CN112360457B - 一种基于三角煤切割原理的采煤机定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于三角煤切割原理的采煤机定位方法，包括如下步骤：布置采煤机定位系统，并对采煤机定位系统组网；定位装置获取各个定位基站的实际三维坐标；分别获取端头处和端尾处的定位标签测量的与各个定位基站的距离值，结合各个定位基站的三维坐标分别计算端头处定位标签的初始三维坐标及端尾处的定位标签的初始三维坐标；在采煤机切割煤壁的过程中，基于三角煤切割原理，根据端头处或端尾处的定位标签及采煤机相对定位标签的相对位移获取采煤机的实时X向坐标值和Y向坐标值；获取采煤机的Z向坐标值，最终获取采煤机的实时位置坐标。本发明无需复杂的传感设备，误差小，设备安全可靠易于安装、操作简便。

Description

一种基于三角煤切割原理的采煤机定位方法

技术领域

本发明涉及一种定位技术，尤其涉及一种基于三角煤切割原理的采煤机定位方法。

背景技术

在煤矿井下，现有的井下测距技术或采煤机位置的检测中，传统的方法有将传感器布置在采煤机上，采煤机的位置定位主要是通过采煤机内部的传感设备和相关机电设备推算的粗略位置，该方法繁琐，误差大。而目前由于超宽带无线通信技术UWB相比其他的无线的定位方式其具有很高的带宽，抗干扰能力强、抗多径强、低功耗、视距范围内的误差能够达到厘米级别等优点，所以已被广泛的利用。目前已有很多利用UWB方式进行对采煤机的定位，但是通常都是将UWB标签直接安装在采煤机上，由基站直接对采煤机进行直接定位，该方法忽略了视距遮挡带来的影响，由于地形起伏和工作面内空间小，金属设备多等因素，采煤机上的UWB标签卡在采煤机移动过程中信号时常会被遮挡、反射导致误差变大，定位失败，进而使计算结果会与实际情况存在一定偏差，定位精度不高。

公开号为CN211950491U的采煤机自主导航系统，利用UWB移动基站群寻北仪及倾角传感器用以对采煤机机身姿态进行绝对测量，该方法需要用到基站较多，每个液压支架下都要进行安装，且还需要利用寻北仪和倾角传感器进行辅助测量，安装和测量上都较为复杂。

公开号为CN104612682B的一种基于UWB采煤机绝对位置精确校准方法及装置，由基站直接对采煤机进行直接定位，该方法忽略了视距遮挡带来的影响，由于地形起伏和工作面内空间小，金属设备多等因素，采煤机上的UWB标签卡在采煤机移动过程中信号时常会被遮挡、反射导致误差大。

发明内容

为解决现有技术中的问题，本发明提供一种基于三角煤切割原理的采煤机定位方法。

本发明基于三角煤切割原理的采煤机定位方法包括如下步骤：

步骤一、布置采煤机定位系统，并对采煤机定位系统组网，所述采煤机定位系统包括4个以上的非直线设置的定位基站，及分别设置在刮板运输机端头和端尾的、与定位基站相连的定位标签，还包括定位装置，及设置在采煤机上的相对位移测量模块，其中，定位装置分别与定位基站和定位标签相连，定位装置能够获取采煤机的相对位移测量模块的位移信息；

步骤二、定位装置获取各个定位基站的实际三维坐标；

步骤三、分别获取端头处和端尾处的定位标签测量的与各个定位基站的距离值，结合各个定位基站的三维坐标分别计算端头处定位标签的初始三维坐标(x，y，z)及端尾处的定位标签的初始三维坐标；

步骤四、在采煤机切割煤壁的过程中，基于三角煤切割原理，根据端头处或端尾处的定位标签及采煤机相对定位标签的相对位移获取采煤机的实时X向坐标值和Y向坐标值；

步骤五、通过端头和端尾的定位标签的Z向坐标值进行差值获取采煤机的Z向坐标值，最终获取采煤机的实时位置坐标。

本发明作进一步改进，还包括步骤五、定位装置根据采煤机的实时位置坐标，建立采煤机位置模型。

本发明作进一步改进，所述刮板运输机和采煤机两侧设有进风巷道和回风巷道，所述定位基站均匀设置在所述进风巷道和回风巷道中。

本发明作进一步改进，所述定位基站距离地面的高度各不相同。

本发明作进一步改进，所述刮板运输机的端头和端尾处的定位标签分别设置在进风巷道和回风巷道中，所述定位基站每侧设有4个以上，所述定位标签与同侧巷道的定位基站相连。

本发明作进一步改进，所述定位标签和定位基站分别设有测距模块和通讯模块，所述定位标签和定位基站分别通过通讯模块与定位装置相连，将所述定位标签信息及测距信息发送给定位装置，或者，所述定位标签通过通信模块将测距信息发送给定位基站，定位基站将测距信息或处理后的信息发送给定位系统。

