一种基于UWB采煤机工作面端头校准装置及方法与流程

本发明涉及一种井下采煤机端头校准技术领域，特别是一种基于uwb采煤机工作面端头校准装置及方法。

背景技术：

煤矿井下综采工作面的自动化和智能化是实现矿井无人化、安全高效开采的关键步骤，也是发展数字矿山、提高矿井机电装备信息化和自动化水平的重要组成部分。为实现综采工作面的少人化和无人化，综采工作面“三机”即采煤机、刮板输送机和液压支架的智能化是关键技术之一，而采煤机在地质空间的三维定位是实现智能综采工作面的核心技术。对于采煤机的定位，不同学者进行了深入的研究，目前适用于采煤机的定位原理主要包括红外线定位、无线传感定位、里程计定位、激光定位、超声波定位、纯惯性导航定位，但是这些定位方法达不到井下定位精度的要求。

ultra-wideband(uwb)超宽带无线通信技术是利用脉冲信号进行高速无线数据传输的短程通信技术，其具有很高的带宽、抗干扰能力强、抗多径强、穿透性强、低功耗、视距范围内的误差能够达到厘米级别等优点，uwb传感器已经被用来实现三维定位，这为井下采煤机定位奠定了良好的基础。申请号为：cn201711010474.4，公开了一种综采工作面推进度检测系统及方法，该方法在进风巷、回风巷的岩壁等距离固定安装定位锚点，在液压支架、采煤机等设备上部署定位标签和定位控制器，通过液压支架上的uwb基站和采煤机上的uwb定位标签形成定位系统，根据测距数据计算出采煤机的位置，这种方法能够实现对采煤机的定位，但是由于液压支架金属体对电磁的传播的影响，造成测距不准确而导致定位精度不高，同时液压支架的频繁移动也会导致uwb基站的实际坐标不准确，也会造成定位误差较大。申请号为：cn201510869993.0，公开了一种井下采煤机捷联惯导系统的组合初始对准系统及对准方法，申请号为：201510616936.1，公开了一种基于超窄脉冲技术的采煤机位置检测装置，这两种方法都是将无线传感器安装在液压支架的顶梁和底座上，忽略的金属对无线信号的影响和液压支架的移动对基站坐标的影响，使得该定位方法效果不佳。申请号为：cn201410749250.5，公开一种基于uwb采煤机绝对位置精确校准方法及装置，在采煤机定位装置中放置uwb定位标签，在顺槽巷道中均匀布置若干个超宽带无线通讯uwb传感器，沿开采区域划定各个超宽带无线通讯uwb传感器的信号收发区域，根据各个超宽带无线通讯uwb传感器的绝对坐标在上位机中建立采煤机绝对位置精确校准模型，该方法虽然考虑到了液压支架对uwb信号传播的影响，将uwb设置在顺槽巷道中，但是忽略了uwb基站与uwb定位标签进行通讯时，它们处于非视距范围内，uwb信号需穿过煤层才能被采煤机机上的uwb定位标签接受，而非视距内的测距误差较大，解算出来的位置坐标误差较大，造成定位不准确，随着采煤机工作时间的延长，误差会逐渐增加，达不到对采煤机校准的效果。

对采煤机进行有效且准确的定位和监测是实现综采的关键，现有的定位技术及校准技术在实际应用中还是难以满足井下复杂的环境，对采煤机定位技术及采煤机位置校准技术的改进迫在眉睫，需要新的方法来解决采煤机的定位问题。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于uwb采煤机工作面端头校准装置及方法，旨在解决采煤机定位误差不断累积，定位不准确的问题。

本发明是这样实现的，一种基于uwb采煤机工作面端头校准装置，包括：采煤机机身、惯性导航定位装置、uwb定位终端传感器、定位装置防爆外壳、uwb基站、支架、导轨、轴编码器、计算机、数据微处理单元、支撑体、螺杆、联轴器、电机、顺槽巷道；基于uwb采煤机工作面端头校准装置的导轨安装在顺槽巷道中，便于基于uwb采煤机工作面端头校准装置在顺槽巷道中运行；uwb定位系统包括uwb基站和uwb定位终端传感器；在采煤机机身上固定定位装置防爆外壳，定位装置防爆外壳内安装惯性导航定位装置和uwb定位终端传感器；惯性导航定位装置、uwb定位终端传感器和轴编码器的信号输出端均与数据微处理单元的输入端相连，数据微处理单元与计算机相连，计算机设置在顺槽巷道中；支架安装在螺杆上，uwb基站固定在支架上，螺杆与电机通过联轴器连接；支撑体放置在导轨与顺槽巷道之间，螺杆设置在导轨上方，轴编码器安装在电机上。

