CN115204325B - 基于惯导系统的综采工作面连续调直方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于惯导系统的综采工作面连续调直方法，属于煤矿开采的综采工作面调直技术领域；解决了现有基于惯导系统的工作面调直方法中存在的刮板输送机形态检测结果滞后一刀的问题；包括如下步骤：建立惯性导航坐标系；采煤机行走轮廓曲线处理：包括：采煤机行走完整轮廓曲线处理：设置端头标志点和端尾标志点实现对工作面完整轮廓曲线的识别；斜切进刀段与正常割煤段轨迹聚类划分：然后采用K‑Medoids聚类方法对不同轨迹进行聚类；采煤机行走轨迹折返刀处理；综采工作面轮廓曲线生成：对完整的工作面轮廓曲线进行平滑处理，生成最终工作面轮廓曲线；直线度误差计算及调直启动条件判断：移架量计算：调直结束；本发明应用于综采工作面调直。

Description

基于惯导系统的综采工作面连续调直方法

技术领域

本发明提供了一种基于惯导系统的综采工作面连续调直方法，属于煤矿开采的综采工作面调直方法技术领域。

背景技术

综采工作面三直是指工作面溜子直、工作面支架直、工作面煤壁直。液压支架切顶线不齐，易造成局部压力集中，从而导致漏顶事故，工作面溜子不直，容易增加采煤机的运行阻力。因此综采工作面调直是实现综采工作面智能化、无人化必须攻克的关键技术之一。

近年来国内一些企业已提出一些基于惯导系统的综采工作面调直方法。中国发明专利（专利号：202010202220.8）公开了一种基于惯导系统的煤矿综采工作面调直系统及方法，根据采煤机行走轮廓曲线，计算每个液压支架修正量和液压支架实际移架距离。中国发明专利（专利号：202110822433.5）公开了一种基于BP神经网络和惯性导航的工作面调直方法，将当前采煤机所处的液压支架对应的推移行程输入到训练后的BP神经网络中，得到下一个液压支架所需的推移行程，并对下一个液压支架的支架控制器发送推移指令。中国发明专利（专利号：202210319338.8）公开了一种刮板输送机调直方法、电子设备及存储介质，以刮板输送机为基准，通过之前的刮板输送机轨迹，确定之后的刮板输送机液压支架的推移距离。上述方法存在共同的问题，即都未解决刮板输送机形态检测结果滞后的问题，割煤过程中采煤机过后液压支架就开始移架和推移刮板输送机，因此当前一刀割煤过程记录的煤机惯导轨迹与割煤完成后的刮板输送机形态存在偏差，直接应用当前一刀煤机惯导轨迹确定下一刀割煤过程移架量将产生滞后误差。

在《深部煤层智能化大采长综采工作面关键技术研究》一文中提出了一刀测量、一刀调直的方法，可有效解决刮板输送机形态检测结果滞后的问题，但同时会带来调直效率减半的问题。

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：解决了现有基于惯导系统的工作面调直方法中存在的刮板输送机形态检测结果滞后一刀的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：基于惯导系统的综采工作面连续调直方法，包括如下步骤：

S1：建立惯性导航坐标系：设置惯性导航系统坐标系（O，X，Y，Z），过原点O指向工作面推进方向为Y轴正方向，过原点O垂直向上为Z轴正方向；

S2：采煤机行走轮廓曲线处理：包括：

S2.1：采煤机行走完整轮廓曲线处理：设置端头标志点和端尾标志点，通过采煤机上的行程编码器反馈的数据实现对工作面完整轮廓曲线的识别；

S2.2：斜切进刀段与正常割煤段轨迹聚类划分：根据采煤机行走的折返点将采煤机行走轨迹在折返点处断开得到轨迹划分，然后采用K-Medoids聚类方法对不同轨迹进行聚类；

S2.3：采煤机行走轨迹折返刀处理：与采煤机行进方向相同的轨迹按时间顺序排列，将下一段轨迹片段起点与距离最近的上一段轨迹片段中间点连接得到当前刀完整工作面轮廓曲线；

S2.4：综采工作面轮廓曲线生成：对完整的工作面轮廓曲线进行平滑处理，生成最终工作面轮廓曲线；

S3：直线度误差计算及调直启动条件判断；

S4：移架量计算；

S5：调直结束。

所述步骤S2.1中端头标志点、端尾标志点根据液压支架的整体长度进行设置，其中端头标志点设置在距离端头液压支架10-15米范围内的液压支架的中点位置，端尾标志点设置在距离端尾液压支架10-15米范围内的液压支架的中点位置；

