CN117662146A - 基于雷达探测的采煤机摇臂自适应调高控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供基于雷达探测的采煤机摇臂自适应调高控制方法，所述滚筒雷达安装位置，雷达安装在前后滚筒内部的中心位置，采用单雷达探测方式左右滚筒均需安装雷达的方法，当浮煤较少时，采用前滚筒雷达识别顶板后滚筒雷达识别底板和双滚筒雷达同时识别底板位置相结合；当浮煤较多时，采用记忆截割的方式识别底板位置，所述建立坐标系，分别对滚筒、雷达、采煤机机身建立坐标系，其中雷达安装在滚筒的内部，滚筒和雷达的坐标位置重合，利用已知的采煤机参数和坐标之间的关系来计算滚筒的调高量、机身行进的距离和摇臂的转角，最终实现摇臂的自动调高。本发明可以精确的实现采煤机摇臂的自适应调高控制。
Description
技术领域
本发明涉及基于雷达探测的采煤机摇臂自适应调高控制方法，具体是通过雷达探测的方法实现煤岩界面的识别，并建立坐标系来获取机身、滚筒、雷达的位置实现采煤机滚筒自动调高，属于煤矿智能化开采领域。
背景技术
随着煤矿自动化技术的快速发展，煤矿的开采技术也逐渐向智能化、无人化方向发展。采煤机是煤矿工作面开采的重要设备，在采煤生产过程中具有指导意义，综采工作面的智能化不仅是解决工作面装备的智能化控制的单一问题，而是从综采装备运行工况的感知、互联、分析、自学习、预测、决策、控制等多个方面形成完整的智能化工作面系统。而采煤机滚筒自动调高技术是采煤机自动控制技术的核心，一般需要使用调高装置对采煤机滚筒进行高度的调节，以便对煤矿内的煤进行开采。为了实现采煤机滚筒自动调高，关键是对煤岩界面的实时精确探测和智能识别，针对煤岩界面的识别目前很多的研究方法都是基于理想的煤岩层进行的，在此前提下对煤岩界面进行识别。但是实际矿井的环境是非常复杂的，煤层中可能含有砾石、裂缝、瓦斯、水等其他介质，此外煤岩之间的界面可能是渐变的，不连续的，可能会发生突变。目前已经应用的技术包括自然γ射线探测法和记忆宰割法，自然γ射线探测法和记忆宰割法对岩层的类型有特殊的要求。采煤机滚筒高度的控制，大部分是靠人工干预，既费时又费力，在复杂的矿井环境中操作人员难以及时准确判断采煤机的截割状态。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于雷达探测的采煤机摇臂自适应调高控制方法，利用雷达安装在滚筒的中心位置，能够很好的对煤岩界面进行识别和探测，并利用所建立坐标系来获取机身、滚筒、雷达的位置实现采煤机摇臂自适应调高控制，为采煤机自动化控制提供条件。
基于雷达探测的采煤机摇臂自适应调高控制方法，包括：滚筒雷达安装位置、雷达安装方法、雷达使用方法、建立坐标系，其中：
优选的，所述滚筒雷达安装位置，雷达固定在采煤机左右滚筒的端盘上位于滚筒的内部中心位置，滚筒坐标系与雷达坐标系重合，滚筒中雷达的安装位置需要视滚筒的空间大小而定，有些滚筒空间够，有些空间不够，针对空间不够的小尺寸滚筒需重新设计；
所述雷达安装方法，左右滚筒上均安装雷达的方法，采用基于单雷达的探测方式，前进时前滚筒雷达识别顶板位置，后滚筒雷达识别底板位置，利用雷达探测得左右滚筒距离煤岩界面的的高度，返回时调换前后滚筒上下位置，后滚筒雷达识别顶板位置，前滚筒雷达识别底板位置，利用滚筒雷达安装位置建立坐标系进行数据采集进而识别顶板和底板的位置；
