CN111396047B - 一种用于采煤工作面设备群的测量、定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于采煤工作面设备群的测量、定位系统及方法，所述方法：获取尾自移动测量定位箱的基点，并对尾自移动测量定位箱的基点坐标进行人工标定；沿着可伸缩导轨从后向前依次计算出每个移动定位箱基点坐标；直至算出移动测量定位基站的基点坐标，再计算出移动测量定位基站上设置的移动测量定位器的坐标；通过移动测量定位基站上设置的移动测量定位器对设定距离范围内的移动测量定位器进行定位；设定距离范围外的移动测量定位器用设定范围内的移动测量定位器进行定位；发生位置改变的移动测量定位器通过未发生改变的移动测量定位器进行定位，并结合采煤机机身上传感器的监测数据和平差方法实现采煤工作面设备群的精确测量和定位。

Description

一种用于采煤工作面设备群的测量、定位系统及方法

技术领域

本发明属于煤矿智能化开采技术领域，具体涉及一种用于采煤工作面设备群的测量、定位系统及方法。

背景技术

煤矿的智能化和无人化开采已是现代煤矿安全与生产的必由之路，目前，各大煤矿在智能化和无人化建设中投入了大量的人力和物力。但是，无论是从灾害预警和防治的角度，还是从智能化和无人化的角度，以及从提高生产效率的角度看，采煤工作面设备群的全程自动测量和绝对地理坐标定位技术已经成为制约煤矿实现可视化、智能化和无人化开采的技术瓶颈。目前，大多数研究还只停留在对采煤机自主导航上，其成果距智能化和无人化开采还相差甚远。仅煤机自主导航而言，比较先进的是公开号为“CN110847905A”的专利所公开得“采煤机自主导航系统及方法”,该方法把全站仪作为系统基准安装在运输上山与区段运输平巷交点，既不能适合区段运输平巷较长的情况，更不能处理采煤工作面非平直的运输巷道，事实上，很多大型矿井的工作面的运输巷道和回风巷道都长达几千米，而且由于煤层赋存地质条件的影响，几乎没有平直的运输巷道和回风巷道，故无法实现运输上山与区段运输平巷交点到回采工作面转载机的通视性。因此，仅对采煤机导航而言，公开号为“CN110847905A”的方法也无法适用于一般的回采工作面，更无法实现采煤工作面设备群在绝对地理坐标系统下的自动测量、导航和定位。

此为现有技术的不足，因此，针对现有技术中的上述缺陷，提供一种用于采煤工作面设备群的测量、定位系统及方法，是非常有必要的。

发明内容

针对现有技术的上述目前无法突破煤矿智能开采和无人开采技术瓶颈的缺陷，本发明提供一种用于采煤工作面设备群的测量、定位系统及方法，以解决上述技术问题。

第一方面，本发明提供一种用于采煤工作面设备群的测量、定位系统，其特征在于，包括自移动测量定位箱、移动测量定位基站以及移动测量定位器；

所述采煤工作面设备包括采煤机、刮板运输机、转载机、可伸缩带式输送机、液压支架及端头支架；

若干液压支架并行设置在采煤工作面顶板下部，端头支架设置在采煤工作面两端的顶部下部；

采煤机设置在采煤工作面顶板下部，采煤机与刮板运输机连接，采煤机与刮板运输机沿着采煤工作面向前推进；

采煤工作面两端分别设有工作面运输顺槽和回风顺槽，工作面运输顺槽以及回风顺槽与采煤工作面的夹角与90度的差值小于设定阈值；

转载机设置在采煤工作面与工作面运输顺槽连接处，转载机一端用于搭接刮板运输机；

工作面运输顺槽内设置有可伸缩运输顺槽皮带，可伸缩带式输送机与转载机另一端搭接，可伸缩运输顺槽皮带上方设置有可伸缩导轨，用于引导自移动测量定位箱运动；

移动测量定位基站设在转载机上方并与转载机固定连接；

自移动测量定位箱的数量为若干个，自移动测量定位箱根据运输顺槽的平直情况设置在可伸缩导轨上；设定距离移动测量定位基站最近的自移动测量定位箱为首自移动测量定位箱，距离移动测量定位基站最远的自移动测量定位箱为尾自移动测量定位箱；

