基于慣導(dǎo)系統(tǒng)的綜采工作面自動調(diào)直技術(shù)

李文俊，周 展

(西安煤礦機(jī)械有限公司，陜西 西安 710200)

0 引言

近年來，國家一直在著力調(diào)控能源結(jié)構(gòu)的問題，煤炭消費(fèi)量占比能源消費(fèi)總量2020年下降至56.83%，但隨著整體消費(fèi)量的增長，煤炭消費(fèi)的總量仍然在增加[1]。煤炭需求量增加的同時，煤炭開采的方式也之隨由機(jī)械化、自動化向當(dāng)前的智能化發(fā)展。煤炭開采主要依賴于綜采工作面三機(jī)設(shè)備，即采煤機(jī)、液壓支架、刮板運(yùn)輸機(jī)，三機(jī)的協(xié)調(diào)作業(yè)是實現(xiàn)煤礦安全高效開采的關(guān)鍵[2]。

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，綜合機(jī)械化設(shè)備進(jìn)行采煤時，保證“三直一平兩暢通”，“三直”包括工作面煤壁、刮板輸送機(jī)和液壓支架必須保持直線，“一平”指頂板平，“兩暢通”是指工作面兩端要暢通[3]。針對規(guī)定的“三直一平”，中國煤炭學(xué)會發(fā)布的《智能化采煤工作面分類、分級技術(shù)條件與評價指標(biāo)體系》明確指出智能割煤子系統(tǒng)和智能支護(hù)子系統(tǒng)需具備直線度感知及直線度調(diào)直功能[4]。因此，能否自動實現(xiàn)“三直一平”的關(guān)鍵是工作面的直線度感知與調(diào)直技術(shù)。

1 綜采工作面調(diào)直技術(shù)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)針對煤礦綜采工作面直線度感知與調(diào)直技術(shù)開展系統(tǒng)深入的實驗與工程應(yīng)用研究。北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司等[5]提出一種基于視覺的綜采工作面直線度檢測方法，該方法通過在工作面電纜槽邊安裝快速巡檢平臺攝像系統(tǒng)，再使用運(yùn)動目標(biāo)跟蹤算法，計算出視頻采集裝置的運(yùn)動軌跡；天地科技股份有限公司[6]提出一種采煤工作面液壓支架與刮板輸送機(jī)直線度監(jiān)測方法，該方法通過在綜采工作面的每臺液壓支架上安裝可旋轉(zhuǎn)激光感應(yīng)測距裝置、在刮板機(jī)上安裝激光感應(yīng)接收裝置來獲取工作面液壓支架與刮板機(jī)的直線度；中國礦業(yè)大學(xué)[7]提出一種基于銷軌應(yīng)力變化的采煤機(jī)無線定位系統(tǒng)及方法，該方法通過多傳感器信號獲取任意刮板機(jī)溜槽的空間分布信息，并基于銷軌應(yīng)力反饋信息實時獲取采煤機(jī)的位置；鄭州煤機(jī)液壓電控有限公司[8]提出一種基于慣導(dǎo)系統(tǒng)的煤礦綜采工作面自動調(diào)直系統(tǒng)及方法，該方法通過搭載在采煤機(jī)上的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，結(jié)合行走編碼器數(shù)據(jù)后傳輸至順槽計算機(jī)，生成采煤機(jī)行走輪廓曲線，并計算出每個液壓支架修正量和液壓支架實際移架距離后由電液控完成移駕控制，實現(xiàn)工作面自動調(diào)直。西安科技大學(xué)等[9]提出一種基于慣導(dǎo)與里程計組合的綜采工作面液壓支架自動調(diào)直方法，該方法通過以高精度的光纖慣導(dǎo)與里程計組合為測量系統(tǒng)，獲得采煤機(jī)的位姿與位置信息，并推算出刮板輸送機(jī)的直線度，從而確定每個液壓支架的推移量，實現(xiàn)液壓支架自動調(diào)直。

此外，有些學(xué)者基于綜采三機(jī)協(xié)同的工作原理，通過研究測量采煤機(jī)的動態(tài)定位，實現(xiàn)綜采工作面的直線度感知，常見的定位方法包括紅外對射法、超聲波反射法、齒輪計數(shù)法以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)法等[10-13]。

