CN109018851B - 刮板输送机三维空间运行姿态位置的实时监测方法 - Google Patents

Abstract

一种刮板输送机三维空间运行姿态位置的实时监测方法，所述实时监测方法是在煤矿井下综采工作面底板不平整的复杂工况条件下，利用形态计算方法准确检测出刮板输送机各节中部槽的俯仰角和航向角，通过计算得到的采煤机在刮板输送机上运行时的采煤机机身俯仰角、航向角和采煤机位置信息，利用建立的三维形态计算数学模型，在解算系统中得到刮板输送机在综采水平工作面和竖直工作面实际形态，从而在监测系统中显示出刮板输送机三维空间实际运行姿态位置，本方法可实时监测刮板输送机在竖直工作面和水平工作面的动态起伏变化，不需要安装大量传感器，可使刮板输送机不会因弯曲角度过大而损坏，保证其正常工作，为采煤机下滚筒的调高和液压支架的推移提供信息，保证了综采工作面刮板输送机运行的可靠性。

Description

刮板输送机三维空间运行姿态位置的实时监测方法

技术领域

本发明涉及一种刮板输送机三维空间形态的检测方法，具体而言是一种刮板输送机在综采水平工作面和竖直工作面的形态检测方法，适用于综采工作面底板不平整的复杂工况条件。

背景技术

随着“工业4.0”和“中国制造2025”的不断深入推进，煤炭开采不断向智能化和无人化的方向发展，想要实现这一目标就必须使综采工作面三机包括采煤机、刮板输送机、液压支架能够协同工作，提高综采工作的自动化水平，其中实现对综采装备运行姿态和位置的实时监测是非常关键的环节，实时掌握综采工作面装备的运行状态从而实现远程控制，直接关系着整个综采工作面能否持续的安全高效开采。

采煤机是综采工作面的核心设备，其位置和姿态信息决定了刮板输送机与液压支架的工作状态。刮板输送机作为煤矿生产的关键设备，完成运煤的工作，同时为采煤机提供运行轨道，并在液压支架的推动下随综采工作面的推进整体前移。采煤机紧靠煤层，其机身骑在刮板输送机的溜槽上，在牵引机构的带动下，沿刮板输送机的溜槽往复移动，进行割煤操作。刮板输送机的实时姿态位置信息是连接复杂工况底板与采煤机位姿之间的枢纽环节，因此对其工作姿态位置的准确监测非常重要。

已有的用来对刮板输送机运行姿态位置进行监测的方法是在刮板输送机每节中部槽上都安装倾角传感器，由于综采工作面布置的刮板输送机很长，这种方法需要安装大量的传感器，而综采工作面对传感器性能要求很高，使用大量煤矿专用传感器，不但成本很高，信息的快速采集、传输也存在困难，在煤矿井下的实际应用中存在很多问题；而在采煤机机身布置传感器，利用采煤机的位置和姿态信息检测刮板输送机三维空间形态不需要在刮板输送机上布置大量传感器。

已公开的利用采煤机的定位定姿对刮板输送机姿态位置进行检测的方法，在竖直工作面和水平工作面直接用测得采煤机的机身俯仰角和航向角来表示刮板输送机中部槽的俯仰角和航向角；由于采煤机前后两滑靴之间机身比较长，机身之间一般对应四到六节中部槽的距离，采煤机机身航向角是两滑靴连线在水平工作面的角度，采煤机机身俯仰角是两滑靴连线在竖直工作面的角度；刮板输送机是很多中部槽通过销连接组成，其在水平工作面和竖直工作面都可以弯曲，当采煤机前后两滑靴之间中部槽在竖直工作面和水平工作面弯曲角度大时，采煤机机身俯仰角和航向角与采煤机滑靴所在刮板输送机中部槽竖直工作面的俯仰角和水平工作面的航向角并不一致，因此这种方法在综采工作面底板不平整的复杂工况条件下存在检测不准确的问题。

公开号为CN04104058215 A公开了名称为“一种综采工作面采运装备的姿态求解与预测方法”，通过采煤机俯仰角得到采煤机在刮板输送机上的位置，根据采煤机本循环的截割顶底板曲线，对下一个循环的刮板输送机的形状和排布状态进行预测，对采煤机与刮板输送机的运行工况进行细致和准确的动态监测；但只考虑了竖直工作面姿态求解与预测，未考虑水平工作面的情况。

