CN113983935B - 一种采煤机位置编码定位装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种采煤机位置编码定位装置及方法，属于采煤机定位技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种采煤机位置编码定位装置硬件结构的改进；解决上述技术问题采用的技术方案为：包括编码定位尺、读码解码器和接口模块，编码定位尺设置在与刮板输送机为一体的采煤机动力电缆槽上，读码解码器设置在编码定位尺上并能够随采煤机移动；其中读码解码器包括微处理器、红外发射器和红外接收器，所述红外发射器和红外接收器分别设置在编码定位尺的两侧实现对射，所述微处理器将接收到的或通或断的红外信号生成的二进制编码解算为对应的采煤机位置值，并通过接口模块发送至采煤机控制系统或需要采煤机位置的系统；本发明应用于采煤机。

Description

一种采煤机位置编码定位装置及方法
技术领域
本发明一种采煤机位置编码定位装置及方法，属于采煤机定位技术领域。
背景技术
综合机械化采煤，简称综采，是煤矿生产工作面利用采煤机落煤和装煤、利用刮板输送机运煤、利用液压支架支护顶板和采空区处理的一种采煤工艺。在综采智能化实施过程中，采煤机精确定位是采煤机记忆割煤、液压支架自动跟机动作以及综采工艺决策的基础。目前，采煤机定位方法主要有３种：红外传感器定位、编码器定位和惯性导航装置定位。
（1）红外传感器定位。红外传感器定位是将红外发射装置安装在采煤机上，在每台支架上安装红外接收装置。当采煤机经过液压支架时，支架上的红外接收装置接收到红外发射装置信号再输出开关信息，从而确定采煤机相对于支架的位置。由于采煤机上发射的红外线通常是扇形区域，可能导致多台液压支架的红外接收装置同时接收到信号，影响采煤机的定位准确性。红外传感器定位方法能够为采煤机提供相对于支架的参考位置，定位精度低，一般为液压支架的宽度。此外，在工程应用中，红外传感器经常出现遮挡、移位以及发射装置与接收装置错位等情况，导致数据丢失，从而引起采煤机定位出现丢架、跳架的情况。
（2）编码器定位。编码器定位方法是在采煤机的牵引部位安装编码器，记录采煤机的增量位置。编码器的定位精度高，故障少，使用方便，目前已被广泛使用。但是编码器的检测原理决定其存在累积误差，在工作面回采过程中往往需要定时校正。并且在采煤机的运行过程中会偶尔出现打滑现象，也会造成编码器的检测值存在误差，从而影响采煤机的定位精度。还有编码器的安装定位孔需提前预留，后期增加的操作难度较大。
（3）惯性导航定位。惯性导航技术的核心技术之一就是采煤机的定位及绘制采煤机的运行轨迹，国内外在采煤机定位中应用的惯性导航装置均采用捷联方式。在捷联式惯性导航系统运行之初，通常需要通过位置校正算法进行位置标定，即通过北斗或GPS等导航卫星的坐标信息对导航坐标系校正标定。 然而，在煤矿井下工作面无法接收北斗或GPS信号。因此，每次开机初始化标定时，无论采煤机处于何种绝对位置和姿态，均会被初始化为预设值。这就使得惯性导航仅能提供采煤机的相对位置信息。除此之外，惯性导航的光纤陀螺仪和加速度计在运行过程中存在误差，当采煤机长时间运行后，产生的累积误差可能导致导航结果偏差较大；需要通过位置校正算法对惯性导航装置在导航坐标系中的位置进行校正。还有，惯性导航装置输出的采煤机姿态信息是从载体坐标系转换到导航坐标系的结果。因此，在理想状态下，光纤陀螺仪和加速度计的三轴交汇点应该是采煤机的几何中心。这在实际工程中几乎是不可能实现的，而中心点的错位将会形成杆臂效应，造成系统误差。惯性导航还有一个缺点则是成本高，少则几十万、多则几百万。
发明内容
本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种采煤机位置编码定位装置硬件结构及定位方法的改进。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种采煤机位置编码定位装置，包括编码定位尺、读码解码器和接口模块，所述编码定位尺设置在与刮板输送机为一体的采煤机动力电缆槽上，所述读码解码器设置在编码定位尺上并能够随采煤机移动，所述接口模块设置在采煤机电控箱内；
