CN107270901A - 融合采煤工艺与采煤机运动模型的采煤机惯性定位精度提升方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种融合采煤工艺与采煤机运动模型的采煤机惯性定位精度提升方法。采煤机以刮板输送机为运行轨道，采煤机只在轨道方向上产生速度，而在其他两个方向的速度为零，以此采煤机牵引方向的约束条件设计了第一滤波器；采煤机截割煤壁后，刮板输送机在液压支架推移油缸的作用下，沿工作面回采方向进行推进，利用液压支架推移油缸的位移与最优估计的刮板输送机轨迹，预测出采煤机下次截割的刮板输送机轨迹，作为采煤机下次运行的约束条件，设计了第二滤波器；对两个滤波器进行融合，最大程度的提高了采煤机惯性定位精度。该方法全面地综合了采煤机在综采工作面独特的运行特点，在一定程度上解决了采煤机惯性导航长时间定位精度差的问题。

Description

融合采煤工艺与采煤机运动模型的采煤机惯性定位精度提升 方法
技术领域
本发明涉及一种融合采煤工艺与采煤机运动模型的采煤机惯性定位精度提升方法，属于采煤机惯性定位技术领域。
背景技术
基于惯性导航与轴编码器组合的采煤机惯性定位是综采工作面可行的采煤机定位技术。惯性导航是采煤机定位技术的核心设备，其在煤矿井下恶劣环境的长时间定位精度差是阻碍其应用的重要方面。本发明所涉及到的采煤机惯性定位系统已在中国专利《融合地质环境信息的采煤机绝对定位装置与方法》，申请号201310353737.7中公开。
发明内容
为了解决惯性导航在采煤机定位应用中长时间定位精度差的问题，本发明提供了一种融合采煤工艺与采煤机运动模型的采煤机惯性定位精度提升方法，使以惯性导航系统为核心的采煤机定位满足煤矿井下对于采煤机定位精度的要求。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种融合采煤工艺与采煤机运动模型的采煤机惯性定位精度提升方法，包括以下步骤：
(1)以采煤机几何中心为坐标原点建立采煤机载体坐标系OXbYbZb，采煤机行进方向为Yb轴，垂直于机面高度方向为Zb轴，另一个方向为Xb轴；在采煤机上安装振动速度传感器，用以测量采煤机在Xb轴与Zb轴的振动速度，以采煤机运动模型为约束条件，设计第一滤波器，通过滤波得到平台失准角，利用姿态矩阵之间的关系，得到修正后的姿态，从而得到修正后的采煤机位置；
(2)采煤机完成一次截割后，将刮板输送机的最优估计轨迹传输到液压支架电液控系统，液压支架电液控系统根据采煤工艺确定每个支架推移油缸的推移位移并进行推移，根据刮板输送机最优估计轨迹和推移油缸的位移预测下次截割的刮板输送机轨迹；
(3)以预测的刮板输送机轨迹为约束条件，设计第二滤波器，通过滤波得到下次截割刮板输送机最优估计轨迹，利用采煤机与刮板输送机的约束关系，得到下次截割采煤机的最优估计轨迹；
(4)进行第一滤波器和第二滤波器的融合，以提高采煤机惯性定位精度。
所述步骤(1)中，第一滤波器的量测量为采煤机载体坐标系Xb轴和Zb轴的惯性导航速度输出与振动速度传感器输出的差，状态量为东北天三个方向的平台失准角，状态预测方程由惯性导航姿态误差方程求得。
所述步骤(3)中，第二滤波器的状态量为：从刮板输送机最优估计轨迹中提取出每节刮板输送机几何中心点的位置坐标，以此点位置坐标与所对应推移油缸位移的和作为下次截割此点位置坐标的预测值，经过曲线拟合得到的下次截割刮板输送机预测轨迹作为状态量；量测量为下次截割刮板输送机的检测轨迹。
所述步骤(4)中，先进行第一滤波器处理，后进行第二滤波器处理。
