CN116337044A - 一种采煤机的定位方法、系统和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采煤机的定位方法、系统和装置，包括：获取采煤机的位置和截割部的角度数据；获取采煤机的里程数据；根据所获取的采煤机里程数据和截割部的角度数据，利用航位推算算法确定采煤机的采煤位置和方向。有效规避了煤矿井下复杂工况对惯导系统的影响，增强了惯性导航系统的使用性能。同时避免了惯性导航系统中加速度计的两次积分，并降低了位置解算的频率，能够有效的消除综采工作面的纯惯性导航的漂移误差。

Description

一种采煤机的定位方法、系统和装置

技术领域

本发明涉及采煤机技术领域，尤其涉及一种采煤机的定位方法、系统和装置。

背景技术

井工开采是煤炭生产的主要方式，当今的煤炭工业无论是生产矿井的管理、教学还是科研体系都是基于传统的人工模式，无法适应信息社会发展需求的数字煤矿、智慧煤矿、少人或无人煤矿的具体需要，严重的制约了煤炭工业安全、高效、绿色的健康发展和向高科技型企业的转型。

目前综采三机设备已实现了工作面集中监测和控制，但采煤机、液压支架和刮板机等主要设备仍为单机集中控制，各个综采设备之间相对独立，并且三机的联动大多数需要人工干预，因此为实现综采装备智能化，必须实现智能采煤机、智能液压支架、智能刮板机协同自动化，其中：

基于红外的采煤机定位技术是将红外发射装置安装在采煤机上，红外接收装置安装在工作面各液压支架上，采煤机运行过程中发射装置发射脉冲，接收装置接收脉冲，从而判断出采煤机相对于液压支架的运行位置，但由于粉尘遮挡、动态测量的影响，使得总体定位精度不高，局限性较大。

基于无线传感网络的定位技术是在采煤机机身上固定无线定位传感器，并把无线标签传感器和高度传感器安装至液压支架顶梁，用高度传感器监测液压支架支护高度，再根据液压支架间的中心距，得到无线标签传感器的基准坐标值，利用定位传感器和标签传感器之间的无线脉冲信号传输时间和角度，计算采煤机与液压支架之间的距离和角度。但由于采煤过程中的频繁移架，使得基准位置难确定、无线信号易受干扰，不能满足定位实时性及精度要求。

基于轨道里程计的定位技术是通过采煤机行走部的齿轮转动圈数计数，再将圈数乘以齿轮的周长，计算出采煤机的行走位移，然后根据液压支架的中心间距推算出采煤机在哪个液压支架处，进而确定采煤机在工作面的位置。由于此技术只能测出采煤机的行走距离，无法获得采煤机在工作面的三维精准位置，因此无法作为自动化生产中的采煤机定位技术应用。

因此，如何能够在采煤机工作的过程中实现采煤机的精准定位，成为本领域亟需解决的技术问题。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的部分或全部技术问题，本发明提供一种采煤机的定位方法、系统和装置，能够实现工作过程中采煤机的准确定位。

