CN103776463B - 无人工作面采煤机自动记忆割煤自主定位装置测试方法 - Google Patents
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Abstract
一种无人工作面采煤机自动记忆割煤自主定位装置测试方法，属于采煤机定位装置测试的方法。该测试方法根据煤矿无人工作面采煤机自动记忆割煤自主定位的特征，设计无人工作面采煤机自动记忆割煤的自主定位装置的测试试验：首先在采煤机模型中部安装IMU惯性测量组件，其中包括三个测量方向相互垂直的陀螺仪和加速度计，刮板输送机模拟上安装里程计；其次提出测试试验的研究内容和步骤，根据现场采煤机割煤路线的变化设计了直线运行和进刀运行两类测试路线，最后通过采集测试的数据结果对自主定位装置的适用性、可靠性和精确性进行分析。此发明对于改进采煤机的自动化控制的设计、改善其使用性能、提高设备工作的可靠性和寿命，具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种采煤机定位装置测试的方法，具体是一种煤矿无人工作面采煤机自动记忆割煤自主定位装置测试的方法。
背景技术
目前，可用于定位、导航的技术与设备较多，技术也日渐成熟。例如无线电导航、卫星定位、天文导航、地理信息辅助导航、惯性技术、航位推算（DR）、地球物理参数辅助导航以及两种以上导航系统的组合，如GPS/DR、GPS/MM、GPS/DR/MM等组合方式，此时，卡尔曼滤波成为组合定位信息融合的标准算法，并衍生大量的改进算法，提高了融合精度、容错性和适应性，随后发展了以神经网络、模糊计算和遗传算法等为主要内容的计算智能控制方法，车辆导航定位取得迅速发展，并已进入实用阶段，为促进地表目标定位技术的发展积累不少经验。但是，无线电导航、卫星定位、天文导航需要借助于外部信息，由于煤矿井下环境特殊，信号无法穿透地面，致使多数定位导航装置在井下均不能正常有效应用。
我国煤矿开采要走出安全高效自动化开采的困境，须大力发展“数字矿山”，因此，采用少人、无人的自动化采矿成为了采矿界研究的热点，无人工作面采煤技术是解决煤炭行业安全生产和可持续发展的重要途径，而采煤机及其他移动设备的定位导航技术作为其中的关键技术，引起了各界研究人员的关注。针对煤矿井下特殊环境，无线电导航、天文导航、卫星定位需要借助于外部力量，都有其局限性，在井下复杂条件下无法正常应用；另外采煤机工作环境复杂、恶劣，煤岩性质、采煤路线不断变化，引起采煤机外部载荷不均匀变化，对采煤机运动造成各种扰动，改变了采煤机运动状态，再加上时间因素，要确定某一时刻采煤机运动状态参数以及控制采煤机的运行将极其困难。
发明内容
技术问题：为了克服现有煤矿无人工作面采煤机自动记忆割煤时自主定位技术的不足，本发明提供一种思路简单、运算合理和自动化程度高，生产效益、安全性和可靠性好，可实现采煤机自主定位装置适用性、可靠性和精确性进行测试的无人工作面采煤机自动记忆割煤自主定位装置测试方法。
技术方案：本发明的目的通过如下技术方案实现：首先进行无人工作面采煤机自动记忆割煤的自主定位装置的测试试验；其次根据测试试验的内容和步骤，确定采煤机割煤的测试路线；最后通过采集的测试数据结果对自主定位装置的适用性、可靠性和精确性进行分析；具体步骤如下：