采煤机行走的完整轮廓曲线为：当采煤机从端头向端尾移动，本刀采煤机轨迹起始点为上一刀到达端头标志点后第一个折返点，本刀采煤机轨迹终止点为本刀到达端尾标志点后第一个折返点。

所述步骤S2.2具体如下：

提取完整采煤机行走轨迹后，将轨迹点前进方向转变点确定为折返点，将行走轨迹在折返点处断开得到轨迹片段，将轨迹片段中与采煤机整体行进方向相反的轨迹删除；

采用K-Medoids聚类方法对轨迹进行聚类，聚类特征包括轨迹距离和轨迹夹角，指定类别数为2，第一类初始质心为第一个轨迹片段，第二类初始质心为最后一个轨迹片段，实现斜切进刀段与正常割煤段轨迹聚类划分；

设两段轨迹为轨迹片段A和轨迹片段B，其中轨迹片段A的长度大于轨迹片段B，则轨迹片段A和轨迹片段B之间距离的计算步骤为：

将轨迹片段A两端点连线，轨迹片段A的连线表示为：a*x+b*y+c=0，a、b为系数；

设在轨迹片段B连线上的两端点为：p1=(x1,y1)，p2=(x2,y2)；

计算轨迹片段A和轨迹片段B的轨迹间距离d的公式为：

d=

；

轨迹角度计算步骤为：

连接轨迹片段A起点与终点生成向量

，连接轨迹片段B起点与终点生成向量

；

∠A=Arctan(Δy_a/Δx_a)*180/π；

∠B=Arctan(Δy_b/Δx_b)*180/π；

若∠A、∠B同号，则∠AB’=|∠A-∠B|；

若∠A、∠B异号，则∠AB’=|∠A|+|∠B|；

若∠AB’>180°，则∠AB=360°-∠AB’；

若∠AB’<180°，则∠AB=∠AB’；

上式中：Δy_a为

在y方向增量，Δx_a为

在x方向增量，Δy_b为

在y方向增量，Δx_b为

在x方向增量，∠A为轨迹片段A与X轴间夹角，∠B为轨迹片段B与X轴间夹角，∠AB为轨迹片段A与轨迹片段B之间夹角，∠AB’为中间变量。

所述步骤S3中的直线度误差计算条件为：

以工作面轮廓曲线两端点连线作为评定基线，以位于评定基线以上最远点距离评定基线的距离为直线度误差e1，以位于评定基线以下最远点距离评定基线的距离为直线度误差e2，直线度误差e=e1+e2，设置直线度误差阈值。

所述步骤S3中调直启动判断条件包括：

液压支架自动跟机启动；

惯导数据正常；

综采平台有记录的当前刀的完整轨迹，且轨迹直线度误差大于阈值；

仅当上述三个调直启动条件同时满足时，才开始调直。

所述步骤S4中移架量的计算过程如下：

设置最大移架距离Dmax和最小移架距离Dmin，最大移架距离Dmax等于采煤机滚筒的截深，最小移架距离数值可调，范围设定为200mm至400mm；

第一刀为测量刀，推移量均为Dmax；

已知第n刀实测工作面轮廓曲线确定第n+1刀割煤过程移架量的过程如下：

1）取第n刀实测工作面轮廓曲线线性插值后确定每一架液压支架的推移点坐标，每一架液压支架推移点坐标叠加第n刀推移量得到第n+1刀所有液压支架的预期推移点坐标；

2）将第n+1刀预期的端头液压支架推移点、端尾液压支架推移点两点作连接线，将各支架推移点Y值减去端头端尾连接线对应点Y值，从而将各支架推移点投影到X轴方向；

3）取投影后n+1刀预期推移点坐标Y值最大的推移点为最超前点，对应Y值为Y1；Y值最小的推移点为最滞后点，对应Y值为Y2；

4）根据Y1-Y2与Dmax-Dmin的大小，判断是一刀调直还是多刀调直。

若Y1-Y2<=Dmax-Dmin，则进行一次调直，第n+1刀参考目标直线为Y=Y2+Dmax的水平直线，即经最滞后点向前移最大移架距离的水平直线，第n+1刀割煤过程中移架量M为Y2+Dmax-Y，若部分超前支架移架量M<=Dmin，则M=Dmin。