有益效果：本发明提供的采煤机惯性定位精度提升方法，全面地综合了采煤机在综采工作面的独特的运行特点，充分利用了采煤机牵引方向与工作面推进方向的两个约束条件，可在一定程度上解决惯性导航长时间定位精度差的问题，使其满足煤矿井下对于采煤机定位精度的要求，为实现综采工作面智能化奠定了基础。
附图说明
图1为综采工作面示意图；
图2为综采工作面采煤工艺示意图；
图3为振动速度传感器安装示意图；
图4为第一滤波器流程示意图；
图5为惯性导航、轴编码器、振动速度传感器、采煤机惯性定位系统、第一滤波器和第二滤波器安装示意图；
图6为刮板输送机调直示意图；
图7为第二滤波器流程示意图；
图中：1为顶板曲线，2为底板曲线，3为采区，4为采空区，5为采煤机，6为刮板输送机，7为液压支架，8为推溜点，9为振动传感器安装载体，10为垂直型振动速度传感器，11为水平型振动速度传感器，12为惯性导航，13为轴编码器，14为采煤机惯性定位系统，15为第一滤波器，16为第二滤波器，17为液压支架电液控系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1、图2所示，采煤机5以刮板输送机6为运行轨道，沿煤壁往复运行，切割煤壁落煤，并把落下的煤装入刮板输送机6。刮板输送机6在完成运煤工作的同时，兼作采煤机5的运行轨道，在液压支架7的推动下随工作面的推进整体前移。液压支架7完成采煤机5作业后采空区4顶板支护和控制，维持一定的工作空间，其支护空间由采煤机5截割采空区4空间确定。
如图3、6所示，采煤机5上安装有振动传感器安装载体9、惯性导航12、采煤机惯性定位系统14，振动传感器安装载体9上安装有两个振动速度传感器，分别为垂直型振动速度传感器10、水平型振动速度传感器11。
本发明的一种融合采煤工艺与采煤机运动模型的采煤机惯性定位精度提升方法，包括以下步骤：
(1)以采煤机5几何中心为坐标原点定义采煤机载体坐标系OXbYbZb，采煤机5行进方向为Yb轴，垂直于机面高度方向为Zb轴，另一个方向为Xb轴；根据采煤机运动模型，在采煤机载体坐标系Yb轴存在速度，而Xb轴与Zb轴方向理论速度为零；但采煤机5截割煤壁存在负载波动，造成了采煤机5在Xb轴与Zb轴方向存在一定的振动速度，在采煤机5上安装两个振动速度传感器，分别为垂直型振动速度传感器10、水平型振动速度传感器11，分别测量Xb轴与Zb轴振动速度，如图3。以采煤机运动模型为约束条件，设计第一滤波器15。图4为第一滤波器的流程示意图，量测量为采煤机载体坐标系Xb轴和Zb轴的惯性导航12速度输出与两个振动速度传感器输出的差，状态量为东北天三个方向的平台失准角，状态预测方程由惯性导航姿态误差方程求得。滤波得到平台失准角，利用姿态矩阵之间的关系得到修正后的姿态矩阵，其中为东、北、天向的平台失准角组成的反对称矩阵，E为单位矩阵，为惯性导航输出的姿态角组成的姿态矩阵，为修正后的姿态矩阵。利用姿态角与姿态矩阵之间的关系，如下式，得到修正后的航向角俯仰角θ(t)和横滚角γ(t)。
结合轴编码器输出的速度v(ti)，利用航位推算算法，即 其中Pn(ti)＝[PN(t)PE(t)PU(t)]T，PN(t)为t时刻北向位置，PE(t)为t时刻东向位置，PU(t)为t时刻天向位置，可得到修正后位置。
(2)采煤机5完成k次截割后，将刮板输送机6的k次截割的最优估计轨迹传输到液压支架电液控系统17，液压支架电液控系统17根据采煤工艺确定每个支架推移油缸的推移位移并进行推移，如图6，根据刮板输送机k次截割最优估计轨迹和推移油缸的位移Ai预测k+1次截割的刮板输送机轨迹。