移动测量定位器数量为若干个，分别设置于移动测量定位基站、液压支架、端头支架、刮板运输机、采煤机处；各移动测量定位器用于相互之间的互相定位；

移动测量定位基站上还设置有激光靶球和姿态角传感器；

自移动测量定位箱上还设置有激光靶球、姿态角传感器及激光全站仪；

激光靶球用于相邻的自移动测量定位箱上的激光全站仪进行定位；

姿态角传感器用于测量其所在的移动测量定位基站或自移动测量定位箱的航向角、俯仰角及横滚角；

激光全站仪用于对相邻的移动测量定位基站或自移动测量定位箱上的激光靶球进行定位，以及对激光全站仪自身进行反向定位。

进一步地，液压支架上设置有倾角传感器，用于检测液压支架的倾角；

液压支架的油缸上设置有行程传感器，用于测量各立柱和推溜油缸的行程；

采煤机上设置有旋转角度编码器，用于测量采煤机行走部轴的旋转角；

采煤机及转载机上均设置有振动传感器，用于分别监测采煤机及转载机各向振动信号。

进一步地，每个移动测量定位器均设置有发射模块和接收模块，两个移动测量定位器之间设置有信号强度通道及飞行时间通道。

进一步地，转载机处还设置有4G/5G数据传输基站，4G/5G数据传输基站随着工作面的推进与转载机同步移动；

4G/5G数据传输基站与自移动测量定位箱、移动测量定位基站、移动测量定位器、采煤机、液压支架上设置的移动测量定位器以及各传感器进行通信；

远程设置有数据处理器和控制器，数据处理器和控制器与4G/5G数据传输基站无线连接，用于进行数据处理、平差计算以及对移动设备的导航控制。

第二方面，本发明提供一种用于采煤工作面设备群的测量、定位方法，包括如下步骤：

S1.获取尾自移动测量定位箱的基点，并对尾自移动测量定位箱的基点坐标进行人工标定；

S2.沿着可伸缩导轨依次计算出尾自移动测量定位箱前方的移动测量定位箱基点坐标，直至计算出首移动测量定位箱基点坐标；

S3.根据首移动测量定位箱基点坐标计算出移动测量定位基站的基点坐标，再计算出移动测量定位基站上设置的移动测量定位器的坐标；

S4.通过移动测量定位基站上设置的移动测量定位器对设定距离范围内的端头支架、液压支架、刮板运输机及采煤机上设置的移动测量定位器进行定位；

S5.设定距离范围外的端头支架、液压支架、刮板运输机及采煤机上设置的移动测量定位器用设定范围内的移动测量定位器进行定位；

S6.当端头支架、液压支架、刮板运输机及采煤机发生位置改变时，则发生位置改变的端头支架、液压支架、刮板运输机及采煤机上的移动测量定位器通过未发生改变的移动测量定位器进行定位。

进一步地，步骤S4、S5及S6中，移动测量定位器之间通过信号强度通道发送数据信号强度，通过飞行时间通道发送飞行时间信号；

移动测量定位器之间通过信号飞行时间与飞行速度乘积计算出距离差，再以数据信号强度为权值进行最优平差计算，根据已知移动测量定位器获得待定位的移动测量定位器的坐标。

进一步地，还包括如下步骤：

S7.根据对应移动测量定位器计算出各端头支架及液压支架的位置坐标，获取各端头支架、及液压支架的姿态角传感器数据，获取推溜油缸的行程，计算出刮板运输机相应点的第一空间位置；

S8.获取根据步骤S4定位的刮板运输机的移动测量定位器所在点的第二空间位置；

S9.获取采煤机上姿态角传感器监测的航向角和采煤机行走部轴的编码器监测数据，计算出采煤机的行走轨迹，再计算出刮板运输机相应点的第三空间位置；

S10.根据刮板运输机上点的第一空间位置、第二空间位置以及第三空间位置进行拟合平差得到刮板运输机的精确位姿和直线度。

进一步地，步骤S3具体步骤如下：

S31.以移动测量定位基站的激光靶球为基点设置基站坐标系；

S32.获取移动测量定位基站上姿态角传感器测出的航向角、俯仰角以及横滚角，并根据移动测量定位基站的航向角、俯仰角及横滚角计算出基站坐标系的单位向量；

S33.获取首移动测量定位箱的激光全站仪基点的绝对地理坐标，以及首移动测量定位箱的激光全站仪测得的移动测量定位基站的激光靶球的方位角、倾角及斜距，计算出基站坐标系原点的绝对地理坐标；

