一种采煤机滚筒自动调高系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种采煤机滚筒自动调高系统，通过定位定姿装置和工作面顺槽端头位置校准装置确定采煤机在工作面地理坐标系下的位置与姿态，调高控制核心处理器根据采煤机坐标将其融合在工作面三维地质数字模型中，根据采煤机所处位置，在工作面三维地质数字模型中进行三维空间分析，得出采煤机所处位置的截割煤层厚度及其变化，结合包括煤层夹矸在内的地址环境参数，实时动态调整采煤机截割高度。本发明提供一种采煤机滚筒自动调高系统，能够实现采煤机滚筒的自动调高。
【专利说明】一种采煤机滚筒自动调高系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种采煤机滚筒自动调高系统，属于采煤装备技术。
【背景技术】
[0002]采煤机滚筒自动调高技术是采煤机自动控制系统的核心技术。目前实现采煤机自动调高的方法主要有两种:(I)基于煤岩界面识别的采煤机滚筒自动调高；(2)基于记忆截割的采煤机滚筒自动调高。基于煤岩界面识别的采煤机滚筒自动调高工作原理为采用一种方法自动识别出采煤机滚筒所截割的介质是煤还是岩而进行采煤机采高控制。煤岩自动识别的方法有自然γ射线探测法、雷达探测法、应力截齿法、红外探测法、有功功率监测法、振动检测法、声音检测法、粉尘检测法等。由于煤岩属性多变、传感器稳定性差等原因导致这种调高方法很难在工作面使用。记忆截割法是当前采煤机滚筒自动调高的主流技术，在采煤机上得到了广泛的应用。记忆截割的原理是:由采煤机司机根据工作面煤层条件操作采煤机先割一刀，控制系统将行程位置与对应的截割高度等信息存入计算机，以后在某一行程位置的截割高度均由计算机根据存储器记忆的工作参数自动调整，如果煤层条件发生较大变化，则由采煤机司机手动操作对高度进行微调，并自动记忆调整过的工作参数，作为下一刀滚筒调高的参数。记忆截割法实现简单，但是对于地质条件有一定的要求，且不是真正意义上的自动调尚，属于半自动调尚。
【发明内容】
[0003]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种采煤机滚筒自动调高系统，实现采煤机滚筒的自动调高。
[0004]技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0005]一种采煤机滚筒自动调高系统，包括定位定姿装置、工作面顺槽端头位置校准装置、工作面三维地质数字模型数据库和调高控制核心处理器，其中:
[0006]所述定位定姿装置，利用惯性导航元件和采煤机行走部轴编码器的组合，以实时测量采煤机在采煤机载体坐标系下的位置与姿态，并经过坐标转换将采煤机载体坐标系下的坐标转换为地理坐标系下的坐标，实现采煤机在地理坐标系下的位置与姿态的确定；
[0007]所述工作面顺槽端头位置校准装置，在巷道工作面两端头巷道内固定定位标签，当采煤机运动到工作面端头时，通过定位标签校正采煤机在回采过程中定位定姿装置的漂移误差，定位标签在地理坐标系下的坐标明确；
[0008]所述工作面三维地质数字模型数据库，利用工作面井探数据、巷探数据以及精细物探数据预先构建工作面三维地质数字模型，并将该工作面三维地质数字模型存储为数据库，该数据库中包含了工作面顶板在地理坐标系下的坐标、工作面底板在地理坐标系下的坐标，利用数据库中的数据为采煤机滚筒的自动调高提供参照；
[0009]所述调高控制核心处理器，将定位定姿装置和工作面顺槽端头位置校准装置输出的测量数据，与工作面三维地质数字模型相融合，获得采煤机所处位置的截割煤层厚度及其变化，以及包括煤层夹矸在内的地址环境参数，综合所得参数输出采煤机滚筒高度的调节参数，实时动态调节采煤机截割高度；
[0010]通过定位定姿装置和工作面顺槽端头位置校准装置确定采煤机在工作面地理坐标系下的位置与姿态，调高控制核心处理器根据采煤机坐标将其融合在工作面三维地质数字模型中，根据采煤机所处位置，在工作面三维地质数字模型中进行三维空间分析，得出采煤机所处位置的截割煤层厚度及其变化，结合包括煤层夹矸在内的地址环境参数，实时动态调整采煤机截割高度。