本发明的技术方案如下：

一方面，本发明提供的一种采煤机的定位方法，包括

获取采煤机的位置和截割部的角度数据；

获取采煤机的里程数据；

根据所获取的采煤机里程数据和截割部的角度数据，利用航位推算算法确定采煤机的采煤位置和方向。

可选地，所获取的采煤机角度包括航向角、俯仰角和横滚角。

可选地，所述采煤机的角度信息通过陀螺仪进行获取。

可选地，所述采煤机的位置信息通过导航定位模块进行获取。

可选地，所述采煤机的里程信息通过里程计进行获取。

可选地，在获取采煤机的角度时，需要在采煤机保持直线运行的状态下获取。

另一方面，本发明提供的一种采煤机的定位系统，包括：

导航定位模块，所述导航定位模块设置于采煤机电气部的中部，用于采集采煤机电气部中部的位置数据；

位置编码器，所述位置编码器设置于采煤机的工作面上，用于对导航定位模块所采集的采煤机的位置数据进行编码解算，并将解算后的数据传输至数据采集器中；

里程计，所述里程计固定设置于采煤机的牵引部件上，用于测量采煤机的移动速度，并将所采集的里程数据传输至控制器上；

陀螺仪，所述陀螺仪固定设置于采煤机截割部的左右截割摇臂上，用于测量采煤机截割部的角度；

数据采集器，所述数据采集器设置于外部控制室中，用于采集所述位置编码器、所述陀螺仪和所述加速度计所监测的数据并输出；

加速度计，所述加速度计设置于采煤机的机体上，用于测量采煤机运行中的加速度；

控制器，所述控制器用于接收所述采集器输出的数据和里程计所监测的里程数据，进行导航运算和组合滤波运算后输出至外部显示单元上显示采煤机的位置和方向信息。

可选地，所述导航定位模块为GLONASS导航定位模块。

可选地，所述控制器为导航计算机。

另一方面，本发明提供的一种采煤机的定位装置，包括：

角度和位置获取模块，用于获取采煤机截割部的角度和位置信息；

里程信息获取模块，用于获取采煤机的里程信息；

定位模块，用于根据所获取的采煤机里程信息和截割部的角度信息，根据航位推算算法确定采煤机的采煤位置和方向。

本发明技术方案的主要优点如下：

本发明的采煤机的定位方法通过获取采煤机的位置和截割部的角度数据和采煤机的里程数据，利用航位推算算法确定采煤机的采煤位置和方向，避免了惯性导航系统中加速度计的两次积分，并降低了位置解算的频率，能够有效的消除综采工作面的纯惯性导航的漂移误差。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一实施例的采煤机的定位方法的流程示意图；

图2为本发明一实施例提供的采煤机的定位系统框图；

图3为本发明一实施例提供的采煤机的定位方法中获取角度的结构示意图。

图4为本发明一实施例提供的采煤机的定位方法中采用航位推算法在进行导航定位的数据路径传输图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。

实施例1

如附图1所示，本发明实施例提供了一种采煤机的定位方法，该方法包括：

获取采煤机的位置和截割部的角度数据；

获取采煤机的里程数据；

根据所获取的采煤机里程数据和截割部的角度数据，利用航位推算算法确定采煤机的采煤位置和方向。

需要说明的是，航位推算法算法也即航位推算法，是在知道当前时刻位置的条件下，通过测量移动的距离和方位，推算下一时刻位置的方法。

在本实施例的一些可选的实现方式中，采用航位推算法在进行导航定位时，如图4所示，(假设)已知采煤机的起始位置以及方位角(可通过GPS定位得到初始值)，测量行驶距离和方位角变化(陀螺仪和加速度计分别测量出旋转率和加速度，再进行积分，得到航向变化和走过的距离)，结合以上两者的获取的数据，推算出采煤机下一时刻的位置。随后通过陀螺仪获取采煤机的运行角度，建立位置坐标，并进行坐标变换，积分后获得采煤机的位置以及航向角度。

优选地，所获取的采煤机角度包括航向角、俯仰角和横滚角。

具体地，上述航向角为采煤机前进方向的角度，俯仰角为采煤机截割摇臂与水平方向的角度，横滚角为采煤机机体相对于前进方向的横向偏移角度，上述三个角度构成采煤机的全姿态角，用于检测采煤机在工作面上精确的位置。

优选地，采煤机的角度信息通过陀螺仪进行获取。

优选地，采煤机的位置信息通过导航定位模块进行获取。

优选地，采煤机的里程信息通过里程计进行获取。

本发明的上述所有结构在采煤机上时均设置有防护外壳，能够避免所采集的煤炭对设置于采煤机上的数据采集和监测单元造成损坏，同时具有防水和防尘的功能，避免因采煤机的冷却除尘的水源及采煤过程中所产生的粉尘，颗粒物对监测元件造成损毁，影响监测精度。