S34.计算出移动测量定位基站每个移动测量定位器的绝对地理坐标；

上述步骤S32中，移动测量定位基站通过振动传感器监测各向振动信号，对移动测量定位基站的航向角、俯仰角、横滚角进行实时滤波和修正。滤波和修正后数据为精确计算移动定位基站的姿态和坐标方向提供基础数据；采煤机上也设置有振动传感器，对采煤机的航向角、俯仰角、横滚角进行实时滤波和修。

进一步地，步骤S4、S5以及S6中，实时计算出端头支架、液压支架、刮板运输机及采煤机的绝对位置和姿态后，首先获取采煤机摇臂的倾角传感器监测数据，计算出采煤机滚筒的实时三维绝对地理坐标，再获取液压支架和端头支架的倾角传感器和立柱行程传感器监测数据，分别计算液压支架及端头支架的左右倾角、高度和顶梁位置。

进一步地，获取到移动测量定位箱、移动测量定位基站、移动测量定位器、采煤机、液压支架的位置信息及其所附带的传感器采集到的实时信息均通过4G/5G数据传输基站以及以太网实时传送到远程的数据处理器和控制器；

数据处理器和控制器进行数据处理、平差计算以及对移动设备的导航控制。为实现采煤工作面的智能化和无人化提供技术支撑。

本发明的有益效果在于，

本发明提供的用于采煤工作面设备群的测量、定位系统及方法，实现采煤工作面设备群在绝对地理坐标系统下的全程自动测量、导航和定位，实现煤矿回采工作面开采作业的全程无人化。

此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的系统结构示意图一；

图2是本发明的系统结构示意图二；

图3是本发明的方法流程示意图一；

图4是本发明的方法流程示意图二；

图中，1-自移动测量定位箱；2-激光全站仪；3-姿态角传感器；4-可伸缩导轨；5-移动测量定位基站；6-激光靶球；7-移动测量定位器；8-采煤机；9-刮板运输机；10-液压支架；11-端头支架；12-转载机；13-可伸缩带式输送机；14-采煤机的摇臂；15-采煤机的滚筒；16-4G/5G数据传输基站。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。用于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1和图2所示，本发明提供一种用于采煤工作面设备群的测量、定位系统，包括自移动测量定位箱1、移动测量定位基站5以及移动测量定位器7；

所述采煤工作面设备包括采煤机8、刮板运输机9、转载机12、可伸缩带式输送机13、液压支架10及端头支架11；

若干液压支架10并行设置在采煤工作面顶板下部，端头支架11设置在采煤工作面两端的顶部下部；

采煤机8设置在采煤工作面顶板下部，采煤机8与刮板运输机9连接，采煤机8与刮板运输机9沿着采煤工作面向前推进；

采煤工作面两端分别设有工作面运输顺槽和回风顺槽，工作面运输顺槽以及回风顺槽与采煤工作面的夹角与90度的差值小于设定阈值；

转载机12设置在采煤工作面与工作面运输顺槽连接处，转载机12一端用于搭接刮板运输机9；

工作面运输顺槽内设置有可伸缩运输顺槽皮带，可伸缩带式输送机13与转载机12另一端搭接，可伸缩运输顺槽皮带上方设置有可伸缩导轨4，用于引导自移动测量定位箱1运动；

移动测量定位基站5设在转载机12上方并与转载机12固定连接；

自移动测量定位箱1的数量为若干个，自动测量定位箱根据运输顺槽的平直情况设置在可伸缩导轨4上；设定距离移动测量定位基站5最近的自移动测量定位箱1为首自移动测量定位箱，距离移动测量定位基站5最远的自移动测量定位箱1为尾自移动测量定位箱；自移动测量定位箱1的数量以1-3个适宜；

移动测量定位器7数量为若干个，分别设置于移动测量定位基站5、液压支架10、端头支架11、刮板运输机9、采煤机8处；各移动测量定位器7用于相互之间的互相定位；每个移动测量定位器7均设置有发射模块和接收模块，两个移动测量定位器7之间设置有信号强度通道及飞行时间通道；移动测试定位基站5上设置移动测量定位器5的数量为4-6个；