公开号为CN104058215A公开了一种名称为“基于采煤机绝对运动轨迹的刮板输送机动态校直方法”，利用对采煤机的精确定位轨迹去反推刮板输送机的直线度等，解析出采煤机在设定空间坐标系下沿刮板输送机运行的轨迹，计算出液压支架推移距离，但只计算出刮板输送机水平工作面的直线度，未得到刮板输送机竖直工作面的形态，也未考虑在综采工作面底板不平整的复杂工况条件。

发明内容

本发明针对上述现有煤矿井下综采工作面刮板输送机形态检测存在的缺陷，提供一种刮板输送机三维空间运行姿态位置的实时监测方法。

具体实施方案如下：

一种刮板输送机三维空间运行姿态位置的实时监测方法，其特征在于：所述实时监测方法是在煤矿井下综采水平和竖直工作面底板不平整的复杂工况条件下，利用建立的形态计算方法准确检测出刮板输送机每节中部槽的俯仰角和航向角，通过得到的采煤机在刮板输送机上运行时的采煤机机身俯仰角、航向角和采煤机位置信息，利用建立的解算模型，在解算系统中获得刮板输送机三维空间实际运行姿态位置，具体方法是按下列步骤进行：

（1）在采煤机左滑靴上方安装捷联惯导装置，采煤机牵引部安装轴编码器。解算捷联惯导系统测得的信息，得到采煤机行走的姿态和位移，利用轴编码器测得采煤机位移增量，并在解算系统内通过扩展卡尔曼滤波的方法补偿捷联惯导长时间工作时的累积误差，获得采煤机在刮板输送机上的准确位置信息；

（2）对采煤机运行时与刮板输送机的协同运动关系进行分析，建立基于采煤机运行过程中姿态和位置信息的刮板输送机竖直工作面和水平工作面形态解算模型；

（3）利用传感器测量开始运行时采煤机左滑靴和前后滑靴机身之间对应的中部槽的俯仰角和航向角，将其俯仰角和航向角作为已知角度；

（4）将采煤机行走过程中的姿态、位置和刮板输送机前几节中部槽的姿态角代入已建立的刮板输送机三维形态解算模型中，解算出采煤机运行过程中所经过刮板输送机每节中部槽的俯仰角和航向角，将计算出的中部槽姿态角作为已知信息不断代入计算；

（5）每节刮板输送机中部槽的长度相等，将获得的各节中部槽的航向角和俯仰角代入形态解算模型，可计算出实际工况下刮板输送机水平工作面和竖直工作面的形态。

上述本发明所提供的一种刮板输送机三维空间运行姿态位置的实时监测方法的技术方案，与现有技术相比，具有如下的有益效果。

本方法具有实时监测刮板输送机在竖直工作面和水平工作面的动态起伏变化，不需要设置大量传感器，可使刮板输送机在竖直工作面和水平工作面不会由于弯曲角度太大造成损坏，保证其正常工作，延长刮板输送机的工作寿命。

本方法为采煤机下滚筒的路径规划提供依据，促进综采工作面自动化控制，为液压支架推移机构进行刮板输送机中部槽推移的推移量提供依据，提高刮板输送机的直线度。

附图说明

图1是本方法的步骤流程图。

图2是本方法采煤机机身传感器、轴编码器布置方案图。

图3是本方法采煤机与刮板输送机协同坐标系图。

图4是采煤机滑靴结构分析图。

图5是采煤机运行过程中的采煤机机身俯仰角。

图6是采煤机运行过程中的采煤机机身航向角。

图7是利用本方法检测的刮板输送机竖直工作面形态。

图8是利用本方法检测的刮板输送机水平工作面形态。

图中：1-采煤机；2-捷联惯导装置；3-轴编码器；4-左支撑滑靴标识点O₁；5-采煤机左支撑滑靴；6-右支撑滑靴标识点O₂；7-采煤机右支撑滑靴；8-刮板输送机；9-刮板输送机中部槽。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