[0011]具体的，在工作面顺槽端头位置校准装置中，定位标签采用红外标签、射频(RFID)标签、无线通信标签或超宽带无线通信(UWB)标签。
[0012]调高控制核心处理器的自动调高原理为:
[0013]将工作面顶板采样点和工作面底板采样点在地理坐标系中的坐标记为(χΛ υΛ Zi11)和(X/，γ/，Z/)，将定位定姿装置确定的采煤机在地理坐标系中的坐标记为(X0, Y0, Z0)，将采煤机滚筒的最高点和最低点在地理坐标系中的坐标记为(XM, Ym, Zm)和(Xm, Ym, Zm)；
[0014]当采煤机的前滚筒运动到第i个采样点和第i+Ι个顶面采样点之间时，即乂10(?0^+1时，判断此时采煤机前滚筒最高点2轴坐标2?与第i+Ι个顶面采样点Z轴坐标Zi+1之间的大小和差值:若|ZM-Zi+1| ( 0.lm，则采煤机前滚筒按照原来的高度继续截割；若|ZM-Zi+1|>0.lm，则需要对采煤机前滚筒的高度进行调整，具体分为两种情况:①若ZM-Zi+1>0.lm，则说明下一个顶面采样点处采煤机前滚筒最高点的高度将大于顶板最低点的高度，需要减小采煤机摇臂向上摆动的角度；②若Zi+1-ZM>0.lm，则说明下一个顶面采样点处采煤机前滚筒最高点的高度将小于顶板最低点的高度，需要增大采煤机摇臂向上摆动的角度；
[0015]当采煤机的后滚筒运动到第j个采样点和第j+Ι个底面采样点之间时，即Xj〈XmO^时，判断此时采煤机后滚筒最低点Z轴坐标Zm与第j+Ι个底面采样点Z轴坐标Zj+Ι之间的大小和差值:若|zm-zj+11 ( 0.1m,则采煤机后滚筒按照原来的高度继续截割；若IZm-Zp1IX).lm，则需要对采煤机前滚筒的高度进行调整，具体分为两种情况:①若Zm-ZJ+1>0.lm，则说明下一个底面采样点处采煤机后滚筒最低点的高度将大于底板最高点的高度，需要增大采煤机摇臂向下摆动的角度；②若Zp1-ZmX).lm，则说明下一个底面采样点处采煤机后滚筒最低点的高度将小于顶板最高点的高度，需要减小采煤机摇臂向下摆动的角度。
[0016]有益效果:本发明提供的采煤机滚筒自动调高系统，相较于现有技术，可实现采煤机对作业对象煤层的感知，进而根据煤层特征与采煤机自身姿态可实现采煤机在复杂地质条件下的自动调高，避免了基于记忆截割的调高技术在复杂地质条件下的应用限制，本发明提供的采煤机滚筒自动调高系统是实现综采工作面智能化与无人化的重要基础。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为采煤机滚筒自动调高系统的控制框图；
[0018]图2为采煤机滚筒自动调高系统工作流程图；
[0019]图3为采煤机滚筒自动调高系统工作面布置示意图；
[0020]图4为定位定姿装置的安装示意图；
[0021]图5为米煤机自动调尚原理不意图；
[0022]图中:1为工作面，2为顶板曲线，3为底板曲线，4为采煤机，5为工作面顺槽端头位置校准装置，6为巷道，7为定位定姿装置，8为工作面三维地质数字模型数据库，9为采煤机工作面煤层厚度，10为工作面顶板采样点，11为工作面底板采样点。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0024]如图1、图2所示为一种采煤机滚筒自动调高系统，包括定位定姿装置、工作面顺槽端头位置校准装置、工作面三维地质数字模型数据库和调高控制核心处理器，其中:
[0025]所述定位定姿装置，利用惯性导航元件和采煤机行走部轴编码器的组合，以实时测量采煤机在采煤机载体坐标系下的位置与姿态，并经过坐标转换将采煤机载体坐标系下的坐标转换为地理坐标系下的坐标，实现采煤机在地理坐标系下的位置与姿态的确定；
[0026]所述工作面顺槽端头位置校准装置，在巷道工作面两端头巷道内固定定位标签，当采煤机运动到工作面端头时，通过定位标签校正采煤机在回采过程中定位定姿装置的漂移误差，定位标签在地理坐标系下的坐标明确；其中，定位标签可采用红外标签、射频(RFID)标签、无线通信标签或超宽带无线通信(UWB)标签等；