所述的uwb基站和uwb定位终端传感器结构相同，均为uwb传感器。

一种基于uwb采煤机工作面端头校准装置的校准方法，具体步骤为：

步骤(1)根据矿井的实际环境，将支撑体均匀放置在煤矿井下两侧的顺槽巷道的凹陷处，在支撑体上固定导轨，并确保两侧导轨处于同一平面内；在两侧导轨上安装所述支架，在支架上分别紧密固定4个uwb基站；

步骤(2)根据区域环境建立坐标系，确定每个uwb基站的三维坐标，利用激光测距仪进行校对；将uwb基站实际三维坐标输入到计算机中，并对uwb定位系统进行组网；

步骤(3)采煤机在截割运动过程中，惯性导航定位装置对采煤机进行定位，当采煤机运动到距离顺槽巷道端头5～10米时，启动uwb定位系统，由惯性导航定位装置和uwb定位系统同时定位，将获得的数据分别传送到计算机，经过算法解算，惯性导航定位装置获得采煤机的位置信息pins,uwb定位系统得到采煤机的位置为信息puwb；

步骤(4)将pins与puwb进行差值比较得到δp，将δp作为输入值传送到滤波器中，滤波后的信息δp^ins作为反馈量，对采煤机的三维位置坐标进行校正；

步骤(5)判断采煤机是否完全运行到端头，若采煤机没有运行到端头，uwb定位系统继续对采煤机进行校准，不断重复步骤(4)；如果采煤机完全运行到端头并停机时，完成对采煤机位置的校准，执行下面步骤(6)；

步骤(6)轴编码器控制支架上的uwb基站在所述螺杆上沿着进刀的方向移动，支架在导轨上移动的距离与采煤机进刀量相等；

步骤(7)采煤再次运动到顺槽巷道的另一端头，uwb定位系统再次进行校准，循环上述步骤(2)～(6)；

步骤(8)当uwb基站移动10次时，对uwb基站进行重新校准，确定uwb基站三维坐标，重复步骤(2)～(7)。

进一步、支架设置成长方形，将4个uwb基站分别紧密固定在长方形的四个顶点，4个uwb基站的高度应比uwb定位终端传感器的位置至少高1米；同时为了减小定位误差，4个uwb基站距离地面的高度应各不相同。

有益效果及优点，由于采用了上述技术方案，本发明通过在采煤机机身上安装uwb定位终端传感器，在顺槽巷道中设置uwb基站，采煤机上行到端头，由上行端头的uwb定位系统校准，采煤机下行到端头，由下行端头的uwb定位系统校准，形成对采煤机“一刀一校准”的端头校准，能够解决采用惯性导航定位存在累积误差不断增大，导致采煤机定位精度不准确的问题；将uwb基站放置在顺槽的导轨上，采煤机完成一次截割，uwb基站在导轨上沿着采煤机进刀方向及时移动一定距离，使得采煤机在端头与uwb基站形成视距测量范围，既能够有效减少非视距测量带来的误差，又能够准确计算出移动后的坐标，减小了uwb定位系统的误差，提高采煤机位置校准的精度。在端头完成校准后，uwb基站沿着顺槽巷道移动，为下次校准做好准备，形成对采煤机“一刀一校准”的端头校准系统，能够减小采煤机的定位误差，提高采煤机的定位精度，操作方便，实用性强。

附图说明

图1是本发明的基于uwb采煤机工作面端头校准示意图。

图2是本发明的惯性导航定位装置与uwb定位终端传感器接线示意图。

图3是本发明的支架及uwb安装位置示意图。

图4是本发明的uwb基站在巷道移动方式示意图。

图5是本发明的采煤机端头校准的原理图。

图6是本发明的基于uwb采煤机工作面端头校准方法流程图。

图中：1、采煤机机身；2、惯性导航定位装置；3、uwb定位终端传感器；4、定位装置防爆外壳；5、uwb基站；6、支架；7、导轨；8、轴编码器；9、计算机；10、数据微处理单元；11、支撑体；12、螺杆；13、联轴器；14、电机；15、顺槽巷道。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。