一种刮板输送机三维空间运行姿态位置的实时监测方法，刮板输送机三维空间形态检测包含水平工作面和竖直工作面。在综采工作面底板不平整的复杂工况条件下，利用建立的形态计算方法准确检测出刮板输送机各节中部槽的俯仰角和航向角。

以采煤机开始运行时所在的中部槽为原点，建立采煤机与刮板输送机协同监测坐标系，测量开始运行时采煤机左滑靴和前后两滑靴采煤机机身之间对应的多节中部槽的俯仰角和航向角，将检测出的俯仰角和航向角作为已知信息。利用采煤机运行过程中的位置和姿态信息，通过采煤机在刮板输送机上运行时的耦合关系建立刮板输送机竖直工作面和水平工作面弯曲形态解算模型，计算出采煤机运行过程中所经过每节中部槽的俯仰角和航向角，将计算出的中部槽俯仰角和航向角代入数学模型不断计算，解算出刮板输送机各节中部槽俯仰角和航向角，根据获得的各中部槽俯仰角和航向角解算出刮板输送机的实际竖直工作面和水平工作面形态，从而实时监测到综采工作面刮板输送机的三维空间形态。

采煤机在刮板输送机上运行时的姿态和在刮板输送机上的精确位置，其中姿态包括采煤机机身的俯仰角和航向角，通过在采煤机机身安装捷联惯导装置和轴编码器，捷联惯导装置安装于采煤机左滑靴上方的防爆箱体内，轴编码器安装在采煤机行走部输出轴，采煤机上布置的捷联惯导装置和轴编码器的数据通过KTF7矿用本安型无线基站进行无线传输至解算系统。

刮板输送机三维空间运行姿态位置，包括在综采工作面竖直工作面和水平工作面内，利用采煤机的姿态和位置信息在解算系统内计算得到刮板输送机各节中部槽的俯仰角和航向角，在显示系统实时监测出刮板输送机三维空间运行姿态位置。

具体求解采煤机在刮板输送机上协同运行时的姿态和位置是按以下步骤进行的：

（1）将捷联惯导装置的三轴陀螺仪测量得到的角速度，利用KTF7矿用本安型无线基站将角速度信息传输至解算系统，在该系统中利用四元数法通过求解包含四个变量的微分方程进行姿态更新，计算得到采煤机的俯仰角和航向角。

（2）捷联惯导装置内的加速度计可测量采煤机三轴加速度，将三轴加速度信息通过KTF7矿用本安型无线基站传输至解算系统，采煤机速度更新微分方程为：

对采煤机速度更新微分方程进行两次积分得到采煤机的运行距离，其中

为比 力加速度，

为重力加速度矢量，

为地球自转速率，

为采煤机位置速率，

为姿态 变换矩阵。

其中θ、ψ、γ分别为采煤机机身的俯仰角、航向角和横滚角。

（3）轴编码器安装在采煤机行走部输出轴，得到采煤机的行走速度与行走距离。

（4）捷联惯导装置长时间工作时存在位置累积误差，采煤机的精确定位是在解算系统内利用扩展卡尔曼滤波算法将轴编码器得到的采煤机位置信息与捷联惯导装置结算出的位置信息融合，补偿捷联惯导的累积误差，从而抑制惯性导航的位置误差累积，得到采煤机在刮板输送机上的准确位置信息。

上述综采工作面地板不平整复杂工况条件下刮板输送机三维空间运行姿态位置的实时监测方法，进一步的技术特征方案如下。

所述求解刮板输送机三维空间运行姿态位置按以下步骤进行的：

（1）对采煤机运行时与刮板输送机的协同运动关系进行分析，建立了基于采煤机运行过程中姿态和位置信息的刮板输送机竖直工作面和水平工作面形态解算模型。

（2）利用传感器测量开始运动时采煤机左滑靴和前后两滑靴采煤机机身之间对应的各中部槽的俯仰角q和航向角ψ，通过KTF7矿用本安型无线基站进行无线传输至解算系统，将测得的俯仰角和航向角作为先验信息。

