智能采运机组自主定位原理与技术

智采工作面装备运行的2个核心问题是控制工作面开采装备在煤层中自适应截割、保持采运机组在连续推进过程中的直线度。解决这2个问题必须实时获取采煤机在工作面空间的准确定位信息。通过对比分析国内外采煤机定位系统的技术原理和硬件架构,发现开发采煤机定位误差消减算法是在井下GPS拒止环境下保证采煤机长时定位精度的关键途径。根据采煤机定位原理可知,采煤机定位误差主要来源于惯性导航安装偏差和惯性导航系统随机误差。惯性导航安装偏差是确定性误差,采用基于两点法的确定性偏差补偿算法可使定位误差减小99.12%。针对采煤机运行状态的非完整性约束特点,基于采煤机运动学模型的闭合路径优化算法和动态零速校正算法分别使采煤机定位误差降低了50%和30%。采用信息滤波模型将闭合路径优化算法和动态零速校正算法进一步融合,抑制了惯性导航系统航向角的漂移,抑制了惯性导航系统航向角的漂移。利用UWB基站群自主迁移方法实现了采煤机在工作面端头定位,采用VB-UKF算法平滑采煤机定位过程中时变的测量噪声,增加了运动轨迹的平滑性,使得IMU/UWB紧融合的定位轨迹更加精确,为惯性导航系统提供校准的基准。基于采煤机定位轨迹的刮板输送机轨迹检测方法实现了刮板输送机形状在线监测,为综采工作面弯曲度自动化检测和校直提供理论基础和试验数据。     

惯性导航初始对准偏差与安装偏差校准方法对采煤机定位精度影响

以惯性导航元件与里程计为传感元件的航位推算方法是综采工作面可行的采煤机定位方法。通过建立航位推算误差模型,分析了惯性导航元件初始对准偏差角和安装偏差角对采煤机运行过程中定位精度的影响。结合航位推算轨迹与实际轨迹的相似性,提出了基于两点法的两种偏差角校准算法,并通过试验验证了校准算法的有效性。在试验条件下,校准前后采煤机定位50%球概率误差(SEP)半径值分别为12.062 m和0.104 m。采煤机往复截割过程中一个截割循环内采煤机的定位精度保持在相同的水平。     

采煤机惯性导航定位动态零速修正技术

基于捷联惯性导航与轴编码器组合的采煤机惯性导航定位是综采工作面可行的采煤机定位技术。惯性导航提供姿态角参数,轴编码器提供速度参数,采煤机惯性导航定位利用航位推算算法解算出东北天坐标系下的位置坐标。为了进一步提高定位精度,在消除确定性偏差的基础上,根据惯性导航姿态误差方程,以东、北、天3个方向的平台失准角为状态量构建状态方程,根据动态零速修正技术的非完整约束条件,以采煤机坐标系横向和垂直方向速度值为观测量构建量测方程,建立卡尔曼滤波模型,并进行移动平台模拟采煤机运行试验验证。在试验条件下,第3刀导航东、北方向最大误差分别由0.639 7,0.856 7 m减小为0.456 4,0.594 2 m。第4刀导航东、北方向最大误差分别由0.644 4,0.910 6 m减小为0.466 5,0.603 0 m。东、北方向定位精度提升了30%。     

刮板输送机调直方法研究

针对刮板输送机调直问题,研究了基于采煤机定位轨迹的调直方法。首先使用组合导航对采煤机轨迹进行求解,然后通过调直算法计算液压支架推溜距离,以达到刮板输送机调直效果。以采煤机定位误差和液压支架推溜误差作为参数,假设两者误差服从正态分布,进行了数值仿真。仿真结果表明:当采煤机轨迹检测误差与液压支架推移支架误差服从正态分布N(0,262)或方差小于262时,通过该调直算法可以有效降低刮板输送机直线度误差。调直试验结果显示,刮板输送机初始直线度误差分别从初始的200 mm和250 mm降低为87 mm与55 mm,刮板输送机直线度误差改善明显。     