具体地，在获取采煤机的角度时，需要保证采煤机在工作时处于直线运行的状态，也即采煤机处于水平运动的方向。

具体地，在采煤机运行的方向和推进的方向分别建立水平方向和竖直方向的坐标系，将所建立的水平方向和竖直方向的坐标系组合为直角坐标系，采用下述方法进行直线度的获取。

具体地，如图3所示采煤机截割工艺流程，煤层坐标系建立在二维坐标系内，沿着水平方向和竖直方向(地理位置的东西方向和南北方向)建立采煤机牵引方向和采煤机推进方向(水平和竖直方向)的坐标系，其中，在所建立的坐标系内，工作面走向与北方向的夹角为δ，如图所示，采煤机的推进方向与北方向的夹角(采煤机推进方向的夹角与)以采煤机开始运动的点为起始点O(0，0)，采煤机沿刮板输送机直线oa运行到a点时停止，在其运行过后刮板输送机按推进量d实时向工作面方向推进形成直线bd，此时采煤机完成第n次截割，采煤机在a点时沿直线ab斜切进刀在b点停止，之后将ab段按推进量d沿工作面走向推直到直线bc段，采煤机沿bc段回切三角煤，在c点处停止，之后采煤机沿直线段cd反向运行至d点停止，此时采煤机完成第n+1次截割，然后斜切进刀至e点，同时在采煤机运行过后刮板输送机按推进量d实时向工作面方向推进成下一次刮板输送机轨迹。

具体地，通过建立上述坐标系，能过实现对采煤机作业过程中的监控，以二维坐标系的方式，以采煤机实时行进的方向数据点建立采煤机的行走曲线，确定采煤机行走的路线，一方面实现辅助定位，另一方面辅助找直。

作为一种可选的实现方式，在对采煤机进行定位时可采用读码解码器来确定采煤机的位置。

具体地，在采煤机的落煤和装煤过程是通过在刮板输送机上往复行走完成的，而刮板输送机与液压支架的位置对于工作面来说是相对固定的，因此可通过采煤机与刮板输送机的相对位置来定位定义采煤机在工作面的位置。

具体地，由于采煤机截割工艺流程所产生的采煤机轨迹是直线连续闭合的循环轨迹，所以在进行采煤机定位的过程中，采煤机定位装置测得的上一次进刀截割过程的最优计算(定位结果)数据与推进量(先验值)的和作为当前进刀截割过程的状态预测值，且当前进刀截割过程的惯导和里程计组合的定位数据作为量测值，采用卡尔曼滤波算法进行最优估计，进而得到当前进刀精准的采煤机位置坐标。可对采煤机的行走提供准确依据。

具体地，在实际应用过程中，采煤机行走时，通过读码解码器读取编码定位尺上的定位编码。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，再把测量结果转化为特定编码，并通过特定通信格式将编码数据进行发送，实现采煤机在刮板输送机上的位置定位实时监测。

具体地，特定格式的编码可选为：ModbusRTU格式。

依据截割工艺要求，利用刮板运输机的形状尽可能为直线的特点，将刮板输送机的推进量作为几何约束条件，采用直线度测量仪和对应的控制单元为电液控系统提供推移行程量完成工作面的高精度自动找直。

具体地，在进行自动找直时，首先将直线度测量仪所测量得到的直线度数据传输至对应的控制单元中，控制单元与本发明中的控制器相连接，将所测量的直线度数据与预设的偏差角度进行比较，若所实时测量角度小于预设的偏差角度，则采煤机继续沿着当前路线行进和作业，若所比较的结果大于预设的角度，则通过控制器反馈调节采煤机的摇臂的倾斜角度，对采煤的方向进行矫正，实现自动找直，从而实现辅助定位的作用。

