基于智能化綜采工作面采煤機(jī)的慣導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計與研究

石成虎，付良廷

(西安重裝智慧礦山工程技術(shù)有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

近年來，在國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略、互聯(lián)網(wǎng)+、物聯(lián)網(wǎng)和煤炭智能化開采等一系列重大戰(zhàn)略和行動的引導(dǎo)下，陜煤集團(tuán)加大智能化工作面應(yīng)用推廣力度，智能化工作面建設(shè)取得了可喜的成績。目前，黃陵一號煤礦和二號煤礦高智能化綜采工作面集成有供液、三機(jī)監(jiān)測及遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)，可在地面分控中心及井下順槽監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)對工作面采煤機(jī)、刮板機(jī)、液壓支架、泵站、順槽皮帶等單機(jī)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和一鍵啟停，真正做到了“無人值守、有人巡視”[1]，走在了煤炭智能開采技術(shù)的前沿。山西塔山煤礦、四川廣能公司龍灘煤礦等也相繼進(jìn)行了深入研究，并實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用和投產(chǎn)，這一系列的大事件標(biāo)志著遠(yuǎn)程控制智能化采煤已然成為必然趨勢，我國已進(jìn)入智能化開采時代。

1 國內(nèi)外研究狀況

目前，慣導(dǎo)系統(tǒng)的研究和開發(fā)主要用于航天、軍事領(lǐng)域，民用類很少，還沒有專用于采煤機(jī)慣導(dǎo)系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家。慣導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展已有幾十年的發(fā)展歷史，積累了相當(dāng)多的研究基礎(chǔ)和豐富的研究經(jīng)驗，但用于煤炭企業(yè)采煤機(jī)精準(zhǔn)定位的慣導(dǎo)系統(tǒng)屈指可數(shù)，且效果欠佳，而國外，LASC技術(shù)得到了較好的應(yīng)用和推廣，因此，相對而言，我國的技術(shù)力量相對薄弱，要研究和開發(fā)一套真正用于煤炭企業(yè)采煤機(jī)精準(zhǔn)定位和矯直的慣導(dǎo)系統(tǒng)，困難顯而易見，只有不斷地磨練自己，不斷優(yōu)化，砥礪前進(jìn)，克服種種困難，才能守得云開見月明，追趕超越競爭對手。

1.1 國內(nèi)研究狀況

在國內(nèi)，航天九院13所和中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安飛行自動控制研究所(618所)的慣導(dǎo)系統(tǒng)在采煤機(jī)上已有推廣，但效果不理想。

2015年，北京天地科技與CSIRO昆士蘭技術(shù)中心展開了LASC技術(shù)合作，并開始在兗煤集團(tuán)轉(zhuǎn)龍灣礦進(jìn)行了LASC技術(shù)的井下應(yīng)用，進(jìn)入市場也比較晚，由于礦井的復(fù)雜多樣性，其效果相對比較好，還有待于進(jìn)一步的持續(xù)發(fā)展，并且價格昂貴，性價比不高。

目前，我國已建成超過220個“有人巡視，無人值守”智能化開采工作面，產(chǎn)量超過5.6億t，工作面減少人數(shù)50%以上。

因此，我國煤炭的智能化開采，尚處于初級階段，存在許多不足，對礦井智能化綜采工作面的安全高效開采提出了更高的技術(shù)要求和精度要求，而綜采工作面智能化開采的核心問題就是工作面采煤機(jī)的精確定位和自動取直，慣性導(dǎo)航技術(shù)是實(shí)現(xiàn)和解決這一問題的有效方法和途徑之一。研究和開發(fā)用于采煤機(jī)定位、姿態(tài)精準(zhǔn)檢測的慣導(dǎo)系統(tǒng)，成為我國煤炭企業(yè)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制智能化開采的必然選擇。