移动测量定位基站5上还设置有激光靶球6和姿态角传感器3；

自移动测量定位箱1上还设置有激光靶球6、姿态角传感器3及激光全站仪2；

激光靶球6用于相邻的自移动测量定位箱1上的激光全站仪2进行定位；

姿态角传感器3用于测量其所在的移动测量定位基站5或自移动测量定位箱1的航向角、俯仰角及横滚角；

激光全站仪用于对相邻的移动测量定位基站或自移动测量定位箱上的激光靶球进行定位，以及对激光全站仪自身进行反向定位；

液压支架10上设置有倾角传感器，用于检测液压支架10的倾角；

液压支架10的油缸上设置有行程传感器，用于测量各立柱和推溜油缸的行程；

采煤机8上设置有旋转角度编码器，用于测量采煤机8行走部轴的旋转角；

采煤机8及转载机12上均设置有振动传感器，用于分别监测采煤机8及转载机12各向振动信号；

转载机12处还设置有4G/5G数据传输基站16，4G/5G数据传输基站16随着工作面的推进与转载机12同步移动；

4G/5G数据传输基站16与自移动测量定位箱1、移动测量定位基站5、移动测量定位器7、采煤机8、液压支架10上设置的移动测量定位器7以及各传感器进行通信；

远程设置有数据处理器和控制器，数据处理器和控制器与4G/5G数据传输基站16无线连接，用于进行数据处理、平差计算以及对移动设备的导航控制。

实施例2：

如图3所示，本发明提供一种用于采煤工作面设备群的测量、定位方法，包括如下步骤：

S1.获取尾自移动测量定位箱的基点，并对尾自移动测量定位箱的基点坐标进行人工标定；

S2.沿着可伸缩导轨依次计算出尾自移动测量定位箱前方的移动测量定位箱基点坐标，直至计算出首移动测量定位箱基点坐标；

S3.根据首移动测量定位箱基点坐标计算出移动测量定位基站的基点坐标，再计算出移动测量定位基站上设置的移动测量定位器的坐标；

S4.通过移动测量定位基站上设置的移动测量定位器对设定距离范围内的端头支架、液压支架、刮板运输机及采煤机上设置的移动测量定位器进行定位；

S5.设定距离范围外的端头支架、液压支架、刮板运输机及采煤机上设置的移动测量定位器用设定范围内的移动测量定位器进行定位；

S6.当端头支架、液压支架、刮板运输机及采煤机发生位置改变时，则发生位置改变的端头支架、液压支架、刮板运输机及采煤机上的移动测量定位器通过未发生改变的移动测量定位器进行定位。

实施例3：

如图4所示，本发明提供一种用于采煤工作面设备群的测量、定位方法，包括如下步骤：

S1.获取尾自移动测量定位箱的基点，并对尾自移动测量定位箱的基点坐标进行人工标定；

S2.沿着可伸缩导轨依次计算出尾自移动测量定位箱前方的移动测量定位箱基点坐标，直至计算出首移动测量定位箱基点坐标；

S3.根据首移动测量定位箱基点坐标计算出移动测量定位基站的基点坐标，再计算出移动测量定位基站上设置的移动测量定位器的坐标；具体步骤如下：

S31.以移动测量定位基站的激光靶球为基点设置基站坐标系；

S32.获取移动测量定位基站上姿态角传感器测出的航向角、俯仰角以及横滚角，并根据移动测量定位基站的航向角、俯仰角及横滚角计算出基站坐标系的单位向量；

S33.获取首移动测量定位箱的激光全站仪基点的绝对地理坐标，以及首移动测量定位箱的激光全站仪测得的移动测量定位基站的激光靶球的方位角、倾角及斜距，计算出基站坐标系原点的绝对地理坐标；

S34.计算出移动测量定位基站每个移动测量定位器的绝对地理坐标；

上述步骤S32中，移动测量定位基站通过振动传感器监测各向振动信号，对移动测量定位基站的航向角、俯仰角、横滚角进行实时滤波和修正。滤波和修正后数据为精确计算移动定位基站的姿态和坐标方向提供基础数据；采煤机上也设置有振动传感器，对采煤机的航向角、俯仰角、横滚角进行实时滤波和修；

S4.通过移动测量定位基站上设置的移动测量定位器对设定距离范围内的端头支架、液压支架、刮板运输机及采煤机上设置的移动测量定位器进行定位；

S5.设定距离范围外的端头支架、液压支架、刮板运输机及采煤机上设置的移动测量定位器用设定范围内的移动测量定位器进行定位；

S6.当端头支架、液压支架、刮板运输机及采煤机发生位置改变时，则发生位置改变的端头支架、液压支架、刮板运输机及采煤机上的移动测量定位器通过未发生改变的移动测量定位器进行定位；