所述雷达使用方法，采用基于前进方向的滚筒雷达识别顶板位置，后滚筒雷达用来识别底板位置，若底板位置存在浮煤较多，利用后滚筒雷达来识别底板位置是不准确的，所以采用记忆截割的方式来识别底板位置；采用基于双雷达同时工作方式来识别底板位置，视浮煤情况而定，当整个浮煤比较少且精度较高时利用后滚筒雷达识别底板位置，当浮煤较多时采用记忆截割的方式识别底板位置，通过调整后滚筒高度或(后摇臂角度)识别底板位置；当雷达识别范围覆盖整个底板位置时，直接采用前滚筒识别底板位置；
所述建立坐标系，绘制采煤机简图，在简图上分别标识出滚筒、雷达、采煤机机身3个坐标系位置，不考虑采煤机滚筒截割方向，只计算采煤机机身行走的距离和滚筒抬升的高度，滚筒雷达的坐标用于对滚筒位置的记录，采煤机的机身坐标，用于对采煤机机身的记录，利用雷达识别煤岩界面的顶板和低板位置，首先在雷达坐标系下，利用雷达来识别顶板与底板的位置，然后告知滚筒调高量切换到滚筒坐标系下，在不考虑安装误差情况下滚筒坐标系与雷达坐标系属于同一个坐标系，然后把滚筒进行抬高使其达到最高点坐标位置，然后利用坐标变换来求得摇臂的旋转角度，机身角度对滚筒自动调高存在影响，当机身与底板水平方向重合时，滚筒的运动轨迹为以摇臂为半径的一个圆，当滚筒调高后则在x方向上存在偏移量，采煤机机身需要向前推进偏移量来进行补偿；当机身与水平方向存在夹角时，机身角度的变化对滚筒的调高量以及水平方向的偏移量产生影响，滚筒和机身的两个运动已知，此时机身沿着存在夹角的倾斜巷道向上推进，利用三角函数换算到水平方向需要推进的距离，为需要换算摇臂的旋转角度和水平方向移动量。
优选的，雷达使用方法中底板浮煤较多时采用记忆截割的方式来识别底板位置，通过跟踪已知煤岩界面来实现煤岩截割，只需要获煤岩分界面对应的截割轨迹，就能通过对轨迹的跟踪实现对滚筒高度的自动调整进而识别煤岩下底板。
优选的，建立坐标系实现摇臂自适应调高的方法为：
首先分别对滚筒、雷达、机身三个位置建立坐标系，选取采煤机机身的中心位置为坐标原点，设采煤机机身的初始位置坐标(X0，Y0，Z0)，以采煤机的机身行走的方向为x轴，以采煤机截割滚筒抬高的方向为y轴，采煤机滚筒的推进方向为z轴，其中机身的姿态与位置利用惯性导航装置来采集，采煤机摇臂的旋转角度通过油缸的形成传感器计算，摇臂上装有惯性导航可以测出角度，机身角度利用油缸传感器测出，摇臂长度已知，采煤机的机身位置已知，具体包含采煤机的初始位置坐标、滚筒雷达初始位置坐标、采煤机机身的倾角、摇臂转角等信息，通过这些信息综合计算采煤机滚筒的抬升高度、采煤机机身的行进距离和摇臂的转角，若滚筒提升至正上方的点，已知机身角度的情况下，往前走多少距离，滚筒调高多少高度，利用滚筒调高多少高度换算为摇臂的旋转角度β，返回时和前进时是相同的，只是前后滚筒的自动调高方向发生变化，此时后滚筒自动抬升而前滚筒相应的下降；
以下两种情况是采煤机在前进方向所产生的两类情况；
当采煤机机身与工作面底板方向平行时，设摇臂初始位置转角为β0，机身与巷道夹角α0＝0，摇臂长度L0，设采煤机滚筒的初始位置坐标(X1，Y1，Z1)，雷达探测到顶板采样位置时滚筒调节到最高点的位置坐标记为(XM，YM，ZM)此时摇臂的转角为β1，设滚筒从初始位置提升到正上方的点高度为h，根据采煤机机身的初始位置坐标(X0，Y0，Z0)和滚筒的初始位置坐标(X1，Y1，Z1)，由条件可计算得，采煤机机身沿x轴的推进量X＝|XM-X1|，滚筒的调高量为h＝|YM-Y1|，摇臂的转角为转角为β时滚筒间距离