若Y1-Y2>Dmax-Dmin，则需要多刀调直，第n+1刀参考目标直线为Y=Y1+Dmin的水平直线，即经最超前点向前移最小移架距离的水平直线，第n+1刀割煤过程中移架量为Y1+Dmin-Y，若部分滞后支架移架量M>=Dmax，则M=Dmax。

当根据第n刀实测轨迹计算第n刀直线度误差小于直线度误差阈值，且第n+1刀预期轨迹直线度误差也小于直线度误差阈值时，判断调直终止。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提供的基于惯导系统的综采工作面连续调直方法采用K-Medoids聚类方法对惯导轨迹进行聚类，聚类特征包括轨迹距离和轨迹夹角，实现斜切进刀段与正常割煤段轨迹聚类划分。基于本刀实测轨迹和本刀推移量，计算下一刀预期轨迹，以下一刀预期轨迹为调直量计算参考轨迹，可在不损失调直效率的情况下解决刮板输送机形态检测结果滞后的问题。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为第n+1刀移架量计算示意图（可一刀调直）；

图3为第n+1刀移架量计算示意图（未能一刀调直）。

具体实施方式

如图1至图3所示，本发明针对现有基于惯导系统的工作面调直方法中存在的刮板输送机形态检测结果滞后一刀的问题，提出基于惯导系统的综采工作面连续调直方法，实现综采工作面自动调直。

本发明提出的基于惯导系统的工作面调直方法的步骤如图1所示，具体包括：

步骤1建立惯性导航坐标系：

设置惯性导航系统坐标系（O，X，Y，Z），过原点O指向工作面推进方向为Y轴正方向，过原点O垂直向上为Z轴正方向。

步骤2采煤机行走轮廓曲线处理：

1）采煤机行走完整轮廓曲线识别：设置端头标志点和端尾标志点，根据采煤机上的行程编码器实现对工作面完整轮廓曲线识别，端头标志点a为距离综采工作面端头液压支架10-15米的第n台液压支架中点的位置，端尾标志点b为距离综采工作面端尾液压支架10-15米的第m台液压支架中点位置，当采煤机从端头向端尾移动，本刀采煤机轨迹起始点为上一刀到达端头标志点后第一个折返点，本刀采煤机轨迹终止点为本刀到达端尾标志点b后第一个折返点。

2）斜切进刀段与正常割煤段轨迹聚类划分：提取完整采煤机行走轨迹后，将轨迹点前进方向转变点确定为折返点，将行走轨迹在折返点处断开得到轨迹片段，将轨迹片段中与采煤机整体行进方向相反的轨迹删除。采用K-Medoids聚类方法对轨迹进行聚类，聚类特征包括轨迹距离和轨迹夹角，指定类别数为2，第一类初始质心为第一个轨迹片段，第二类初始质心为最后一个轨迹片段，实现斜切进刀段与正常割煤段轨迹聚类划分。

3）采煤机行走轨迹折返刀处理：与采煤机行进方向相同的轨迹按时间顺序排列，将下一段轨迹片段起点与距离最近的上一段轨迹片段中间点连接得到完整工作面轮廓曲线。

4）工作面轮廓曲线均值滤波：采用均值滤波法对工作面轮廓曲线进行平滑处理，生成最终工作面轮廓曲线。

步骤3直线度误差计算及调直启动条件判断：

以工作面轮廓曲线两端点连线作为评定基线，以位于评定基线以上最远点距离评定基线的距离为直线度误差e1，以位于评定基线以下最远点距离评定基线的距离为直线度误差e2。直线度误差e=e1+e2。设置直线度误差阈值为0.1m-0.4m。

满足以下所有条件，调直才能开始，否则即使开启调直功能也不执行调直：

①自动跟机启动；

②惯导数据正常；

③综采平台有记录的当前刀的完整轨迹，且轨迹直线度误差大于阈值。

步骤4移架量计算：

设置最大移架距离Dmax和最小移架距离Dmin，最大移架距离Dmax一般等于采煤机滚筒的截深，最小移架距离数值可调，范围设定为200mm至400mm。

第一刀为测量刀，推移量均为Dmax。

已知第n刀实测工作面轮廓曲线可确定第n+1刀割煤过程移架量。方法如下：

1）取第n刀实测工作面轮廓曲线线性插值后确定每一架液压支架的推移点坐标，将每一架液压支架的推移点坐标叠加第n刀推移量得到第n+1刀预期所有液压支架的推移点坐标。

2）把第n+1刀预期的端头液压支架推移点、端尾液压支架推移点作连接线，得到液压支架端头端尾连接线，将各支架推移点Y值减去端头端尾连接线对应点Y值，从而将各支架推移点投影到X轴方向。

