本发明属于煤矿开采技术领域，尤其是涉及一种基于捷联惯导的煤矿综采工作面直线度检测方法。
背景技术
随着我国煤炭科技的不断发展，对综采工作面智能化的要求也在不断提高。煤矿综采工作面是由采煤机、液压支架与刮板输送机共同组成。研究采煤机的位置与姿态信息可提高综采工作面的智能化水平，同时可对整条综采工作面中的“三机”设备进行直线度的测量，而综采工作面直线度测量的准确性又直接影响到煤矿井下的设备安全及工程质量。但由于煤炭行业的特殊性，综采工作面一般均为狭长形的测量对象，而综采工作面内又分布着大量的采煤设备，由于煤层的起伏以及采煤机截割时工作面煤尘对测量的影响，因此不能采用地面常规的激光定位技术和经纬度测量技术对综采工作面直线度进行测量。目前对综采工作面直线度的测量主要有以下几种方法：
(1)借助拉绳或红外射线由人工调整液压支架与刮板输送机的直线度，即由井下工作人员借助拉绳和红外射线等传统工具目测直线度的偏差，不过由于综采工作面设备较多、煤尘大，且综采工作面存在弯曲、起伏的情况，人的视线会受到很大影响，导致直线度测量的精度很低。
(2)运用半导体激光器、单模光纤准直激光束作为测量基准轴线，并以光电器件作为位置传感器，经单片机处理数据后可较为准确的显示所测直线度，其测量范围只能达到10m，但是工作面长度一般长达200m-300m,并且由于煤层的起伏以及采煤机截割时工作面煤尘对测量的影响，不能采用地面常规的激光定位技术对综采工作面直线度的测量；
(3)基于视觉测量的综采工作面直线度测量技术，主要是通过在工作面刮板输送机轨道布置led灯，并使用图像传感器对led灯进行采样，描绘出整个综采工作面直线度。但是当综采工作面煤尘大、光线低时，直接运用图像处理技术手段对工作面直线度进行计算有较大难度，测量精度低。
综上所述，目前综采工作面直线度测量主要受采煤环境恶劣、空间有限、工作面粉尘大等因素影响，现有的综采工作面直线度检测方法均未能满足智能化工作面的要求，无法准确获取综采工作面直线度。因此，需设计一种方法步骤简单、设计合理的基于捷联惯导的煤矿综采工作面直线度的测量方法，根据采煤机机身的实时姿态信息，建立采煤机航向角变化模型并获取采煤机航向角变化量，并结合刮板输送机中心线，实现对煤矿综采工作面直线度准确测量。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于捷联惯导的煤矿综采工作面直线度检测方法，其方法步骤简单、设计合理且准确度高，根据采煤机机身的实时姿态信息，建立采煤机航向角变化模型并获取采煤机航向角变化量，并结合刮板输送机中心线实际位置和刮板输送机中心线初始位置，实现对煤矿综采工作面直线度准确测量，测量准确且方便，适应采煤环境恶劣、空间有限、工作面粉尘大的煤矿综采工作面。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于捷联惯导的煤矿综采工作面直线度检测方法，其特征在于：
步骤一、建立坐标系及定义煤矿综采工作面直线度：
步骤101：导航坐标系的建立：建立导航坐标系onxnynzn，所述导航坐标系onxnynzn的原点on为采煤机机身的重心，所述导航坐标系onxnynzn的xn轴正方向为过原点on且指向东，所述导航坐标系onxnynzn的yn轴正方向为过原点on且指向北，所述导航坐标系onxnynzn的zn轴为过原点on且垂直于由xn轴和yn轴形成的平面onxnyn指向天；
步骤102、综采工作面直线度定义：定义煤矿综采工作面直线度为在两个采煤机行走轮之间的刮板输送机中心线实际位置与刮板输送机中心线初始位置之间的偏差；其中，所述刮板输送机中心线初始位置为沿煤矿综采工作面煤层倾斜线指向回风巷；