当采煤机机身与工作面底板方向存在夹角α时，设摇臂初始位置转角为β2，机身与巷道夹角为α，摇臂长度L0，设滚筒的初始位置坐标(XB，YB，ZB)，雷达探测到上顶板时滚筒调节到最高点的位置坐标记为(XT，YT，ZT)此时摇臂的转角为β3，设滚筒从初始位置提升到正上方的点高度为h，根据采煤机机身的初始位置坐标(X0，Y0，Z0)和滚筒的初始位置坐标(XB，YB，ZB)，由条件可见计算得滚筒的调高量为h＝|YT-YB|，由求得采煤机机身沿x轴的补偿量为x＝htanα，机身沿底板工作面推进距离/>摇臂的转角为转角为β时滚筒间距离为
本发明的有益效果：本发明提供的是基于雷达探测的采煤机摇臂自适应调高控制方法，将雷达安装在左右滚筒内部中心位置，通过对滚筒、雷达、采煤机机身三个位置建立坐标系，其中雷达坐标系和滚筒坐标系位置重合利用坐标之间的关系来实现采煤机滚筒高度自动调节以及采煤机机身沿工作面方向底板位置的距离补偿和摇臂摆角的计算，达到滚筒自动调高、科学预测、安全开采及提高采煤机开采效率的目的。
附图说明
图1是本发明雷达系统外形及部署结构图；
图2是本发明煤岩界面上顶板和下地板工作结构示意图；
图中：1、顶板位置；2、底板位置；3、采煤机；4、前滚筒；5、前滚筒雷达；6、后滚筒；7、后滚筒雷达；8、摇臂；
图3a为实施例的采煤机机身与工作面底板方向平行工况滚筒、雷达、机身建立坐标系示意图之一；
图3b为实施例的采煤机机身与工作面底板方向平行工况滚筒、雷达、机身建立坐标系示意图之二；
图3c为实施例的采煤机机身与工作面底板方向存在夹角α时工况滚筒、雷达、机身建立坐标系示意图之一；
图3d为实施例的采煤机机身与工作面底板方向存在夹角α时工况滚筒、雷达、机身建立坐标系示意图之二。
具体实施方式
下面结合本发明实例中的附图，对本发明专利实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所述的实施例仅仅是本发明一部分实例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于雷达探测的采煤机摇臂自适应调高控制方法，包括：滚筒雷达安装位置、雷达安装方法、雷达使用方法；建立坐标系，其中：
所述滚筒雷达安装位置如图1，雷达通过雷达固定孔固定在采煤机3前滚筒4后滚筒6的端盘上位于滚筒的内部中心位置，滚筒坐标系与雷达坐标系重合，滚筒中雷达的安装位置需要视滚筒的空间大小而定，有些滚筒空间够，有些空间不够，针对空间不够的小尺寸滚筒需重新设计，实现滚筒中雷达安装位置的确定；
所述雷达安装方法，在图2中，前滚筒4后滚筒6上均安装雷达的方法，采用基于单雷达的探测方式，前进时前滚筒雷达5识别顶板位置1，后滚筒雷达7识别底板位置2，利用雷达探测得前滚筒4后滚筒6距离煤岩界面的的高度h，返回时调换前滚筒4后滚筒6上下位置，后滚筒雷达7识别顶板位置1，前滚筒雷达5识底板位置2，利用滚筒雷达安装位置建立坐标系进行数据采集进而识别顶板位置1和底板位置2，确定雷达的安装方法实现采煤机3摇臂8的自适应调高；
