一种采煤工作面刮板输送机直线度的检测方法与流程

本发明涉及一种刮板输送机的检测方法，具体是一种采煤工作面刮板输送机直线度的检测方法。

背景技术

综采工作面由采煤机、刮板运输机和液压支架等设备构成。在煤炭开采过程中，要实现煤炭生产的安全性以及高产高效，就要保证综采工作面实现“三直”，即保证煤壁、刮板输送机和液压支架的直线性。

刮板输送机既是采煤机运行轨道，又是液压支架移架时的支点，因此，能否有效保证刮板输送机的直线度是实现“三直”的关键。此外，保证刮板输送机具有较高的直线度，有利于减小采煤机运行阻力和减少卡链、断链甚至采煤机脱离刮板输送机等事故的发生，有效降低了非计划停产发生的概率和减少不必要的人员伤亡。

然而，在井下综采工作面“三机”协同作业过程中，随着采煤机截割循环的递增，刮板输送机和液压支架也在不断前移，其中推移刮板输送机和液压支架过程即推溜和移架过程，不可避免的存在积累误差，使得刮板输送机出现弯曲，影响了综采工作面的正常运行，降低了生产质量和效率。在这种情况下，必须进行调整后才能继续生产。

目前最普遍的是人工检测直线度的方法：在工作面沿刮板输送机横向通过绳子拉线或者使用激光器打出一束激光，以上述拉线或光线作为参照，通过人工判别刮板输送机是否弯曲，若存在弯曲，则通过人工操作推移液压缸对刮板输送机进行校直。但是这种方法效率较低，无法满足综采工作面自动化的要求。

公开号：cn106595557a，名称为“一种刮板输送机直线度的检测装置及检测方法”的中国发明专利，公开了采用数据采集单元采集刮板输送机在被推移过程中每节中部槽的三轴加速度、角速度和磁感应强度；数据处理单元获取到各节中部槽上mems传感器中三轴角速度和加速度数据，进行时间积分后得到三轴角度和三轴位移，识别出刮板输送机的s弯；然后采用差分法减少位移测量误差；采用ahrs算法和平均法减少角度测量误差；通过曲线拟合，得到刮板输送机的曲线。该方法在实际应用中，装置比较复杂，计算繁琐，多次进行积分计算之后累积误差增大，且液压支架也会出现倾斜，需要进行人工调直，智能化程度及工作效率较低。

公开号：cn102102512a，名称为“综采工作面弯曲检测和矫直方法及其系统”的中国发明专利，公开了利用惯性敏感元件与角度传感器组合、信号处理电路，对采煤机沿刮板输送机运行轨迹和姿态实时检测，解析出工作面检测数据，由电液控制系统控制推移千斤顶推溜，使刮板输送机达到直线要求。也可将检测数据传给采煤机控制系统，控制调高千斤顶调节滚筒割底高度；采煤机再次截割煤壁使弯曲得以矫直。该方法利用的惯性敏感元件也存在累积误差和同时该装置中没有消除累计误差的装置，检测出的采煤机的位姿精确度不高，因此会增大刮板输送机的直线度误差。

公开号：cn104058215a，名称为“基于采煤机绝对运动轨迹的刮板输送机动态校直方法”的中国发明专利，公开了利用定位装置对采煤机沿刮板输送机运行轨迹进行实时监测，解析出采煤机在设定的空间坐标系下动态位置数据，拟合出其绝对运动轨迹曲线与目标参考运动轨迹，再由微控制器得出下一刀的目标轨迹，计算出每个液压支架的推移距离；电液控制系统控制各支架推溜，使刮板输送机达到直线要求。该方法在对刮板输送机校直的过程中，以采煤机的运动轨迹为基准，在多个截割循环后，由于采煤机的运动轨迹存在累积误差，所以导致计算出的推移距离误差进一步增大，加之液压支架和刮板输送机之间存在销耳间隙，使得液压支架整体排列容易出现弯曲，影响刮板输送机的直线度。

