中对实质性技术方案提出了专利保护请求，其保护范围应包括具有上述技术特点的一切变化方式。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

附图说明

图中：

图1是本发明系统结构图

图2是本发明系统布置图

图3是本发明系统原理图

图4是全站仪坐标测量原理图

图中：

1：全站仪 2：目标棱镜

3：UWB固定基站 4：UWB移动基站

5：UWB定位节点 6：液压支架

7：采煤机 8：刮板输送机

9：寻北仪 10：倾角传感器

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的采煤机自主导航系统及方法的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

本发明较佳实施例的采煤机自主导航系统及方法，如图1、图2所示，由全站仪1、目标棱镜2、UWB固定基站群3、UWB移动基站群4、UWB定位节点5、寻北仪9、倾角传感器10组成。其中，UWB定位节点5、寻北仪9以及倾角传感器10安装在采煤机机身，UWB定位节点5与移动基站群4进行双向UWB通讯并定位，当采煤机完成一个横向采煤时，启动寻北仪9与倾角传感器10对采煤姿态角进行测量标定；

UWB移动基站群4安装在液压支架群6，其中，每台液压支架6顶板底部安装一台UWB移动基站4，当单台液压支架6携带UWB移动基站4纵向移动时，通过附近未移动的UWB基站4进行定位并实时通讯，将移动后的位置坐标更新，UWB移动基站4由UWB固定基站群3进行定位并实时通讯；

UWB固定基站群3与目标棱镜2以确定位置安装至区段运输平巷与采煤工作面的交点处的转载机机身并作为采煤工作面的基准坐标系，当采煤工作面纵向推进时，随转载机一并纵向移动，转载机移动后的位置由全站仪1标定测量，全站仪1安装至运输上山与区段运输平巷的交点处并作为整个系统的基准坐标系，全站仪1与UWB固定基站群3通过无线方式进行实时通讯，采煤机7的位置坐标及姿态信息通过坐标变换矩阵通过无线方式最终传输至全站仪1基准坐标系的工控机中。

图3是本发明系统原理图，如图所示，所述的UWB定位节点5通过基于TOA模型的CT算法被UWB移动基站4定位，当液压支架6移动后，UWB移动基站群4进行依次自主标定，并且将位置坐标实时更新至UWB固定基站群3中，UWB固定基站群3的由全站仪1测量目标棱镜2位置进行标定，UWB定位节点5的位置坐标根据坐标变换矩阵通过UWB无线方式传输至全站仪1处的工控机中，从而得到采煤机空间坐标；倾角传感器10通过采集采煤机机身振动信号，检测重力轴与灵敏轴的夹角，实现采煤机横滚角与俯仰角的检测，通过UWB无线方式将俯仰角及横滚角输出至全站仪基准坐标系处的工控机中；寻北仪9通过采集采煤机机身振动，通过检测陀螺仪角速度变化推导得出采煤机航向角，通过UWB无线方式将航向角传输全站仪处的工控机中，从而实现采煤机在煤层中的实时、绝对定位导航与姿态测量。

由于区段运输平巷空间狭窄、距离长、不便用UWB模块定位，本文采用全站仪对UWB固定基站群进行空间定位，全站仪的三维坐标测量原理如图4所示。根据区段运输平巷的服务年限，由地测人员每隔半年到一年对设站点进行坐标标定，将设站点坐标C(x_C,y_C,z_C)作为测站点的绝对坐标，以此坐标为基准建立空间坐标系，输入后视点B的绝对坐标B(x_B,y_B,z_B)。

已知全站仪C到目标点A的距离为S_AC，待定边AC的垂直角为ɑ₁，则全站仪C到目标点A的平距为：

D_AC＝S_AC×cosα₁

已知边AB的方位角为ɑ_BC，待定方向与已知方向的水平角为ɑ_AB，全站仪C的高程为H_C，则目标点A的三维坐标为：

根据全站仪的性能，可以快捷地测出目标点(x_A,y_A,z_A)的坐标位置以及角度，从而可推导出全站仪坐标系与UWB固定基站群坐标系之间的坐标

基于TOA模型的CT算法原理如下：根据采煤机机身定位节点与定位基站群之间的超宽带信号飞行时间参量建立TOA定位模型。通过测量采煤机机身定位节点到个基站的空间直线距离，利用“在测量无误差的条件下，目标一定位于以各个定位基站为核心，以测量距离为半径的球面上”这一几何特征，4个球位置面相交的交点就是采煤机机身定位节点的空间位置坐标。

根据TOA定位模型建立了将Caffery算法和Taylor级数法相结合的算法，利用Caffery算法确定一个初始点坐标，进而使用Taylor级数展开法进行迭代消除误差，可精确确定采煤机在空间内的坐标位置。

假设采煤机机身定位节点为M点，坐标为(x_M,y_M,z_M)，安装在液压支架的4个基站分别为1,2,3,4，坐标为(x_i,y_i,z_i)(i＝1,2,3,4)，则基站i与定位节点M的空间距离为d_iM。

基站1,2,3,4与定位节点M之间的TOA定位观测方程组为：

面向采煤机的超宽带位姿检测系统的Caffery定位算法如下，使式(1)中的第n个方程减去第n+1个方程，得到关于(x_M,y_M,x_M)线性方程组：

将式(2)中计算得出的(x_M,y_M,x_M)作为对M点的初始估计值，其与估计值(x_M0,y_M0,z_M0)的误差设为:δ_x、δ_y、δ_z，则有(3)：

将式(1)在(x_M,y_M,z_M)点用Taylor级数展开，并忽略二次及以上项，整理可得：

对(4)式进行重复迭代计算，当|δ_x|+|δ_y|+|δ_z|小于设定的门限时，则停止迭代，采煤机机身定位节点M的最终估计值(x_M1,y_M1,z_M1)为：

运用CT算法以同样原理可算出UBW移动基站群相对于UWB固定基站群的位置坐标，

位于液压支架顶端和底端的各个UWB基站的坐标位置，最终结算出采煤机机身定位节点在UWB固定基站群所建立的坐标系中的空间坐标位置。

上述如此结构构成的本发明掘进机自主定位定向系统及方法的技术创新，对于现今同行业的技术人员来说均具有许多可取之处，而确实具有技术进步性。

如上所述是本发明的基本构思。但是，在本发明的技术领域内，只要具备最基本的知识，可以对本发明的其他可操作的实施例进行改进。在本发明中对实质性技术方案提出了专利保护请求，其保护范围应包括具有上述技术特点的一切变化方式。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。