S7.根据对应移动测量定位器计算出各端头支架及液压支架的位置坐标，获取各端头支架、及液压支架的姿态角传感器数据，获取推溜油缸的行程，计算出刮板运输机相应点的第一空间位置；

S8.获取根据步骤S4定位的刮板运输机的移动测量定位器所在点的第二空间位置；

S9.获取采煤机上姿态角传感器监测的航向角和采煤机行走部轴的编码器监测数据，计算出采煤机的行走轨迹，再计算出刮板运输机相应点的第三空间位置；

S10.根据刮板运输机上点的第一空间位置、第二空间位置以及第三空间位置进行拟合平差得到刮板运输机的精确位姿和直线度。

上述实施例3中，步骤S4、S5及S6中，移动测量定位器之间通过信号强度通道发送数据信号强度，通过飞行时间通道发送飞行时间信号；

移动测量定位器之间通过信号飞行时间与飞行速度乘积计算出距离差，再以数据信号强度为权值进行最优平差计算，根据已知移动测量定位器获得待定位的移动测量定位器的坐标；

步骤S4、S5以及S6中，实时计算出端头支架、液压支架、刮板运输机及采煤机的绝对位置和姿态后，首先获取采煤机摇臂的倾角传感器监测数据，计算出采煤机滚筒的实时三维绝对地理坐标，再获取液压支架和端头支架的倾角传感器和立柱行程传感器监测数据，分别计算液压支架及端头支架的左右倾角、高度和顶梁位置。

上述实施例3中，获取到移动测量定位箱、移动测量定位基站、移动测量定位器、采煤机、液压支架的位置信息及其所附带的传感器采集到的实时信息均通过4G/5G数据传输基站以及以太网实时传送到远程的数据处理器和控制器；

数据处理器和控制器进行数据处理、平差计算以及对移动设备的导航控制，为实现采煤工作面的智能化和无人化提供技术支撑。

实施例4：

本发明提供一种用于采煤工作面设备群的测量、定位方法，包括如下步骤：

S1.获取尾自移动测量定位箱的基点，并对尾自移动测量定位箱的基点坐标进行人工标定；设定距离移动测量定位基站最近的自移动测量定位箱为首自移动测量定位箱，距离移动测量定位基站最远的自移动测量定位箱为尾自移动测量定位箱；

S2.沿着可伸缩导轨依次计算出尾自移动测量定位箱前方的移动测量定位箱基点坐标，直至计算出首移动测量定位箱基点坐标；

S3.根据首移动测量定位箱基点坐标计算出移动测量定位基站的基点坐标，再计算出移动测量定位基站上设置的移动测量定位器的坐标；具体步骤如下：

设移动测量定位基站5上激光靶球6的基点的绝对地理坐标为Q_q＝(x_q,y_q,z_q)，指定以Q为原点，面向采煤工作面的方向为Y轴，右侧方向为X轴，上方为Z轴为移动测量定位基站坐标系，简化称基站坐标系，记坐标轴绝对地理坐标系统中对应的单位向量分别为

和

移动测量定位器7都用小圆点表示，设移动测量定位基站上设有N个移动测量定位器D₁,D₂,…,D_N，在基站坐标系中的坐标标定为

由此可知，各移动测量定位器的绝对地理坐标为

并有

或写成向量形式

由此可知，只要能够实时计算出Q_q以及X_j，Y_j和Z_j，就能实时计算出移动测量定位基站每个移动测量定位器的绝对地理坐标为

关于移动测量定位基站坐标轴向量X_j，Y_j和Z_j，只要利用移动测量定位基站上航姿态角传感器侧出的航向角ψ_d、俯仰角θ_d、横滚角φ_d就可以计算出来；

关于移动测量定位基站上激光靶球基点的绝对地理坐标为Q_q＝(x_q,y_q,z_q)可用首自移动测量定位箱上激光全站仪基点的绝对地理坐标

以及激光全站仪测得的激光靶球6的方位角α₁、倾角β₁和斜距l₁计算得出；

S4.通过移动测量定位基站上设置的移动测量定位器对设定距离范围内的端头支架、液压支架、刮板运输机及采煤机上设置的移动测量定位器进行定位；

S5.设定距离范围外的端头支架、液压支架、刮板运输机及采煤机上设置的移动测量定位器用设定范围内的移动测量定位器进行定位；

S6.当端头支架、液压支架、刮板运输机及采煤机发生位置改变时，则发生位置改变的端头支架、液压支架、刮板运输机及采煤机上的移动测量定位器通过未发生改变的移动测量定位器进行定位；