2 基于慣導(dǎo)系統(tǒng)的綜采面自動拉直技術(shù)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是一種自主式的導(dǎo)航方法，它完全依靠載體上的設(shè)備自主確定載體的航向、位置、姿態(tài)和速度等導(dǎo)航參數(shù)，而不需要借助外界任何的光、電、磁等信息。其基本工作原理是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，通過測量載體在慣性參考系的加速度、角加速度，將它對時間進(jìn)行一次積分，求得運(yùn)動載體的速度、角速度，之后進(jìn)行二次積分求得運(yùn)動載體的位置信息，然后將其變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系，得到在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位置信息等[14]。

2.1 綜采工作面慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組成及工作原理

綜采工作面慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要由慣性測量組件、信息處理組件、任務(wù)計算機(jī)、上位機(jī)軟件、UPS電源模塊等組成。其中，慣性測量組件是生成采煤機(jī)航跡數(shù)據(jù)的傳感部件，其核心是陀螺儀和加速度計，角速度和線性加速度由三軸陀螺儀與三軸加速度計采集，并進(jìn)行解算得到慣導(dǎo)的姿態(tài)、速度與位置信息。慣性測量組件與里程計連接，采集采煤機(jī)的移動距離，通過卡爾曼濾波融合二者的速度信息，將融合后的參數(shù)進(jìn)行反饋，修正慣導(dǎo)與里程計的姿態(tài)角、速度、位置參數(shù)。測量得到的采煤機(jī)姿態(tài)角、速度、位置參數(shù)等，為信息處理組件進(jìn)行軌跡數(shù)據(jù)生成提供原始數(shù)據(jù)。任務(wù)計算機(jī)是采煤機(jī)航跡生成的核心部件，包括信息處理板、硬件處理板卡設(shè)計、航跡生成算法設(shè)計以及結(jié)構(gòu)設(shè)計等。集控上位機(jī)軟件用于顯示綜合慣性測量系統(tǒng)的測量結(jié)果和接收用戶指令。UPS電源則是為確保系統(tǒng)正常運(yùn)行配置的高質(zhì)量二次電源。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)搭載于采煤機(jī)主機(jī)機(jī)身，系統(tǒng)工作架構(gòu)如圖1所示。采煤機(jī)上電工作時，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)開機(jī)工作，通過找北并結(jié)合采煤機(jī)里程計位置數(shù)據(jù)，獲得初始空間位置。當(dāng)采煤機(jī)行走時，慣導(dǎo)系統(tǒng)檢測采煤機(jī)的運(yùn)行軌跡；當(dāng)一刀煤完成時，慣導(dǎo)系統(tǒng)生成采煤機(jī)運(yùn)行軌跡曲線，并發(fā)送至上位機(jī)軟件，上位機(jī)軟件收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)決策模型生成相應(yīng)的補(bǔ)償控制參數(shù)。在下一刀采煤時，將補(bǔ)償控制參數(shù)發(fā)送到電液控制器，作用在成組液壓支架中，通過支架推溜刮板運(yùn)輸機(jī)實現(xiàn)工作面調(diào)直。

圖1 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)工作架構(gòu)Fig.1 Working architecture of inertial navigation system

2.2 綜采工作面慣性導(dǎo)航系統(tǒng)位姿解算

慣導(dǎo)可根據(jù)采煤機(jī)的外形尺寸靈活布置于采煤機(jī)機(jī)身外部或電控箱內(nèi)部。慣性導(dǎo)航固定在采煤機(jī)上，設(shè)采煤機(jī)坐標(biāo)系為載體坐標(biāo)系(b系)，采煤機(jī)前進(jìn)方向為Xb軸，機(jī)身平面上與垂直的方向為Yb軸，與機(jī)身平面垂直的方向為Zb軸。選取地理坐標(biāo)系(g系)為導(dǎo)航坐標(biāo)系(n系)，以采煤機(jī)重心O為中心，規(guī)定Xn，Yn，Zn分別指向東、北、天方向。采煤機(jī)在運(yùn)動過程中，其在3個方向上的夾角分別為采煤機(jī)的航偏角φ，俯仰角θ，橫滾角γ。

對系統(tǒng)位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)的更新解算是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心部分，是影響整個系統(tǒng)精度的主要因素之一，采煤機(jī)的位姿解算更新算法有很多，有歐拉角法、四元數(shù)法、方向余弦矩陣法、Rodrigues法，其中四元數(shù)算法簡單，精度高，應(yīng)用范圍較廣。

采煤機(jī)姿態(tài)更新的姿態(tài)四元數(shù)微分方程為

(1)

其中，

(2)

根據(jù)采煤機(jī)的姿態(tài)矩陣，可以提取出來采煤機(jī)的實時姿態(tài)角

(3)