3）取投影后n+1刀预期推移点坐标Y值最大的推移点为最超前点，对应Y值为Y1；Y值最小的推移点为最滞后点，对应Y值为Y2。

4）如图2所示，若Y1-Y2<=Dmax-Dmin，则在理想条件下可一次调直，第n+1刀参考目标直线为Y=Y2+Dmax的水平直线，即经最滞后点向前移最大移架距离的水平直线。第n+1刀割煤过程中移架量M为Y2+Dmax-Y，若部分超前支架移架量M<=Dmin，则M=Dmin。

5）如图3所示，若Y1-Y2>Dmax-Dmin，则需要多刀调直，第n+1刀参考目标直线为Y=Y1+Dmin的水平直线，即经最超前点向前移最小移架距离的水平直线。第n+1刀割煤过程中移架量为Y1+Dmin-Y。若部分滞后支架移架量M>=Dmax，则M=Dmax。

步骤5调直终止：

当根据第n刀实测轨迹计算第n刀直线度误差小于直线度误差阈值，且第n+1刀预期轨迹直线度误差也小于直线度误差阈值时，判断调直终止，第n+1刀割煤过程中按照最大移架距离Dmax移架。

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、相互间连接方式以及，由上述技术特征带来的常规使用方法、可预期技术效果，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专利、期刊论文、技术手册、技术词典、教科书中已公开内容，或属于本领域常规技术、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 (6)

1.基于惯导系统的综采工作面连续调直方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：建立惯性导航坐标系：设置惯性导航系统坐标系（O，X，Y，Z），过原点O指向工作面推进方向为Y轴正方向，过原点O垂直向上为Z轴正方向；

S2：采煤机行走轮廓曲线处理：包括：

S2.1：采煤机行走完整轮廓曲线处理：设置端头标志点和端尾标志点，通过采煤机上的行程编码器反馈的数据实现对工作面完整轮廓曲线的识别；

S2.2：斜切进刀段与正常割煤段轨迹聚类划分：根据采煤机行走的折返点将采煤机行走轨迹在折返点处断开得到轨迹划分，然后采用K-Medoids聚类方法对不同轨迹进行聚类；

S2.3：采煤机行走轨迹折返刀处理：与采煤机行进方向相同的轨迹按时间顺序排列，将下一段轨迹片段起点与距离最近的上一段轨迹片段中间点连接得到当前刀完整工作面轮廓曲线；

S2.4：综采工作面轮廓曲线生成：对完整的工作面轮廓曲线进行平滑处理，生成最终工作面轮廓曲线；

S3：直线度误差计算及调直启动条件判断；

S4：移架量计算：设置最大移架距离Dmax和最小移架距离Dmin，最大移架距离Dmax等于采煤机滚筒的截深，最小移架距离数值可调，范围设定为200mm至400mm；

第一刀为测量刀，推移量均为Dmax；

已知第n刀实测工作面轮廓曲线确定第n+1刀割煤过程移架量的过程如下：

1）取第n刀实测工作面轮廓曲线线性插值后确定每一架液压支架的推移点坐标，每一架液压支架推移点坐标叠加第n刀推移量得到第n+1刀所有液压支架的预期推移点坐标；

2）将第n+1刀预期的端头液压支架推移点、端尾液压支架推移点两点作连接线，将各支架推移点Y值减去端头端尾连接线对应点Y值，从而将各支架推移点投影到X轴方向；

3）取投影后n+1刀预期推移点坐标Y值最大的推移点为最超前点，对应Y值为Y1；Y值最小的推移点为最滞后点，对应Y值为Y2；

4）根据Y1-Y2与Dmax-Dmin的大小，判断是一刀调直还是多刀调直；

若Y1-Y2<=Dmax-Dmin，则进行一次调直，第n+1刀参考目标直线为Y=Y2+Dmax的水平直线，即经最滞后点向前移最大移架距离的水平直线，第n+1刀割煤过程中移架量M为Y2+Dmax-Y，若部分超前支架移架量M<=Dmin，则M=Dmin；