本发明作进一步改进，所述定位基站为UWB定位基站，所述定位标签为UWB定位标签，UWB为超宽带。

本发明作进一步改进，步骤二中，当采煤机在端头初始位置时，端头处的定位标签分别依次与其中4个定位基站进行飞行时间TOF测距，得到与4个定位基站的距离值，结合4个定位基站的三维坐标利用4点定位算法计算出端头处的定位标签的初始三维坐标(x，y，z)；然后，根据其中4个定位基站与端尾处定位标签距离值，获取端尾处定位标签的初始三维坐标。

本发明作进一步改进，步骤三中，当采煤机由端头初始位置，向端尾方向实时移动时，根据端头处的定位标签的三维坐标获取采煤机的Y向坐标值，根据端头处定位标签的三维坐标及相对位移测量模块获取所述采煤机的X向坐标值；

当采煤机由端尾向端头方向实时移动时，根据端尾处的定位标签的三维坐标获取采煤机的实时Y向坐标值，根据端尾处定位标签的三维坐标及相对位移测量模块获取所述采煤机的实时X向坐标值。

本发明作进一步改进，基于三角煤切割原理，所述采煤机实时X向坐标值和Y向坐标值的计算方法为：

S31：当采煤机在端头初始位置开始进刀割入煤壁时，根据端头处的定位标签的实时三维坐标(x1，y1，z1)与初始三维坐标差值(x，y，z)，获取采煤机的前进距离d＝y1-y；

S32：采煤机割入煤壁后，从端头割向煤壁，通过相对位移测量模块获取所述采煤机的X向移动距离s，获取采煤机的X向坐标值x0＝x+s；Y向坐标值y0＝y1＝y+d，得到采煤机的二维坐标(x0，y0)；

然后根据步骤四获取的采煤机的Z向坐标值z0，从而实时获取采煤机的位置坐标(x0，y0，z0)；

S33：当采煤机割到端尾后，采煤机上下滚筒调换，重新开始切入煤壁，此时，根据端尾处的定位标签实时坐标，采用步骤S31-S32及步骤四的计算方法，实时获取采煤机的位置坐标(x0，y0，z0)。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：所用定位系统只需定位基站和定位标签，无需复杂的传感设备，误差小，设备安全可靠易于安装、操作简便；由于辅助设备的减少，定位算法复杂度和数据量上也大大减小；定位基站和定位标签都是固定的，并通过有线可靠连接，避免了由于采煤机移动导致的信号遮挡、反射导致的误差大及定位失败的情况。

附图说明

图1为采煤机三角煤切割过程示意图；

图2为本发明定位系统结构示意图；

图3为本发明定位方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明中的回采工作面采煤机进刀方式主要有：斜切式进刀和直卧式进刀。我国回采工作面常用斜切式进刀。端部斜切进刀方式也就是本例的采煤机割煤过程为：

(1)采煤机割煤至端头(最左侧)后，前滚筒下降，后滚简上升，反向沿输送机弯曲段割入煤壁，直到进入直线段，见图1中的A和B；

(2)采煤机停止运行，等进刀段推直输送机后，调换滚筒位置，反向割三角煤至左侧端头，见图1中的C；

(3)再调换滚筒位罝，清理进刀段浮煤，见图1中的D，并开始正常割煤。

这种方式采煤机端头停机转向次数多，其中转向割三角煤必须等刮板运输机端头(端尾)前移完毕后进行，因而停机等待时间长，但能实现双向割煤，是最常用的进刀方式。

利用此采煤机的割煤规律，特别是三角煤的原理，当采煤机进行推溜切割时，刮板运输机和液压支架会跟随采煤机往煤壁方向前进移动，所移动的距离就是采煤机推进的距离，从而得到采煤机的截深，也就是推进深度。所以结合刮板运输机端头端尾的实时三维坐标和采煤机在滑轨上移动的相对位置，得到本例UWB精确定位采煤机的定位系统及方法。