[0027]所述工作面三维地质数字模型数据库，利用工作面井探数据、巷探数据以及精细物探数据预先构建工作面三维地质数字模型，并将该工作面三维地质数字模型存储为数据库，该数据库中包含了工作面顶板在地理坐标系下的坐标、工作面底板在地理坐标系下的坐标，利用数据库中的数据为采煤机滚筒的自动调高提供参照；
[0028]所述调高控制核心处理器，将定位定姿装置和工作面顺槽端头位置校准装置输出的测量数据，与工作面三维地质数字模型相融合，获得采煤机所处位置的截割煤层厚度及其变化，以及包括煤层夹矸在内的地址环境参数，综合所得参数输出采煤机滚筒高度的调节参数，实时动态调节采煤机截割高度；
[0029]通过定位定姿装置和工作面顺槽端头位置校准装置确定采煤机在工作面地理坐标系下的位置与姿态，调高控制核心处理器根据采煤机坐标将其融合在工作面三维地质数字模型中，根据采煤机所处位置，在工作面三维地质数字模型中进行三维空间分析，得出采煤机所处位置的截割煤层厚度及其变化，结合包括煤层夹矸在内的地址环境参数，实时动态调整采煤机截割高度。
[0030]下面结合实例对本发明做出进一步的说明。
[0031]首先收集工作面井探数据和巷探数据，并使用震波CT方法对工作面进行精细物探，利用井探数据、巷探数据以及精细物探数据构建工作面三维地质数字模型，形成工作面三维地质数字模型数据库8。采煤机4运动到工作面端头时，利用已知工作面地理坐标系下坐标值的4个UWB标签构成的工作面顺槽端头位置校准装置5确定采煤机在工作面地理坐标系下的坐标值，采煤机4在沿工作面运动割煤时，以端头位置坐标为初始值，利用安装在采煤机4机体上的定位定姿装置7对采煤机4进行定位。调高控制核心处理器分别读取工作面顺槽端头位置校准装置5和定位定姿装置7的输出数据，并根据这些数据将采煤机定位到工作面三维地质数字模型数据库8中，沿采煤机4运动方向做切线，获得采煤机当前位置下的顶板曲线2、底板曲线3和采煤机工作面煤层厚度9。
[0032]将工作面顶板采样点10和工作面底板采样点11在工作面地理坐标系中的坐标记为(χΛυΛζ，和(X/，γ/，ζ/)，将定位定姿装置确定的采煤机在工作面地理坐标系中的坐标记为(Xtl, Y0, Z0)，将采煤机滚筒的最高点和最低点在工作面地理坐标系中的坐标记为(?, Y? Zm)和(Xm, Ym, Zm) ο
[0033]采煤机自动调高的控制原理为:
[0034]当采煤机的前滚筒运动到第i个采样点和第i+Ι个顶面采样点之间时，即乂10(?0^+1时，判断此时采煤机前滚筒最高点2轴坐标2?与第i+Ι个顶面采样点Z轴坐标Zi+1之间的大小和差值:若|ZM-Zi+1| ( 0.lm，则采煤机前滚筒按照原来的高度继续截割；若|ZM-Zi+1|>0.lm，则需要对采煤机前滚筒的高度进行调整，具体分为两种情况:①若ZM-Zi+1>0.lm，则说明下一个顶面采样点处采煤机前滚筒最高点的高度将大于顶板最低点的高度，需要减小采煤机摇臂向上摆动的角度；②若Zi+1-ZM>0.lm，则说明下一个顶面采样点处采煤机前滚筒最高点的高度将小于顶板最低点的高度，需要增大采煤机摇臂向上摆动的角度。
[0035]当采煤机的后滚筒运动到第j个采样点和第j+Ι个底面采样点之间时，即Xj〈XmO^时，判断此时采煤机后滚筒最低点Z轴坐标Zm与第j+Ι个底面采样点Z轴坐标Zp1之间的大小和差值:若IZm-Zp1I ( 0.lm，则采煤机后滚筒按照原来的高度继续截割；若IZm-Zp1IX).lm，则需要对采煤机前滚筒的高度进行调整，具体分为两种情况:①若Zm-ZJ+1>0.lm，则说明下一个底面采样点处采煤机后滚筒最低点的高度将大于底板最高点的高度，需要增大采煤机摇臂向下摆动的角度；②若Zp1-ZmX).lm，则说明下一个底面采样点处采煤机后滚筒最低点的高度将小于顶板最高点的高度，需要减小采煤机摇臂向下摆动的角度。
