CN108119140A - 一种采煤机掘进姿态调整系统 - Google Patents
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Abstract
一种采煤机掘进姿态调整系统，包括：获得煤层情况和掘进振动的振动检测模块、获得煤层倾角的激光检测模块以及获得采煤机掘进姿态的超声检测模块；数据采集单元，用于采集所述振动检测模块、激光检测模块和超声检测模块获得的传感器信号，并所述传感器信号传输至工控机；工控机，具备煤岩识别分析模块、三维辨向模块和姿态计算模块，PLC控制单元与工控机连接，用于调整采煤机掘进姿态；远程通信模块，与所述工控机相连，用于将工控机中所述煤岩识别分析模块计算得到的煤岩识别信息和所述姿态计算模块得到的采煤机掘进姿态数据发送至远程监控终端。本发明为采煤机掘进姿态调整提供更详实的信息，以更好的避免采煤机故障。
Description
技术领域
本发明涉及大型机械姿态调整技术领域，具体涉及一种采煤机掘进姿态调整系统。
背景技术
采煤机是一个集机械、电气和液压为一体的大型复杂系统，工作环境恶劣，如果出现故障将会导致整个采煤工作的中断，造成巨大的经济损失。目前，薄煤层和极薄煤层的开采主要依赖于滚筒式采煤机，此种采煤机在使用过程中存在的钻具偏斜问题，由于存在工人的操作经验限制、矿井光线较弱以及煤尘等特殊情况，容易导致工人的判断失误和操作失误较多，造成采煤机无法按照规定的方向钻进，不仅容易出现超挖欠挖的情况，还会导致采煤机故障，因此，需要实时掘进姿态调整系统来实现对螺旋钻具进行实时的纠偏调节。现有的矿井下采掘设备的姿态调整技术主要采用煤层倾角与采煤机机身倾角或者翻滚角保持一致的方法进行姿态定位。
申请号为CN201410022676.0的专利公开了一种采煤机记忆截割过程中的姿态定位方法，如图1所示，通过读取采煤机机身内部的倾角传感器得出采煤机机身的倾角；通过读取机载可编程控制器中记载的左右调高油缸对应电磁阀的动作时间，进而计算出液压缸的进油量，再通过已有的几何关系得出左右摇臂相对于采煤机机身的倾角，由采煤机机身的倾角和左右摇臂相对于采煤机机身的倾角便可定位记忆截割过程中的采煤机姿态。采用这种方法，不仅减少了传感器的数量，使采煤机在记忆截割过程中无需采集多个数据量，左右摇臂相对于采煤机机身的倾角，而且有效避免倾角传感器由于外部的撞击损坏，导致定位不准确，保证采煤机的正常工作。
申请号为CN201611061382.4的专利发明公开了一种基于煤层地理信息系统的采煤机姿态控制方法，如图2所示，该方法包括：建立采煤机下滚筒截割卧底调整量与采煤机姿态信息中翻滚角变化量关联模型；建立工作面煤层地理信息系统，得到沿采煤机推进方向的煤层顶板曲线和煤层底板曲线；找出煤层底板曲线上的斜率变化点，实现煤层底板曲线的分段线性化；采用融合地质环境信息的采煤机定位技术获取采煤机实时位置和姿态信息，利用采煤机下滚筒截割卧底调整量与采煤机姿态信息中翻滚角变化量关联模型，计算出采煤机下滚筒卧底调整量，从而控制采煤机姿态。该方法将采煤机姿态控制与煤层倾角识别有效结合，可使采煤机姿态中的翻滚角与煤层倾角保持一致。
上述两篇现有技术都通过监测采煤机姿态信息中的机身倾角或翻滚角以及煤层倾角情况（第一篇通过记忆切割获得）来控制采煤机的姿态，适用于地质条件好、煤层比较平整的矿井，而对于复杂多变的煤层则很大程度上依赖于采煤机司机的经验判断，使其应用受到限制。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明的目的在于提供一种采煤机掘进姿态调整方法及系统，具备实时调整采煤机姿态、适合复杂地质的煤层等优点，并且本发明能够实现无人化远程自动控制。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种采煤机掘进姿态调整系统，包括：
获得煤层情况和掘进振动的振动检测模块、获得煤层倾角的激光检测模块以及获得采煤机掘进姿态的超声检测模块；
数据采集单元，用于采集所述振动检测模块、激光检测模块和超声检测模块获得的传感器信号，并所述传感器信号传输至工控机；
工控机，与数据采集单元相连，用于接收所述数据采集单元传输过来的信号，具备煤岩识别分析模块、三维辨向模块和姿态计算模块，所述煤岩识别分析模块和三维辨向模块都与姿态计算模块连接；
