采煤机三维姿态和运行轨迹的监测系统及监测方法与流程

本发明涉及一种用于实时监测采煤机三维姿态和运行轨迹的系统及方法。

背景技术：

随着煤矿自动化智能化技术的发展，综采工作面基本实现了以采煤机记忆割煤为主、液压支架跟机自动控制的工作面设备自动化生产模式。在该种生产模式下，工作面直线度的自动控制和采煤机自动沿煤层截割是连续正常生产的重要保证。而工作面设备的三维姿态和运行轨迹检测是实现上述功能的基础，特别是采煤机的三维姿态检测和工作面直线度检测。

现有的工作面直线度检测方法有基于视觉、编码器、张力传感器等的工作面直线度检测和校正方法，但都没有投入实用。在采煤机的三维姿态检测和工作面直线度检测方面真正实用的是基于惯性导航系统的检测方法，但是该方法实施成本很高，限制了其推广应用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种采煤机三维姿态和运行轨迹的监测系统及监测方法，能以较低的投入实现对采煤机的三维姿态和运行轨迹、工作面的直线度等进行在线实时监测，且操作简单，适宜自动化生产模式。

本发明的主要技术方案有：

一种采煤机三维姿态和运行轨迹的监测系统，包括依次连接的激光信号发生装置、缆式传感器和激光信号接收与处理装置，所述缆式传感器全长范围内各处均相对采煤机所运行的轨道固定安装，所述缆式传感器沿自然状态下的所述轨道的直线延伸方向敷设，所述缆式传感器的内核是至少两组分布式光纤传感器，每组分布式光纤传感器由多个间隔布置的光纤传感器以及将它们顺次连接起来的光纤组成，每组分布式光纤传感器呈螺旋状延伸布置。

所述缆式传感器的横截面形状可以为圆形、多边形或椭圆形。

所述分布式光纤传感器内置于一载体内形成一体式的缆式传感器结构。

同一载体内的所述分布式光纤传感器按多头螺旋形式布置。

所述载体的实体外形可以呈实心柱状或空心管状。

所述载体为经过塑形和加强处理的柔性材料。

优选地，所述缆式传感器中有两组分布式光纤传感器，二者旋向相同，相位相差90度。

一种采煤机三维姿态和运行轨迹的监测系统，采用上述任意一种所述采煤机三维姿态和运行轨迹的监测系统，激光信号从激光信号发生装置发出，经过缆式传感器及连接传感器的光纤后，由激光信号接收和处理装置接收、处理，在所述轨道推进过程中，所述缆式传感器随所述轨道变形而变形，发生变形处的所述分布式光纤传感器上布里渊散射的光频率会发生变化，所述信号接收和处理装置根据布里渊频率的偏移量计算出相应的应变量和发生布里渊频移的位置，螺旋状布置的分布式光纤传感器检测的是x、y、z三坐标体系内的三维空间应变，上述计算得出的应变量是三维空间内的应变量，即所述轨道在该位置处的三维姿态信息。

所述轨道为刮板运输机，所述缆式传感器优选为直接固定在所述刮板运输机的机身上。

本发明的有益效果是：

本发明采用以螺旋形式布置的分布式光纤传感器为核心的缆式传感器，能非常方便地检测综采工作面设备的三维形变，进而确定相关设备的三维姿态、采煤机的实际运行轨迹、工作面直线度等。

