綜采工作面采煤機定位技術研究

何佐英

摘? 要：煤礦井下綜采工作面的自動化和智能化是實現礦井無人化、安全高效開采的關鍵步驟，也是發展數字礦山、提高礦井機電裝備信息化和自動化水平的重要組成部分。由于實際施工作業環境復雜，采煤機常規定位定姿技術經常受到外界因素的影響，其精度往往偏低。所以，綜采工作面上采煤機的定位技術還需要進一步研究。該文對采煤機的定位定姿技術進行了介紹，重點探究了綜采工作面中，以捷聯慣導為基礎的采煤機定位定姿技術，并通過仿真模擬驗證了此技術的可靠性。

關鍵詞：采煤機;定位;定姿;捷聯慣導;仿真

中圖分類號：TD42? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

1 采煤機常規定位定姿技術

1.1 基于紅外的采煤機定位技術

利用紅外傳感器對采煤機進行定位，通常會在采煤機上安裝紅外發射裝置以發出脈沖信號，讓液壓支架上的紅外接收裝置接收，從而分析計算獲取采煤機的具體位置。實踐表明，由于粉塵等外物對紅外信號存在一定的遮擋與影響，接收裝置接收到的信號通常不夠準確，甚至可能出現無法接收信號的情況。并且，在實際運用過程中，液壓支架存在較為頻繁的移動現象，很難保證實時定位的準確性。因此，利用紅外傳感器對采煤機進行定位，其精度通常相對偏低。

1.2 基于超聲波的采煤機定位技術

利用超聲波對采煤機進行定位其技術原理基本與利用紅外傳感器對采煤機進行定位差不多。超聲波定位技術和紅外定位技術的不同之處主要在于超聲波在粉塵中具有一定的穿透性，同時，利用超聲波對采煤機進行定位不用對鏡頭進行清洗。然而事實上，這種以超聲波為基礎的采煤機定位技術其精度通常也比較低，所以，利用超聲波對采煤機進行定位存在一定的局限性，在實際運用的過程中，該技術一般只可以用于輔助定位。

1.3 基于軌道里程的采煤機定位技術

通過對軌道里程的分析來實現采煤機的定位，其主要原理在于通過借助傳感器對采煤機行走齒輪的轉動圈數進行采集，再根據轉動圈數的相關信息和齒輪分度圓的實際周長聯合計算，便可以得到采煤機的實際行走距離。最后，將計算得到的距離信息和液壓支架的架間距相比較，便能夠獲取采煤機的具體位置。由于軌道里程分析定位的方法只能在刮板輸送機軌道方向上使用，所以，基于軌道里程的采煤機定位技術只能獲得一維的位置信息。并且，齒輪計數通常具有一定的誤差，所以這種方法很難滿足綜采工作面上采煤機精準定位的需求。

1.4 基于無線傳感器網絡的采煤機定位技術

無線傳感器網絡屬于一種分布式的智能化網絡系統。利用無線傳感器網絡對采煤機進行定位，需要在綜采工作面上安裝較多數量的無線傳感器。這些無線傳感器通常具有較強的通信性能和計算能力，再結合采煤機和液壓支架之間位置關系的監測情況，便可以求解出采煤機的具體定位。利用無線傳感器網絡對采煤機進行定位不僅成本投入少，而且定位的精度較高。因此，利用無線傳感器網絡對采煤機進行定位受到了很多工程管理者的青睞。但是，由于在實際施工過程中，作業環境通常比較復雜，液壓支架依然存在較為頻繁的移動現象。所以，采用無線傳感器網絡對采煤機進行定位還是容易發生信號降低甚至無信號的現象。基于以上分析，可以看出無線傳感器網絡定位技術的實時監測性能還有待進一步提升。

2 基于捷聯慣導的采煤機定位定姿技術

各種采煤機定位定姿方法都有各自的優缺點，將捷聯慣導與無線傳感器網絡技術結合起來，組成組合定位定姿系統，可以克服單系統的缺點，取長補短，以更好滿足自動化生產的要求 。

2.1 采煤機慣性導航姿態解算

捷聯慣導系統是以數字平臺為基礎來確定采煤機的位置和姿態的。該系統的關鍵在于其能夠對采煤機的位置信息和姿態數據進行不斷地更新和求解，這也是決定定位定姿精度的主要原因之一。采煤機慣性導航姿態解算的典型算法是利用四元數理論來建立定位定姿的模型，然后通過此模型進行不斷地更新和求解，從而得到采煤機位置和姿態的實時參數。采煤機進行姿態更新的求解方程為：

式中，Q（t）是姿態四元數;ωb

ib=[ωx? ωy? ωz]T是利用陀螺儀測量得到的采煤機的角速度，ωie是地球自轉的角速度;h是海拔高度;vx、vy、vz分別是沿東向、北向以及天向3個方向的速度分量;L是地球緯度; （ωb

nb）q是向量ωb

nb四元數的形式;RM和RN分別是地球子午圈曲率半徑和卯酉圈曲率半徑。

2.2 慣性導航系統仿真

該次仿真需要采煤機在工作面x方向移動20 m，在工作面推移y方向前移0.8 m。并且，在工作面x方向8 m～12 m位置需要斜切進刀。

通過仿真計算，慣性導航裝置可以模擬獲取采煤機運行過程中的三維姿態與三軸加速度，筆者觀察仿真圖，其展現了仿真計算時三軸姿態數據與三軸加速度采樣點的收集情況。

基于速度和位置微分方程求解可以得到捷聯慣導仿真的加速度和姿態數據，從而可以解算得出采煤機的實時速度與位置，并繪制出三維位置軌跡。仿真求解得到的采煤機的三維位置軌跡。通過和設定軌跡比較發現，采煤機捷聯慣導系統定位定姿獲取的仿真軌跡和原設定值基本吻合。

3 結語

一方面，采煤機在實際運用過程中所處的具體位置和姿態一般能夠把液壓支架與刮板輸送機的工作狀態直接反映出來。同時，綜采工作面采煤機定位技術還能為三機聯動提供需要的數據支持。由此不難看出，對采區中的采煤機進行實時監測，時刻掌握采煤機的實際位置和姿態不但是實現自動化生產的關鍵所在，而且是落實綜采工作面自動化作業和少人化生產的重要基礎。通過和設定軌跡比較發現，采煤機捷聯慣導系統定位定姿獲取的仿真軌跡和原設定值基本吻合。因此，此定位定姿技術具有較強的可靠性。

參考文獻

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