PLC控制单元，所述PLC控制单元与工控机连接，用于调整采煤机掘进姿态；
远程通信模块，与所述工控机相连，用于将工控机中所述煤岩识别分析模块计算得到的煤岩识别信息和所述姿态计算模块得到的采煤机掘进姿态数据发送至远程监控终端。
优选的，所述振动检测模块包括振动传感器和滤波电路，所述振动传感器采用三轴加速度传感器，振动传感器的响应频率应大于50Hz，可选用BMA250作为振动传感器主芯片,由于采煤机进行作业时的信号主频在300Hz左右，设定的截止频率应大于500Hz，滤波电路采用低通滤波方案，可选用LTC1569-6芯片作为低通滤波器。
优选的，所述振动传感器安装于螺旋钻杆上，距离钻头50mm内。
优选的，所述激光检测模块采用激光发射接收装置，其中激光发射探头采用十字激光器，固定安装在采煤机掘进方向的巷道顶板上；激光接收装置则采用激光标靶，所述激光标靶分别固定在采煤机机身水平面的正前方，用于接收所述十字激光器发射的十字激光信号。所述激光标靶采用光线传感阵列制作，所述光线传感阵列采用若干个光线传感器制成，以获得十字激光投影的成像位置。
优选的，所述超声检测模块包括四个超声波传感器，以钻进方向为中轴线，沿着钻进方向在螺旋钻杆的前端和后端各安装两个超声波测距离传感器，分别朝左右两边煤壁发射超声波，根据检测到的距离来判断钻进方向是否偏斜，根据四个传感器测得的距离判定螺旋钻式采煤机的钻进方向。
优选的，所述数据采集单元采用多通道高速数据采集卡，可以同步采集振动检测模块、激光检测模块以及超声检测模块传输过来的信号。
优选的，所述煤岩识别分析模块包括使用基于小波包分解的特征提取算法用于实现对振动信号特征提取。
优选的，所述三维辨向模块的输入为振动检测模块，其与姿态计算模块相连，可用于检测三维空间受力情况；所述超声检测模块可用于检测钻杆的XY平面的位移量，其输出作为姿态计算模块的输入；所述激光检测模块用于计算巷道截面坐标系下采煤机掘进的偏航角、俯仰角以及机身固定点在巷道截面上的偏移量。
优选的，所述姿态计算模块采用PID控制实现钻具的姿态控制，计算将超声检测模块得到的XY平面的偏移量与激光检测模块得到的掘进空间位姿结合作为姿态计算模块的反馈信号进行纠偏，它和给定钻进方向角度之间的差值输入到积分分离PID控制系统中，通过液压系统中的4个电液伺服阀来控制水平液压缸和垂直液压缸，实现钻具的姿态调整。
优选的，在钻具纠偏控制的液压系统中，当控制电流输入为零时，伺服阀内的滑阀位于中间，滑阀两端油腔的压力相等，没有压力输出，液压缸活塞杆维持不动。一旦控制电流不为零时，滑阀就会运动，使得油液进入液压缸，活塞杆以一定速度运动，其运动方向和强度大小则是由电流方向和大小来控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明通过采用振动检测模块获得三维振动信号，采用基于小波包分解的特征提取算法提取煤岩特征信息，通过三维辨向模块分析出钻头和煤层的接触情况，为采煤机掘进姿态调整提供更详实的信息，以更好的避免采煤机故障；
2、本发明使用PID控制算法实现采煤机的姿态调整，采用激光检测模块和超声检测模块得到的采煤机姿态信号作为反馈信息，这样使得采煤机能够实时调整掘进姿态。
附图说明
图1为现有技术1中的摇臂倾角几何示意图；
图2为现有技术2中的采煤机截割侧面示意图；
图3为采煤机掘进姿态调整系统框图；
图4为PID控制示意图。
在图3中：1振动检测模块、2激光检测模块、3超声检测模块、4数据采集单元、5工控机、5-1煤岩识别分析模块、5-2三维辨向模块、5-3姿态计算模块、6远程通信模块、7远程监控终端、8 PLC控制单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图3，一种采煤机掘进姿态调整系统，包括：
获得煤层情况和掘进振动的振动检测模块1、获得煤层倾角的激光检测模块2以及获得采煤机掘进姿态的超声检测模块3；
数据采集单元4，用于采集所述振动检测模块1、激光检测模块2和超声检测模块3获得的传感器信号，并所述传感器信号传输至工控机5；
工控机5，与数据采集单元4相连，用于接收所述数据采集单元4传输过来的信号，具备煤岩识别分析模块5-1、三维辨向模块5-2和姿态计算模块5-3，所述煤岩识别分析模块5-1和三维辨向模块5-2都与姿态计算模块5-3连接；