1.2 國外研究狀況

20世紀(jì)90年代以來，美國、德國、澳大利亞等國開始著手研究自動化綜采關(guān)鍵技術(shù)，并取得了顯著性成果。澳大利亞綜采長壁工作面自動控制委員會(Longwall Automation Steering Committee，LASC)開展的煤礦綜采自動高精度光纖陀螺儀和定制的定位導(dǎo)航算法獲得了3項主要成果，即采煤機(jī)位置三維精確定位(誤差±10 cm)、工作面矯直系統(tǒng)(誤差±50 cm)和工作面水平控制，完成了工作面自動化系統(tǒng)原型，并首次在澳大利亞的Beltana礦試驗成功，于2008年對LASC系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)自動控制、煤流負(fù)荷平衡、巷道集中監(jiān)控等，之后便同久益、艾可夫等采煤機(jī)供應(yīng)商簽署了協(xié)議，將這項技術(shù)集成到對應(yīng)的采煤機(jī)上，實(shí)現(xiàn)快速商用[2]。目前，在澳大利亞超過20個長壁工作面采用了LASC技術(shù)，2014年，在美國首次應(yīng)用于伊利諾斯州，久益集團(tuán)White Oak 煤礦。如今，LASC技術(shù)在我國進(jìn)行了應(yīng)用推廣，但價格昂貴，性價比不高。

智能開采服務(wù)中心(Intelligent Mining Service Certer，IMSC)是美國JOY公司推出的一種適用于長壁工作面的遠(yuǎn)程智能增值產(chǎn)品/服務(wù)系統(tǒng)，可實(shí)時監(jiān)控煤礦設(shè)備運(yùn)行，在澳大利亞布里斯班的Anglo礦業(yè)公司總部設(shè)置總高度室，對所管轄礦井進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，目前只有莫蘭巴北礦上線[2]。

2 慣導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計與研究

目前業(yè)內(nèi)認(rèn)可度比較高的智能化無人開采技術(shù)其裝備總體路線如圖1所示，圖中粗線框出部分是裝備定位及姿態(tài)感知在整個體系中的所處位置，采煤機(jī)行進(jìn)軌跡測量是裝備定位與姿態(tài)感知的重要組成部分。

圖1 智能化無人開采技術(shù)與裝備總體路線

基于采煤機(jī)的慣導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計與研究具體分為2個研究內(nèi)容，即慣導(dǎo)本體結(jié)構(gòu)設(shè)計和航跡生成算法，如圖2所示。

圖2 基于采煤機(jī)的慣導(dǎo)系統(tǒng)

慣導(dǎo)是生成采煤機(jī)航跡數(shù)據(jù)的傳感器部件，也是慣導(dǎo)系統(tǒng)的本體結(jié)構(gòu)。根據(jù)對綜采工作面的平整度要求，分析系統(tǒng)指標(biāo)需求并進(jìn)行詳細(xì)分解。依據(jù)分解后的系統(tǒng)指標(biāo)，針對采煤機(jī)工況條件設(shè)計慣導(dǎo)系統(tǒng)的抗震動沖擊信號處理算法以及機(jī)械抗震動沖擊結(jié)構(gòu)，最后，根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)要求以及慣導(dǎo)輸出的姿態(tài)角度指標(biāo)，設(shè)計系統(tǒng)航跡生成算法，包括有組合導(dǎo)航算法、噪聲干擾濾波處理算法、安裝誤差校準(zhǔn)算法等，最終完成系統(tǒng)設(shè)計。

2.1 本體結(jié)構(gòu)設(shè)計

在自動化綜采工作面上，慣導(dǎo)準(zhǔn)確獲取采煤機(jī)定位軌跡，以確保采煤機(jī)按照規(guī)劃好的工作面模型進(jìn)行作業(yè)。

分析指標(biāo)：通過詳細(xì)分析系統(tǒng)指標(biāo)，并建立理論模型。如果綜采面工作長度300 m，采煤機(jī)一刀煤用時最長1 h，一刀煤期間，采煤機(jī)應(yīng)連續(xù)作業(yè)，不允許停車修正，采煤機(jī)三維定位誤差±10 cm，如圖3所示。