S7.根据对应移动测量定位器计算出各端头支架及液压支架的位置坐标，获取各端头支架、及液压支架的姿态角传感器数据，获取推溜油缸的行程，计算出刮板运输机相应点的第一空间位置；

例如对第j个液压支架推溜油缸基点的绝对地理坐标

和油缸的推溜形成d_j，部分假设油缸的推溜方向为为单位向量

如果有部分液压支架安装陀螺仪可测得方位角，则

就用方位角计算，否则就取

为工作面的推进方向，此时可用下式计算出刮板输送机上相应于第j个液压支架的绝对坐标点

假设有N₁个液压支架参与监测和计算，就可获得刮板输送机上N₁个坐标点。即

S8.获取根据步骤S4定位的刮板运输机的移动测量定位器所在点的第二空间位置；

假设刮板输送机上有N₂个点

安装了移动测量定位器，则可用步骤S7的方法计算出刮板输送机上这N₂的空间位置，即

S9.获取采煤机上姿态角传感器监测的航向角和采煤机行走部轴的编码器监测数据，计算出采煤机的行走轨迹，再计算出刮板运输机相应点的第三空间位置；

采煤机上安装有振动传感器和姿态角传感器，假设采煤机从工作面的转载机端开始到另一端结束为一个循环刀，并设每一个循环刀中时间从0到t测得的振动信号为m(t)，含噪的航向角信号为x'_ψ(t)、含噪的俯仰角信号为x'_θ(t)、含噪的横滚角信号为x'_φ(t)，利用VMD变分模态分解方法对m(t)、x'_ψ(t)、x'_θ(t)和x'_φ(t)进行同步分解，并根据振动信号m(t)分解中的中心频率确定分解个数K值，得到降噪后的航向角信号为x_ψ(t)、俯仰角信号为x_θ(t)、横滚角信号为x_φ(t)，利用x_ψ(t)、x_θ(t)和x_φ(t)实时计算出采煤机的机身坐标系和采煤机在绝对地理坐标系中的前进方向的单位向量为：

Q(t)＝(q_x(t),q_y(t),q_z(t))^T

假设从从工作面的转载机端开始到刮板输送机的另一端需要监测和计算N₃个关键点，即

其中，

端刮板输送机起始端点，

端刮板输送机的另一个端点；

在该循环刀开始时，采煤机的基点坐标(x_c(0),y_c(0),z_c(0))，可以定出采煤机行走部轴的编码器在个时段的行走距离S(t)，因此，有

(x_c(j),y_c(j),z_c(j))＝(x_c(j-1),y_c(j-1),z_c(j-1))+S(j-1)×(q_x(j-1),q_y(j-1),q_z(j-1))

(j＝1,2,…,N₃)

在根据

与采煤机基点的相对为和采煤机的机身坐标方向，就可计算出刮板输送机上

的绝对地理坐标；

S10.根据刮板运输机上点的第一空间位置、第二空间位置以及第三空间位置进行拟合平差得到刮板运输机的精确位姿和直线度；

仍然假设从采煤工作面的转载机端开始到刮板输送机的另一端，把点集

和

中的点依次排列成

其中N＝N₁+N₂+N₃；

再把

分解为二维点

和

分别对点列

和

利用离散能量法进行光顺优化，得到

和

重新组合就可到拟合平差后的刮板输送机关键点坐标序列：

根据采煤工作面和刮板输送机专业特点，此处采用下列公式计算刮板输送机的直线度E：

其中，

为二维向量的长度，

为单位向量。

上述实施例3中，步骤S4、S5及S6中，移动测量定位器之间通过信号强度通道发送数据信号强度，通过飞行时间通道发送飞行时间信号；

移动测量定位器之间通过信号飞行时间与飞行速度乘积计算出距离差，再以数据信号强度为权值进行最优平差计算，根据已知移动测量定位器获得待定位的移动测量定位器的坐标；

假设在时刻t有一个移动测量定位器M₀其绝对地理坐标

还未知，有K个移动测量定位器M_i(i＝1,2,…,K)的绝对地理坐标

已知。则通过求解下列全局优化问题，就可求得

式中，ω_i0为移动测量定位器M_i移动测量定位器M₀的信号强度，t_i0为移动测量定位器M_i移动测量定位器M₀的信号飞行时间，v_i0为移动测量定位器M_i移动测量定位器M₀的信号飞行速度，并且ω_i0、t_i0、v_i0(i＝1,2,…,K)均为常数；