（3）在解算系统中将采煤机行走过程中的姿态、采煤机在刮板输送机上的精确位置和刮板输送机前几节中部槽的姿态角代入已建立的刮板输送机三维空间形态解算模型中，解算出采煤机运行过程中所经过刮板输送机各节中部槽的俯仰角和航向角，将计算出的中部槽姿态角作为已知信息不断代入计算。

（4）因为刮板输送机每节中部槽是长度相等的刚体，利用得到的每节中部槽的航向角和俯仰角，计算出刮板输送机的水平工作面和竖直工作面的形态。

所诉先验信息是利用传感器测得的，包括采煤机开始运动时两滑靴机身所对应的四到六节刮板输送机中部槽的俯仰角q和航向角ψ。

所诉采煤机在刮板输送机上的精确位置是由式

确定的，其中S为采煤 机在刮板输送机上的行程，L _z 为每节刮板输送机中部槽长度，p为采煤机滑靴在当前中部槽 上的长度。

下面结合附图对本发明具体实施方式做出进一步的说明。

如附图1-附图8所述，实施一种刮板输送机三维空间运行姿态位置的实时监测方法，包括水平工作面和竖直工作面的实时监测方法，具体方法步骤如下：

步骤（1）、如附图1和附图2所示，采煤机在刮板输送机上行走，在采煤机左滑靴上方安装捷联惯导系统，轴编码器安装在采煤机牵引部，解算捷联惯导系统测得的信息，得到采煤机行走的姿态和位移，利用轴编码器测得的采煤机位移增量与捷联惯导系统计算出的采煤机位移，在解算系统内通过扩展卡尔曼滤波算法融合，得到采煤机在刮板输送机上的准确位置信息。

步骤（2）、如附图3所示，为准确检测出采煤机滑靴所经过的每节中部槽的俯仰角和航向角，以采煤机开始运行时所在的中部槽为原点，建立采煤机与刮板输送机协同坐标系。对采煤机运行时与刮板输送机的形态关系进行分析，建立了基于采煤机运行过程中姿态和位置信息的刮板输送机竖直工作面和水平工作面形态解算数学模型。

步骤（3）、利用传感器测量开始运行时采煤机左滑靴和前后两滑靴采煤机机身之间对应的多节中部槽的俯仰角q _i 和航向角ψ _i ，将其作为已知测得的角度。

步骤（4）、就是将采煤机行走过程中的姿态、位置和刮板输送机前几节中部槽的姿态角代入已建立的刮板输送机三维形态解算数学模型中，解算出采煤机实际运行过程中所经过刮板输送机每节中部槽的俯仰角和航向角，将已计算出的中部槽姿态角作为已知信息不断代入计算。

如附图4所示，已知q _i 为第i节中部槽的俯仰角，ψ _i 为第i节中部槽的航向角，S为捷联惯导装置和轴编码器通过扩展卡尔曼滤波计算出的采煤机行程，L _z 为每节中部槽长度，L _h 为BO₁的长度，L _n 为AO₁的长度，即O₁到采煤机滑靴底面的距离，L _p 为BA的长度，β为BO₁与底面BA的夹角。

采煤机左滑靴行走到第n+1节中部槽，左滑靴标识点O₁处于当前中部槽上的p位置，则在综采工作面采煤机左滑靴标识点O₁在竖直工作面坐标为：

综采工作面采煤机左滑靴标识点O₁在水平工作面的坐标为：

L _JS 为采煤机前后滑靴之间机身的长度，采煤机两滑靴之间各刮板输送机中部槽的俯仰角和航向角信息已测得，采煤机右滑靴标识点O₂处于第n+m+2节中部槽的q位置，在综采工作面内采煤机右滑靴标识点O₂的竖直工作面坐标为：

综采工作面内采煤机右滑靴标识点O₂的水平工作面坐标为：

采煤机左滑靴所接触中部槽的俯仰角和航向角已检测出，利用上述公式就可求出采煤机右滑靴所接触的中部槽的俯仰角和航向角。

采煤机沿刮板输送机行走时，利用求解出的左滑靴标识点的坐标就可计算出采煤机右滑靴所在的中部槽的俯仰角和航向角，将计算出中部槽的俯仰角和航向角作为之后中部槽计算时的已知姿态角不断计算，即可求出采煤机在刮板输送机上运动过程中所经过所有中部槽的俯仰角和航向角。

