CN103410512B - 融合地质环境信息的采煤机绝对定位装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种融合地质环境信息的采煤机绝对定位装置与方法，属于采煤机绝对定位装置与方法。在采煤机机身上固定防爆外壳，在防爆外壳内连接有采煤机定位装置，所述的采煤机定位装置包括方位传感器、惯性测量单元、振动传感器、超宽带无线定位系统（UWB）传感器和定位数据微处理单元，方位传感器、惯性测量单元、振动传感器、超宽带无线定位系统（UWB）传感器和轴编码器的输出端与定位数据微处理单元的输入端连接，定位数据微处理单元的输出端通过数据输出接口与工控机的输入端连接，将定位标签等间距地布置在巷道煤壁及液压支架上。优点：将地质环境信息和采煤机统一在同一个时空体系下，规划采煤机运行路线，调整采煤机进尺、采高，提前规避可能产生危险的情形，实用，安全可靠，安装和操作方便。

Description

融合地质环境信息的采煤机绝对定位装置与方法

技术领域

本发明涉及一种采煤机绝对定位装置与方法，特别是一种融合地质环境信息的采煤机绝对定位装置与方法。

背景技术

采煤机是综采工作面的核心装备之一，承担落煤和装煤的任务。当前，综采工作面的三机：采煤机、刮板输送机和液压支架的联动大多数需要人工干预。在综合机械化采煤过程中，要实现采煤自动化和无人或少人采煤，必须实现采煤机、刮板输送机、液压支架三机协同自动化。要实现三机协同自动化，需要解决采煤机在割煤过程中液压支架跟机自动化，及时支护和推溜等问题，其中关键技术是采煤机的精确、实时定位。

目前，煤矿井下采用和研究中的采煤机定位方法主要有齿轮计数法、红外对射法、超声波反射法、无线传感网络采煤机定位法及纯惯性导航法。

采煤机齿轮计数定位法是计数行走部齿轮转动的圈数，通过转过的圈数和齿轮的周长换算出采煤机走过的路程，再根据液压支架的宽度和架间距计算出采煤机中间部位对应的液压支架，从而确定采煤机在工作面的位置，这种方法比较简便，容易实现，成本低。但由于采煤机是沿工作面和垂直工作面两个方向行走，而齿轮计数法只能确定采煤机走过的路程，不能确定采煤机在沿工作面方向和垂直于工作面方向上面的位移，造成定位不精确，同时存在齿轮计数误差累加的不足。采煤机红外对射定位法是在采煤机机身安装红外发射装置，在液压支架上安装红外接收装置，采煤机运行过程中定向发射广角脉冲，当液压支架接收到信号，对接收信号的强弱进行分析，从而判断采煤机具体位置。该方法不足之处是不能连续监测采煤机的位置，同时一旦液压支架和采煤机水平高度不一致，接收器很难接收到信号，并且液压支架的架间距固定存在，单纯靠接收信号的强弱判断采煤机位置，只能定性，不能定量。无线传感器网络采煤机定位法，是在采煤机机身和液压支架上分别安装无线发射装置和无线接收装置，采煤机运行过程中不定向发射射频信号，通过液压支架接收到的信号强度反算出距离。这种模式能够定量进行采煤机位置确定，但射频信号在井下衰减指数较大，井下无线信道模型建立还不完整，对于无线定位模型误差没有足够分析，故离实际应用还有一段距离。纯惯性定位法是利用加速度计和陀螺仪得出采煤机的三轴加速度和三轴角速度，由三轴加速度经过数学平台的解算得出采煤机的姿态，两次积分采煤机的加速度得到采煤机的位置。但是由于陀螺仪和加速度计存在的漂移，采煤机在工作过程中有很强烈的振动，以及数值积分的方法对误差的累积，随着采煤机割煤时间的增加误差会快速上升，精度很难保证，更重要的是无法实现采煤机在采区的绝对定位。

综上所述，可以看出以往采煤机定位方法不能精确定位，存在固有误差。并且采用的是相对定位方式，即在工作面液压支架或刮板运输机上定义一个参照点，通过三机联动计算出采煤机的相对坐标，从而获取采煤机在工作面的具体位置，与采煤机所处的地理、地质环境割裂，并非在地理坐标系统下的定位，自主定位方式也存在这一问题，不是在实际地理环境中确定采煤机的位置。

