[发明专利]一种采煤机三维定位检测装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种采煤机三维定位及方法，特别是一种采煤机定位检测装置及方法。

背景技术

我国煤矿事故率较高，其主要原因是我国煤炭工业装备的自动化程度水平低，大量设备依赖于人工手动操作。

综采工作面是煤矿生产核心区域之一，由采煤机、刮板输送机和液压支架组成的三机作为综采工作面核心采矿设备，承担着破煤、装煤以及支护等任务，是综采工作面生产的关键。当前大多数需要借助人工干预来实现三机联动，而要想实现三机自动运行，需要解决采煤机自适应割煤以及液压支架跟机自动化等问题，其中的主要技术是采煤机在综采工作面的定位。

由于综采工作面地质结构复杂、工作环境恶劣、采煤路线时变、综采机械化对顶底板的要求以及传感器稳定性等方面的原因，难以准确测量采煤机的运动参数。目前已有的方法有齿轮计数法、红外对射法、超声波反射法、惯性导航法及无线Zigbee。

所述的齿轮计数法是通过计数采煤机牵引部轮齿转动个数后，换算出采煤机的具体位置，该方法已相当成熟，成本低，但存在只能实现直线定位和具有累计误差等不足；所述的红外对射法是在采煤机与液压支架上分别安装红外发射器和接收器，通过接收器接收到发射器的红外线信号获知采煤机位置，其不足之处是不能连续监测采煤机的位置，同时一旦采煤机和液压支架不在一个水平高度上，则接收器很难接收到信号；所述的超声波反射法则是在顺槽安装超声波反射器，超声波经采煤机反射后由顺槽的接收器接收，通过回波时间计算距离，但该方法存在的缺陷是在工作面长度较大的情况下，声衰很大，造成回波误差大甚至无法收到回波；惯性导航法是利用加速度传感器和陀螺仪，可以提供采煤机位置、速度及姿态，但是随着采煤机运动行程的增大其定位精度会有较大的漂移，需要经过外部信息的不断校正来消除定位误差；所述的无线Zigbee则是利用无线信号强度衰减来进行距离反算，确定采煤机位置，但是无线节点基准坐标的漂移以及信号强度衰减的非线性特性，从而使采用Zigbee技术来进行定位具有较大的误差。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种采煤机三维定位检测装置及方法，解决煤矿井下综采工作面采矿条件复杂、生产环境多变下采煤机定位存在的监控难度大、定位误差大的问题。

技术方案：采煤机三维定位检测装置包括，采煤机机身、无线定位传感器、解算频率测量单元、无线标签传感器、高度检测传感器、加速度传感器、定位微处理单元和防爆外壳；在采煤机机身固定无线定位传感器、解算频率测量单元和加速度传感器，在液压支架顶梁下固定无线标签传感器和高度检测传感器，在采煤机机身上安装定位微处理单元及防爆外壳。

本发明采煤机三维定位检测方法是：对无线标签传感器基准坐标值进行计算，解算频率测量单元根据加速度测量值动态调整定位周期，同时利用无线定位传感器和无线标签传感器间无线脉冲信号，对采煤机机身和液压支架间的距离和角度进行检测，将获得的数据传输给定位微处理单元，经定位算法解算得到采煤机的三维坐标值，随着采煤机的移动，能够实现采煤机在整个综采工作面的定位，具体步骤为：

1）采用高度检测传感器实时检测液压支架上的支护高度，结合液压支架间的中心间距，经坐标变换得到液压支架上无线标签传感器的基准坐标值；

2）采用加速度传感器测量采煤机加速度，解算频率测量单元根据采煤机移动快慢计算定位解算频率，来动态调整定位周期，从而调度无线定位传感器与其通信范围内的无线标签传感器进行无线通信，形成一个定位单元；

3）利用无线定位传感器与无线标签传感器间无线脉冲信号，实现采煤机与液压支架之间到达时间和到达角度的测量，并对数据进行衰减记忆滤波，提高新测量数据的作用及抑制旧数据的影响，得到采煤机与液压支架之间的距离和角度；

4）结合无线标签传感器的基准坐标以及采煤机与液压支架之间的距离和角度，建立关于采煤机位置的非线性方程，以采煤机在刮板输送机上运行轨迹为边界约束条件，在无线标签传感器基准坐标位置误差以及无线测距误差等多种误差源下进行基于西格玛点卡尔曼滤波的非线性方程求解，得到采煤机三维坐标。

有益效果，由于采用了上述方案，在采煤机机身上安装无线定位传感器，每台液压支架顶梁下安装无线标签传感器，每个无线标签传感器固定一个唯一的ID号，每个ID对应一个基准坐标；无线定位传感器与其通信范围内对应的无线标签传感器进行无线通信，形成一个定位单元，随着采煤机的移动，能够实现采煤机在整个综采工作面的定位。