圖3 理論模型

由圖可知，0.1/300=tanΔθ，

而Δθ=arctan(0.1/300)≈0.000 333 3(弧度)，故0.000 333 3×180/3.14=0.019(度)，可得導(dǎo)系統(tǒng)航向保持精度應(yīng)≤0.019度/h。

航向角是慣導(dǎo)系統(tǒng)精度最難保證的一項關(guān)鍵指標(biāo)，在同一慣導(dǎo)系統(tǒng)中姿態(tài)角(橫滾、俯仰)的指標(biāo)一般優(yōu)于航向角。

井下工況信號處理：井下信號傳輸和通訊主要是CAN總線和RS-485總線信號，設(shè)計CAN總線和RS-485總線通訊模塊，建立數(shù)據(jù)傳輸通道，以完成數(shù)據(jù)采樣和通訊功能。

機(jī)械抗震動沖擊設(shè)計：為了增強(qiáng)采煤機(jī)慣導(dǎo)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，機(jī)載慣性導(dǎo)航的機(jī)械抗震動沖擊設(shè)計采用了防震、抗沖擊加固理念，設(shè)計了隔振、緩沖模塊，增強(qiáng)了設(shè)備及元器件的耐振動、沖擊能力。

2.2 航跡生成算法

采煤機(jī)慣導(dǎo)系統(tǒng)的算法設(shè)計與實(shí)現(xiàn)分為以下3個步驟實(shí)現(xiàn)。

組合導(dǎo)航算法設(shè)計：采用慣導(dǎo)與里程計組合導(dǎo)航的方式完成采煤機(jī)航跡生成算法。

噪聲干擾濾波算法設(shè)計：本研究擬采用卡爾曼濾波對采煤機(jī)震動沖擊引入的噪聲干擾進(jìn)行濾除，其算法原理如下。

系統(tǒng)狀態(tài)方程：xk=Akxk-1+wk-1，白噪聲為激勵，策動噪聲

系統(tǒng)量測方程：yk=ckxk+vk

式中,yk—觀測信號矢量;vk—觀測噪聲序列；ck—觀測矩陣(m×n)

若不考慮噪聲，忽略wk-1,vk的影響時，即令wk-1=0,vk=0，由系統(tǒng)的狀態(tài)方程和量測方程得到

(9)

(2)=E[(I-HkCk)Qk-1(I-HkCk)T]，

最小均方誤差陣

=Pk′-HkCkPk′

=(I-HkCk)Pk′

故有Kalman一步遞推公式

以上是Kalman遞推過程。

統(tǒng)計特性：Ak,CK,RkQ，

以觀測數(shù)據(jù)作估計：

取u0≈E[y(n)]

Var[x0]≈VarE[y(n)]

遞推：

安裝誤差校準(zhǔn)算法設(shè)計：設(shè)計誤差校準(zhǔn)算法和誤差校準(zhǔn)通訊模塊，當(dāng)采煤機(jī)長時間進(jìn)行割煤時，慣導(dǎo)形成一個時間累積誤差，致使慣導(dǎo)與采煤機(jī)的實(shí)際運(yùn)行軌跡形成了累積誤差[9-13]，因此，慣導(dǎo)系統(tǒng)需要配備誤差校準(zhǔn)通訊模塊，進(jìn)行誤差修正和糾偏，以實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)實(shí)際運(yùn)行軌跡和狀態(tài)的精準(zhǔn)測量。

3 結(jié)語

將高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用于煤炭智能化綜采工作面的煤炭開采中，進(jìn)行采煤機(jī)位置、姿態(tài)的精確監(jiān)測和取直，通過對每個液壓支架推移行程單獨(dú)閉環(huán)控制來達(dá)成直線度控制目標(biāo)，以保證綜采工作面連續(xù)生產(chǎn)過程中不需要人工調(diào)架[3-8]，達(dá)到提高生產(chǎn)效率和安全性的目的，從而進(jìn)一步推動礦井遠(yuǎn)程控制智能化采煤的進(jìn)程，加快智慧化礦山的建設(shè)步伐，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。