步骤二、安装捷联惯导测量模块：在采煤机机身中部位置o点处安装捷联惯导测量模块，且捷联惯导测量模块安装平面与采煤机机身两端相交的交线为ab和cd，所述捷联惯导测量模块安装平面内的采煤机机身长度方向的中线mn分别垂直于交线ab和交线cd，所述采煤机机身长度方向的中线mn与交线ab的交点为m，所述采煤机机身长度方向的中线mn和交线cd的交点为n，所述交点m和所述交点n的投影位于刮板输送机的中心线上；
步骤三、计算综采工作面直线度的最大偏差值：
步骤301、采用所述数据处理器根据公式
步骤302、采用所述数据处理器将两个采煤机行走轮之间的各节刮板输送机槽相对所述刮板输送机中心线初始位置的偏差值按照从小到大的顺序排序，获取两个采煤机行走轮之间的刮板输送机槽相对所述刮板输送机中心线初始位置的最大偏差值pm，并将两个采煤机行走轮之间的刮板输送机槽相对所述刮板输送机中心线初始位置的最大偏差值pm称作综采工作面直线度的最大偏差值pm；
步骤四：获取刮板输送机中心线实际位置：
步骤401、采煤机姿态的获取：所述捷联惯导测量模块对采煤机的姿态进行实时检测，并将检测到采煤机的姿态发送至所述数据处理器中，所述采煤机的姿态包括采煤机的航向角、采煤机的俯仰角和采煤机的横滚角；
在导航坐标系下采用所述数据处理器将所述捷联惯导测量模块安装点o在t时刻的位置坐标记作pon(t)(xont,yont,zont),且在t时刻采煤机的航向角为
步骤402、获取刮板输送机中心线实际位置：
步骤4021、采用所述数据处理器根据公式
步骤4022、采用所述数据处理器根据公式
步骤4023、采用所述数据处理器将在导航坐标系下所述交点m在刮板输送机的中心线上的投影点m′在t时刻的位置坐标称为投影点m′在t时刻的位置坐标，则所述投影点m′在t时刻的位置坐标记作pm′n(t)(xm′nt,ym′nt,zm′nt)；采用所述数据处理器将在导航坐标系下所述交点n在刮板输送机的中心线上的投影点n′在t时刻的位置坐标称为投影点n′在t时刻的位置坐标，则所述投影点n′在t时刻的位置坐标记作pn′n(t)(xn′nt,yn′nt,zn′nt)；
步骤4024、采用所述数据处理器将所述投影点m′在所述平面onxnyn上的投影点称为投影点m″，则所述投影点m″在t时刻的位置坐标为(xm′nt,ym′nt)，采用所述数据处理器将所述投影点n′在所述平面onxnyn上的投影点称为投影点n″，所述投影点n″在t时刻的位置坐标为(xn′nt,yn′nt)；
步骤403、建立采煤机航向角变化模型及采煤机航向角变化量的获取：
步骤4031、在采煤机的行走过程中，采用所述数据处理器建立采煤机航向角变化模型
步骤4032、采用所述数据处理器对步骤4031中建立的采煤机航向角变化模型
步骤4033、采用所述数据处理器对两个采煤机行走轮之间的第i+1节刮板输送机槽相对第i节刮板输送机槽的偏转角测量值δi进行判断，当δi>0成立，执行步骤4034，当δi<0成立，执行步骤4035，当δi＝0成立，执行步骤4036；
步骤4034、当δi>0成立时，即两个采煤机行走轮之间的第i+1节刮板输送机槽相对第i节刮板输送机槽向采空区弯曲，则采煤机航向角变化量
步骤4035、当δi<0时，即两个采煤机行走轮之间的第i+1节刮板输送机槽相对第i节刮板输送机槽向煤矿综采工作面的煤壁侧弯曲，则采煤机航向角变化量
步骤4036、当δi＝0时，即两个采煤机行走轮之间的第i+1节刮板输送机槽相对第i个刮板输送机位于同一水平线上，重复步骤4034至步骤4036，采用所述数据处理器对两个采煤机行走轮之间的第i节刮板输送机槽与第i-1节刮板输送机槽之间的偏转角测量值δi-1进行判断；
步骤五、获取煤矿综采工作面直线度及报警提醒：
步骤501、采用所述数据处理器调取绘图模块在所述平面onxnyn上绘制所述刮板输送机中心线初始位置曲线；