（1）无人工作面采煤机自动记忆割煤的自主定位装置测试的试验仪器的安装：首先在采煤机试验模型中部安装IMU惯性测量组件，其内部安装三个测量方向相互垂直的陀螺仪和加速度计，故构建动载坐标系OXYZ，采煤机沿刮板输送机轨道方向的运动可由X轴向的加速度计测量，积分运算后可获得速度和位移信息；机身的转动量可由Z轴上的陀螺仪测量，可用于判断采煤机进出刀段的位置；X轴上的陀螺仪可检测采煤机的倾斜角度，与煤层的走向对比后可辅助调整采高；Y轴上的陀螺仪可测量刮板输送机的起伏，以此可反映工作面底板的高低及平整度；并在刮板输送机试验模型上安装里程计，包括将霍尔传感器安装于驱动齿轮上，驱动齿轮上嵌有磁环，磁环是用铁氧体磁粉和树脂混合后，通过注射成型工艺成型并充磁的磁体，其上共有8个磁极，效果等同于在驱动齿轮圆周上布置了8个磁铁块，下方的齿轨轮与行走轮固定连接，行走轮上包裹摩擦极佳的橡胶材料，尽量减少与模拟轨道间因打滑产生的误差；
（2）自主定位装置测试的试验内容：首先对采煤机沿无人工作面自动记忆割煤运行路线进行简化，规划测试装置的运行路线，以模拟采煤机在现场无人工作面内的运行，试验需采集陀螺仪、加速度计和里程计计数器输出的数据，并记录运行路线特征，便于和后期数据处理结果进行对比分析；其次将现场三维空间简化为二维空间，结合Z轴陀螺仪、X轴加速度计和里程计三个传感器的输出，对水平面内的系统定位效果进行试验研究；
（3）自主定位装置测试的试验步骤：首先规划测试运行路线，设计测试路线长度为2m，则相应的刮板输送机弯曲段长度为0.2m，并设计直线运行、左端部进刀、右端部进刀、中部进刀四种测试路线；定位装置位于水平面内，直线运行时，通过推动使采煤机从A点运行至B点，其轨迹为直线，根据直线定位试验按运行时间的不同设计了四个方案，对定位效果的时间影响进行测试，其中方案一运行时间为37s，共采集传感器数据3904组，方案二运行时间为28s，可采集数据3013组，方案三运行时间为22s，可采集数据2363组，方案四运行时间为12s，可采集数据1293组；进刀运行时，通过推动使采煤机模型从A点运行至D点，每种运行路径下以不同的运行速度测试两组数据，以评估测定位数据处理方法的适应能力，故设计了六种不同的试验方案：方案五和方案六模拟采煤机端部进刀运行，进刀段位于0.2m处，进刀长度为0.2m，其中方案五运行时间为60s，方案六为120s；方案七和方案八模拟采煤机中部进刀运行过程，进刀段位于0.9m处，进刀长度为0.2m，其中方案七运行时间为60s，方案八为120s；方案九和方案十模拟采煤机尾部进刀运行，进刀段位于1.6m处，进刀长度为0.2m，其中方案九运行时间为60s，方案十为120s；
（4）自主定位装置测试的试验结果分析：首先对于直线运行定位试验测量的陀螺仪和加速度计信号进行10点平滑预处理；对陀螺仪和加速度计零偏补偿和卡尔曼滤波补偿；将补偿后获得的数据沿X和Y轴方向进行分解，根据航位推算原理和公式拟合定位估计点分布图；具体包括：对Z轴陀螺仪补偿前后积分获得的角度变化曲线对比，以分析补偿后的仪表数据反映试验过程中的运行改变特征的情况；对X轴加速度计补偿前后两次积分获得的位移变化曲线对比，以反应出采煤机直线运行特征；对原始数据解算获得的采煤机估计坐标分布和补偿后的定位试验结果，以分析定位系统实时反应采煤机的位置和显示在各运行段速度信息的情况；其次根据进刀运行定位试验中采煤机运行时间和轨迹的不同，对陀螺仪输出曲线和补偿后积分获得的角度曲线进行分析，以研究定位装置对刮板弯曲段的识别情况；对传感器数据采用10点平滑滤波的方法，获得方案五至方案十的模拟定位结果，以反映出采煤机运行的轨迹特征，包括直线运行段，弯曲进刀段和进刀后的直线运行段的特征。
有益效果，根据上述方案，通过分析煤矿无人工作面采煤机自动记忆割煤自主定位的特征，进行自主定位装置性能测试，对采煤机自主定位装置的适用性、可靠性和精确性进行分析，该方法思路简单、运算合理和自动化程度高，生产效益、安全性和可靠性好，采用此自主定位装置的测试方法，对于改进采煤机的自动化控制的设计、改善其使用性能、提高设备工作的可靠性和寿命，具有重要意义。