若Y1-Y2>Dmax-Dmin，则需要多刀调直，第n+1刀参考目标直线为Y=Y1+Dmin的水平直线，即经最超前点向前移最小移架距离的水平直线，第n+1刀割煤过程中移架量为Y1+Dmin-Y，若部分滞后支架移架量M>=Dmax，则M=Dmax；

S5：调直结束。

2.根据权利要求1所述的基于惯导系统的综采工作面连续调直方法，其特征在于：所述步骤S2.1中端头标志点、端尾标志点根据液压支架的整体长度进行设置，其中端头标志点设置在距离端头液压支架10-15米范围内的液压支架的中点位置，端尾标志点设置在距离端尾液压支架10-15米范围内的液压支架的中点位置；

采煤机行走的完整轮廓曲线为：当采煤机从端头向端尾移动，本刀采煤机轨迹起始点为上一刀到达端头标志点后第一个折返点，本刀采煤机轨迹终止点为本刀到达端尾标志点后第一个折返点。

3.根据权利要求2所述的基于惯导系统的综采工作面连续调直方法，其特征在于：所述步骤S2.2具体如下：

提取完整采煤机行走轨迹后，将轨迹点前进方向转变点确定为折返点，将行走轨迹在折返点处断开得到轨迹片段，将轨迹片段中与采煤机整体行进方向相反的轨迹删除；

采用K-Medoids聚类方法对轨迹进行聚类，聚类特征包括轨迹距离和轨迹夹角，指定类别数为2，第一类初始质心为第一个轨迹片段，第二类初始质心为最后一个轨迹片段，实现斜切进刀段与正常割煤段轨迹聚类划分；

设两段轨迹为轨迹片段A和轨迹片段B，其中轨迹片段A的长度大于轨迹片段B，则轨迹片段A和轨迹片段B之间距离的计算步骤为：

将轨迹片段A两端点连线，轨迹片段A的连线表示为：a*x+b*y+c=0，a、b为系数；

设在轨迹片段B连线上的两端点为：p1=(x1,y1)，p2=(x2,y2)；

计算轨迹片段A和轨迹片段B的轨迹间距离d的公式为：

d=

；

轨迹角度计算步骤为：

连接轨迹片段A起点与终点生成向量

，连接轨迹片段B起点与终点生成向量

；

∠A=Arctan(Δy_a/Δx_a)*180/π；

∠B=Arctan(Δy_b/Δx_b)*180/π；

若∠A、∠B同号，则∠AB’=|∠A-∠B|；

若∠A、∠B异号，则∠AB’=|∠A|+|∠B|；

若∠AB’>180°，则∠AB=360°-∠AB’；

若∠AB’<180°，则∠AB=∠AB’；

上式中：Δy_a为

在y方向增量，Δx_a为

在x方向增量，Δy_b为

在y方向增量，Δx_b为

在x方向增量，∠A为轨迹片段A与X轴间夹角，∠B为轨迹片段B与X轴间夹角，∠AB为轨迹片段A与轨迹片段B之间夹角，∠AB’为中间变量。

4.根据权利要求3所述的基于惯导系统的综采工作面连续调直方法，其特征在于：所述步骤S3中的直线度误差计算条件为：

以工作面轮廓曲线两端点连线作为评定基线，以位于评定基线以上最远点距离评定基线的距离为直线度误差e1，以位于评定基线以下最远点距离评定基线的距离为直线度误差e2，直线度误差e=e1+e2，设置直线度误差阈值。

5.根据权利要求1所述的基于惯导系统的综采工作面连续调直方法，其特征在于：所述步骤S3中调直启动判断条件包括：

液压支架自动跟机启动；

惯导数据正常；

综采平台有记录的当前刀的完整轨迹，且轨迹直线度误差大于阈值；

仅当上述三个调直启动条件同时满足时，才开始调直。

6.根据权利要求1所述的基于惯导系统的综采工作面连续调直方法，其特征在于：当根据第n刀实测轨迹计算第n刀直线度误差小于直线度误差阈值，且第n+1刀预期轨迹直线度误差也小于直线度误差阈值时，判断调直终止。

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