采用所述数据处理器调取所述绘图模块将所述投影点m″和所述投影点n′连接成直线，则连接出的直线为在t时刻时两个采煤机行走轮之间的刮板输送机中心线实际位置曲线，且在t时刻时两个采煤机行走轮之间的刮板输送机中心线实际位置相对在t-1时刻时两个采煤机行走轮之间的刮板输送机中心线实际位置的偏转角为所述采煤机航向角变化量，从而得到两个采煤机行走轮之间的刮板输送机中心线实际位置随时间t变化的曲线，并根据两个采煤机行走轮之间的刮板输送机中心线实际位置随时间t变化的曲线和所述刮板输送机中心线初始位置曲线得到煤矿综采工作面直线度；
步骤502、采用所述数据处理器调取曲线测量模块，对两个采煤机行走轮之间的刮板输送机中心线实际位置随时间t变化的曲线距所述刮板输送机中心线初始位置曲线之间的最大距离进行测量，从而获得煤矿综采工作面直线度最大值；
步骤503、采用所述数据处理器将煤矿综采工作面直线度最大值与所述综采工作面直线度的最大偏差值pm进行比较，当煤矿综采工作面直线度最大值大于所述综采工作面直线度的最大偏差值pm，则所述数据处理器控制与所述数据处理器连接的报警模块报警提醒。
上述的一种基于捷联惯导的煤矿综采工作面直线度检测方法，其特征在于：所述捷联惯导测量模块包括三轴陀螺仪和三轴加速度计，所述三轴陀螺仪和三轴加速度计均与所述数据处理器连接。
上述的一种基于捷联惯导的煤矿综采工作面直线度检测方法，其特征在于：步骤二中所述两个采煤机行走轮之间的第i+1节刮板输送机槽相对于第i节刮板输送机槽的设定偏转角αi的取值范围为-1°～+1°；
采用所述数据处理器将两个采煤机行走轮之间的第f节刮板输送机槽相对所述刮板输送机中心线初始位置的设定角偏转角记作βfx，且
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、方法步骤简单、设计合理且实现方便，投入成本较低。
2、所采用的捷联惯导测量模块对采煤机的姿态进行实时检测，从而获得采煤机的姿态包括采煤机的航向角、采煤机的俯仰角和采煤机的横滚角，捷联惯导测量模块安装方便，煤层的起伏以及采煤机截割时工作面煤尘对捷联惯导测量模块的影响较小，从而能适应采煤环境恶劣、空间有限、工作面粉尘大的煤矿综采工作面。
3、所采用的捷联惯导测量模块安装平面与采煤机机身两端相交的交线为ab和cd，所述捷联惯导测量模块安装平面内的采煤机中线mn分别垂直于交线ab和交线cd，所述采煤机中线mn与交线ab的交点为m，所述采煤机中线mn和交线cd的交点为n，所述交点m和所述交点n的投影位于刮板输送机的中心线上，通过获取所述交点m在刮板输送机的中心线上的投影点m′和所述交点n在刮板输送机的中心线上的投影点n′的坐标位置，从而得到在采煤机不同位置时，采煤机行走轮之间的刮板输送机中心线实际位置。
4、采煤机以刮板输送机为运行轨道，采煤机行走轮以销排啮合的方式沿刮板输送机运动，刮板输送机的位置形状决定着采煤机在不同位置姿态角的变化量，结合刮板输送机和采煤机的位置关系能够获得采煤机姿态角变化与采煤机行走距离的数学模型，从而获得采煤机航向角变化模型，进而获得采煤机航向角变化量，从而获取刮板输送机中心线实际位置相对于刮板输送机中心线初始位置的偏转角。
5、根据获取的采煤机行走轮之间的刮板输送机中心线实际位置和采煤机航向角变化量，得到两个采煤机行走轮之间的刮板输送机中心线实际位置随时间变化的曲线，根据两个采煤机行走轮之间的刮板输送机中心线实际位置随时间变化的曲线距所述刮板输送机中心线初始位置曲线的距离，获取了煤矿综采工作面直线度最大值，实现对综采工作面直线度较为准确的测量。
综上所述，本发明方法步骤简单、设计合理且准确度高，根据采煤机机身的实时姿态信息，建立采煤机航向角变化模型并获取采煤机航向角变化量，并结合刮板输送机中心线实际位置和刮板输送机中心线初始位置，实现对煤矿综采工作面直线度准确测量，测量准确且方便，适应采煤环境恶劣、空间有限、工作面粉尘大的煤矿综采工作面。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的方法流程框图。
图2为本发明采煤机、刮板输送机和捷联惯导测量模块的结构示意图。
图3为图2的左视图。
图4为图2除去捷联惯导测量模块后的俯视图。