具体地，预设角度可选为(0°-5°)的角度范围。

具体地，在进行直线度自动找直时，直线度测量仪优选在线直线度测量仪，采用3台测量仪组合而成，以3点测量法进行直线度尺寸的实时在线检测，并实时提供给操作工实时检测数据，或将检测数据进行实时传输。每台测量仪内采用成90°交叉分布的2路光电测头测量棒材边缘的位置，利用2路测头的位置数据计算测量点在坐标系中的实际偏差。因此，无论采煤机的行进方向或作业方向发生何种偏差测量仪均可测得真实的直线度尺寸。可根据真实直线度尺寸自动反馈调节或人为进行调节。

具体地，3点测量法为采用3台直线度测量仪分别对采煤机前中后三点的位置进行测量，3台测量仪可沿着采煤机行进的方向布置。

具体地，直线度测量仪相对应的控制器可选为本发明中的控制器，可将本发明中的控制器直接与直线度测量仪相无线或有线连接。

实施例2

本发明实施例提供了一种采煤机的定位系统，如图2所示，该系统包括：

位置编码器，位置编码器设置于采煤机的工作面上，用于对导航定位模块所采集的采煤机的位置数据进行编码解算，并将所输出的数据传输至数据采集器中；

导航定位模块，导航定位模块设置于采煤机电气部的中部，用于采集采煤机电气部中部的位置数据；

里程计，里程计固定设置于采煤机的牵引部件上，用于测量采煤机的移动速度，并将所采集的移动速度传输至控制器上；

陀螺仪，所述陀螺仪固定设置于采煤机截割部的左右截割摇臂上，用于测量采煤机截割部的角度；

数据采集器，所述数据采集器设置于外部控制室中，用于采集所述位置编码器，所述导航定位模块和所述陀螺仪所监测的数据并输出；

加速度计，加速度计设置于采煤机的机体上，用于测量采煤机运行中的加速度；

优选地，加速度计与里程计均设置于采煤机的同一位置处，如此设置，通过加速度计能够测量采煤机的运行加速度，通过里程计能够测量采煤机的运行里程数据，能够综合判断采煤机在工作面上的是否处于工作状态，结合导航定位模块所定位的位置数据，从未能够准确判断出采煤机位于工作面上的位置，实现定位的目的。

具体地，当加速度计所测量的加速度为0时，表示采煤机在匀速直线运动或处于静止状态，当加速度为正时，表示采煤机沿预设的方向做加速运动，当所测量的加速度负时，表示采煤机沿着预设方向的反方向座加速运动。

控制器，控制器用于接收采集器输出的数据和里程计所监测的里程数据，进行导航运算和组合滤波运算后输出至外部显示单元上显示采煤机的位置和方向信息。

优选地，导航定位模块为GLONASS导航定位模块。

优选地，控制器为导航计算机。

如此设置，通过导航计算机作为控制器，不仅能够实现数据采集器和里程计的数据采集，还能进行复杂的导航运算和组合滤波运算，使得输出的数据能够通过导航计算机进行选择利用，将多余的数据进行去除，使得所计算的结果更加准确，从而保障了采煤机在工作面上的位置更加精确。

具体地，上述与控制器相连接的结构均采用采煤机的电源进行供电。

具体地，陀螺仪的数量至少为四个，四个陀螺仪分为两组分别设置于采煤机的左右两个截割摇臂的底部和一侧。

具体地，本发明的采煤机的定位系统，如何采用上述结构实现数据传输并实现采煤机的精确定位，本实施例进一步说明：

在进行采煤机定位时，首先将上述结构分别设置于采煤机各个测量元件分别设置于采煤机的截割部、牵引部和电气部的中部位置，通过陀螺仪检测采煤机左右截割摇臂的角度及左右截割摇筒的角度，随后将所监测的角度数据传输至数据采集器的输入端；通过定位导航模块监测采煤机在工作面上的位置，并将所采集的采煤机位置数据传输至数据采集器的输入端，随后通过加速度计，监测采煤机的运行速度，并将所检测到的加速度数据传输至数据采集器的输入端，随后位置编码器对导航定位模块所获取的定位信息进行编码转换后输出至数据采集器，随后数据采集器将所采集的角度数据，加速度数据，位置数据传输至控制器中进行整合，随后里程计将采煤机的运行数据传输至控制器，利用预先输入至控制器中的算法对所输入的数据进行解算，将采煤机在工作面上的综合数据传输至显示器，并将所传输的位置信息和最终解算的位置数据进行显示，从而能够准确实现采煤机的定位。