附图说明
图1是本发明采煤机自主定位装置测试试验的动载坐标系图。
图2是本发明IMU惯性装置的内部结构图。
图3是本发明采煤机自主定位装置测试的模型图。
图4是本发明采煤机自主定位装置测试试验的运行路线组图。
图中，1、采煤机；2、刮板输送机；3、IMU惯性装置；4、陀螺仪；5、加速度计；6、刮板输送机模型轨道；7、自主定位装置；8、里程计；9、底托架；10、驱动齿轮；11、磁环；12、霍尔传感器；13、齿轨轮；14、行走轮。
具体实施方式
结合附图对本发明具体实施步骤进行说明：
实施例1：图中，A-B表示采煤机模型直线运行段；B-C表示采煤机模型进刀运行段；C-D表示采煤机模型直线运行段。
首先进行无人工作面采煤机自动记忆割煤的自主定位装置的测试试验；其次根据测试试验的内容和步骤，确定采煤机割煤的测试路线；最后通过采集的测试数据结果对自主定位装置的适用性、可靠性和精确性进行分析；具体步骤如下：
（1）无人工作面采煤机1自动记忆割煤的自主定位装置7测试的试验仪器的安装：首先在采煤机试验模型1中部安装IMU惯性测量组件3，其内部安装三个测量方向相互垂直的陀螺仪4和加速度计5，故构建动载坐标系OXYZ，采煤机模型1沿刮板输送机轨道6方向的运动可由X轴向的加速度计5测量，积分运算后可获得速度和位移信息；机身的转动量可由Z轴上的陀螺仪4测量，可用于判断采煤机1进出刀段的位置；X轴上的陀螺仪4可检测采煤机1的倾斜角度，与煤层的走向对比后可辅助调整采高；Y轴上的陀螺仪4可测量刮板输送机6的起伏，以此可反映工作面底板的高低及平整度；并在刮板输送机试验模型6上安装里程计8，主要包括将霍尔传感器12安装于驱动齿轮10上，驱动齿轮10上嵌有磁环11，磁环是用铁氧体磁粉和树脂混合后，通过注射成型工艺成型并充磁的磁体11，其上共有8个磁极，效果等同于在驱动齿轮10圆周上布置了8个磁铁块11，下方的齿轨轮13与行走轮14固定连接，行走轮14上包裹摩擦极佳的橡胶材料，尽量减少与模拟轨道6间因打滑产生的误差；
（2）自主定位装置7测试的试验内容：首先对采煤机1沿无人工作面自动记忆割煤运行路线进行简化，规划测试装置的运行路线，以模拟采煤机1在现场无人工作面内的运行，试验需采集陀螺仪4、加速度计5和里程计8计数器输出的数据，并记录运行路线特征，便于和后期数据处理结果进行对比分析；其次将现场三维空间简化为二维空间，结合Z轴陀螺仪4、X轴加速度计5和里程计6三个传感器的输出，对水平面内的系统定位效果进行试验研究；
（3）自主定位装置7测试的试验步骤：首先规划测试运行路线，设计测试路线长度为2m，则相应的刮板输送机6弯曲段长度为0.2m，并设计直线运行、左端部进刀、右端部进刀、中部进刀四种测试路线。定位装置位于水平面内，直线运行时，通过推动使采煤机1从A点运行至B点，其轨迹为直线，根据直线定位试验按运行时间的不同设计了四个方案，对定位效果的时间影响进行测试，其中方案一运行时间为37s，可采集传感器数据3904组，方案二运行时间为28s，可采集数据3013组，方案三运行时间为22s，可采集数据2363组，方案四运行时间为12s，共采集数据1293组；进刀运行时，通过推动使采煤机模型1从A点运行至D点，每种运行路径下以不同的运动速度测试两组数据，以评估测定位数据处理方法的适应能力，故设计了六种不同的试验方案：方案五和方案六模拟采煤机1端部进刀运行，进刀段位于0.2m处，进刀长度为0.2m，其中方案五运行时间为60s，方案六为120s；方案七和方案八模拟采煤机1中部进刀运行过程，进刀段位于0.9m处，进刀长度为0.2m，其中方案七运行时间为60s，方案八为120s；方案九和方案十模拟采煤机1尾部进刀运行，进刀段位于1.6m处，进刀长度为0.2m，其中方案九运行时间为60s，方案十为120s；