本例综采工作面中液压支架用以支护，工作面安装刮板运输机和采煤机，工作面两侧有进风和回风的巷道，以安装采煤运输机及其它井下设备，主控计算机定位装置可以设于进风巷道内或地面监控中心。

如图2所示，本例的定位系统包括4个以上定位基站、分别设置在刮板运输机4两端的液压支架5上的定位标签、采煤机3、采煤机内部传感器3-1、定位装置。本例的定位基站1和定位标签2优选UWB(超宽带)定位基站1和UWB定位标签2，UWB(UltraWideband)是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，UWB能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率，因此，定位精度更高。

本例的液压支架5下方为采空区7，在采煤机3的前进方向前方为煤层。煤层两侧为进风和出风用的巷道6。

本例多个UWB定位基站(以下简称定位基站)1分别固定安装在进风和回风的巷道6中，分别间隔安装，例如设定固定间隔100米，便于安装，本例刮板运输机的端头和端尾处的定位标签分别设置在进风巷道和回风巷道中，所述定位标签与同侧巷道的定位基站相连。信号在巷道6中传输比煤层或硬质底层传输更加稳定快捷，从而布线更简单，定位速度更快。当然，也可以埋装在刮板运输机4附近，两个UWB定位标签(以下简称定位标签)2，分别安装在刮板运输机4的端头和端尾处；优选的，本例在两个UWB定位标签2的附近巷道6内均设置5个UWB定位基站，分别用于对本侧的UWB定位标签定位。比最少的4个多设置一个，避免其中一个故障造成的定位不准。

本例的采煤机内部传感器3-1，属于采煤机内部设备；定位装置可以为主控计算机或其它控制设备，设置在进风巷内的监控中心或地面监控中心。在UWB定位基站设置时，所有UWB定位基站的XYZ坐标是已知的，优选的，为了减小定位误差，4个UWB基站1的天线高度比UWB定位标签2的位置至少高1米，同时，4个UWB基站1距离地面的高度应各不相同。

本例的UWB定位基站1、UWB定位标签2内设置有测距模块和有线通讯模块。多个UWB定位基站1、定位标签2两两之间可进行测距。本例UWB定位基站和定位标签通过有线通讯模块将UWB定位基站和UWB定位标签信息以及测距信息发送至定位装置，信号传输更稳定，避免信号反射等造成的误差。每个UWB定位基站1的相关三维坐标存储在定位装置中，其坐标信息是UWB定位标签和采煤机坐标位置计算的参考基准。

本例的测距模块采用超宽带无线定位系统(UWB)进行高精度测距，采用TOF进行测距计算。传输效率更快，精度更高。

本例定位标签也可通过无线通讯模块将测距信息发送至各个定位基站，定位基站将上述信息或处理后的结果发送至定位系统。定位标签自身也可通过有线网络或无线网络将定位信息发送至定位系统。

如图3所示，本例选取UWB测距设备作为系统的基础，首先是在井下布置UWB基站和端头端尾UWB定位标签，在上位机中建立采煤机绝对位置坐标系，在采煤机回采过程中，通过UWB基站和UWB定位标签将定位数据传输给定位装置，由定位装置结合坐标系和采煤机传感器提供的实时相对位置数据，最终计算得到采煤机实时绝对位置坐标。

作为本发明的一个实施例，本例采煤机基于三角煤切割原理的定位方法为：

步骤S1：根据矿井下巷道分布及采煤环境，在回风巷中布置若干个超宽带无线通讯的UWB定位基站1，在采煤机3运行的刮板运输机4的端头处的液压支架5上固定UWB定位标签2；

步骤S2：根据井下环境建立坐标系，确定每个UWB基站1的三维坐标，在定位装置中输入所布置的各个UWB基站1的实际三维坐标；并对UWB定位系统进行组网；

步骤S3：当采煤机3在端头初始位置时，端头处的UWB定位标签2分别依次与巷道6中的4个UWB基站1进行TOF测距，此时得到4个距离值。结合4个基站的三维坐标利用4点定位算法可计算出端头处的UWB定位标签2的初始三维坐标(x，y，z)；同样方法端尾的UWB标签2的初始三维坐标也可得到。本例通过端头和端尾的定位标签分别与4个定位基站测距后，利用四点定位算法算出定位标签的坐标位置。相对其他一维定位和二维定位，三维定位方法能给到更为精确的空间位置坐标。