(3)以预测k+1次截割的刮板输送机轨迹为约束条件，设计第二滤波器16。图7为第二滤波器的流程图，从k次截割刮板输送机最优估计轨迹中提取出每节刮板输送机6几何中心点的位置坐标，以此点位置坐标与所对应推移油缸位移Ai的和作为k+1次截割此点位置坐标的预测值，经过曲线拟合得到的k+1次截割刮板输送机预测轨迹作为状态量。量测量为k+1次截割刮板输送机检测轨迹。滤波得到k+1次截割刮板输送机最优估计轨迹，利用采煤机5与刮板输送机6的约束关系，得到k+1次截割采煤机5的最优估计轨迹。
(4)将第一滤波器和第二滤波器进行融合，优选的方法是先进行第一滤波器15处理，后进行第二滤波器16处理。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种融合采煤工艺与采煤机运动模型的采煤机惯性定位精度提升方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)以采煤机几何中心为坐标原点建立采煤机载体坐标系OXbYbZb，采煤机行进方向为Yb轴，垂直于机面高度方向为Zb轴，另一个方向为Xb轴；在采煤机上安装振动速度传感器，用以测量采煤机在Xb轴与Zb轴的振动速度，以采煤机运动模型为约束条件，设计第一滤波器，通过滤波得到平台失准角，利用姿态矩阵之间的关系，得到修正后的姿态，从而得到修正后的采煤机位置；
(2)采煤机完成一次截割后，将刮板输送机的最优估计轨迹传输到液压支架电液控系统，液压支架电液控系统根据采煤工艺确定每个支架推移油缸的推移位移并进行推移，根据刮板输送机最优估计轨迹和推移油缸的位移预测下次截割的刮板输送机轨迹；
(3)以预测的刮板输送机轨迹为约束条件，设计第二滤波器，通过滤波得到下次截割刮板输送机最优估计轨迹，利用采煤机与刮板输送机的约束关系，得到下次截割采煤机的最优估计轨迹；
(4)进行第一滤波器和第二滤波器的融合，以提高采煤机惯性定位精度。
2.根据权利要求1所述的融合采煤工艺与采煤机运动模型的采煤机惯性定位精度提升方法，其特征在于：所述步骤(1)中，第一滤波器的量测量为采煤机载体坐标系Xb轴和Zb轴的惯性导航速度输出与振动速度传感器输出的差，状态量为东北天三个方向的平台失准角，状态预测方程由惯性导航姿态误差方程求得。
3.根据权利要求1所述的融合采煤工艺与采煤机运动模型的采煤机惯性定位精度提升方法，其特征在于：所述步骤(1)中，得到修正后的姿态的方法为：利用姿态矩阵之间的关系得到修正后的姿态矩阵，其中为东、北、天向的平台失准角组成的反对称矩阵，E为单位矩阵，为惯性导航输出的姿态角组成的姿态矩阵，为修正后的姿态矩阵。
4.根据权利要求1所述的融合采煤工艺与采煤机运动模型的采煤机惯性定位精度提升方法，其特征在于：所述步骤(1)中，得到修正后的采煤机位置的方法为：利用姿态角与姿态矩阵之间的关系，如下式，得到修正后的航向角俯仰角θ(t)和横滚角γ(t)；
结合轴编码器输出的速度v(ti)，利用航位推算算法，即 其中Pn(ti)＝[PN(t)PE(t)PU(t)]T，PN(t)为t时刻北向位置，PE(t)为t时刻东向位置，PU(t)为t时刻天向位置，得到修正后位置。
5.根据权利要求1所述的融合采煤工艺与采煤机运动模型的采煤机惯性定位精度提升方法，其特征在于：所述步骤(3)中，第二滤波器的状态量为：从刮板输送机最优估计轨迹中提取出每节刮板输送机几何中心点的位置坐标，以此点位置坐标与所对应推移油缸位移的和作为下次截割此点位置坐标的预测值，经过曲线拟合得到的下次截割刮板输送机预测轨迹作为状态量；量测量为下次截割刮板输送机的检测轨迹。
6.根据权利要求1所述的融合采煤工艺与采煤机运动模型的采煤机惯性定位精度提升方法，其特征在于：所述步骤(4)中，先进行第一滤波器处理，后进行第二滤波器处理。
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