則姿態(tài)角為

(4)

采煤機(jī)速度更新的微分方程為

(5)

式中，f=[fxfyfz]T為加速度計測量的比力；g為采煤機(jī)的所在位置重力加速度的大小。

采煤機(jī)位置更新微分方程為

(6)

通過對式子積分即可得到采煤機(jī)所在位置的經(jīng)度、緯度和高度。

3 基于慣導(dǎo)技術(shù)的綜采工作面自動調(diào)直技術(shù)實踐

陜煤集團(tuán)黃陵礦業(yè)公司某綜采工作面，工作面長度約260 m，使用采煤機(jī)型號為MG 650/1630-WD，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)安裝于采煤機(jī)電控箱內(nèi)部。該慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要性能指標(biāo)見表1。

表1 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要性能指標(biāo)Table 1 Main performance indicators of inertial navigation system

通過采集完整的8刀數(shù)據(jù)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)生成如圖2、3所示的采煤機(jī)運(yùn)動軌跡。圖2中上部圖形顯示的是每一刀煤壁方向位移隨煤機(jī)移動方向位移的圖形，分析可知，采煤機(jī)在工作面75～210 m附近的中部段8刀工作過程后，其總共推進(jìn)距離約16 m；下部圖形顯示的是隨樣點(diǎn)(時間)煤機(jī)移動方向位移的圖形，以及每一刀在總樣點(diǎn)(時間)中的位置。每一刀用不同的顏色表示。每一刀之間的部分為三角煤數(shù)據(jù)。該圖形能夠直觀明晰地表明采煤機(jī)割煤狀態(tài)，包括每刀割煤所耗時長、割煤過程是否中斷、割端頭三角煤往返次數(shù)等數(shù)據(jù)。

圖2 采煤機(jī)X軸及Y軸曲線變化Fig.2 The curve changes of the X-axis and Y-axis of the shearer

如圖3所示，Y軸及Z軸方向曲線變化可以得到綜采工作面整體起伏狀態(tài)，以圖示4組數(shù)據(jù)分析如下：

圖3 采煤機(jī)Z軸方向曲線變化Fig.3 The change of the Z-axis curve of the shearer

①(Y：89.61，Z：-6.45)與④(Y：95.47，Z：-0.88)對比，第3刀至第8刀在工作面90 m附近煤機(jī)起伏位移變化值為5.86 m；②(Y：208.7，Z：8.39)與③(Y：209，Z：11.75)對比，第3刀至第8刀在工作面210 m附近煤機(jī)起伏位移變化值為3.36 m。分析表明：在采煤機(jī)工作面推進(jìn)方向，工作面逐步降低，且工作面起伏約為4.5 m。

①(Y：89.61，Z：-6.45)與②(Y：208.7，Z：8.39)對比，第8刀從工作面90 m附近至210 m附近，工作面起伏14.85 m；③(Y：209，Z：11.75)與④(Y：95.47，Z：-0.88)對比，第3刀從工作面附近90～210 m附近，工作面起伏12.63 m。分析表明：在采煤機(jī)行走方向，工作面逐步抬高，且工作面起伏約為13.5 m。

由此可知，該慣性導(dǎo)航系統(tǒng)搭載于采煤機(jī)機(jī)身，結(jié)合采煤機(jī)里程計數(shù)據(jù)，在運(yùn)行過程中可準(zhǔn)確感知并描繪出其運(yùn)行軌跡，再與集控系統(tǒng)配合后可實現(xiàn)工作面自動調(diào)直功能。

4 結(jié)論

通過概述現(xiàn)階段國內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)關(guān)于煤礦綜采工作面直線度感知與調(diào)直技術(shù)，本文提出一種基于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的綜采工作面調(diào)直系統(tǒng)。文章介紹了該系統(tǒng)的組成及工作原理，并對系統(tǒng)關(guān)于采煤機(jī)動態(tài)運(yùn)行軌跡的位姿解算過程進(jìn)行詳細(xì)說明。以該原理設(shè)計的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于陜煤集團(tuán)黃陵礦業(yè)公司某綜采工作面，通過實際割煤過程中生成的采煤機(jī)運(yùn)動軌跡，實踐表明其穩(wěn)定性好、定位精度高，能夠滿足綜采工作面直線度檢測的需求。隨著煤礦智能化需求的日益增長，以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為核心的綜采工作面調(diào)直系統(tǒng)，作為解決“三平一直”安全規(guī)定的手段之一，將隨著智能化功能日趨完善而得到徹底解決。