本发明可实现相关指标的自动、实时监测，非常适宜自动化生产模式。

由于采用内置分布式光纤传感器的一体式结构的缆式传感器，不仅传感器的安装固定更加简单方便，而且检测过程不受外部环境影响，因此检测可靠，检测结果可信度高。

本发明中所述缆式传感器结构简单，安装方便，即使在采煤工作环境中也能保持高可靠性，因此相比惯性导航系统投资更少，维护费用也低，非常适于推广应用。

附图说明

图1是本发明的所述监测系统的一个实施例在初始状态综采工作面设备上布置的俯视示意图；

图2是图1所示实施例的综采工作面设备在刮板运输机变形后的状态示意图；

图3是所述缆式传感器的一个实施例的局部结构示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种采煤机三维姿态和运行轨迹的监测系统(简称监测系统)，如图1、2、3所示，包括依次连接的激光信号发生装置、缆式传感器3和激光信号接收与处理装置4，激光信号从激光信号发生装置发出，经过缆式传感器及光纤后，由激光信号接收和处理装置接收、处理。所述缆式传感器全长范围内各处均相对采煤机所运行的轨道固定安装，即缆式传感器全长各处与所述轨道之间均不能有相对运动。所述缆式传感器可用于监测所述轨道上任意位置处的形变，属于应变检测类型的传感器。所述缆式传感器沿自然状态下的所述轨道的直线延伸方向敷设，该方向也是所述采煤机的理想运行轨迹方向。所述缆式传感器的内核是至少两组分布式光纤传感器31，每组分布式光纤传感器由多个间隔布置的光纤传感器以及将它们顺次连接起来的光纤组成，每组分布式光纤传感器呈螺旋状延伸布置。通常，敷设前所述轨道已经过人工调直，该状态即为所述轨道的初始状态。敷设时只要使其中的所述光纤传感器设置在目标物的目标检测位置即可。目标检测位置越多，需要用到的光纤传感器就越多，对于目标物的三维变形的检测精度也越高。

由于将分布式光纤传感器设置成螺旋状这样一种简单、有规律的空间结构，目标物发生空间变形时，分布式光纤传感器在空间三个维度上也都会产生变形，因此可以直接实现三维变形的检测，并且相比设置成其他空间结构无论是硬件制作还是数据处理与运算都相对简单。在多组分布式光纤传感器中，可将任意一组分布式光纤传感器作为参考组，相当于提供度量形变的参照，其他组与参考组之间相位不同，由此可以确定各目标检测位置相对某个基准的三维变形的大小和方向。

采煤机1在轨道2上做往复运动，每一个时刻都是处在轨道上的一个特定位置。只要知道采煤机在某一时刻位于轨道的哪个位置，就可以根据该位置处轨道的三维姿态计算出采煤机的三维姿态。而整条轨道的三维姿态，也就是采煤机的运行轨迹。

采煤过程中，随着开采的深入，隔上一段时间就需要利用推移油缸将所述轨道向煤壁推移一段距离。目前，轨道通常是由多节相同的刚性单体连接而成的，由于推移油缸动作不到位或者轨道所在处底板凹凸不平，推移过程中相邻两节单体相连接处容易发生弯曲，导致整条轨道产生复杂的三维形变或者说是三维空间内的姿态变化。由于所述缆式传感器全长范围内均固定安装在所述轨道上，因此所述缆式传感器在两节单体相连接处也会随之发生相应的形变。针对上述轨道结构，敷设时优选使每两节单体相连接处都对应设有所述光纤传感器。所述缆式传感器在每两节单体相连接处的应变信息实际上就反映出所述轨道在相应位置处相对于初始状态时的三维形变。

由于采煤机沿轨道运行，轨道的三维姿态经过坐标平移变换就能转换为采煤机的三维姿态。轨道的三维形变分解到某一平面上就可以得到轨道在该平面内的直线度，由此可以实现对综采工作面直线度的实时监测。轨道的三维姿态既可以用于工作面直线度检测和调整，又可以用于工作面的开采水平控制。

在采煤机沿轨道运行过程中，可以提取到采煤机所到的各个位置的位置信息、对应时间点信息以及对应的轨道三维形变信息，将多个位置上的上述信息综合起来就可以还原出采煤机的实际运行轨迹。可见，轨道的三维姿态监测是对采煤机一系列监测项目的基础和核心。

采用本发明的上述监测系统能以较低的成本、较高的可靠性实现对采煤机三维姿态和运行轨迹的在线实时监测，监测所得到的数据可以用于综采工作面直线度控制以及开采水平控制。由于核心部分缆式传感器在感测的同时还能进行光信号的传输，相比其他类型的传感器，能极大地简化外围的配套设施或结构，使得监测方案简单易行。

