CN111060098A - 一种矿井综采工作面用惯性导航定位定向系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿井综采工作面用惯性导航定位定向系统，用采煤机运行过程提供的里程信息，同惯导模块进行组合，共同组成惯性导航定位定向系统；该系统可以实时测量采煤机三维姿态情况，为综采工作面实现自动化调高控制提供精确姿态信息，以适应起伏的煤层变化；实时测量并绘制出采煤机在工作面的运行轨迹，为调直系统和水平控制系统提供精确和连续轨迹信息，为采矿系统实现智能化、自动化调直提供解决方案；为采矿无人化，自动化提供必要传感信息，提高采矿生产效率，提升费效比，消除人员安全隐患。
Description
技术领域
本发明涉及矿井导航定位定向领域，具体为一种矿井综采工作面用惯性导航定位定向系统。
背景技术
当前，采矿行业仍然属于人员密集型作业方式，因无法得知采煤机在矿井内的精确位置和姿态信息，而无法进行智能化、无人化升级。采煤机在作业过程中，始终需要人员不停的来回检查确定采煤机在工作面的位置和运行状态，通过人员拉线测量来确认工作面的直线情况。一般在切割2-3刀后，就必须就进行人工操作调整，否则工作面可能上窜下滑，支架歪斜咬架，不仅容易损坏设备，造成巨大的损失，而且对人员的安全也带来极大隐患。
目前技术还没有实现采煤机精确定位和定向，既不能实现液压支架工作面自动调直，也没法控制采煤机自动上下挖掘，以及液压支架自动调高；不仅生产效率低下，测量误差大，而且安全隐患极高，时常会发生瓦斯泄露或者施工事故造成人员伤亡的事情。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种矿井综采工作面用惯性导航定位定向系统，以解决上述背景技术提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种矿井综采工作面用惯性导航定位定向系统，具体步骤为：
步骤一：利用采煤机运行过程提供的里程信息，同惯导模块进行组合，共同组成惯性导航定位定向系统；
步骤二：采用组合导航解算模式，使用里程计信息对惯导模块本身的误差进行实时修正，精确计算出采煤机在综采工作面的三维位置和三轴姿态信息；
步骤三：将步骤二得到的姿态和位置信息通过以太网或CAN总线或RS485接口实时输出，提供控制中心实时拟合出采煤机在工作面的采掘轨迹情况和姿态情况；
步骤四：用于控制中心对综采控制面进行自动化调直，水平控制，以及操控顶部支架的移动，并控制采煤机向上向下挖掘，实现自动调高控制，以适应起伏的煤层变化。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤一中的惯导模块利用三只高精度加速度计和三只高精度光纤陀螺仪采用正交安装的方式进行安装。
作为本发明的一种优选技术方案，所述高精度加速度计用于精确测量采煤机的三个方向的行进加速度，所述高精度光纤陀螺仪用于精确测量采煤机三个方向的转动角速度。
作为本发明的一种优选技术方案，所述加速度和角速度结合采煤机输入的里程信息，送入导航解算模块，通过导航解算算法精确解算出采煤机的速度、位置和姿态运动信息。
作为本发明的一种优选技术方案，所述惯性导航定位定向系统采用里程计同惯导模块辅助导航的方式，收集里程计信息同惯组模块解算数据共同进入卡尔曼滤波器进行组合滤波解算，输出采煤机的三维位置、速度、姿态和轨迹信息。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤一中的惯导模块采用惯导减振器进行减振处理，惯导减振器采用八点减振方式进行减振，在敏感组件设计时保证减振器的对称中心与敏感组件部分质量中心一致。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤三中为方便通讯接口扩展，采用片上系统SOC进行处理，在一个芯片上完成传感信号采集，接口通信和导航解算所有的功能。
本发明的有益效果是：