优选地，位置编码器的型号为RLS位置编码器。

实施例3

本发明实施例提供了一种采煤机的定位装置，该装置包括：

角度和位置获取模块，用于获取采煤机截割部的角度和位置信息；

里程信息获取模块，用于获取采煤机的里程信息；

定位模块，用于根据所获取的采煤机里程信息和截割部的角度信息，根据航位推算算法确定采煤机的采煤位置和方向。

本发明中采煤机惯导系统置于采煤机电控箱内部，有效的规避了煤矿井下复杂工况对惯导系统的影响，增强了惯性导航系统的使用性能。

本发明利用采煤机安装的加速度计和陀螺仪，代替了原有的位置传感器，可提供精确的里程位置及速度避免了采用传感器的方式获得采煤机位置时两次积分的计算操作，降低了位置解算的频率，能够有效的消除综采工作面的漂移误差。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述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精神和范围。

Claims (9)

1.一种采煤机的定位方法，其特征在于，包括

获取采煤机的位置和截割部的角度数据；

获取采煤机的里程数据；

根据所获取的采煤机里程数据和截割部的角度数据，利用航位推算算法确定采煤机的采煤位置和方向。

2.根据权利要求1所述的一种采煤机的定位方法，其特征在于，所获取的采煤机角度包括航向角、俯仰角和横滚角。

3.根据权利要求1所述的一种采煤机的定位方法，其特征在于，所述采煤机的角度数据通过陀螺仪进行获取。

4.根据权利要求1所述的一种采煤机的定位方法，其特征在于，所述采煤机的位置数据源通过导航定位模块进行获取。

5.根据权利要求1所述的一种采煤机的定位方法，其特征在于，所述采煤机的里程数据通过里程计进行获取。

6.一种采煤机的定位系统，其特征在于，包括：

导航定位模块，所述导航定位模块设置于采煤机电气部的中部，用于采集采煤机电气部中部的位置数据；

位置编码器，所述位置编码器设置于采煤机的工作面上，用于对导航定位模块所采集的采煤机的位置数据进行编码解算，并将解算后的数据传输至数据采集器中；

里程计，所述里程计固定设置于采煤机的牵引部件上，用于测量采煤机的移动速度，并将所采集的里程数据传输至控制器上；

陀螺仪，所述陀螺仪固定设置于采煤机截割部的左右截割摇臂上，用于测量采煤机截割部的角度；

数据采集器，所述数据采集器设置于外部控制室中，用于采集所述位置编码器、所述陀螺仪和所述加速度计所监测的数据并输出；

加速度计，所述加速度计设置于采煤机的机体上，用于测量采煤机运行中的加速度；

控制器，所述控制器用于接收所述采集器输出的数据和里程计所监测的里程数据，进行导航运算和组合滤波运算后输出至外部显示单元上显示采煤机的位置和方向信息。

7.根据权利要求6所述的一种采煤机的定位系统，其特征在于，所述导航定位模块为GLONASS导航定位模块。

8.根据权利要求6所述的一种采煤机的定位系统，其特征在于，所述控制器为导航计算机。

9.一种采煤机的定位装置，其特征在于，包括：

角度和位置获取模块，用于获取采煤机截割部的角度和位置信息；

里程信息获取模块，用于获取采煤机的里程信息；

定位模块，用于根据所获取的采煤机里程信息和截割部的角度信息，根据航位推算算法确定采煤机的采煤位置和方向。

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