综采工作面轨迹测量与直线度控制方法

保证综采工作面的直线度是实现煤炭安全高效开采的基础,基于采煤机、刮板输送机和液压支架之间的几何约束关系,将刮板运输机的直线度和采煤机的运行轨迹作为综采工作面的直线度的反映.为了提高采煤机运行轨迹的计算精度,将惯性导航传感器和液压支架位移传感器数据进行迭代式修正与融合.首先分别对单一液压支架的历史位移序列建立纵向误差模型,对所有液压支架的一次位移序列建立横向误差模型,再采用灰色系统理论对两个序列进行误差消除与数据修正.然后通过惯性导航传感器的数据得到采煤机轨迹,将处理后的液压支架数据进行叠加形成支架轨迹,再采用卡尔曼滤波方法对采煤机轨迹和支架轨迹进行迭代更新得到预测轨迹,同时迭代修正采煤机轨迹和预测轨迹数据.仿真试验表明,该方法可以有效对惯性导航传感器和液压支架误差进行补偿,提高了控制精度.     

采煤机惯性导航安装偏差对定位误差的影响

惯性导航装置安装于采煤机机体上,导航解算时以惯性导航装置坐标系代表采煤机坐标系,当其安装存在偏差时,惯性导航装置坐标系不能代表采煤机坐标系,进而会影响采煤机的定位精度。根据航位推算原理,建立了采煤机惯性导航安装偏差所引起的采煤机定位误差模型,获得惯性导航装置安装偏差与采煤机定位误差之间的关系。安装偏差中的航向偏差与俯仰偏差对采煤机定位误差的影响较大,横滚偏差对采煤机定位误差影响较小,并且定位误差主要集中在高度方向及垂直于采煤机运动的方向。构建的定位误差模型为确定惯性导航装置的安装精度要求与补偿安装偏差引入的采煤机定位误差提供了理论依据。     

基于惯性导航的工作面直线度测控与定位技术

为了解决综采工作面在自动化生产模式下推进数刀后逐渐不直,继而影响连续推进的问题,通过分析问题产生的原因及其对自动化开采的影响,提出采用惯性导航技术测量刮板输送机平直度来定量描述工作面直线度的方法,将惯性导航装置捷联于采煤机,实时测量采煤机割煤行走时形成的三维空间轨迹。介绍基于该方法的惯性导航LASC技术的技术原理、算法框架、关键公式、控制流程等,并基于该技术开发了工作面自动找直控制系统。地面联调和井下工业试验的结果表明,此系统对工作面直线度的检测误差小于100 mm,全工作面直线度控制误差小于300 mm,满足了自动化开采模式下综采工作面自动连续推进的要求。     

智能综采工作面刮板输送机直线度监测方法研究

综采工作面刮板输送机的直线度误差受刮板输送机的轨迹检测误差和液压支架的推移误差的影响,给刮板输送机的状态监测带来了新的挑战。综采工作面刮板输送机直线度实时监测与控制及其获取精确、可靠的位置状态信息对煤矿智能化开采至关重要。为实现综采工作面刮板输送机自动化、智能化、无人化调直并有效地监测刮板输送机的状态,提出了一种基于卡尔曼滤波的刮板输送机位置状态估计方法,结合综采工作面采煤工艺,利用刮板输送机检测轨迹建立刮板输送机调直方法模型,针对传统方法无法实时反映刮板输送机运动状态的难题,以数字孪生技术作为物理世界与数字世界的桥梁,实时精准地反映刮板输送机的位置状态信息,研究综采工作面“三机”的工作特点,利用卡尔曼滤波算法实现对综采工作面刮板输送机直线度的有效监测,并通过改变检测误差与推移误差的正态分布来检验该方法的准确性。试验结果表明,所提出的监测方法能够有效地减小检测误差和推移误差对综采工作面刮板输送机直线度的影响,且在检测误差与推移误差较大时依旧能发挥出色的效果,监测精准率均能提高30%以上,能使综采工作面刮板输送机的直线度误差稳定在一定的范围内,提高刮板输送机直线度的监测精度。     

