综采工作面采煤机定位技术研究

2022.09.20

何佐英

摘? 要：煤矿井下综采工作面的自动化和智能化是实现矿井无人化、安全高效开采的关键步骤，也是发展数字矿山、提高矿井机电装备信息化和自动化水平的重要组成部分。由于实际施工作业环境复杂，采煤机常规定位定姿技术经常受到外界因素的影响，其精度往往偏低。所以，综采工作面上采煤机的定位技术还需要进一步研究。该文对采煤机的定位定姿技术进行了介绍，重点探究了综采工作面中，以捷联惯导为基础的采煤机定位定姿技术，并通过仿真模拟验证了此技术的可靠性。

关键词：采煤机;定位;定姿;捷联惯导;仿真

中图分类号：TD42? ? ? ? ? ? ? 文献标志码：A

1 采煤机常规定位定姿技术

1.1 基于红外的采煤机定位技术

利用红外传感器对采煤机进行定位，通常会在采煤机上安装红外发射装置以发出脉冲信号，让液压支架上的红外接收装置接收，从而分析计算获取采煤机的具体位置。实践表明，由于粉尘等外物对红外信号存在一定的遮挡与影响，接收装置接收到的信号通常不够准确，甚至可能出现无法接收信号的情况。并且，在实际运用过程中，液压支架存在较为频繁的移动现象，很难保证实时定位的准确性。因此，利用红外传感器对采煤机进行定位，其精度通常相对偏低。

1.2 基于超声波的采煤机定位技术

利用超声波对采煤机进行定位其技术原理基本与利用红外传感器对采煤机进行定位差不多。超声波定位技术和红外定位技术的不同之处主要在于超声波在粉尘中具有一定的穿透性，同时，利用超声波对采煤机进行定位不用对镜头进行清洗。然而事实上，这种以超声波为基础的采煤机定位技术其精度通常也比较低，所以，利用超声波对采煤机进行定位存在一定的局限性，在实际运用的过程中，该技术一般只可以用于辅助定位。

1.3 基于轨道里程的采煤机定位技术

通过对轨道里程的分析来实现采煤机的定位，其主要原理在于通过借助传感器对采煤机行走齿轮的转动圈数进行采集，再根据转动圈数的相关信息和齿轮分度圆的实际周长联合计算，便可以得到采煤机的实际行走距离。最后，将计算得到的距离信息和液压支架的架间距相比较，便能够获取采煤机的具体位置。由于轨道里程分析定位的方法只能在刮板输送机轨道方向上使用，所以，基于轨道里程的采煤机定位技术只能获得一维的位置信息。并且，齿轮计数通常具有一定的误差，所以这种方法很难满足综采工作面上采煤机精准定位的需求。

1.4 基于无线传感器网络的采煤机定位技术

无线传感器网络属于一种分布式的智能化网络系统。利用无线传感器网络对采煤机进行定位，需要在综采工作面上安装较多数量的无线传感器。这些无线传感器通常具有较强的通信性能和计算能力，再结合采煤机和液压支架之间位置关系的监测情况，便可以求解出采煤机的具体定位。利用无线传感器网络对采煤机进行定位不仅成本投入少，而且定位的精度较高。因此，利用无线传感器网络对采煤机进行定位受到了很多工程管理者的青睐。但是，由于在实际施工过程中，作业环境通常比较复杂，液压支架依然存在较为频繁的移动现象。所以，采用无线传感器网络对采煤机进行定位还是容易发生信号降低甚至无信号的现象。基于以上分析，可以看出无线传感器网络定位技术的实时监测性能还有待进一步提升。

2 基于捷联惯导的采煤机定位定姿技术

各种采煤机定位定姿方法都有各自的优缺点，将捷联惯导与无线传感器网络技术结合起来，组成组合定位定姿系统，可以克服单系统的缺点，取长补短，以更好满足自动化生产的要求。

2.1 采煤机惯性导航姿态解算

捷联惯导系统是以数字平台为基础来确定采煤机的位置和姿态的。该系统的关键在于其能够对采煤机的位置信息和姿态数据进行不断地更新和求解，这也是决定定位定姿精度的主要原因之一。采煤机惯性导航姿态解算的典型算法是利用四元数理论来建立定位定姿的模型，然后通过此模型进行不断地更新和求解，从而得到采煤机位置和姿态的实时参数。采煤机进行姿态更新的求解方程为：

式中，Q（t）是姿态四元数;ωb

ib=[ωx? ωy? ωz]T是利用陀螺仪测量得到的采煤机的角速度，ωie是地球自转的角速度;h是海拔高度;vx、vy、vz分别是沿东向、北向以及天向3个方向的速度分量;L是地球纬度; （ωb

nb）q是向量ωb

nb四元數的形式;RM和RN分别是地球子午圈曲率半径和卯酉圈曲率半径。

2.2 惯性导航系统仿真

该次仿真需要采煤机在工作面x方向移动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位置需要斜切进刀。

通过仿真计算，惯性导航装置可以模拟获取采煤机运行过程中的三维姿态与三轴加速度，笔者观察仿真图，其展现了仿真计算时三轴姿态数据与三轴加速度采样点的收集情况。

基于速度和位置微分方程求解可以得到捷联惯导仿真的加速度和姿态数据，从而可以解算得出采煤机的实时速度与位置，并绘制出三维位置轨迹。仿真求解得到的采煤机的三维位置轨迹。通过和设定轨迹比较发现，采煤机捷联惯导系统定位定姿获取的仿真轨迹和原设定值基本吻合。

3 结语

一方面，采煤机在实际运用过程中所处的具体位置和姿态一般能够把液压支架与刮板输送机的工作状态直接反映出来。同时，综采工作面采煤机定位技术还能为三机联动提供需要的数据支持。由此不难看出，对采区中的采煤机进行实时监测，时刻掌握采煤机的实际位置和姿态不但是实现自动化生产的关键所在，而且是落实综采工作面自动化作业和少人化生产的重要基础。通过和设定轨迹比较发现，采煤机捷联惯导系统定位定姿获取的仿真轨迹和原设定值基本吻合。因此，此定位定姿技术具有较强的可靠性。

参考文献

[1]张斌，方新秋，邹永洺，等.基于陀螺仪和里程计的无人工作面采煤机自主定位系统[J].矿山机械，2010，38（9）：10-13.

[2]樊启高，李威，王禹桥，等.一种采用捷联惯导的采煤机动态定位方法[J].煤炭学报，2011，36（10）：1758-1761.

[3]田丰，秦涛，刘华艳，等.煤矿井下线型无线传感器网络节点定位算法[J].煤炭学报，2010，35（10）：1760-1764.

[4]罗成名，李威，樊启高，等.移动无线传感器网络下的采煤机定位精度[J].中南大学学报（自然科学版），2014，45（2）：428-434.