发明内容

本发明的目的是要提供一种融合地质环境信息的采煤机绝对定位装置与方法，解决现有采煤机定位方法中存在的定位误差大，难以适应井下复杂、恶劣的采煤环境以及采煤路线和煤岩性质连续变化对采煤机的运动造成扰动致使定位不准的问题。

本发明的目的是这样实现的：融合地质环境信息的采煤机绝对定位装置包括采煤机机身、轴编码器、方位传感器、惯性测量单元、振动传感器、定位装置防爆外壳、定位数据微处理单元、超宽带无线定位系统(UWB)和工控机。所述的惯性测量单元包括三轴陀螺仪和三轴加速度计；所述的超宽带无线定位系统（UWB）包括超宽带无线定位系统（UWB）传感器和定位标签。在采煤机行走部安装轴编码器，在顺槽控制中心有工控机，在工控机中建立采区地理信息系统（GIS）。将定位标签等间距地布置在巷道煤壁及液压支架上，在采煤机机身上固定防爆外壳，在防爆外壳内连接有采煤机定位装置，所述的采煤机定位装置包括方位传感器、惯性测量单元、振动传感器、超宽带无线定位系统（UWB）传感器和定位数据微处理单元。

一种融合地质环境信息的采煤机绝对定位方法，包括如下步骤：

（1）在刮板输送机端头对采煤机的位置、姿态进行校准：利用方位传感器检测得到采煤机在采区内的真实方位，利用布置在巷道煤壁上的定位标签和采煤机防爆壳体中的超带宽无线定位系统（UWB）传感器对采煤机的三维坐标进行校正；

（2）以端头位置为基准的采煤机截割过程中的定位：在采煤机截割过程中，将惯性测量单元的输出信号和振动传感器的输出值送入定位数据微处理单元，经运算得到采煤机的姿态角和加速度值；利用布置在液压支架上的定位标签和采煤机防爆壳体中的超宽带无线定位系统(UWB)传感器对截割过程中的采煤机的三维坐标进行校正；

（3）将采煤机行走部轴编码器的输出值送入定位数据微处理单元，经处理得到采煤机的牵引速度，根据校正后的姿态角进行坐标变换，得到采煤机的牵引速度在GIS坐标系的三个轴上的分量，再进行积分运算，得到采煤机在GIS坐标系下的位置；

（4）通过定位数据微处理单元的输出端口输出采煤机经过校正的姿态、速度和位置到顺槽的工控机中的GIS系统中；将地理、地质、环境信息以及采煤机的姿态、速度、位置信息统一于同一时空体系下，从而实现采煤机在地质环境信息下的绝对精确定位；

（5）采煤机再次达到端头以后，再次进行校准，循环步骤（1）－（4）。

有益效果：由于采用的上述方案，在采煤机机身上安装方位传感器和超带宽无线定位系统（UWB）传感器，在巷道煤壁及工作面液压支架上等间距地布置定位标签，在顺槽控制中心的工控机上建立采区GIS系统。

融合了地质环境信息的采煤机绝对定位方法是一种环境适应性极强的采煤机精确绝对定位方法。为提高采煤机绝对定位的精度，将定位标签等间距地布置在巷道煤壁及工作面液压支架上，将超宽带无线定位系统(UWB)传感器布置在采煤机防爆壳体中，可以在起始截割阶段和截割煤壁的过程中对采煤机在GIS系统中的位置进行校正。为克服采煤机航向角测量不准确的问题，本发明使用方位传感器确定采煤机在采区内的真实方位，进一步结合惯性测量单元，对已测得的航向角进行校正。在采煤机整个工作过程中，用惯性测量单元检测得到采煤机三个方向的角速度和加速度；振动传感器检测得到采煤机割煤过程中产生的振动信息；轴编码器检测得到采煤机行走部齿轮轴的转速；定位数据微处理器用来处理惯性测量单元、行走部轴编码器、振动传感器、超宽带无线定位系统(UWB)的测量信息，将所得的姿态、位置传送到顺槽工控机的GIS系统中。

优点：本发明使用方位传感器确定采煤机在采区内的真实方位，为航向角的校正提供基准，并结合惯性测量单元消除采煤机航向角误差，使用布置在巷道煤壁上和工作面液压支架上的定位标签和采煤机防爆壳体中的超宽带无线定位系统（UWB）传感器校正采煤机在刮板输送机端头与截割过程中采煤机的位置，极大地消除了惯性导航中固有的定位误差，能精确确定采煤机在GIS系统中的位置与姿态。本发明将地理、地质环境信息和采煤机统一在同一个时空体系下，对于规划采煤机运行路线，调整采煤机进尺、采高，提前规避可能产生危险的情形，具有重要的参考价值和实际意义。本发明方法实用，安全可靠，安装和操作方便。