其中读码解码器包括微处理器、红外发射器和红外接收器，所述红外发射器和红外接收器分别设置在编码定位尺的两侧实现对射，所述微处理器通过电气线路分别与红外发射器、红外接收器、接口模块相连，所述微处理器将接收到的或通或断的红外信号生成的二进制编码解算为对应的采煤机位置值，并通过接口模块发送至采煤机控制系统或需要采煤机位置的控制系统。
所述采煤机上设置有跟随装置，通过跟随装置连接读码解码器和采煤机。
所述跟随装置设置为柔性的金属连接件，具体采用弹簧。
所述读码解码器上还设置有清洁刷，在移动读码的同时对编码定位尺上灰尘进行清除。
所述编码定位尺具体采用塑压或不锈钢材料，将绝对位置数据经编码和穿孔工艺制作在编码定位尺上。
所述接口模块在外接控制器无法直接接入读码解码器的特定通信数据时使用，接口模块能够把读码解码器的通信信号转换成标准网络协议，包括Ethernet、Modbus TCP、PROFIBUS DP、CANopen、DeviceNet。
所述读码解码器上设置的对射红外发射器和红外接收器组的数量具体为n组，其中n≥1。
一种采煤机位置编码定位方法，包括如下步骤：
S1：将编码定位尺固定在与刮板输送机为一体的采煤机动力电缆槽的靠向采煤机侧，将读码解码器设置在编码定位尺上并能够随采煤机移动；
S2：采煤机行走时，通过读码解码器上对射的红外发射器和红外接收器读取编码定位尺上的定位编码；
S3：由读码解码器的微处理器根据读码解算获得绝对位置信息进而确定采煤机的位置，再把位置信息转化为特定编码，并通过特定通信格式将编码数据发送至采煤机控制系统或需要采煤机位置的控制系统。
所述步骤S3中读码解码器的微处理器根据读码解算获得绝对位置信息的读码解算步骤如下：
读码编码器采用红外对射方式，其在编码定位尺上移动时，通过编码定位尺上的开孔使红外接收器接收红外发射器信号会出现通断；
在编码定位尺的每一个位置，通过红外接收器的信号通断获得一组从20到2n-1的唯一的二进制编码，读码解码器将获得的二进制编码解算为对应的位置值，其中n为红外对射组数量。
所述绝对位置信息为通过步骤S3解算出的位置值确定的读码解码器在编码定位尺上的位置，再通过编码定位尺与工作面位置的相对固定、读码解码器与采煤机位置的相对固定，即可间接确定采煤机在工作面的位置。
本发明提供的采煤机位置编码定位装置与红外传感器定位、编码器定位和惯性导航装置定位相比的有益效果为：
1、通过本发明获得的采煤机位置定位为相对于采煤机动力电缆槽的绝对定位，定位精度为mm级别，且不存在累积误差，无需频繁校准；
2、本发明的监测结果稳定可靠，不受粉尘或遮挡影响；
3、本发明所含的编码定位尺和读码解码器均为采煤机身外置安装，维护检修简单方便；
4、本发明的性价比高、适用性强，可直接与其它控制器搭配使用。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明采煤机位置编码定位装置的结构示意图；
图2为图1中的A-A面剖视图；
图3为本发明采煤机位置编码定位装置应用于采煤机上的结构示意图；
图4为图3中B处的放大结构示意图；
图中：1为编码定位尺、2为读码解码器、3为清洁刷、4为红外发射器、5为红外接收器、6为接口模块、10为采煤机、20为刮板输送机、30为液压支架、40为采煤机动力电缆槽、50为采煤机电控箱、60为跟随装置。
具体实施方式
如图1至图4所示，本发明一种采煤机位置编码定位装置，包括编码定位尺1、读码解码器2和接口模块6，所述编码定位尺1设置在与刮板输送机为一体的采煤机动力电缆槽40上，所述读码解码器2设置在编码定位尺1上并能够随采煤机10移动，所述接口模块6设置在采煤机电控箱50内；
其中读码解码器2包括微处理器、红外发射器4和红外接收器5，所述红外发射器4和红外接收器5分别设置在编码定位尺1的两侧实现对射，所述微处理器通过电气线路分别与红外发射器4、红外接收器5、接口模块6相连，所述微处理器将接收到的或通或断的红外信号生成的二进制编码解算为对应的采煤机10位置值，并通过接口模块6发送至采煤机控制系统或其它需要采煤机位置的控制系统。
所述采煤机10上设置有跟随装置60，通过跟随装置60连接读码解码器2和采煤机10。
所述跟随装置60设置为柔性的金属连接件，具体采用弹簧。
所述读码解码器2上还设置有清洁刷3，在移动读码的同时对编码定位尺1上灰尘进行清除。
所述编码定位尺1具体采用塑压或不锈钢材料，将绝对位置数据经编码和穿孔工艺制作在编码定位尺1上。