步骤S4、S5以及S6中，实时计算出端头支架、液压支架、刮板运输机及采煤机的绝对位置和姿态后，首先获取采煤机摇臂的倾角传感器监测数据，计算出采煤机滚筒的实时三维绝对地理坐标，再获取液压支架和端头支架的倾角传感器和立柱行程传感器监测数据，分别计算液压支架及端头支架的左右倾角、高度和顶梁位置。

上述实施例3中，获取到移动测量定位箱、移动测量定位基站、移动测量定位器、采煤机、液压支架的位置信息及其所附带的传感器采集到的实时信息均通过4G/5G数据传输基站以及以太网实时传送到远程的数据处理器和控制器；

数据处理器和控制器进行数据处理、平差计算以及对移动设备的导航控制，为实现采煤工作面的智能化和无人化提供技术支撑。

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种用于采煤工作面设备群的测量、定位系统的方法，其特征在于，用于采煤工作面设备群的测量、定位系统包括自移动测量定位箱、移动测量定位基站以及移动测量定位器；

所述采煤工作面设备包括采煤机、刮板运输机、转载机、可伸缩带式输送机、液压支架及端头支架；

若干液压支架并行设置在采煤工作面顶板下部，端头支架设置在采煤工作面两端的顶部下部；

采煤机设置在采煤工作面顶板下部，采煤机与刮板运输机连接，采煤机与刮板运输机沿着采煤工作面向前推进；

采煤工作面两端分别设有工作面运输顺槽和回风顺槽，工作面运输顺槽以及回风顺槽与采煤工作面的夹角与90度的差值小于设定阈值；

转载机设置在采煤工作面与工作面运输顺槽连接处，转载机一端用于搭接刮板运输机；

工作面运输顺槽内设置有可伸缩运输顺槽皮带，可伸缩带式输送机与转载机另一端搭接，可伸缩运输顺槽皮带上方设置有可伸缩导轨，用于引导自移动测量定位箱运动；

移动测量定位基站设在转载机上方并与转载机固定连接；

自移动测量定位箱的数量为若干个，自移动测量定位箱根据运输顺槽的平直情况设置在可伸缩导轨上；设定距离移动测量定位基站最近的自移动测量定位箱为首自移动测量定位箱，距离移动测量定位基站最远的自移动测量定位箱为尾自移动测量定位箱；