所述雷达使用方法，采用基于前进方向的滚筒雷达5(或7)识别顶板位置1，后滚筒雷达7(或5)用来识别底板位置2，若底板位置2存在浮煤较多，利用后滚筒雷达7来识别底板位置2是不准确的，所以采用记忆截割的方式来识别底板位置2；采用基于双雷达同时工作方式来识别底板位置2，视浮煤情况而定，当整个浮煤比较少且精度较高时利用后滚筒雷达7识别底板位置2，当浮煤较多时采用记忆截割的方式识别底板位置2，通过调整后滚筒6高度(或后摇臂8角度)识别底板位置；当雷达识别范围覆盖整个底板位置2时，直接采用前滚筒雷达5识别底板位置2；当底板浮煤较多时采用记忆截割的方式来识别底板位置2，通过跟踪已知煤岩界面来实现煤岩截割，只需要获煤岩分界面对应的截割轨迹，就能通过对轨迹的跟踪实现对摇臂8高度的自动调整进而识别煤岩下底板，采用单雷达和双雷达同时使用可以准确识别出煤岩界面。
所述建立坐标系，绘制采煤机简图，在简图上分别标识出滚筒、雷达、采煤机机身3个坐标系位置，不考虑采煤机滚筒截割方向，只计算采煤机机身行走的距离和滚筒抬升的高度，滚筒雷达的坐标用于对滚筒位置的记录，采煤机的机身坐标，用于对采煤机机身的记录，利用雷达识别煤岩界面的顶板和底板位置，首先在雷达坐标系下，利用雷达来识别顶板与底板的位置，然后告知滚筒调高量切换到滚筒坐标系下，在不考虑安装误差情况下滚筒坐标系与雷达坐标系属于同一个坐标系，然后把滚筒进行抬高使其达到最高点坐标位置，然后利用坐标变换来求得摇臂的旋转角度，机身角度对滚筒自动调高存在影响，当机身与底板水平方向重合时，滚筒的运动轨迹为以摇臂为半径的一个圆，当滚筒调高后则在x方向上存在偏移量，采煤机机身需要向前推进偏移量来进行补偿；当机身与水平方向存在夹角时，机身角度的变化对滚筒的调高量以及水平方向的偏移量产生影响，滚筒和机身的两个运动已知，此时机身沿着存在夹角的倾斜巷道向上推进，利用三角函数换算到水平方向需要推进的距离，为需要换算摇臂的旋转角度和水平方向移动量。
在图3a到图3b中分别对滚筒、雷达、机身三个位置建立坐标系，设采煤机机身的初始位置坐标(X0，Y0，Z0)，当采煤机机身与工作面底板方向平行时，将采煤机滚筒的最高点和机身位置的坐标分别记为(XM，YM，ZM)和(Xi，Yi，Zi)；在图3c到图3d中当采煤机机身与工作面底板方向存在夹角α时，将采煤机滚筒的最高点和机身位置的坐标分别记为(XT，YT，ZT)和(Xe，Ye，Ze)。
建立坐标系实现摇臂自适应调高的原理为：
首先分别对滚筒、雷达、机身三个位置建立坐标系，如图3a所示，选取采煤机机身的中心位置为坐标原点，设采煤机机身的初始位置坐标(X0，Y0，Z0)，以采煤机的机身行走的方向为x轴，以采煤机截割滚筒抬高的方向为y轴，采煤机滚筒的推进方向为z轴，其中机身的姿态与位置利用惯性导航装置来采集，采煤机摇臂的旋转角度通过油缸的行程传感器计算，摇臂上装有惯性导航可以测出角度，机身角度利用油缸传感器测出，摇臂长度已知，采煤机的机身位置已知，具体包含采煤机的初始位置坐标、滚筒雷达初始位置坐标、采煤机机身的倾角、摇臂转角等信息，通过这些信息综合计算采煤机滚筒的抬升高度、采煤机机身的行进距离和摇臂的转角，若滚筒提升至正上方的点，已知机身角度的情况下，往前走多少距离，滚筒调高多少高度，利用滚筒调高多少高度换算为摇臂的旋转角度β，返回时和前进时是相类似的只是前后滚筒的自动调高方向发生变化，此时后滚筒自动抬高而前滚筒相应的下降，以下两种情况是采煤机在前进方向所产生的两类情况；