1：该系统能够精确实时测量采煤机在综采工作面的三维位置信息，替代了人员现场检查的工作内容；
2：该系统实时测量采煤机三维姿态情况，为综采工作面实现自动化调高控制提供精确姿态信息，以适应起伏的煤层变化；
3：该系统实时测量并绘制出采煤机在工作面的运行轨迹，为调直系统和水平控制系统提供精确和连续轨迹信息，为采矿系统实现智能化、自动化调直提供解决方案；
4：该系统为采矿无人化，自动化提供必要传感信息，提高采矿生产效率，提升费效比，消除人员安全隐患。
附图说明
图1为本发明惯导模块核心器件安装示意；
图2为本发明惯导系统工作流程图；
图3为本发明惯导系统导航解算电路组成图；
图4为本发明惯导系统卡尔曼滤波流程图；
图5为本发明电气系统（SOC）信号处理流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例：请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种矿井综采工作面用惯性导航定位定向系统，具体步骤为：
步骤一：利用采煤机运行过程提供的里程信息，同惯导模块进行组合，共同组成惯性导航定位定向系统；
步骤二：采用组合导航解算模式，使用里程计信息对惯导模块本身的误差进行实时修正，精确计算出采煤机在综采工作面的三维位置和三轴姿态信息；
步骤三：将步骤二得到的姿态和位置信息通过以太网或CAN总线或RS485接口实时输出，提供控制中心实时拟合出采煤机在工作面的采掘轨迹情况和姿态情况；
步骤四：用于控制中心对综采控制面进行自动化调直，水平控制，以及操控顶部支架的移动，并控制采煤机向上向下挖掘，实现自动调高控制，以适应起伏的煤层变化。
步骤一中的惯导模块利用三只高精度加速度计和三只高精度光纤陀螺仪采用正交安装的方式进行安装。
高精度加速度计用于精确测量采煤机的三个方向的行进加速度，高精度光纤陀螺仪用于精确测量采煤机三个方向的转动角速度。
加速度和角速度结合采煤机输入的里程信息，送入导航解算模块，通过导航解算算法精确解算出采煤机的速度、位置和姿态运动信息。
惯性导航定位定向系统采用里程计同惯导模块辅助导航的方式，收集里程计信息同惯组模块解算数据共同进入卡尔曼滤波器进行组合滤波解算，输出采煤机的三维位置、速度、姿态和轨迹信息。
步骤一中的惯导模块采用惯导减振器进行减振处理，惯导减振器采用八点减振方式进行减振，在敏感组件设计时保证减振器的对称中心与敏感组件部分质量中心一致， 采煤机在挖掘过程中会产生强烈的振动。惯导模块产品作为高精度模块，在长时间强烈振动的情况下，一方面里面的核心传感部件容易损坏，另一方面，振动也会带来干扰噪声，影响导航解算精准度。为避免振动造成产品寿命、可靠性下降，以及解算精度降低的问题，产品从机械结构设计上采用采用内减振技术，进行减振系统设计时，保证减振系统沿三个方向的等刚度性能良好。惯导减振器的特性设计和布局是影响动态导航精度的一个重要因素，因此采用八点减振方式的减振系统设计方案。在敏感组件设计时保证减振器的对称中心与敏感组件部分质量中心一致，减少配平的难度，提高工艺性。通过该减震技术，能有效隔离采煤机采掘过程的剧烈振动，为内部传感导航解算模块提供良好的环境，保证产品寿命、可靠性和三维定位、定姿精度。
步骤三中为方便通讯接口扩展，采用片上系统SOC进行处理，在一个芯片上完成传感信号采集，接口通信和导航解算所有的功能，惯导系统进行了可靠性设计工作，具备上电自检测、周期自检测功能。惯导系统也开展了可维护性设计，支持通过外部接口上注煤机架号进行辅助校正参数的功能，系统具备通过外部接口进行参数修正，软件更新的功能。
具体步骤：
1：将惯导系统安装在采煤机上，坐标方向为X轴朝向采煤机行进方向；
2：设备上电，自动进行故障检测，检测内部通信接口是否功能正常，检测内核核心传感模块如：加速度计，陀螺仪等产品是否功能性能正常；
3：如果自检通过，进入“准备”状态，检测不通过，发出故障信息；
4：在“准备”状态下，通过以太网/CAN/RS485通讯接口同外部控制系统通讯；