所述接口模块6在外接控制器无法直接接入读码解码器1的特定通信数据时使用，接口模块6能够把读码解码器2的通信信号转换成标准网络协议，包括Ethernet、ModbusTCP、PROFIBUS DP、CANopen、DeviceNet。
所述读码解码器2上设置的对射红外发射器4和红外接收器5组的数量具体为n组，其中n≥1。
一种采煤机位置编码定位方法，包括如下步骤：
S1：将编码定位尺1固定在与刮板输送机20为一体的采煤机动力电缆槽40的靠向采煤机侧，将读码解码器2设置在编码定位尺1上并能够随采煤机10移动；
S2：采煤机10行走时，通过读码解码器2上对射的红外发射器4和红外接收器5读取编码定位尺1上的定位编码；
S3：由读码解码器2的微处理器根据读码解算获得绝对位置信息进而确定采煤机10的位置，再把位置信息转化为特定编码，并通过特定通信格式将编码数据发送至采煤机控制系统或其它需要采煤机位置的控制系统。
所述步骤S3中读码解码器2的微处理器根据读码解算获得绝对位置信息的读码解算步骤如下：
读码编码器2采用红外对射方式，其在编码定位尺1上移动时，通过编码定位尺1上的开孔使红外接收器5接收红外发射器4信号会出现通断；
在编码定位尺1的每一个位置，通过红外接收器5的信号通断获得一组从20到2n-1的唯一的二进制编码，读码解码器2将获得的二进制编码解算为对应的位置值，其中n为红外对射组数量。
所述绝对位置信息为通过步骤S3解算出的位置值确定的读码解码器2在编码定位尺1上的位置，再通过编码定位尺1与工作面位置的相对固定、读码解码器2与采煤机10位置的相对固定，即可间接确定采煤机在工作面的位置。
本发明提供的一种采煤机位置编码定位装置，主要由编码定位尺1、读码解码器2和接口模块6等组成。本发明的采煤机位置编码定位装置采用了类似于人类确定移动物体位置所使用的方法，使用特殊方式编码的编码定位尺取代了尺子；读码器解码器类似于人类的眼睛和大脑，用来读取和换算编码定位尺上的绝对值编码；接口模块就类似于人类的嘴巴，将换算后的采煤机位置值传送给采煤机控制系统或其它需要采煤机位置的系统。
本发明的编码定位尺1采用塑压或不锈钢材料，将绝对位置数据经特殊编码和穿孔工艺制作在编码定位尺1上，当读码解码器2在尺上移动时，每隔一定距离会给出一个绝对位置的定位编码。
本发明的读码解码器2本体不包含位置数据，根据在编码定位尺1上的读码获得绝对位置信息进而确定采煤机的位置。比如图1方式，在编码定位尺1上移动时红外发射器4发出信号，而红外接收器5则断续接收信号识码读码。读码解码器2的微处理器负责把测量结果转化为特定编码，并通过特定通信格式（比如Modbus RTU）把编码数据发送给其它控制器或接口模块。读码编码器2上设置清洁刷3，在移动读码的同时对编码定位尺上灰尘进行清除。
本发明的接口模块6在外接控制器无法直接接入读码解码器2的特定通信数据时使用，其能够把读码解码器2的通信信号转换成标准网络协议，如Ethernet、Modbus TCP、PROFIBUS DP、CANopen、DeviceNet等。
本发明的采煤机位置编码定位装置及方法的具体实施方法如下：
综采工作面的最主要设备为“三机”，包括采煤机10、刮板输送机20与液压支架30，采煤机10落煤和装煤、刮板输送机20运煤、液压支架30支护顶板和采空区处理。本发明采用的编码定位尺1设置于与刮板输送机20为一体的采煤机动力电缆槽40的靠向采煤机侧，读码解码器2设置于编码定位尺1上并能够随采煤机10移动，接口模块6设置于采煤机电控箱50内。为保证读码解码器2与采煤机10的随动性，在采煤机10上专门加设跟随装置60，其中跟随装置60具体采用柔性的金属连接件，防止采煤机10在移动过程中的起伏和颠簸对编码定位尺1和读码解码器2造成损坏。
在采煤机10的落煤和装煤过程是通过在刮板输送机20上往复行走完成的，而刮板输送机20与液压支架30的位置对于工作面来说是相对固定的，因此可通过采煤机10与刮板输送机20的相对位置来定位定义采煤机在工作面的位置。采煤机10行走时，通过读码解码器2读取编码定位尺1上的定位编码。由读码解码器2的微处理器根据读码解算获得绝对位置信息进而确定采煤机的位置，再把测量结果转化为特定编码，并通过特定通信格式（比如Modbus RTU）将编码数据进行发送。如果接收控制器具备上述格式通信接口，则可直接接入读码解码器2编码的位置数据；反之，如果接收控制器不具备上述格式通信接口，则可以使用接口模块6，由接口模块6把读码解码器2的通信信号转换成标准网络协议再行接入。如此，可将采煤机10在刮板输送机20上的位置定位实时监测。