附图说明：

图1是本发明定位标签布置示意图；

图2是本发明采煤机绝对定位装置示意图；

图3是本发明采煤机绝对定位原理框图；

图4是本发明采煤机绝对定位系统软件编写流程图。

图中：1、采煤机机身；2、采煤机定位装置；3、轴编码器；4、方位传感器；5、惯性测量单元；6、振动传感器；7、定位装置防爆外壳；8、定位数据微处理单元；9-1、超宽带无线定位系统（UWB）传感器；9-2、定位标签；10、工控机。

具体实施方式：

实施例1：融合地质环境信息的采煤机绝对定位装置包括采煤机机身、轴编码器、方位传感器、惯性测量单元、振动传感器、定位装置防爆外壳、定位数据微处理单元、超宽带无线定位系统(UWB)和工控机。所述的惯性测量单元包括三轴陀螺仪和三轴加速度计；所述的超宽带无线定位系统（UWB）包括超宽带无线定位系统（UWB）传感器和定位标签。在采煤机行走部安装轴编码器，在顺槽控制中心有工控机，在工控机中建立采区地理信息系统（GIS）。将定位标签等间距地布置在巷道煤壁及液压支架上，在采煤机机身上固定防爆外壳，在防爆外壳内连接有采煤机定位装置，所述的采煤机定位装置包括方位传感器、惯性测量单元、振动传感器、超宽带无线定位系统（UWB）传感器和定位数据微处理单元。

一种融合地质环境信息的采煤机三维绝对定位装置及方法，采煤机定位方法是：

（1）在刮板输送机端头对采煤机的位置、姿态进行校准：利用方位传感器检测得到采煤机在采区内的真实方位，利用布置在巷道煤壁上的定位标签和采煤机防爆壳体中的超带宽无线定位系统（UWB）传感器对采煤机的三维坐标进行校正；

（2）以端头位置为基准的采煤机截割过程中的定位：在采煤机截割过程中，将惯性测量单元的输出信号和振动传感器的输出值送入定位数据微处理单元，经运算得到采煤机的姿态角和加速度值；利用布置在液压支架上的定位标签和采煤机防爆壳体中的超宽带无线定位系统(UWB)传感器对截割过程中的采煤机的三维坐标进行校正；

（3）将采煤机行走部轴编码器的输出值送入定位数据微处理单元，经处理得到采煤机的牵引速度，根据校正后的姿态角进行坐标变换，得到采煤机的牵引速度在GIS坐标系的三个轴上的分量，再进行积分运算，得到采煤机在GIS坐标系下的位置；

（4）通过定位数据微处理单元的输出端口输出采煤机经过校正的姿态、速度和位置到顺槽的工控机中的GIS系统中；将地理、地质、环境信息以及采煤机的姿态、速度、位置信息统一于同一时空体系下，从而实现采煤机在地质环境信息下的绝对精确定位；

（5）采煤机再次达到端头以后，再次进行校准，循环步骤（1）－（4）。

由图1和图2可知，融合地质环境的采煤机定位装置包括采煤机机身1、采煤机定位装置2、行走部轴编码器3、方位传感器4、惯性测量单元5、振动传感器6、定位装置防爆外壳7、定位数据微处理单元8、超宽带无线定位系统传感器9-1、定位标签9-2、工控机10。将定位标签 9-2等间距地布置在巷道煤壁及工作面液压支架上，将超宽带无线定位系统（UWB）传感器9-1布置在采煤机防爆壳体7内。方位传感器4，惯性测量单元5，振动传感器6，定位数据微处理单元8布置在定位装置防爆壳体7中，定位装置防爆壳体7安装在采煤机机身1上。轴编码器3安装在采煤机行走部的齿轮轴上，并且同定位数据微处理单元8连接，采煤机定位数据微处理单元8同顺槽中的融入地理信息系统（GIS）的工控机10连接。

在图3中，融合地质环境信息的采煤机三维绝对定位装置及方法，采煤机定位方法是：

（1）在刮板输送机端头对采煤机的位置、姿态进行校准：利用方位传感器检测得到采煤机在采区内的真实方位，利用布置在巷道煤壁上的定位标签和采煤机防爆壳体中的超带宽无线定位系统（UWB）传感器对采煤机的三维坐标进行校正；