5：如果接收到对准指令，系统转入“自对准”状态；
6：在“自对准”状态，惯导系统“数字逻辑模块”同时读入初始经纬度位置信息，并实时采集加速度计、陀螺仪等传感器信息，将数据定时打包以后，送入“系统处理模块”，采用卡尔曼滤波算法进行自对准，自寻北解算处理；
7：在“自对准”过程同时进行核心传感器件故障诊断工作，如果故障时间超过设定比例值，发出系统故障信息；如果对准正常，并达到设定对准时间，转入“导航”状态；
8：进入“导航”状态，惯导系统一方面采集加速度计、陀螺仪数据进行惯性导航解算工作，一方面采集采煤机输入的里程信息；（1）当惯性导航解算工作完成，且里程计数据判断有效，将解算后的数据连同采煤机里程信息一并送入卡尔曼滤波器，进行卡尔曼滤波解算，输出精确的导航解算融合数据；（2）如果采煤机里程数据判断为无效，则不进行卡尔曼滤波处理，将惯性导航解算的数据输出给控制系统，内部和故障定时器开始计时，当达到设定时间值，发出“系统故障”告警信息；
9：通讯按照用户需求，设定为每10ms-1s发出一次导航解算信息及状态信息，（1）导航解算信息包括，采煤机的三轴加速度信息，三轴速度信息，三轴位置信息（经度、纬度、高程），三轴姿态信息（俯仰、横滚、航向）；（2）状态信息包括和核心器件性能状态，导航解算数据有效状态，报警信息等；综采控制系统接收惯导系统发出的导航解算信息及状态信息。根据位置信息，通过控制算法，自动控制液压支架进行调直；根据高程和姿态信息，自动控制采煤机根据煤层起伏进行向上向下挖掘；根据姿态信息，供控制系统操控顶部支架的联动移动。
上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种矿井综采工作面用惯性导航定位定向系统，其特征在于：具体步骤为：
步骤一：利用采煤机运行过程提供的里程信息，同惯导模块进行组合，共同组成惯性导航定位定向系统；
步骤二：采用组合导航解算模式，使用里程计信息对惯导模块本身的误差进行实时修正，精确计算出采煤机在综采工作面的三维位置和三轴姿态信息；
步骤三：将步骤二得到的姿态和位置信息通过以太网或CAN总线或RS485接口实时输出，提供控制中心实时拟合出采煤机在工作面的采掘轨迹情况和姿态情况；
步骤四：用于控制中心对综采控制面进行自动化调直，水平控制，以及操控顶部支架的移动，并控制采煤机向上向下挖掘，实现自动调高控制，以适应起伏的煤层变化。
2.根据权利要求1所述的一种矿井综采工作面用惯性导航定位定向系统，其特征在于：所述步骤一中的惯导模块利用三只高精度加速度计和三只高精度光纤陀螺仪采用正交安装的方式进行安装。
3.根据权利要求2所述的一种矿井综采工作面用惯性导航定位定向系统，其特征在于：所述高精度加速度计用于精确测量采煤机的三个方向的行进加速度，所述高精度光纤陀螺仪用于精确测量采煤机三个方向的转动角速度。
4.根据权利要求3所述的一种矿井综采工作面用惯性导航定位定向系统，其特征在于：所述加速度和角速度结合采煤机输入的里程信息，送入导航解算模块，通过导航解算算法精确解算出采煤机的速度、位置和姿态运动信息。
5.根据权利要求1所述的一种矿井综采工作面用惯性导航定位定向系统，其特征在于：所述惯性导航定位定向系统采用里程计同惯导模块辅助导航的方式，收集里程计信息同惯组模块解算数据共同进入卡尔曼滤波器进行组合滤波解算，输出采煤机的三维位置、速度、姿态和轨迹信息。
6.根据权利要求1所述的一种矿井综采工作面用惯性导航定位定向系统，其特征在于：所述步骤一中的惯导模块采用惯导减振器进行减振处理，惯导减振器采用八点减振方式进行减振，在敏感组件设计时保证减振器的对称中心与敏感组件部分质量中心一致。
7.根据权利要求1所述的一种矿井综采工作面用惯性导航定位定向系统，其特征在于：所述步骤三中为方便通讯接口扩展，采用片上系统SOC进行处理，在一个芯片上完成传感信号采集，接口通信和导航解算所有的功能。
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