[0036]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种采煤机滚筒自动调高系统，其特征在于:包括定位定姿装置、工作面顺槽端头位置校准装置、工作面三维地质数字模型数据库和调高控制核心处理器，其中: 所述定位定姿装置，利用惯性导航元件和采煤机行走部轴编码器的组合，以实时测量采煤机在采煤机载体坐标系下的位置与姿态，并经过坐标转换将采煤机载体坐标系下的坐标转换为地理坐标系下的坐标，实现采煤机在地理坐标系下的位置与姿态的确定； 所述工作面顺槽端头位置校准装置，在巷道工作面两端头巷道内固定定位标签，当采煤机运动到工作面端头时，通过定位标签校正采煤机在回采过程中定位定姿装置的漂移误差，定位标签在地理坐标系下的坐标明确； 所述工作面三维地质数字模型数据库，利用工作面井探数据、巷探数据以及精细物探数据预先构建工作面三维地质数字模型，并将该工作面三维地质数字模型存储为数据库，该数据库中包含了工作面顶板在地理坐标系下的坐标、工作面底板在地理坐标系下的坐标，利用数据库中的数据为采煤机滚筒的自动调高提供参照； 所述调高控制核心处理器，将定位定姿装置和工作面顺槽端头位置校准装置输出的测量数据，与工作面三维地质数字模型相融合，获得采煤机所处位置的截割煤层厚度及其变化，以及包括煤层夹矸在内的地址环境参数，综合所得参数输出采煤机滚筒高度的调节参数，实时动态调节采煤机截割高度； 通过定位定姿装置和工作面顺槽端头位置校准装置确定采煤机在工作面地理坐标系下的位置与姿态，调高控制核心处理器根据采煤机坐标将其融合在工作面三维地质数字模型中，根据采煤机所处位置，在工作面三维地质数字模型中进行三维空间分析，得出采煤机所处位置的截割煤层厚度及其变化，结合包括煤层夹矸在内的地址环境参数，实时动态调整采煤机截割高度。
2.根据权利要求1所述的采煤机滚筒自动调高系统，其特征在于:在工作面顺槽端头位置校准装置中，定位标签采用红外标签、射频标签、无线通信标签或超宽带无线通信标签。
3.根据权利要求1所述的采煤机滚筒自动调高系统，其特征在于:调高控制核心处理器的自动调高原理为: 将工作面顶板采样点和工作面底板采样点在地理坐标系中的坐标记为(χΛ υΛ Zi11)和(X/，Y/，Z/)，将定位定姿装置确定的采煤机在地理坐标系中的坐标记为(Xtl, Y0, Z0)，将采煤机滚筒的最高点和最低点在地理坐标系中的坐标记为(χμ，υμ，ζμ)和(Xm，Ym，Zm)； 当采煤机的前滚筒运动到第i个采样点和第i+l个顶面采样点之间时，即X1C/Xi+i时，判断此时采煤机前滚筒最高点Z轴坐标Zm与第i+Ι个顶面采样点Z轴坐标Z i+1之间的大小和差值:若|ZM-Zi+1| ^ 0.lm，则采煤机前滚筒按照原来的高度继续截割；若|ZM-Zi+1|>0.1m,则需要对采煤机前滚筒的高度进行调整，具体分为两种情况:①若ZM-Zi+1>0.lm，则说明下一个顶面采样点处采煤机前滚筒最高点的高度将大于顶板最低点的高度，需要减小采煤机摇臂向上摆动的角度；②若Zi+1-ZM>0.lm，则说明下一个顶面采样点处采煤机前滚筒最高点的高度将小于顶板最低点的高度，需要增大采煤机摇臂向上摆动的角度； 当采煤机的后滚筒运动到第j个采样点和第j+Ι个底面采样点之间时，即X/Xm〈Xw时，判断此时采煤机后滚筒最低点Z轴坐标Zm与第j+Ι个底面采样点Z轴坐标Z w之间的大小和差值:若Izm-Zp1I ^ 0.lm，则采煤机后滚筒按照原来的高度继续截割；若IZm-Zp1IX).1m,则需要对采煤机前滚筒的高度进行调整，具体分为两种情况:①若Zm-Zp1X).lm，则说明下一个底面采样点处采煤机后滚筒最低点的高度将大于底板最高点的高度，需要增大采煤机摇臂向下摆动的角度；②若Zp1-ZmX).lm，则说明下一个底面采样点处采煤机后滚筒最低点的高度将小于顶板最高点的高度，需要减小采煤机摇臂向下摆动的角度。
【文档编号】E21C35/24GK104481534SQ201410621038
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月6日 优先权日:2014年11月6日
【发明者】王世博, 葛兆亮, 张博渊, 葛世荣, 王学志 申请人:中国矿业大学