因此，目前现有的刮板输送机直线度检测方法的精度偏低，累积误差较大并且均无法很好的消除，从而无法满足实际工程的要求。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种采煤工作面刮板输送机直线度的检测方法，能有效的消除刮板输送机运行过程中的累积误差，从而保证对刮板输送机直线度检测的精度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种采煤工作面刮板输送机直线度的检测方法，包括以下具体步骤：

a、采用安装在液压支架上的多个超声波定位接收装置和安装在采煤机一侧滑靴正上方的超声波定位发射装置对井下采煤机进行定位，具体为：所述超声波定位接收装置在坐标系下的位置是已知的，超声波定位发射装置发射超声波，超声波定位接收装置接收超声波信号，然后根据超声波定位接收装置在坐标系下的位置坐标进行处理计算，得出超声波定位接收装置在超声波定位坐标系下的位置坐标，从而获取采煤机在超声波定位坐标系下的位置坐标；

b、捷联惯导定位装置安装在与超声波定位发射装置位置相同的采煤机上，捷联惯导定位装置对采煤机沿刮板输送机运行轨迹进行实时监测，由捷联惯导系统的三轴陀螺仪和三轴加速度计测得采煤机的角速度、加速度信息，由信号处理电路解析出采煤机在载体坐标系下沿刮板输送机运行时的位置、姿态角数据；

c、采用捷联惯导/超声波组合定位系统的异步数据融合方式将捷联惯导定位装置和超声波定位装置的位置数据进行融合，通过超声波定位装置获取的采煤机三维位置信息对捷联惯导定位装置解算的采煤机位置进行补偿，以sins误差方程作为状态方程，量测值选取捷联惯导定位装置解算位置与超声波定位装置解算位置之差，即z＝psins-pups。根据组合系统空间状态方程和观测方程，运用容积卡尔曼滤波算法对组合定位系统的数据进行精确滤波，利用融合两种定位方式得到的采煤机在组合系统下的位置(xt,yt,zt)；

d、根据捷联惯导/超声波组合定位系统得到的采煤机精确位置信息及捷联惯导系统解算出的采煤机姿态角信息，建立采煤机-刮板输送机直线度转换模型，针对采煤机的机体定位情况，利用采煤机定位中心与刮板输送机直线度换算点之间的几何关系建立非中心几何位置映射，获取刮板输送机中部槽上各点在载体坐标系下的位置坐标pt(xt,yt,zt)；

e、根据刮板输送机中部槽上各点在载体坐标系下位置坐标和基于采煤机姿态角获取的刮板输送机中部槽上各对应点姿态角信息，最后进行拟合绘图，即得到刮板输送机中部槽的形态，从而实现刮板输送机的直线度检测。

进一步，所述超声波定位发射装置发射超声波后，多个超声波定位接收装置分别确定所接收超声波的传输时间，然后分析处理进行多误差下的位置求精解算，得到采煤机在超声波定位系统坐标系下的三维位置坐标信息。

进一步，所述采煤机定位中心为o点，刮板输送机直线度换算点为o'点，设o点位置坐标为：po(xo,yo,zo)。

与现有技术相比，本发明采用捷联惯导定位装置和超声波定位系统相结合的方式，通过超声波定位系统测得的位置信息对捷联惯导定位装置获取的位置信息进行累积误差的补偿，其具有如下优点：

1、采用容积卡尔曼滤波方式实现对捷联惯导/超声波组合定位系统的数据融合，补偿了捷联惯导的位置累积误差，提高了采煤机定位精度；

2、利用采煤机-刮板输送机几何转换关系获得刮板输送机中部槽上各点的位置坐标，然后进行拟合绘图，实现对综采工作面刮板输送机直线度的检测，无需人工干预，自动化程度高。

附图说明

图1是本发明的系统框图；

图2是本发明中捷联惯导/超声波组合定位系统的布置示意图；

图3是本发明中综采工作面在xy平面上的投影示意图；

图4是本发明中采煤机定位中心与刮板输送机直线度换算点之间的几何关系示意图；

图5是本发明中o'、m'融合的刮板输送机中部槽形态示意图。

图中：1、采煤机；2、刮板输送机；3、液压支架；4、待开采煤矿；5、采空区；6、载体坐标系；7、捷联惯导定位装置；8、超声波定位发射装置；9、超声波定位接收装置；10、采煤机定位机面；11、行走滑靴；12、刮板输送机中心线。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图所示，本发明包括以下具体步骤：

