基于虛擬煤巖界面的采煤機上滾筒路徑規劃

董剛，馬宏偉，聶真

(1.西安科技大學 機械工程學院，陜西 西安　710054；2.平頂山天安煤業股份有限公司 六礦，河南 平頂山　467000)

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實驗研究

基于虛擬煤巖界面的采煤機上滾筒路徑規劃

董剛1，2，馬宏偉1，聶真1

(1.西安科技大學 機械工程學院，陜西 西安710054；2.平頂山天安煤業股份有限公司 六礦，河南 平頂山467000)

針對采煤機上滾筒截割過程中在頂板煤巖界面彎曲區域極易截割到頂板巖石的問題，提出了一種基于虛擬煤巖界面的采煤機上滾筒路徑規劃方法。該方法定義了對上滾筒產生斥力的虛擬煤巖界面和虛擬引力場，模擬了上滾筒跟隨煤巖界面落煤的運動過程，通過上滾筒的運動模擬計算出了截割路徑離散點，并基于高斯核模型的l2約束最小二乘回歸方法，通過訓練路徑離散點獲得了一條光滑的上滾筒截割路徑曲線。仿真結果表明，采用該方法規劃的路徑能夠有效避免上滾筒截割到頂板煤巖界面彎曲區域的巖石。

采煤機上滾筒；路徑規劃；虛擬煤巖界面；路徑曲線回歸；高斯核模型；l2約束最小二乘法

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160930.1017.017.html

0　引言

長壁采煤法綜采工藝的工作面主要設備為采煤機、刮板輸送機和液壓支架，簡稱工作面“三機”。采煤機以刮板輸送機為軌道在工作面往返運行，上、下2個滾筒分別實現沿頂板煤巖界面落煤和向刮板輸送機內拾煤。采煤機上滾筒的落煤過程非常危險，因此提高采煤機上滾筒落煤的自動化水平格外重要[1-2]。

目前針對采煤機上滾筒自動落煤的研究主要集中在頂板煤巖界面識別及上滾筒截割路徑規劃技術、上滾筒自動調高的隨動控制技術等方面。在煤巖界面識別及上滾筒截割路徑規劃方面，XU Z P等[3]認為頂板煤巖界面是連續變化的，基于人工示教，提出了記憶截割方法對煤巖界面進行預測；LI W等[4]提出了基于隱馬爾科夫模型的記憶截割方法，并通過仿真驗證了該方法具有運算速度快、預測誤差小等優點；WANG B P等[5]基于小波包能量譜分析方法對工作面的煤壁圖像進行處理，獲得了頂板的煤巖界面曲線，該方法降低了設備振動對圖像信號的干擾；RALSTON J C[6]采用紅外成像及圖像特征提取方法識別煤巖界面，降低了煤塵對圖像信號的干擾；QUAN G T等[7]提出了一種用三次樣條曲線優化滾筒截割路徑的方法，使滾筒路徑更光滑，并采用粒子群算法進行了準確、快速的求解。這些方法能夠實現對煤巖界面的識別，確定上滾筒自動落煤的定位目標，但都沒能解決上滾筒根據煤巖界面自動調高的問題。

針對采煤機滾筒調高系統隨動控制方面的研究較少。FAN Q G等[8]采用動態模糊神經網絡方法，實現了采煤機調高液壓系統對煤巖界面曲線的位置跟隨控制；SU X P等[9]采用改進的滑模控制策略，實現了采煤機滾筒對頂板煤巖界面的位置跟隨控制。以上研究雖然解決了采煤機上滾筒對頂板煤巖界面的快速跟隨問題，但未能充分考慮滾筒的外觀尺寸及采煤機牽引速度的影響，導致上滾筒截割過程中在頂板煤巖界面彎曲處極易割到頂板巖石。針對該問題，本文提出了一種基于虛擬煤巖界面的采煤機上滾筒路徑規劃方法。該方法首先基于人工勢場原理得出虛擬煤巖界面障礙曲線和目標點[10-11]，以此規劃具有等步距的滾筒截割路徑的離散點；其次以截割路徑的離散點為訓練樣本，采用核最小二乘回歸方法獲取滾筒截割路徑函數[12-13]。

1　采煤機上滾筒路徑規劃方法

1.1采煤機上滾筒截割路徑特點

采煤機運行過程中上滾筒跟蹤頂板煤巖界面，盡量掃落其下方的煤并避免割到頂板巖石。正常情況下，工作面頂板煤巖界面平整光滑，此時上滾筒只需保持一定的高度緊貼煤巖界面運行即可。當工作面遇到斷層時，頂板煤巖界面會發生斷裂或褶曲，此時上滾筒必須根據煤巖界面的變化及時調整高度，否則上滾筒必然割到過多的頂板巖石。如圖1所示，頂板煤巖界面出現彎曲情況時，若采煤機上滾筒仍然在煤巖界面以下一個滾筒半徑R的距離范圍內規劃路徑進行截割，必然割到頂板巖石。圖1中陰影部分即為割到的頂板巖石。

圖1　煤巖界面平移截割效果

可見當遇到工作面頂板煤巖界面彎曲變形時，規劃上滾筒的截割路徑不能采用平移煤巖界面的方法，而應充分考慮煤巖界面的形狀和滾筒尺寸，采用能夠更少或避免截割巖石的方法。

1.2虛擬煤巖界面模型

圖2　基于虛擬煤巖界面的上滾筒路徑規劃原理

上滾筒當前所受的合力為

(1)

(2)

該上滾筒路徑規劃方法根據頂板煤巖界面情況，模擬了采煤機上滾筒在工作面沿頂板煤巖界面從左端向右端的運動過程，能夠保證上滾筒緊貼煤巖界面，并避免或減少截割到頂板巖石。