步骤S4：当采煤机开始进刀割入煤壁时，此时端头处的刮板运输机与液压支架会同步贴向煤壁，所前进的距离就是采煤机割入煤壁的截深d，此时由端头处的UWB定位标签2的实时三维坐标(x1，y1，z1)与初始三维坐标差值(x，y，z)即可算出采煤机前进距离d＝y1-y。

当采煤机进行推溜时，刮板运输机和液压支架会跟随采煤机往煤壁方向同步前进移动，所移动的距离就是采煤机推进的距离，从而得到采煤机的截深，也就是推进深度d。

两个定位标签分别固定装在刮板运输机的端头和端尾，采煤机进行进刀切割时，其中端头或端尾的标签卡也会随刮板运输机贴向煤壁，所以定位标签的移动距离也就是采煤机前进的移动距离。而定位标签的移动距离由三维定位可实时监控，即y方向的移动距离，也就得出采煤机的切割前进距离。

步骤S5：采煤机割入煤壁后，从端头割向煤壁，所横向移动的距离s可从采煤机内部传感器3-1获取，所以可得到采煤机x方向所移动的距离，即x0＝x+s；而y0＝y1＝y+d；此时得到采煤机的实时二维坐标(x0，y0)；

步骤S6：采煤机3的高度z0由端头和端尾的UWB定位标签2的高度z值进行差值计算而得；

步骤S7：根据以上步骤实时计算出采煤机的位置坐标(x0，y0，z0)，即可在定位装置实时监控采煤机的位置，并可建立采煤机在工作面的位置模型；

步骤S8：当采煤机割到端尾后，采煤机上下滚筒调换，重新开始切入煤壁，此时根据端尾的UWB定位标签2坐标检测到变化，然后重复步骤S4-S7，利用端尾的UWB定位标签2的三维坐标计算采煤机的实时三维坐标。

在采煤机开采过程中，两个UWB定位标签由于布置在端头和端尾处的液压支架上，并且会随着刮板运输机和液压支架的移动而移动，巷道中的UWB基站作为固定基站。在采煤机开采过程中每回采一次，其中的一个UWB标签卡会随着其布置所在的液压支架移动，巷道里的UWB定位基站会实时的与UWB定位标签进行通信测试，测距频率可达1次/s。所以其绝对坐标可实时的计算获取。

本发明相对于现有技术，具有以下优势：

本发明基于工作面三角煤的切割原理，利用采煤机和刮板运输机往煤壁方向的同步移动机制，提供采煤机往煤壁方向的同步移动算法，再结合采煤机在刮板运输机上的移动相对位置计算出采煤机的精确位置坐标。

相比其他红外，激光等定位方式，本发明所用定位只需UWB定位设备，无需复杂的传感设备，UWB定位设备误差小，设备安全可靠易于安装、操作简便；

相比传统将UWB标签放在采煤机而直接定位采煤机的方式，本发明改变传统UWB标签卡的安装位置，只需端头和端尾各装一个UWB标签卡，不需要安装在采煤机上，也无需安装基站在液压支架上，工作面设备安装极为简单，只需在巷道处固定间距安装基站，并且，本例定位基站和定位标签都是固定的，并通过有线可靠连接，避免了由于采煤机移动导致的信号遮挡、反射导致的误差大及定位失败的情况。

本发明所用的设备单一，数量少，安装和使用上都极为方便，不需要其他辅助定位设备和传感设备。由于辅助设备的减少，定位算法复杂度和数据量上也大大减小，从而也大大减少定位装置的工作量，间接提高其定位频率和效率。

以上所述之具体实施方式为本发明的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明所作的等效变化均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于三角煤切割原理的采煤机定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、布置采煤机定位系统，并对采煤机定位系统组网，所述采煤机定位系统包括4个以上的非直线设置的定位基站，及分别设置在刮板运输机端头和端尾的、与定位基站相连的定位标签，还包括定位装置，及设置在采煤机上的相对位移测量模块，其中，定位装置分别与定位基站和定位标签相连，定位装置能够获取采煤机的相对位移测量模块的位移信息；