移动测量定位器数量为若干个，分别设置于移动测量定位基站、液压支架、端头支架、刮板运输机、采煤机处；各移动测量定位器用于相互之间的互相定位；

移动测量定位基站上还设置有激光靶球和姿态角传感器；

自移动测量定位箱上还设置有激光靶球、姿态角传感器及激光全站仪；

激光靶球用于相邻的自移动测量定位箱上的激光全站仪进行定位；

姿态角传感器用于测量其所在的移动测量定位基站或自移动测量定位箱的航向角、俯仰角及横滚角；

激光全站仪用于对相邻的移动测量定位基站或自移动测量定位箱上的激光靶球进行定位，以及对激光全站仪自身进行反向定位；

其中，液压支架上设置有倾角传感器，用于检测液压支架的倾角；

液压支架的油缸上设置有行程传感器，用于测量各立柱和推溜油缸的行程；

采煤机上设置有旋转角度编码器，用于测量采煤机行走部轴的旋转角；

采煤机及转载机上均设置有振动传感器，用于分别监测采煤机及转载机各向振动信号；

一种用于采煤工作面设备群的测量、定位方法，包括如下步骤：

S1.获取尾自移动测量定位箱的基点，并对尾自移动测量定位箱的基点坐标进行人工标定；

S2.沿着可伸缩导轨依次计算出尾自移动测量定位箱前方的移动测量定位箱基点坐标，直至计算出首移动测量定位箱基点坐标；

S3.根据首移动测量定位箱基点坐标计算出移动测量定位基站的基点坐标，再计算出移动测量定位基站上设置的移动测量定位器的坐标；

S4.通过移动测量定位基站上设置的移动测量定位器对设定距离范围内的端头支架、液压支架、刮板运输机及采煤机上设置的移动测量定位器进行定位；

S5.设定距离范围外的端头支架、液压支架、刮板运输机及采煤机上设置的移动测量定位器用设定范围内的移动测量定位器进行定位；

S6.当端头支架、液压支架、刮板运输机及采煤机发生位置改变时，则发生位置改变的端头支架、液压支架、刮板运输机及采煤机上的移动测量定位器通过未发生改变的移动测量定位器进行定位；

其中，步骤S4、S5及S6中，移动测量定位器之间通过信号强度通道发送数据信号强度，通过飞行时间通道发送飞行时间信号；

移动测量定位器之间通过信号飞行时间与飞行速度乘积计算出距离差，再以数据信号强度为权值进行最优平差计算，根据已知移动测量定位器获得待定位的移动测量定位器的坐标；

其中，还包括如下步骤：

S7.根据对应移动测量定位器计算出各端头支架及液压支架的位置坐标，获取各端头支架、及液压支架的姿态角传感器数据，获取推溜油缸的行程，计算出刮板运输机相应点的第一空间位置；

S8.获取根据步骤S4定位的刮板运输机的移动测量定位器所在点的第二空间位置；

S9.获取采煤机上姿态角传感器监测的航向角和采煤机行走部轴的编码器监测数据，计算出采煤机的行走轨迹，再计算出刮板运输机相应点的第三空间位置；

S10.根据刮板运输机上点的第一空间位置、第二空间位置以及第三空间位置进行拟合平差得到刮板运输机的精确位姿和直线度；

其中，步骤S3具体步骤如下：

S31.以移动测量定位基站的激光靶球为基点设置基站坐标系；

S32.获取移动测量定位基站上姿态角传感器测出的航向角、俯仰角以及横滚角，并根据移动测量定位基站的航向角、俯仰角及横滚角计算出基站坐标系的单位向量；

S33.获取首移动测量定位箱的激光全站仪基点的绝对地理坐标，以及首移动测量定位箱的激光全站仪测得的移动测量定位基站的激光靶球的方位角、倾角及斜距，计算出基站坐标系原点的绝对地理坐标；

S34.计算出移动测量定位基站每个移动测量定位器的绝对地理坐标；

上述步骤S32中，移动测量定位基站通过振动传感器监测各向振动信号，对移动测量定位基站的航向角、俯仰角、横滚角进行实时滤波和修正；滤波和修正后数据为精确计算移动定位基站的姿态和坐标方向提供基础数据；采煤机上也设置有振动传感器，对采煤机的航向角、俯仰角、横滚角进行实时滤波和修；

其中，步骤S4、S5以及S6中，实时计算出端头支架、液压支架、刮板运输机及采煤机的绝对位置和姿态后，首先获取采煤机摇臂的倾角传感器监测数据，计算出采煤机滚筒的实时三维绝对地理坐标，再获取液压支架和端头支架的倾角传感器和立柱行程传感器监测数据，分别计算液压支架及端头支架的左右倾角、高度和顶梁位置；

其中，获取到移动测量定位箱、移动测量定位基站、移动测量定位器、采煤机、液压支架的位置信息及其所附带的传感器采集到的实时信息均通过4G/5G数据传输基站以及以太网实时传送到远程的数据处理器和控制器；

数据处理器和控制器进行数据处理、平差计算以及对移动设备的导航控制。

2.如权利要求1所述的用于采煤工作面设备群的测量、定位系统的方法，其特征在于，每个移动测量定位器均设置有发射模块和接收模块，两个移动测量定位器之间设置有信号强度通道及飞行时间通道。

3.如权利要求1所述的用于采煤工作面设备群的测量、定位系统的方法，其特征在于，转载机处还设置有4G/5G数据传输基站，4G/5G数据传输基站随着工作面的推进与转载机同步移动；

4G/5G数据传输基站与自移动测量定位箱、移动测量定位基站、移动测量定位器、采煤机、液压支架上设置的移动测量定位器以及各传感器进行通信；

远程设置有数据处理器和控制器，数据处理器和控制器与4G/5G数据传输基站无线连接，用于进行数据处理、平差计算以及对移动设备的导航控制。

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