基于采煤机运动轨迹的刮板输送机布置形态检测研究

为了准确检测采煤工作面中刮板输送机的布置形状,提出了基于采煤机运动轨迹的刮板输送机布置形态检测方法。根据工作面中采煤机与刮板输送机之间的几何空间位置关系,建立以采煤机运行轨迹反演刮板输送机形状数学模型,并搭建刮板输送机布置形态检测试验平台进行试验验证。在刮板输送机轨道模型分别直线、水平曲线、垂直曲线布置形状下,通过刮板输送机形状反演模型获得刮板输送机布置形态;在该试验条件下,通过试验表明：刮板输送机轨道模型的检测形态与实际布置形态的测量误差为±18 mm,满足工作面刮板输送机弯曲检测精度要求。该刮板输送机形态检测模型可实现在线监测,取代人工测量的方法,为实现工作面自动化弯曲检测和校直提供理论基础。     

刮板输送机调直方法与试验研究

刮板输送机自动调直是自动化工作面保持直线度的重要前提,为了实现刮板输送机自动调直,结合综采工作面采煤工艺利用刮板输送机检测轨迹,建立了刮板输送机调直方法,实现了在综采工作面不停机情况下的刮板输送机连续调直。通过数值仿真和试验验证,发现所提出的刮板输送机调直方法可有效地减小刮板输送机的初始粗大直线度误差,并使刮板输送机的直线度误差稳定在一定范围内。刮板输送机直线度误差稳定范围由刮板输送机轨迹检测误差与液压支架的推移误差的偏差(δm,δl)决定。当检测误差与执行误差服从正态分布时,由于检测误差和推移误差在刮板输送机推溜点可以部分相互补偿,而使刮板输送机的直线度误差稳定在6(σm+σl)范围内。刮板输送机的稳态直线度误差只与本次调直过程有关,而与之前的调直过程无关,有效地避免了误差累积。     

基于捷联惯导的采煤机定位定姿技术实验研究

针对煤矿井下"三机"自动化中的采煤机定位精度较低的问题,根据采煤机工作环境恶劣、空间封闭、干扰较多的特点,提出了一种基于捷联惯性导航(SINS)的采煤机位姿定位方法。该方法利用捷联惯性导航系统中的三轴加速度计和三轴陀螺仪实时测量采煤机的加速度和角速度信息,并根据四元数捷联惯导位姿解算方法解算出采煤机的实时位置和姿态信息,得到精确的采煤机运动轨迹,实现对采煤机的实时体定位。对定位平台进行仿真和利用综采工作面"三机"实验装置搭建采煤机捷联惯导定位实验平台进行实验,结果表明,采煤机捷联惯导定位系统能够准确跟踪基准轨迹,采煤机沿工作面方向运行20 m,位置姿态跟踪误差分别为0.5 m和0.7°,满足煤矿采煤机定位精度要求,该系统能够实现采煤机的实时精确定位。     

基于捷联惯导系统的采煤机定位技术

针对煤矿井下“三机”自动化中的采煤机定位精度较低的问题,根据采煤机工作环境恶劣、空间封闭、干扰较多的特点,提出了一种基于捷联惯性导航的采煤机位姿定位方法。该方法主要利用了捷联惯性导航系统中的三轴加速度计和三轴陀螺仪实时测量采煤机的加速度和角速度信息,根据四元数捷联惯导位姿解算方法解算出采煤机的实时位置和姿态信息,得到精确的采煤机的运动轨迹,实现对采煤机的实时体定位。目前基于惯性导航的采煤机空间定位研究主要集中在理论建模及算法仿真阶段,创新点在基于捷联惯性导航的采煤机定位定姿实验系统构建方案,经过系统仿真和实验结果的对比,以期验证捷联惯导对于采煤机定位的适用性,从而实现采煤机实时位姿信息输出,为综采工作面“三机”协同自动化提供实践支持。对定位平台进行仿真和利用综采工作面“三机”实验装置搭建采煤机捷联惯导定位实验平台进行实验。结果表明,采煤机捷联惯导定位系统能够准确跟踪基准轨迹,满足煤矿采煤机定位精度要求,该系统能够实现采煤机的实时精确定位。     