a、采用安装在液压支架上的多个超声波定位接收装置和安装在采煤机一侧滑靴正上方的超声波定位发射装置对井下采煤机进行定位，具体为：所述超声波定位接收装置在坐标系下的位置是已知的，超声波定位发射装置发射超声波，超声波定位接收装置接收超声波信号进行处理计算，具体为：所述超声波定位发射装置发射超声波后，多个超声波定位接收装置分别确定所接收超声波的传输时间，然后根据超声波定位接收装置在坐标系下的位置坐标进行多误差下的位置求精解算，得到采煤机在超声波定位系统坐标系下的三维位置坐标信息；

b、捷联惯导定位装置安装在与超声波定位发射装置位置相同的采煤机上，捷联惯导定位装置对采煤机沿刮板输送机运行轨迹进行实时监测，由捷联惯导系统的三轴陀螺仪和三轴加速度计测得采煤机的角速度ω、加速度信息a，由信号处理电路解析出采煤机在载体坐标系下沿刮板输送机运行时的位置、姿态角数据；

c、采用捷联惯导/超声波组合定位系统的异步数据融合方式将捷联惯导定位装置和超声波定位装置的位置数据进行融合，通过超声波定位装置获取的采煤机三维位置信息对捷联惯导定位装置解算的采煤机位置进行累积误差补偿，sins误差方程

将其作为状态方程，量测值选取捷联惯导定位装置解算位置与超声波定位装置解算位置之差，即z＝psins-pups；具体为：

根据组合系统空间状态方程和观测方程，运用容积卡尔曼滤波算法计算滤波增益、更新组合定位系统的状态及状态协方差矩阵，对组合定位系统的数据进行精确滤波，融合两种定位方式得到采煤机在组合系统下的位置信息(xt,yt,zt)；

d、根据捷联惯导/超声波组合定位系统得到的采煤机精确位置信息及捷联惯导系统解算出的采煤机姿态角信息，建立采煤机-刮板输送机直线度转换模型，利用采煤机定位中心o点与刮板输送机直线度换算点o'之间的几何关系建立非中心几何位置映射，获取采煤机对应下刮板输送机中部槽上各点在载体坐标系下的位置坐标pt(xt,yt,zt)；假设o点位置坐标为：po(xo,yo,zo)；

e、由于刮板输送机各节中部槽由哑铃销依次连接且在哑铃销的约束下的相对偏转角度不超过2°，所以将解算出的采煤机姿态角作为刮板输送机中部槽上各点的实际布置姿态角；根据在采煤机机身滑靴上的航向角能够被准确表征，获取刮板输送机中部槽上各点的实际姿态角信息(θt,γt)；假设o点姿态角信息为：(θ,γ)；

由于采煤机跨度大，仅利用采煤机一侧的位置信息很难实现刮板输送机直线度的精确检测。由图4可以看出，o点和m点的投影始终在刮板输送机中心线上。因此通过采煤机运行轨迹o点解算出采煤机另一侧的m点位置，并计算出其在刮板输送机上的投影点o'和m'的运行轨迹，即可反映刮板输送机中心线形态。根据采煤机、刮板输送机的空间关系，假设o点到m点之间的距离为lom，则m点在导航坐标系中的坐标表示为：

假设采煤机定位装置安装平面和刮板输送机中部槽平面间距离为lg；根据垂直投影关系，把o点垂直投影到o'，得到投影点的位置坐标为：

同理，把m点垂直投影到m'，得其位置坐标为：

最后根据o'、m'两点的信息即可得到刮板输送机中心线的轨迹。

然而，工作面中的采煤机在其往复割煤过程中，由于其横跨几节中部槽，所以o'、m'都不能完整的反映出刮板输送机的中部槽轨迹，两点均没有包含位于采煤机机身下几节中部槽的形态，因此在实际应用中，需要将两点的轨迹进行融合；图5示出o'、m'融合的刮板输送机中部槽形态。从采煤机开始运行到运行至y方向最大值处，o'点的各个位置坐标融合成的中部槽轨迹为lo'，m'点的各个位置坐标融合成的中部槽轨迹为lm'；假设o'点在y方向的坐标最大值为ymax。在m'点的行走轨迹中，取出ym'＞ymax的各个采样点位置信息，拟合得到图5中的o'm'段，将o'的轨迹线lo'与m'的轨迹线lm'中的一段o'm'融合，即可得到完整的刮板输送机的中心线lom：lom＝lo'+o'm'。最后进行融合轨迹的拟合绘图，即得到刮板输送机中部槽的形态，从而实现了刮板输送机的直线度检测。