一种基于uwb采煤机工作面端头校准装置，包括：采煤机机身1、惯性导航定位装置2、uwb定位终端传感器3、定位装置防爆外壳4、uwb基站5、支架6、导轨7、轴编码器8、计算机9、数据微处理单元10、支撑体11、螺杆12、联轴器13、电机14、顺槽巷道15；

基于uwb采煤机工作面端头校准装置的导轨7安装在顺槽巷道15中，便于基于uwb采煤机工作面端头校准装置在顺槽巷道15中运行；uwb定位系统包括uwb基站5和uwb定位终端传感器3；在采煤机机身1上固定定位装置防爆外壳4，定位装置防爆外壳4内安装惯性导航定位装置2和uwb定位终端传感器3；惯性导航定位装置2、uwb定位终端传感器3和轴编码器8的信号输出端均与数据微处理单元10的输入端相连，数据微处理单元10与计算机9相连，计算机9设置在顺槽巷道15中；支架6安装在螺杆12上，uwb基站5固定在支架6上，螺杆12与电机14通过联轴器13连接；支撑体11放置在导轨7与顺槽巷道15之间，螺杆12设置在导轨7上方，轴编码器8安装在电机14上。

所述的uwb基站5和uwb定位终端传感器3结构相同，均为uwb传感器。

一种基于uwb采煤机工作面端头校准装置的校准方法，具体步骤为：

步骤(1)根据矿井的实际环境，将支撑体11均匀放置在煤矿井下两侧的顺槽巷道15的凹陷处，在支撑体11上固定导轨7，并确保两侧导轨7处于同一平面内；在两侧导轨7上安装所述支架6，在支架6上分别紧密固定4个uwb基站5；

步骤(2)根据区域环境建立坐标系，确定每个uwb基站5的三维坐标，利用激光测距仪进行校对；将uwb基站5实际三维坐标输入到计算机中，并对uwb定位系统进行组网；

步骤(3)采煤机在截割运动过程中，惯性导航定位装置2对采煤机进行定位，当采煤机运动到距离顺槽巷道15端头5～10米时，启动uwb定位系统，由惯性导航定位装置2和uwb定位系统同时定位，将获得的数据分别传送到计算机，经过算法解算，惯性导航定位装置2获得采煤机的位置信息pins,uwb定位系统得到采煤机的位置为信息puwb；

步骤(4)将pins与puwb进行差值比较得到δp，将δp作为输入值传送到滤波器中，滤波后的信息δp^ins作为反馈量，对采煤机的三维位置坐标进行校正；

步骤(5)判断采煤机是否完全运行到端头，若采煤机没有运行到端头，uwb定位系统继续对采煤机进行校准，不断重复步骤(4)；如果采煤机完全运行到端头并停机时，完成对采煤机位置的校准，执行下面步骤(6)；

步骤(6)轴编码器8控制支架上6的uwb基站6在所述螺杆12上沿着进刀的方向移动，支架6在导轨7上移动的距离与采煤机进刀量相等；

步骤(7)采煤再次运动到顺槽巷道的另一端头，uwb定位系统再次进行校准，循环上述步骤(2)～(6)；

步骤(8)当uwb基站5移动10次时，对uwb基站5进行重新校准，确定uwb基站5三维坐标，重复步骤(2)～(7)。

进一步、支架6设置成长方形，将4个uwb基站5分别紧密固定在长方形的四个顶点，4个uwb基站5的高度应比uwb定位终端传感器3的位置至少高1米；同时为了减小定位误差，4个uwb基站5距离地面的高度应各不相同。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

由图1、图2、图3和图4可知，基于uwb采煤机工作面端头校准装置包括采煤机机身1、惯性导航定位装置2、uwb定位终端传感器3、定位装置防爆外壳4、uwb基站5、支架6、导轨7、轴编码器8、计算机9、数据微处理单元10、支撑体11、螺杆12、联轴器13、电机14、顺槽巷道15；所述采煤机机身1上固定所述定位装置防爆外壳2，所述定位装置防爆外壳2内安装所述惯性导航定位装置2和所述uwb定位终端传感器3；所述惯性导航定位装置2、所述uwb定位终端3传感器、所述轴编码器8与所述数据微处理单元10相连，所述数据微处理单元10与所述计算机相连；所述uwb基站5固定在所述支架6上，所述支架6安装在所述螺杆12上，所述螺杆12与所述电机14通过所述联轴器13连接，所述支撑体11放置所述导轨7下方，所述螺杆12杆设置在所述导轨7上方，在所述导轨7设置在所述顺槽巷道15中，所述轴编码器8安装在所述电机14上。