（2）以端头位置为基准的采煤机截割过程中的定位：在采煤机截割过程中，将惯性测量单元的姿态信息和振动传感器的振动信息送入定位数据微处理单元，经运算得到采煤机的姿态角和加速度值；利用布置在液压支架上的定位标签和采煤机防爆壳体中的超宽带无线定位系统(UWB)传感器对截割过程中的采煤机的三维坐标进行校正；

（3）将采煤机行走部轴编码器的输出的角速度送入定位数据微处理单元，经处理得到采煤机的牵引速度，根据校正后的姿态角进行坐标变换，得到采煤机的牵引速度在GIS坐标系的三个轴上的分量，再进行积分运算，得到采煤机在GIS坐标系下的位置；

（4）通过定位数据微处理单元的输出端口输出采煤机经过校正的姿态、速度和位置到顺槽的工控机中的GIS系统中；将地理、地质、环境信息以及采煤机的姿态、速度、位置信息统一于同一时空体系下，从而实现采煤机在地质环境信息下的绝对精确定位；

（5）采煤机再次达到端头以后，再次进行校准，循环步骤（1）－（4）。

在图4中，首先进行定位数据微处理单元的初始化，对惯性测量单元进行采样、初始化，经计算得到采煤机的姿态角，利用振动传感器对所得姿态角进行校正，利用方位传感器对采煤机的航向角进行校正。对轴编码器进行采样经运算得到采煤机的速度，利用以上所得的姿态角对采煤机速度进行分解，得GIS坐标系下三轴的速度，经积分运算得三轴的位置坐标，即确定采煤机的位置；在刮板机端头及采煤机截割过程中，对超带宽无线定位系统（UWB）进行采样，对采煤机的位置进行校正。将以上所得的采煤机的位置、姿态信息传送到采区地理信息系统（GIS）中。

Claims (2)

1.一种融合地质环境信息的采煤机绝对定位装置，包括采煤机机身、轴编码器、方位传感器、惯性测量单元、振动传感器、定位装置防爆外壳、定位数据微处理单元、超宽带无线定位系统(UWB)传感器、定位标签和工控机；其特征是：在顺槽控制中心有工控机，在工控机中建立采区地理信息系统（GIS）；将定位标签等间距地布置在巷道煤壁及液压支架上；在采煤机行走部安装轴编码器，在采煤机机身上固定防爆外壳，防爆外壳内连接有采煤机定位装置，所述的采煤机定位装置包括方位传感器、超宽带无线定位系统（UWB）传感器和定位数据微处理单元，方位传感器、惯性测量单元、振动传感器、超宽带无线定位系统（UWB）传感器和轴编码器的输出端与定位数据微处理单元的输入端连接，定位数据微处理单元的输出端通过数据输出接口与工控机的输入端连接。

2.一种融合地质环境信息的采煤机绝对定位方法，其特征是包括如下步骤：

（1）在刮板输送机端头对采煤机的位置、姿态进行校准：利用方位传感器检测得到采煤机在采区内的真实方位，利用布置在巷道煤壁上的定位标签和采煤机防爆壳体中的超带宽无线定位系统（UWB）传感器对采煤机的三维坐标进行校正；

（2）以端头位置为基准的采煤机截割过程中的定位：在采煤机截割过程中，将惯性测量单元的输出信号和振动传感器的输出值送入定位数据微处理单元，经运算得到采煤机的姿态角和加速度值；利用布置在液压支架上的定位标签和采煤机防爆壳体中的超宽带无线定位系统(UWB)传感器对截割过程中的采煤机的三维坐标进行校正；

（3）将采煤机行走部轴编码器的输出值送入定位数据微处理单元，经处理得到采煤机的牵引速度，根据校正后的姿态角进行坐标变换，得到采煤机的牵引速度在GIS坐标系的三个轴上的分量，再进行积分运算，得到采煤机在GIS坐标系下的位置；

（4）通过定位数据微处理单元的输出端口输出采煤机经过校正的姿态、速度和位置到顺槽的工控机中的GIS系统中；将地理、地质、环境信息以及采煤机的姿态、速度、位置信息统一于同一时空体系下，从而实现采煤机在地质环境信息下的绝对精确定位；

（5）采煤机再次达到端头以后，再次进行校准，循环步骤（1）－（4）。