图5为本发明采煤机航向角变化模型的结构示意图。
图6为本发明步骤三中两个采煤机行走轮之间的第一节刮板输送机槽至第四节刮板输送机槽向采空区弯曲的结构示意图。
1—刮板输送机；2—采煤机行走轮；3—采煤机机身；
4—捷联惯导测量模块；5—捷联惯导测量模块安装平面。
具体实施方式
如图1-图6所示的一种基于捷联惯导的煤矿综采工作面直线度检测方法，包括：
步骤一、建立坐标系及定义煤矿综采工作面直线度：
步骤101：导航坐标系的建立：建立导航坐标系onxnynzn，所述导航坐标系onxnynzn的原点on为采煤机机身3的重心，所述导航坐标系onxnynzn的xn轴正方向为过原点on且指向东，所述导航坐标系onxnynzn的yn轴正方向为过原点on且指向北，所述导航坐标系onxnynzn的zn轴为过原点on且垂直于由xn轴和yn轴形成的平面onxnyn指向天；
步骤102、综采工作面直线度定义：定义煤矿综采工作面直线度为在两个采煤机行走轮2之间的刮板输送机中心线实际位置与刮板输送机中心线初始位置之间的偏差；其中，所述刮板输送机中心线初始位置为沿煤矿综采工作面煤层倾斜线指向回风巷；
步骤二、安装捷联惯导测量模块：在采煤机机身3中部位置o点处安装捷联惯导测量模块4，且捷联惯导测量模块安装平面5与采煤机机身3两端相交的交线为ab和cd，所述捷联惯导测量模块安装平面5内的采煤机机身3长度方向的中线mn分别垂直于交线ab和交线cd，所述采煤机机身3长度方向的中线mn与交线ab的交点为m，所述采煤机机身3长度方向的中线mn和交线cd的交点为n，所述交点m和所述交点n的投影位于刮板输送机1的中心线上；
本实施例中，所述交线为ab和所述cd在刮板输送机1上的投影分别与两个采煤机行走轮2的轮轴中心线在刮板输送机1上的投影重合。
步骤三、计算综采工作面直线度的最大偏差值：
步骤301、采用所述数据处理器根据公式
本实施例中，两个采煤机行走轮2之间的各节刮板输送机槽相对所述刮板输送机中心线初始位置的偏差值即两个采煤机行走轮2之间的各节刮板输送机槽的右端相对于所述刮板输送机中心线初始位置的偏差值。
步骤302、采用所述数据处理器将两个采煤机行走轮2之间的各节刮板输送机槽相对所述刮板输送机中心线初始位置的偏差值按照从小到大的顺序排序，获取两个采煤机行走轮2之间的刮板输送机槽相对所述刮板输送机中心线初始位置的最大偏差值pm，并将两个采煤机行走轮2之间的刮板输送机槽相对所述刮板输送机中心线初始位置的最大偏差值pm称作综采工作面直线度的最大偏差值pm；
步骤四：获取刮板输送机中心线实际位置：
步骤401、采煤机姿态的获取：所述捷联惯导测量模块4对采煤机的姿态进行实时检测，并将检测到采煤机的姿态发送至所述数据处理器中，所述采煤机的姿态包括采煤机的航向角、采煤机的俯仰角和采煤机的横滚角；
在导航坐标系下采用所述数据处理器将所述捷联惯导测量模块4安装点o在t时刻的位置坐标记作pon(t)(xont,yont,zont),且在t时刻采煤机的航向角为
步骤402、获取刮板输送机中心线实际位置：
步骤4021、采用所述数据处理器根据公式
步骤4022、采用所述数据处理器根据公式
步骤4023、采用所述数据处理器将在导航坐标系下所述交点m在刮板输送机1的中心线上的投影点m′在t时刻的位置坐标称为投影点m′在t时刻的位置坐标，则所述投影点m′在t时刻的位置坐标记作pm′n(t)(xm′nt,ym′nt,zm′nt)；采用所述数据处理器将在导航坐标系下所述交点n在刮板输送机1的中心线上的投影点n′在t时刻的位置坐标称为投影点n′在t时刻的位置坐标，则所述投影点n′在t时刻的位置坐标记作pn′n(t)(xn′nt,yn′nt,zn′nt)；
步骤4024、采用所述数据处理器将所述投影点m′在所述平面onxnyn上的投影点称为投影点m″，则所述投影点m″在t时刻的位置坐标为(xm′nt,ym′nt)，采用所述数据处理器将所述投影点n′在所述平面onxnyn上的投影点称为投影点n″，所述投影点n″在t时刻的位置坐标为(xn′nt,yn′nt)；