基于地理信息系统（GIS）的采煤机定位定姿技术研究

采煤机自主定位及其对煤层信息的感知是采煤机自动控制系统关键技术。以山西某煤矿18201工作面为试验地点,利用震波CT探测技术对工作面煤层进行了精细勘探,构建了工作面煤层地理信息系统。以具有自动寻北功能的惯性导航装置、轴编码器为传感元件,开发了基于工作面地理信息系统的采煤机定位定姿装置。经过工作面试验,采煤机定位装置可实时测量采煤机行走轨迹、截割轨迹及其与煤层顶底板关系,实现了采煤机在工作面煤层三维地质环境中的定位与煤层地质信息的感知。     

基于精确大地坐标的煤矿透明化智能综采工作面自适应割煤关键技术研究及系统应用

目前煤矿智能综采工作面存在生产环境状态不透明、成套装备难以应对煤层起伏变化、信息化与智能化集成度不高等问题,其系统的适应性和实用性受到影响。具体而言,主要是缺乏基于地理信息系统的可视化数字孪生管控平台,无法实现基于统一大地坐标驱动的透明化工作面的自适应割煤。为突破相关技术难题,提出并研究了测量机器人大地坐标传导、透明化工作面系统建立和动态修正、5G通信、采煤机与地质模型的自适应耦合以及基于时态地理信息系统（TGIS）的“一张图”一体化管控平台等多项关键技术,完成了多维可视化软件系统的开发与硬件系统的高度集成,实现了：(1)采煤机、刮板输送机等固定或移动目标点达毫米或厘米级的精确定位;(2)三维地测模型、设备模型、开采环境与工业控制之间的基于逻辑关系的一体化集成和数字孪生系统的构建;(3)综采工作面采煤机、视频、惯导、测量机器人和地质雷达等信息的可靠、实时传输;(4)为地面调度指挥控制中心的远程决策和智能自适应控制提供了可视化管控环境。系统已经成功应用于临沂矿业集团菏泽煤电郭屯煤矿3301,2305两个工作面,初步实现了较为复杂地质条件下的智能化自适应开采和地面远程管控。     

采煤机自主导航截割原理及关键技术

深部煤层构造较为复杂,实现采煤机无人驾驶开采更加困难。在总结采煤机结构和截割调控技术演变历程基础上,提出采煤机截割调控技术在经历了人工目测截割、机载探测截割、示教记忆截割3个发展阶段后,已经进入到自主导航截割的第4阶段,并提出了适用于深部煤层采煤机自动驾驶的导航截割理论与技术框架,包括导航地图、位姿感知、路径规划、姿态控制4项技术内涵和精细化煤层截割定位地图、精准化煤层截割导航地图、动态化煤层截割导控地图、采煤机融合定位方法、定位精度提升、智采机组全位姿参数矩阵建立、物理-虚拟模型驱动与交互、无人驾驶防冲撞路径规划、截割作业智能调高调直9项关键技术。系统阐述了采煤机自主导航截割相关核心技术基本原理:首先,构建煤层智能化开采导航地图,从精细化煤层截割定位、精准化煤层截割导航和动态化煤层截割导控3个关键步骤实现地图构建及更新;其次,通过融合定位和定位精度提升方法,完成了采煤机位姿精确感知;再次,创建智采机组全位姿参数矩阵,并结合物理-虚拟模型驱动与交互技术构建出导航截割数字孪生系统;最后,基于实时综采装备位姿状态和煤层导航地图信息,实现了无人驾驶防干涉防冲撞路径规划、截割滚筒自适应调高控制以及行走路径自动调直控制。从而实现了深部煤层采煤机智能导航截割控制,为智采工作面实现无人作业提供了新的理论技术支撑。     

薄煤层综采数字化无人工作面技术研究与应用

为实现薛村矿薄煤层94702综采工作面数字化无人开采,根据该工作面地质条件,介绍了采煤机、液压支架、刮板输送机三机设备选型过程;设计并实现了采煤机位置检测、记忆截割自动调高、运行状态实时监控以及液压支架电液控制系统的自动控制等功能。结果表明:通过采用合理的采煤方法和回采工艺,综采数字化无人工作面开采技术安全可靠,可实现自动完成割煤、移架、推移刮板输送机和顶板支护等生产流程。