（4）自主定位装置7测试的试验结果分析：首先对于直线运行定位试验测量的陀螺仪4和加速度计5信号进行10点平滑预处理；对陀螺仪4和加速度计5零偏补偿和卡尔曼滤波补偿；将补偿后获得的数据沿X和Y轴方向进行分解，根据航位推算原理和公式拟合定位估计点分布图。具体包括：对Z轴陀螺仪4补偿前后积分获得的角度变化曲线对比，以分析补偿后的仪表数据反映试验过程中的运行改变特征的情况；对X轴加速度计5补偿前后两次积分获得的位移变化曲线对比，以反应出采煤机1直线运行特征；对原始数据解算获得的采煤机1估计坐标分布和补偿后的定位试验结果，以分析定位系统实时反应采煤机(1)的位置和显示在各运行段速度信息的情况；其次根据进刀运行定位试验中采煤机1运行时间和轨迹的不同，对陀螺仪4输出曲线和补偿后积分获得的角度曲线进行分析，以研究定位装置7对刮板6弯曲段的识别情况；对传感器数据采用10点平滑滤波的方法，获得方案五至方案十的模拟定位结果，以反映出采煤机1运行的轨迹特征，包括直线运行段，弯曲进刀段和进刀后的直线运行段的特征。
本发明其特征是根据煤矿无人工作面采煤机自动记忆割煤自主定位的特征，设计了无人工作面采煤机自动记忆割煤的自主定位装置的测试试验，此方法思路简单、运算合理和自动化程度高，生产效益、安全性和可靠性好，采用此自主定位装置的测试方法，对于改进采煤机的自动化控制的设计、改善其使用性能、提高设备工作的可靠性和寿命，具有重要意义。
Claims (1)
1.一种无人工作面采煤机自动记忆割煤自主定位装置测试方法，其特征是：首先进行无人工作面采煤机自动记忆割煤的自主定位装置的测试试验；其次根据测试试验的内容和步骤，确定采煤机割煤的测试路线；最后通过采集的测试数据结果对自主定位装置的适用性、可靠性和精确性进行分析；具体步骤如下：
（1）无人工作面采煤机自动记忆割煤的自主定位装置测试试验仪器的安装：首先在采煤机试验模型中部安装IMU惯性测量组件，其内部安装三个测量方向相互垂直的陀螺仪和加速度计，故构建动载坐标系OXYZ，采煤机沿刮板输送机轨道方向的运动可由X轴向的加速度计测量，积分运算后可获得速度和位移信息；机身的转动量可由Z轴上的陀螺仪测量，可用于判断采煤机进出刀段的位置；X轴上的陀螺仪可检测采煤机的倾斜角度，与煤层的走向对比后可辅助调整采高；Y轴上的陀螺仪可测量刮板输送机的起伏，以此可反映工作面底板的高低及平整度；并在刮板输送机试验模型上安装里程计，包括将霍尔传感器安装于驱动齿轮上，驱动齿轮上嵌有磁环，磁环是用铁氧体磁粉和树脂混合后，通过注射成型工艺成型并充磁的磁体，其上共有8个磁极，效果等同于在驱动齿轮圆周上布置了8个磁铁块，下方的齿轨轮与行走轮固定连接，行走轮上包裹摩擦极佳的橡胶材料，尽量减少与模拟轨道间因打滑产生的误差；
（2）自主定位装置测试的试验内容：首先对采煤机沿无人工作面自动记忆割煤运行路线进行简化，规划测试装置的运行路线，以模拟采煤机在现场无人工作面内的运行，试验需采集陀螺仪、加速度计和里程计输出的数据，并记录运行路线特征，便于和后期数据处理结果进行对比分析；其次将现场三维空间简化为二维空间，结合Z轴陀螺仪、X轴加速度计和里程计三个传感器的输出，对水平面内的系统定位效果进行试验研究；