1.3采煤機上滾筒路徑曲線回歸方法

由于煤巖界面形狀變化、滾筒位置更新、步長選擇、虛擬煤巖界面排斥力影響等原因，獲得的上滾筒路徑點存在一定波動，無法形成光滑的運動路徑曲線，需要根據得到的路徑點進行回歸，以獲得較為光滑的上滾筒路徑。采用基于高斯核模型的l2約束最小二乘回歸方法。該方法具有較好的泛化能力，滿足上滾筒路徑規劃在連續性、光滑性方面的要求。

首先確定上滾筒路徑規劃采用的高斯核模型：

(3)

(4)

(5)

由式(5)可知，l2約束最小二乘方法通過矩陣ΦTΦ與λI相加提高了正則行，進而可以更加穩定地求逆矩陣。

通過該回歸方法得到的采煤機上滾筒路徑曲線為一條光滑曲線，并且在頂板煤巖界面彎曲處，采煤機上滾筒中心點在落煤過程中沿該路徑曲線運行，可有效避免截割到頂板巖石。

2　仿真結果及分析

按照某采煤工作面的實際情況設置仿真實驗參數：工作面采長為180 m，煤層厚度為3 m，工作面中部頂板煤巖界面有一處落差為1.3 m的斷層，采煤機上滾筒直徑為2 m。上滾筒從工作面左端起始，向右運行至工作面右端，利用Matlab對采煤機上滾筒路徑進行規劃。由于煤層頂板平整部分的上滾筒路徑規劃較為簡單，只需將煤巖界面向下平移1個滾筒半徑即可，所以仿真過程中重點關注斷層區域的上滾筒路徑規劃情況。

基于虛擬煤巖界面的采煤機上滾筒路徑規劃仿真實驗步驟如下。

(1) 在煤巖界面上每隔0.1 m選取1個障礙物點，計算煤巖界面的極大點和極小點，作為上滾筒運動的臨時目標點。

(2) 配置各種參數，具體見表1。

表1　仿真參數配置

(3) 根據虛擬煤巖界面方法規劃上滾筒路徑曲線，如圖3所示。可看出斷層位于工作面36～57 m處，落差1.3 m。基于人工勢場法原理直接規劃出來的上滾筒路徑點存在頻繁的上下擺動，無法滿足上滾筒運動需求。

(a) 整個斷層區域的路徑點規劃

(b) 局部放大的路徑點規劃

(4) 針對圖3中規劃的上滾筒路徑曲線，采用基于高斯核模型的l2約束最小二乘法進行回歸，結果如圖4所示。回歸的上滾筒路徑曲線在水平區域位于煤巖界面曲線向下平移1個上滾筒半徑所得曲線(平移曲線)的下方，這是由基于虛擬煤巖界面的采煤機上滾筒路徑規劃方法中所設的障礙物影響范圍所致，當ρ0=0.06時，規劃的上滾筒路徑曲線與平移曲線的差值為0.04 m。從圖4可看出，回歸的上滾筒路徑曲線較為光滑，并成功避免了上滾筒截割到頂板巖石，而平移曲線無法避免上滾筒截割到頂板巖石。

圖4　上滾筒截割路徑回歸曲線

3　結語

以智能綜采工作面采煤機上滾筒運動的路徑規劃為工程背景，以避免采煤機上滾筒截割到頂板巖石為目的，研究了一種基于虛擬煤巖界面的采煤機上滾筒路徑規劃方法，通過建立虛擬煤巖界面模型模擬了上滾筒跟隨煤巖界面落煤的運動過程，獲取上滾筒截割路徑的離散點，并采用基于高斯核模型的l2約束最小二乘回歸方法對規劃的上滾筒截割路徑進行回歸，得到光滑的上滾筒截割路徑曲線，以避免采煤機上滾筒截割到頂板煤巖界面彎曲區域的巖石。該方法的應用減少了上滾筒截割頂板巖石的量，進而降低了采煤機搖臂的損耗，并減少了工作面生產原煤的矸石含量，提高了煤質。

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Path planning of shearer up-drum based on virtual coal-rock interface

DONG Gang1,2,MA Hongwei1,NIE Zhen1

(1.School of Mechanical Engineering,Xi'an University of Science and Technology, Xi'an 710054,China; 2.No.6 Coal Mine,Pingdingshan Tian'an Coal Mining Co.,Ltd., Pingdingshan 467000,China)

For the problem of shearer up-drum cutting rock in roof in the region where coal-rock interface is bended,a path planning method of shearer up-drum based on virtual coal-rock interface was proposed.The method defines virtual coal-rock interface which has repulsion to up-drum and virtual gravitational field,simulates moving process of shearer up-drum along the virtual coal-rock interface,calculates discrete points of cutting path through simulating the motion of shearer up-drum,and obtains a smooth cutting path of up-drum based on regression method of Gaussian kernel model and l2constraint least square by training the discrete points.The simulation results show that cutting path of shearer up-drum planned by the method can avoid up-drum to cu rock in the region where coal-rock interface is bend effectively.

shearer up-drum; path planning; virtual coal-rock interface; path curve regression; Gaussian kernel model; l2constraint least square method

1671-251X(2016)10-0022-05DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.10.005

董剛，馬宏偉，聶珍.基于虛擬煤巖界面的采煤機上滾筒路徑規劃[J].工礦自動化，2016,42(10)：22-26.

2016-05-24；

2016-08-20；責任編輯：李明。

國家自然科學基金資助項目(51074121)。

董剛(1983-)，男，河北唐山人，工程師，博士研究生，現主要從事智能化綜采工作面方面的研究工作,E-mail：dg5594@aliyun.com。

TD421.6

A網絡出版時間：2016-09-30 10:17