当采煤机机身与工作面底板方向平行时，在图3a到图3b中设摇臂初始位置转角为β0，机身与巷道夹角α0＝0，摇臂长度L0，设采煤机滚筒的初始位置坐标(X1，Y1，Z1)，雷达探测到顶板采样位置时滚筒调节到最高点的位置坐标记为(XM，YM，ZM)此时摇臂的转角为β1，设滚筒从初始位置提升到正上方的点高度为h，根据采煤机机身的初始位置坐标(X0，Y0，Z0)和滚筒的初始位置坐标(X1，Y1，Z1)，由条件可计算得，采煤机机身沿x轴的推进量X＝|XM-X1|，滚筒的调高量为h＝|YM-Y1|，摇臂的转角为转角为β时滚筒间距离/>
当采煤机机身与工作面底板方向存在夹角α时，在图3c到图3d中设摇臂初始位置转角为β2，机身与巷道夹角为α，摇臂长度L0，设滚筒的初始位置坐标(XB，YB，ZB)，雷达探测到上顶板时滚筒调节到最高点的位置坐标记为(XT，YT，ZT)此时摇臂的转角为β3，设滚筒从初始位置提升到正上方的点高度为h，根据采煤机机身的初始位置坐标(X0，Y0，Z0)和滚筒的初始位置坐标(XB，YB，ZB)，由条件可见计算得滚筒的调高量为h＝|YM-YB|，由求得采煤机机身沿x轴的补偿量为x＝htanα，机身沿底板工作面推进距离/>摇臂的转角为/>转角为β时滚筒间距离为
本说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.基于雷达探测的采煤机摇臂自适应调高控制方法，其特征在于，包括：滚筒雷达安装位置、雷达安装方法、雷达使用方法、建立坐标系；
所述滚筒雷达安装位置，雷达固定在采煤机左右滚筒的端盘上，位于滚筒的内部中心位置，滚筒坐标系与雷达坐标系重合；
所述雷达安装方法，左右滚筒上均安装雷达的方法，采用基于单雷达的探测方式，前进时前滚筒雷达识别顶板位置，后滚筒雷达识别底板位置，利用雷达探测前后滚筒距离煤岩界面的高度，返回时调换前后滚筒上下位置，后滚筒雷达识别顶板位置，前滚筒雷达识底板位置，利用滚筒雷达安装位置建立坐标系进行数据采集进而识别顶板和底板的位置；
所述雷达使用方法，采用基于前进方向的滚筒雷达识别顶板位置，后滚筒雷达用来识别底板位置，若底板位置存在浮煤多，采用记忆截割的方式来识别底板位置；采用基于双雷达同时工作方式来识别底板位置，视浮煤情况而定，当整个浮煤少且精度高时利用后滚筒雷达识别底板位置，当浮煤较多时采用记忆截割的方式识别底板位置，通过调整后滚筒高度识别底板位置；当雷达识别范围覆盖整个底板位置时，直接采用前滚筒识别底板位置；
所述建立坐标系，绘制采煤机简图，在简图上分别标识出滚筒、雷达、采煤机机身3个坐标系位置，不考虑采煤机滚筒截割方向，只计算采煤机机身行走的距离和滚筒抬升的高度，滚筒雷达的坐标用于对滚筒位置的记录，采煤机的机身坐标，用于对采煤机机身的记录，利用雷达识别煤岩界面的顶板和底板位置，首先在雷达坐标系下，利用雷达来识别顶板与底板的位置，然后告知滚筒调高量切换到滚筒坐标系下，在不考虑安装误差情况下滚筒坐标系与雷达坐标系属于同一个坐标系，然后把滚筒进行抬高使其达到最高点坐标位置，然后利用坐标变换来求得摇臂的旋转角度，机身角度对滚筒自动调高存在影响，当机身与底板水平方向重合时，滚筒的运动轨迹为以摇臂为半径的一个圆，当滚筒调高后则在x方向上存在偏移量，采煤机机身需要向前推进偏移量来进行补偿；当机身与水平方向存在夹角时，机身角度的变化对滚筒的调高量以及水平方向的偏移量产生影响，滚筒和机身的两个运动已知，此时机身沿着存在夹角的倾斜巷道向上推进，利用三角函数换算得到水平方向需要推进的距离，得到需要换算摇臂的旋转角度和水平方向移动量。