每节刮板输送机中部槽长度都是相等的，根据步骤（5）通过获得的各中部槽俯仰角和航向角计算出刮板输送机的实际三维形态。刮板输送机在综采竖直工作面形态计算如下式所示：

刮板输送机在综采水平工作面形态计算如下式所示：

利用附图5和附图6所示的采煤机机身的俯仰角和航向角通过建立的数学模型就可计算出刮板输送机各节中部槽的俯仰角和航向角，利用刮板输送机竖直工作面和水平工作面形态计算公式就可得到如附图7和附图8所示的刮板输送机在水平工作面和竖直工作面的实际形态，获得刮板输送机三维空间实际运行姿态位置。

Claims (1)

1.一种刮板输送机三维空间运行姿态位置的实时监测方法，其特征在于：所述实时监测方法是在煤矿井下综采水平和竖直工作面底板不平整的复杂工况条件下，在解算系统利用形态计算方法精确检测出刮板输送机每段中部槽的俯仰角和航向角，通过计算得到采煤机在刮板输送机上运行时的采煤机机身俯仰角、航向角和采煤机位置信息，根据建立的刮板输送机综采竖直工作面和水平工作面形态解算数学模型，在监测系统中获得刮板输送机在综采竖直工作面和水平工作面的形态，从而在监测系统中获得刮板输送机三维空间实际运行姿态位置，具体方法是按下列步骤进行：

（1）在采煤机左滑靴上方安装有捷联惯导装置，采煤机牵引部安装有轴编码器，通过解算捷联惯导装置测得的信息，得到采煤机行走的姿态和位移，利用轴编码器测得采煤机位移增量，并通过扩展卡尔曼滤波的方法补偿捷联惯导长时间工作时的累积误差，获得采煤机在刮板输送机上的准确位置信息；

（2）对采煤机运行时与刮板输送机的运动关系进行分析，建立基于采煤机行走过程中姿态和位置信息的刮板输送机综采竖直工作面和水平工作面形态解算数学模型，该数学模型公式（1）~（6）如下：

其中：q _i 为第i段中部槽的俯仰角，ψ _i 为第i段中部槽的航向角，S为捷联惯导装置和轴编码器通过扩展卡尔曼滤波计算出的采煤机行程，L _z 为每段中部槽长度，L _h 为BO₁的长度，L _n 为AO₁的长度，L _p 为BA的长度，β为BO₁与底面BA的夹角，n为中部槽的段数，滑靴标识点O₁在中部槽上的位置为p；

采煤机左滑靴标识点O₁在竖直工作面坐标为：

（1）

采煤机左滑靴标识点O₁在水平工作面的坐标为：

（2）

L _JS 为采煤机前后滑靴之间机身的长度，采煤机右滑靴标识点O₂在中部槽的位置为q，在综采工作面内采煤机右滑靴标识点O₂的竖直工作面坐标为：

（3）

综采工作面内采煤机右滑靴标识点O₂的水平工作面坐标为：

（4）

刮板输送机在综采竖直工作面形态计算如下式（5）所示：

（5）

刮板输送机在综采水平工作面形态计算如下式（6）所示：

（6）

（3）利用传感器测量采煤机开始运行时采煤机左滑靴和前后两滑靴采煤机机身之间对应的各中部槽的俯仰角和航向角，将其作为已知的角度；

（4）将采煤机行走过程中的姿态、位置和刮板输送机前几段中部槽的姿态角代入已建立的刮板输送机综采竖直工作面和水平工作面形态解算数学模型中，解算出采煤机运行过程中所经过刮板输送机每段中部槽的俯仰角和航向角，将计算出的中部槽姿态角作为已知信息不断计算；

（5）每段刮板输送机中部槽的长度相等，将获得的各段中部槽的航向角和俯仰角代入刮板输送机综采竖直工作面和水平工作面形态解算数学模型，计算出实际复杂工况下刮板输送机在综采水平工作面和竖直工作面的形态，得到刮板输送机三维空间实际运行姿态位置。

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