（3）自主定位装置测试的试验步骤：首先规划测试运行路线，设计测试路线长度为2m，则相应的刮板输送机弯曲段长度为0.2m，并设计直线运行、左端部进刀、右端部进刀、中部进刀四种测试路线；定位装置位于水平面内，直线运行时，通过推动使采煤机从A点运行至B点，其轨迹为直线，根据直线定位试验按运行时间的不同设计了四个方案，对定位效果的时间影响进行测试，其中方案一运行时间为37s，共采集传感器数据3904组，方案二运行时间为28s，可采集数据3013组，方案三运行时间为22s，可采集数据2363组，方案四运行时间为12s，可采集数据1293组；进刀运行时，通过推动使采煤机模型从A点运行至D点，每种运行路径下以不同的运行速度测试两组数据，以评估测定位数据处理方法的适应能力，故设计了六种不同的试验方案：方案五和方案六模拟采煤机端部进刀运行，进刀段位于0.2m处，进刀长度为0.2m，其中方案五运行时间为60s，方案六为120s；方案七和方案八模拟采煤机中部进刀运行过程，进刀段位于0.9m处，进刀长度为0.2m，其中方案七运行时间为60s，方案八为120s；方案九和方案十模拟采煤机尾部进刀运行，进刀段位于1.6m处，进刀长度为0.2m，其中方案九运行时间为60s，方案十为120s；
（4）自主定位装置测试的试验结果分析：首先对于直线运行定位试验测量的陀螺仪和加速度计信号进行10点平滑预处理；对陀螺仪和加速度计零偏补偿和卡尔曼滤波补偿；将补偿后获得的数据沿X和Y轴方向进行分解，根据航位推算原理和公式拟合定位估计点分布图；具体包括：对Z轴陀螺仪补偿前后积分获得的角度变化曲线对比，以分析补偿后的仪表数据反映试验过程中的运行改变特征的情况；对X轴加速度计补偿前后两次积分获得的位移变化曲线对比，以反应出采煤机直线运行特征；对原始数据解算获得的采煤机估计坐标分布和补偿后的定位试验结果，以分析定位系统实时反应采煤机的位置和显示在各运行段速度信息的情况；其次根据进刀运行定位试验中采煤机运行时间和轨迹的不同，对陀螺仪输出曲线和补偿后积分获得的角度曲线进行分析，以研究定位装置对刮板弯曲段的识别情况；对传感器数据采用10点平滑滤波的方法，获得方案五至方案十的模拟定位结果，以反映出采煤机运行的轨迹特征，包括直线运行段，弯曲进刀段和进刀后的直线运行段的特征；
所述的传感器数据为陀螺仪、加速度计和里程计的数据。
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| CN201090218Y (zh) * | 2007-09-11 | 2008-07-23 | 中国矿业大学 | 采煤机自主定位装置 |
| CN102183255A (zh) * | 2011-03-07 | 2011-09-14 | 中国矿业大学 | 综采工作面采煤机定位装置及定位方法 |
-
2013
- 2013-12-31 CN CN201310753929.7A patent/CN103776463B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN201090218Y (zh) * | 2007-09-11 | 2008-07-23 | 中国矿业大学 | 采煤机自主定位装置 |
| CN102183255A (zh) * | 2011-03-07 | 2011-09-14 | 中国矿业大学 | 综采工作面采煤机定位装置及定位方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 基于陀螺仪和里程计的无人工作面采煤机自主定位系统;张斌等;《矿山机械》;20101231;第38卷(第9期);10-13 * |
| 无人工作面采煤机自主定位系统;方新秋等;《西安科技大学学报》;20080630;第28卷(第2期);349-353 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103776463A (zh) | 2014-05-07 |
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