所述激光信号接收和处理装置根据所述缆式传感器的输出信号，经过处理、运算就能得出所述缆式传感器在空间x、y、z三个维度上相对于初始状态的变形量以及变形发生的位置。综合各个位置的应变信息，就可以合成整条缆式传感器的三维姿态。由于缆式传感器和轨道之间没有相对运动，宏观上，缆式传感器全长范围内各处的位置信息及相对应的应变信息能反映出安装有该缆式传感器的轨道对应于该缆式传感器全长范围的区段的三维姿态。

以上述实施例为例，其具体的检测原理如下：

以轨道上所有相邻两节单体相连接的位置作为检测点，当所述缆式传感器发生形变时，发生形变处的分布式光纤传感器上布里渊散射的光频率会发生变化，所述激光信号接收和处理装置可以根据布里渊频率的偏移量计算出相应的应变量和发生布里渊频移的位置。

螺旋状布置的分布式光纤传感器可以检测x、y、z三坐标体系内的三维空间应变，上述计算得出的应变量是三维空间内的应变量，也就是轨道在该位置处的三维姿态。

将所述缆式传感器内部所有的分布式光纤传感器的位置和应变量信息综合起来，就得到整条缆式传感器的三维姿态，也就是整个轨道的三维姿态。

所述缆式传感器的长度不小于所述轨道的长度，整体沿轨道敷设。

所述缆式传感器的横截面形状不限，可以为圆形、多边形(例如矩形)或椭圆形，或其他各种形状。出于方便制造的目的，优选为圆形或矩形。

所述分布式光纤传感器内置于一个载体32内，形成一体式的缆式传感器结构。只要固定好所述载体，就等于固定好了所述分布式光纤传感器。所述载体对所述分布式光纤传感器能起到有效的保护作用，并且铺设安装更加便捷。

所述载体采用柔性材料，且经过塑形和加强处理，可以有效保护分布式光纤传感器。进一步地，所述载体可以采用内置钢丝编织加强层的橡胶材料。

所述载体的外形可以呈实心柱状(如图3所示)或空心管状。

同一载体内的所述分布式光纤传感器按照多头螺旋形式布置。

同一载体内的所述分布式光纤传感器优选有两组，两组旋向相同，相位相差90度布置。

所述激光信号接收和处理装置包括光电转换器和双向通信连接的数据运算单元和存储器，所述存储器用于存储所述缆式传感器发来的涉及分布式光纤传感器上各处的位置及不同位置所对应的应变信息，也可用于存储经过数据运算单元运算得出的分布式光纤传感器的三维姿态信息。所述数据运算单元是核心，负责对缆式传感器感测到的信息进行计算处理。所述激光信号接收和处理装置可以设置在煤矿的集控中心，进行信号的远程接收和处理。

本发明还公开了一种采煤机三维姿态和运行轨迹的监测方法，该方法采用上述监测系统进行监测，激光信号从激光信号发生装置发出，经过缆式传感器及连接传感器的光纤后，由激光信号接收和处理装置接收、处理，在所述轨道推进过程中，所述缆式传感器随所述轨道变形而变形，发生变形处的所述分布式光纤传感器上布里渊散射的光频率会发生变化，所述信号接收和处理装置根据布里渊频率的偏移量计算出相应的应变量和发生布里渊频移的位置，螺旋状布置的分布式光纤传感器检测的是x、y、z三坐标体系内的三维空间应变，上述计算得出的应变量是三维空间内的应变量，综合起来就是所述轨道的三维姿态信息。

由于通常采用刮板运输机作为采煤机运行的轨道，此时所述缆式传感器优选为直接固定在所述刮板运输机的机身上。所述缆式传感器的应变所反映出的即为所述刮板运输机的三维变形情况。当然，固定安装时所述刮板运输机的机身应处于自然直线延伸状态。