基于高精度慣導的智能綜放工作面采煤機軌跡監測系統的研究與應用

研發起止時間：2018年12月～2020年12月

完成單位：晉能控股煤業集團有限公司

獲獎及評價：國際先進

1 立項背景

綜采工作面為整個煤礦開采最為重要的場所，采煤機是綜采工作面的核心裝備之一，它移動范圍廣、工作時間長、運動過程復雜，工作面其它裝備均是以其為核心進行工作。采煤機的智能化是實現綜采工作面“無人化”或“少人化”采煤的關鍵因素，而準確定位是實現采煤機智能化的基礎。目前井下采煤機定位方法均具有較大的定位誤差且無法連續定位，不能滿足采煤機定位實時性、自主性和準確性的要求。主要問題一方面是在煤礦復雜環境下無法進行采煤機位置動態精確定位；另一方面是對采煤機姿態定位還沒有有效的方法。

本項目引入固態激光雷達、高精度慣性導航、編碼器的組合慣導系統（見圖1），并利用LSTM神經網絡算法來對捷聯慣導系統的導航方程進行建模，并結合現代電子技術，設計出實時、高效的數據采集硬件電路，實現對采煤機位置和姿態信息的實時采集和分析處理，進一步對采煤機位姿進行跟蹤測量，有效提高了采煤機的定位精度，對實現采煤機的智能化，推動綜采工作面“少人化”或“無人化”開采具有十分重要的意義。

圖1 整體技術方案

2 研究內容

（1）基于LSTM 算法的組合慣性導航定位系統的研究與開發

綜采工作面的“三直兩平”是綜采工作面的核心部分，即煤壁、刮板輸送機和支架成直線狀，刮板輸送機和支架平穩牢靠。由于采煤機受力情況復雜，采煤機實際軌跡與中心計算機設定的理想軌跡存在一定偏差。本項目針對組合慣導體系應用的主要算法為LSTM 算法，又被稱為長短期記憶神經網絡，可以有效的解決組合慣性導航的采煤機定位問題，采用LSTM算法后，可精確預測出慣導所經過的空間位置，大大提升了采煤機定位精度。

（2）基于FPGA+ARM架構的嵌入式開發板電路設計與開發

由于井下采煤機工作環境的惡劣，震動較為嚴重，市面上的系統很難滿足在采煤機機身上工作的需求，因此本項目根據現場環境，采用了FPGA+ARM架構的嵌入式開發板電路設計，可以有效解決數據量轉發較大，頻率較快的特性，并可滿足神經網絡大數據運算的需求。

（3）采煤機電控箱粒子阻尼減振器設計研究

在惡劣的礦井路況下，采煤機電控設備上的精密儀器在采煤機工作時受到振動沖擊，導致電控設備的精密儀器受損，極易造成開發板異常死機。本項目設計了采煤機專用的電控機粒子阻尼減震器，降低電控設備的精密儀器受到的振動沖擊的影響，可以有效防止開發板異常死機問題，并可以進行開發板斷電后自動重啟。

（4）建立無線數據通信子系統

建立無線數據通信子系統，對工作面設備各類數據信息進行傳輸、共享。目前煤礦工作面環境惡劣，而組合慣導體數據量較大，實時性要求較高，通過礦用WiFi 丟包較嚴重，本項目針對此問題，研發了無線數據通信系統，該系統利用無線433 MHz 頻段DTU，433 M DTU 近乎完美的適用于井下嚴酷的地理環境，在井下200 m 左右的距離進行無線傳輸丟包較少，滿足系統功能要求。

（5）基于固態激光雷達的定位系統修正方法研究

綜采工作面生產任務重，采煤機需要時刻進行開采，綜采面環境復雜惡劣，影響因素較多。當綜采工作面的采煤機發生上竄、下滑現象時，會造成采煤機超出切巷范圍，進入到主巷或者副巷，從而破壞了工作面刮板運輸機與轉載機雙機合理的搭接運輸關系，影響綜采工作面的開采運輸作業。本項目針對此問題，研發基于固態激光雷達的定位系統修正方法研究，建立空間位置模型，隨時監控上竄下滑，利用水平距離信息，修正組合慣導漂移量。

3 創新點

（1）融合了采煤機側高精度光纖慣導、里程計，刮板機側激光雷達、接近開關，液壓支架側紅外對射等傳感器信息，基于LSTM、SLAM 算法開發了深度學習多傳感器融合軟件，實現對采煤機運行軌跡與位姿解算。

（2）采集采煤機電量檢測傳感器、軸編碼器等信息，研發了基于LSTM 算法的深度學習多傳感器融合軟件,進行采煤機滾筒截割高度控制，實現了綜放工作面的傾角控制與綜放工作面頂底板曲線監測。

（3）采用LoRa+WiFi 協議，實現了數據無線傳輸。采煤機運行時，將解算數據用LoRa 傳輸；采煤機停采時，將原始數據用WiFi傳輸。

（4）研制了適應采煤機惡劣工況條件的粒子減震設備和電池管理系統，保證FPGA+VPU+ARM 的多核嵌入式電路等設備的穩定運行。

4 技術經濟指標

平直度測量偏差＜100 mm，全工作面直線度測量偏差≤500 mm；基于高精度行程傳感器和雙速邏輯閥實現拉架、推溜行程精確控制，誤差＜20 mm。

5 研究成果及應用效果

本項目獲授權計算機軟件著作權3 項，實用新型專利權1項。經中國煤炭工業協會組織專家對本項目進行科技成果鑒定，成果達到了國際先進水平。

本項目開發的基于高精度慣導的智能綜放工作面采煤機軌跡監測系統已在塔山礦進行了工業性試驗（見圖2），有效提高了煤礦綜采工作面采煤機的定位精度，大幅提升了工作面平直度控制，保障采煤機、液壓支架和刮板輸送機安全、穩定、高效運行，同時也為煤礦智能化、無人化開采的提供了重要關鍵技術。

圖2 塔山礦工業性試驗