步骤二、定位装置获取各个定位基站的实际三维坐标；

步骤三、分别获取端头处和端尾处的定位标签测量的与各个定位基站的距离值，结合各个定位基站的三维坐标分别计算端头处定位标签的初始三维坐标（x，y，z）及端尾处的定位标签的初始三维坐标；

步骤四、在采煤机切割煤壁的过程中，基于三角煤切割原理，根据端头处或端尾处的定位标签及采煤机相对定位标签的相对位移获取采煤机的实时X向坐标值和Y向坐标值；

步骤五、通过端头和端尾的定位标签的Z向坐标值的差值获取采煤机的Z向坐标值，最终获取采煤机的实时位置坐标。

2.根据权利要求1所述的基于三角煤切割原理的采煤机定位方法，其特征在于：步骤五还包括步骤：定位装置根据采煤机的实时位置坐标，建立采煤机位置模型。

3.根据权利要求1或2所述的基于三角煤切割原理的采煤机定位方法，其特征在于：步骤一中，所述刮板运输机和采煤机两侧设有进风巷道和回风巷道，所述定位基站均匀设置在所述进风巷道和回风巷道中。

4.根据权利要求3所述的基于三角煤切割原理的采煤机定位方法，其特征在于：所述定位基站距离地面的高度各不相同。

5.根据权利要求3所述的基于三角煤切割原理的采煤机定位方法，其特征在于：所述刮板运输机的端头和端尾处的定位标签分别设置在进风巷道和回风巷道中，所述定位基站每侧设有4个以上，所述定位标签与同侧巷道的定位基站相连。

6.根据权利要求5所述的基于三角煤切割原理的采煤机定位方法，其特征在于：所述定位标签和定位基站分别设有测距模块和通讯模块，所述定位标签和定位基站分别通过通讯模块与定位装置相连，将所述定位标签信息及测距信息发送给定位装置，或者，所述定位标签通过通信模块将测距信息发送给定位基站，定位基站将测距信息或处理后的信息发送给定位装置。

7.根据权利要求1或2所述的基于三角煤切割原理的采煤机定位方法，其特征在于：所述定位基站为UWB定位基站，所述定位标签为UWB定位标签，UWB为超宽带。

8.根据权利要求1或2所述的基于三角煤切割原理的采煤机定位方法，其特征在于：步骤三中，当采煤机在端头初始位置时，端头处的定位标签分别依次与其中4个定位基站进行飞行时间TOF测距，得到与4个定位基站的距离值，结合4个定位基站的三维坐标利用4点定位算法计算出端头处的定位标签的初始三维坐标（x，y，z）；然后，根据其中4个定位基站与端尾处定位标签距离值，获取端尾处定位标签的初始三维坐标。

9.根据权利要求1或2所述的基于三角煤切割原理的采煤机定位方法，其特征在于：步骤四中，当采煤机由端头初始位置，向端尾方向实时移动时，根据端头处的定位标签的三维坐标获取采煤机的Y向坐标值，根据端头处定位标签的三维坐标及相对位移测量模块获取所述采煤机的X向坐标值；

当采煤机由端尾向端头方向实时移动时，根据端尾处的定位标签的三维坐标获取采煤机的实时Y向坐标值，根据端尾处定位标签的三维坐标及相对位移测量模块获取所述采煤机的实时X向坐标值。

10.根据权利要求9所述的定位方法，其特征在于：基于三角煤切割原理，所述采煤机实时X向坐标值和Y向坐标值的计算方法为：

S41：当采煤机在端头初始位置开始进刀割入煤壁时，根据端头处的定位标签的实时三维坐标（x1，y1，z1）与初始三维坐标（x，y，z）差值，获取采煤机的前进距离d= y1-y；

S42：采煤机割入煤壁后，从端头割向煤壁，通过相对位移测量模块获取所述采煤机的X向移动距离s，获取采煤机的X向坐标值x0=x+s；Y向坐标值y0= y1=y+d，得到采煤机的二维坐标（x0，y0）；

然后根据步骤五获取的采煤机的Z向坐标值z0，从而实时获取采煤机的位置坐标（x0，y0，z0）；

S43：当采煤机割到端尾后，采煤机上下滚筒调换，重新开始切入煤壁，此时，根据端尾处的定位标签实时坐标，采用步骤S41-S42及步骤五的计算方法，实时获取采煤机的位置坐标（x0，y0，z0）。

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