本发明采用的编码定位尺1的编码与读码解码器2的解码的工作原理采用类绝对式编码器原理，使用在编码定位尺1上开孔长度和位置变化代替编码器码盘上的光通道刻线；读码编码器2采用红外对射方式，其在编码定位尺1上移动时，因编码定位尺1上的开孔红外接收器接收红外发射器信号会出现通断。在编码定位尺1的每一个位置，通过红外接收器5的信号通断获得一组从20到2n-1（n为红外对射组数量）的唯一的二进制编码（格雷码），读码解码器2将获得的二进制编码解算为对应的位置值。如此，通过解算出的位置值可直接确定读码解码器2在编码定位尺1上的位置，再通过编码定位尺1与工作面位置的相对固定、读码解码器2与采煤机10位置的相对固定，即可间接确定采煤机10在工作面的位置。
关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种采煤机位置编码定位装置，其特征在于：包括编码定位尺、读码解码器和接口模块，所述编码定位尺设置在与刮板输送机为一体的采煤机动力电缆槽上，所述读码解码器设置在编码定位尺上并能够随采煤机移动，所述接口模块设置在采煤机电控箱内；
其中读码解码器包括微处理器、红外发射器和红外接收器，所述红外发射器和红外接收器分别设置在编码定位尺的两侧实现对射，所述微处理器通过电气线路分别与红外发射器、红外接收器、接口模块相连，所述微处理器将接收到的或通或断的红外信号生成的二进制编码解算为对应的采煤机位置值，并通过接口模块发送至采煤机控制系统或需要采煤机位置的控制系统；
所述接口模块在外接控制器无法直接接入读码解码器的特定通信数据时使用，接口模块能够把读码解码器的通信信号转换成标准网络协议，包括Ethernet、Modbus TCP、PROFIBUS DP、CANopen、DeviceNet；
所述采煤机上设置有跟随装置，通过跟随装置连接读码解码器和采煤机；
所述读码解码器上还设置有清洁刷，在移动读码的同时对编码定位尺上灰尘进行清除。
2.根据权利要求1所述的一种采煤机位置编码定位装置，其特征在于：所述跟随装置设置为柔性的金属连接件，具体采用弹簧。
3.根据权利要求1所述的一种采煤机位置编码定位装置，其特征在于：所述编码定位尺具体采用塑压或不锈钢材料，将绝对位置数据经编码和穿孔工艺制作在编码定位尺上。
4.根据权利要求1所述的一种采煤机位置编码定位装置，其特征在于：所述读码解码器上设置的对射红外发射器和红外接收器组的数量具体为n组，其中n≥1。
5.一种采煤机位置编码定位方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：将编码定位尺固定在与刮板输送机为一体的采煤机动力电缆槽的靠向采煤机侧，将读码解码器设置在编码定位尺上并能够随采煤机移动；
S2：采煤机行走时，通过读码解码器上对射的红外发射器和红外接收器读取编码定位尺上的定位编码；
S3：由读码解码器的微处理器根据读码解算获得绝对位置信息进而确定采煤机的位置，再把位置信息转化为特定编码，并通过特定通信格式将编码数据发送至采煤机控制系统或需要采煤机位置的控制系统。
6.根据权利要求5所述的一种采煤机位置编码定位方法，其特征在于：所述步骤S3中读码解码器的微处理器根据读码解算获得绝对位置信息的读码解算步骤如下：
读码编码器采用红外对射方式，其在编码定位尺上移动时，通过编码定位尺上的开孔使红外接收器接收红外发射器信号会出现通断；
在编码定位尺的每一个位置，通过红外接收器的信号通断获得一组从20到2n-1的唯一的二进制编码，读码解码器将获得的二进制编码解算为对应的位置值，其中n为红外对射组数量。
7.根据权利要求5所述的一种采煤机位置编码定位方法，其特征在于：所述绝对位置信息为通过步骤S3解算出的位置值确定的读码解码器在编码定位尺上的位置，再通过编码定位尺与工作面位置的相对固定、读码解码器与采煤机位置的相对固定，即可间接确定采煤机在工作面的位置。
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