所述的支架6设置成长方形，将4个uwb基站5分别紧密固定在长方形的四个顶点，4个uwb基站5的高度应比uwb定位终端传感器3的位置至少高1米；同时为了减小定位误差，4个uwb基站5距离地面的高度应各不相同；所述的支撑体11放置在导轨7与顺槽巷道15之间，防止顺槽巷道15不平整而导致uwb基站5在移动过程中出现位置偏差，从而影响采煤机的定位；所述的轴编码器8控制支架6在螺杆12上移动，根据uwb基站5的初始坐标和uwb基站5的整体移动距离，可以快速确定移动uwb基站5的实际坐标；顺槽巷道15两侧的uwb基站5交替移动，能够及时的校准采煤机的位置坐标，减少因惯性导航漂移引起的累积误差。

如图4所示，所述的uwb定位终端传感器3和所述uwb基站5进行组网，将测距结果输入到定位模型中，计算出采煤机的三维位置信息puwb，与此同时惯性导航定位系统经过算法解算得到采煤机的三维位置信息pins，通过puwb和pins计算出采煤机的位置误差δp，将δp作为输入值送入到滤波器中，经过滤波得到采煤机位置误差估计值δp^ins，再将所得数据反馈到惯性导航定位装置，通过pins和δp^ins的差值计算才采煤机校准后的位置。在定位模型中，所述顺槽巷道15中的4个uwb基站5与所述uwb定位终端传感器3采用双向飞行时间进行测距，获得采煤机上所述uwb定位终端传感器3与所述uwb基站5之间的距离数据，利用所述uwb基站5的已知位置坐标，采用多维标定算法(mds)计算出采煤机的位置信息puwb。

图5所示，uwb采煤机工作面端头校准方法流程图，主要步骤为：

步骤(1)根据矿井的实际环境，将所述支撑体11均匀放置在煤矿井下两侧的所述顺槽巷道15的凹陷处，在所述支撑体11上固定所述导轨7，并确保两侧所述导轨7处于同一平面内；在两侧所述导轨7上安装所述支架6，在所述支架6上分别紧密固定4个所述uwb基站5；

步骤(2)根据区域环境建立坐标系，确定每个所述uwb基站5的三维坐标，利用激光测距仪进行校对；将所述uwb基站5实际三维坐标输入到计算机中，并对uwb定位系统进行组网；

步骤(3)采煤机在截割运动过程中，所述惯性导航定位装置2对采煤机进行定位，当采煤机运动到距离所述顺槽巷道15端头5～10米时，启动uwb定位系统，由所述惯性导航定位装置2和所述uwb定位系统同时定位，将获得的数据分别传送到所述计算机9，经过算法解算，所述惯性导航定位装置2获得采煤机的位置信息pins,uwb定位系统得到采煤机的位置为信息puwb；

步骤(4)将pins与puwb进行差值比较得到δp，将δp作为输入值传送到滤波器中，滤波后的信息δp^ins作为反馈量，对采煤机的三维位置坐标进行校正；

步骤(5)判断采煤机是否完全运行到端头，若采煤机没有运行到端头，uwb定位系统继续对采煤机进行校准，不断重复步骤(4)；如果采煤机完全运行到端头并停机时，完成对采煤机位置的校准，执行下面步骤(6)；

(6)所述轴编码器8控制所述支架6上所述uwb基站5在所述螺杆12上沿着进刀的方向移动，所述支架6在所述导轨7上移动的距离与采煤机进刀量相等；

(7)采煤再次运动到顺槽巷道的另一端头，uwb定位系统再次进行校准，循环上述步骤(2)～(6)；

(8)步骤(8)当所述uwb基站5移动10次时，对所述uwb基站5进行重新校准，确定所述uwb基站5三维坐标，重复步骤(2)～(7)。

以上所述仅为本发明的较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。