2.根据权利要求1所述的基于雷达探测的采煤机摇臂自适应调高控制方法，其特征在于，雷达使用方法中，底板浮煤多时采用记忆截割的方式来识别底板位置，通过跟踪已知煤岩界面来实现煤炭截割，获得煤岩分界面对应的截割轨迹，通过对轨迹的跟踪实现对滚筒高度的自动调整进而识别煤岩下底板。
3.根据权利要求1所述的基于雷达探测的采煤机摇臂自适应调高控制方法，其特征在于，建立坐标系实现摇臂自适应调高的方法为：
首先分别对滚筒、雷达、机身三个位置建立坐标系，选取采煤机机身的中心位置为坐标原点，设采煤机机身的初始位置坐标(X0，Y0，Z0)，以采煤机的机身行走的方向为x轴，以采煤机截割滚筒抬高的方向为y轴，采煤机滚筒的推进方向为z轴，其中机身的姿态与位置利用惯性导航装置来采集，采煤机摇臂的旋转角度通过油缸的行程传感器计算，摇臂上装有惯性导航可以测出角度，机身角度利用油缸传感器测出，摇臂长度已知，采煤机的机身位置已知，具体包含采煤机的初始位置坐标、滚筒雷达初始位置坐标、采煤机机身的倾角、摇臂转角等信息，通过这些信息综合计算采煤机滚筒的抬升高度、采煤机机身的行进距离和摇臂的转角，若滚筒提升至正上方的点，已知机身角度的情况下，往前走多少距离，滚筒调高多少高度，利用滚筒调高多少高度换算为摇臂的旋转角度β，返回时和前进时是相同的，只是前后滚筒的自动调高方向发生变化，此时后滚筒自动抬升而前滚筒相应的下降；
以下两种情况是采煤机在前进方向所产生的两类情况；
当采煤机机身与工作面底板方向平行时，设摇臂初始位置转角为β0，机身与巷道夹角α0＝0，摇臂长度L0，设采煤机滚筒的初始位置坐标(X1，Y1，Z1)，雷达探测到顶板采样位置时滚筒调节到最高点的位置坐标记为(XM，YM，ZM)此时摇臂的转角为β1，设滚筒从初始位置提升到正上方的点高度为h，根据采煤机机身的初始位置坐标(X0，Y0，Z0)和滚筒的初始位置坐标(X1，Y1，Z1)，由条件可计算得，采煤机机身沿x轴的推进量X＝|XM-X1|，滚筒的调高量为h＝|YM-Y1|，摇臂的转角为转角为β时滚筒间距离
当采煤机机身与工作面底板方向存在夹角α时，设摇臂初始位置转角为β2，机身与巷道夹角为α，摇臂长度L0，设滚筒的初始位置坐标(XB，YB，ZB)，雷达探测到上顶板时滚筒调节到最高点的位置坐标记为(XT，YT，ZT)此时摇臂的转角为β3，设滚筒从初始位置提升到正上方的点高度为h，根据采煤机机身的初始位置坐标(X0，Y0，Z0)和滚筒的初始位置坐标(XB，YB，ZB)，由条件可见计算得滚筒的调高量为h＝|YT-YB|，由求得采煤机机身沿x轴的补偿量为x＝htanα，机身沿底板工作面推进距离/>摇臂的转角为转角为β时滚筒间距离为
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2023
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