步骤403、建立采煤机航向角变化模型及采煤机航向角变化量的获取：
步骤4031、在采煤机3的行走过程中，采用所述数据处理器建立采煤机3航向角变化模型
如图5所示，本实施例中，t-1时刻采煤机的位置用直线rr′表示，t时刻采煤机的位置用直线ww′表示。rr′表示t-1时刻两个采煤机行走轮2的中心距所在的位置，ww′表示t时刻两个采煤机行走轮2的中心距所在的位置，且r和w位于刮板输送机1的同一节刮板输送机槽上，同时，r′和w′位于刮板输送机1的同一节刮板输送机槽上。
需要说明的是，两个采煤机行走轮2之间的第i+1节刮板输送机槽相对第i节刮板输送机槽的偏转角测量值δi的取值方法与两个采煤机行走轮(2)之间的第i+1节刮板输送机槽相对于第i节刮板输送机槽的设定偏转角αi的取值方法相同。
步骤4032、采用所述数据处理器对步骤4031中建立的采煤机3航向角变化模型
步骤4033、采用所述数据处理器对两个采煤机行走轮2之间的第i+1节刮板输送机槽相对第i节刮板输送机槽的偏转角测量值δi进行判断，当δi>0成立，执行步骤4034，当δi<0成立，执行步骤4035，当δi＝0成立，执行步骤4036；
步骤4034、当δi>0成立时，即两个采煤机行走轮2之间的第i+1节刮板输送机槽相对第i节刮板输送机槽向采空区弯曲，则采煤机航向角变化量
步骤4035、当δi<0时，即两个采煤机行走轮2之间的第i+1节刮板输送机槽相对第i节刮板输送机槽向煤矿综采工作面的煤壁侧弯曲，则采煤机航向角变化量
步骤4036、当δi＝0时，即两个采煤机行走轮2之间的第i+1节刮板输送机槽相对第i个刮板输送机位于同一水平线上，重复步骤4034至步骤4036，采用所述数据处理器对两个采煤机行走轮2之间的第i节刮板输送机槽与第i-1节刮板输送机槽之间的偏转角测量值δi-1进行判断；
步骤五、获取煤矿综采工作面直线度及报警提醒：
步骤501、采用所述数据处理器调取绘图模块在所述平面onxnyn上绘制所述刮板输送机中心线初始位置曲线；
采用所述数据处理器调取所述绘图模块将所述投影点m″和所述投影点n′连接成直线，则连接出的直线为在t时刻时两个采煤机行走轮2之间的刮板输送机中心线实际位置曲线，且在t时刻时两个采煤机行走轮2之间的刮板输送机中心线实际位置相对在t-1时刻时两个采煤机行走轮2之间的刮板输送机中心线实际位置的偏转角为所述采煤机航向角变化量，从而得到两个采煤机行走轮2之间的刮板输送机中心线实际位置随时间t变化的曲线，并根据两个采煤机行走轮2之间的刮板输送机中心线实际位置随时间t变化的曲线和所述刮板输送机中心线初始位置曲线得到煤矿综采工作面直线度；
步骤502、采用所述数据处理器调取曲线测量模块，对两个采煤机行走轮之间2的刮板输送机中心线实际位置随时间t变化的曲线距所述刮板输送机中心线初始位置曲线之间的最大距离进行测量，从而获得煤矿综采工作面直线度最大值；
步骤503、采用所述数据处理器将煤矿综采工作面直线度最大值与所述综采工作面直线度的最大偏差值pm进行比较，当煤矿综采工作面直线度最大值大于所述综采工作面直线度的最大偏差值pm，则所述数据处理器控制与所述数据处理器连接的报警模块报警提醒。
本实施例中，其特征在于：所述捷联惯导测量模块4包括三轴陀螺仪和三轴加速度计，所述三轴陀螺仪和三轴加速度计均与所述数据处理器连接。
本实施例中，其特征在于：步骤二中所述两个采煤机行走轮2之间的第i+1节刮板输送机槽相对于第i节刮板输送机槽的设定偏转角αi的取值范围为-1°～+1°；
采用所述数据处理器将两个采煤机行走轮2之间的第f节刮板输送机槽相对所述刮板输送机中心线初始位置的设定角偏转角记作βfx，且
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。