PLC控制单元8，所述PLC控制单元8与工控机5连接，用于调整采煤机掘进姿态；
远程通信模块6，与所述工控机5相连，用于将工控机5中所述煤岩识别分析模块5-1计算得到的煤岩识别信息和所述姿态计算模块5-3得到的采煤机掘进姿态数据发送至远程监控终端7。
所述振动检测模块1包括振动传感器和滤波电路，所述振动传感器采用三轴加速度传感器，振动传感器的响应频率应大于50Hz，可选用BMA250作为振动传感器主芯片,由于采煤机进行作业时的信号主频在300Hz左右，设定的截止频率应大于500Hz，滤波电路采用低通滤波方案，可选用LTC1569-6芯片作为低通滤波器。
所述振动传感器安装于螺旋钻杆上，距离钻头50mm内。
所述激光检测模块2采用激光发射接收装置，其中激光发射探头采用十字激光器，固定安装在采煤机掘进方向的巷道顶板上；激光接收装置则采用激光标靶，所述激光标靶分别固定在采煤机机身水平面的正前方，用于接收所述十字激光器发射的十字激光信号。所述激光标靶采用光线传感阵列制作，所述光线传感阵列采用若干个光线传感器制成，以获得十字激光投影的成像位置。
所述超声检测模块3包括四个超声波传感器，以钻进方向为中轴线，沿着钻进方向在螺旋钻杆的前端和后端各安装两个超声波测距离传感器，分别朝左右两边煤壁发射超声波，根据检测到的距离来判断钻进方向是否偏斜，根据四个传感器测得的距离判定螺旋钻式采煤机的钻进方向。
所述数据采集单元4采用多通道高速数据采集卡，可以同步采集振动检测模块、激光检测模块2以及超声检测模块3传输过来的信号。
所述煤岩识别分析模块5-1包括使用基于小波包分解的特征提取算法用于实现对振动信号特征提取；
所述三维辨向模块5-2的输入为振动检测模块1，其与姿态计算模块5-3相连，可用于检测三维空间受力情况；所述超声检测模块3可用于检测钻杆的XY平面的位移量，其输出作为姿态计算模块5-3的输入；所述激光检测模块2用于计算巷道截面坐标系下采煤机掘进的偏航角、俯仰角以及机身固定点在巷道截面上的偏移量。
所述基于小波包分解的特征提取算法包括以下步骤：
步骤（1）、构建小波包分解树，
表示第 层的第个节点
（其中），
表示第层第个节点的小波包分解系数；
步骤（2）、小波包分解系数重构，对于小波包分解第四层上的节点进行分析，
用表示的重构信号，以此类推，提取各频带上的信号，
得到总信号为：
（1）
假定低频部分最小频率为0，高频部分最小频率为1，则原始信号第三层小波包分解系数分别代表的频率范围依次为：[0-1/9]、[1/9-2/9]、[2/9-3/9]、···、[8/9-1]；
步骤（3）、计算各频带的信号总能量，设为相对于重构小波包分解系数的能量
（其中），用表示重构信号的离散点的幅值，那么对应的能量可表示为：
（2），
其中
为该频带离散点的个数；
则第四层的信号总能量可表示为
（3）
步骤（4）构造特征向量，由于煤和岩石的硬度不同，螺旋钻采煤机在截割煤层和岩石时产生的振动响应的能量具有较大差别，因此可以选取振动信号的能量为元素来构造特征向量，特征向量用表示，则有
（4）
将特征向量进行归一化，用表示，可得
（5）
其中；
步骤（5）、采用统计法确定截割煤层和截割岩石时特征向量的容差范围和特征值，设为容差范围，为特征值，例如的容差范围为，特征值为，且
（6）
则容差范围可表示为：
（7）
其中，，N为试验次数，K为比例系数，根据经验k的取值一般为3~5，
容差范围的特征向量可表示为：
（8）
所述三维辨向模块5-2通过分析三轴加速度传感器采集到的三维加速度信息，分析出采煤机螺旋钻杆的三维受力情况，进而分析出钻头和煤层的接触情况。具体步骤如下：
步骤一、煤层可以看作是各向异性的地层，沿正北方向 、正东方向和重力反方向的单位矢量分别用表示，煤层法向、走向及倾向的单位矢量分别用表示，沿煤孔轴线的切向、纵向和横向的单位矢量分别用表示，三矢量均可以构成相应的空间直角坐标系，点表示钻头的位置，为钻头处的偏斜角，为钻头处的方位角，为煤层的倾角，为煤层倾向的方位角。分析其几何关系，则煤层的造斜力规律可表示为：
（9）
将煤层造斜力分别在和上投影，得到其分量分别为和，其中为有效偏斜力，为有效方位力，即：
（10）
步骤二、依据瞬态稳斜平衡条件，即上式中，定义煤层偏斜特性参数为，煤层方位特性参数为，则这两个参数满足方程
（11）
式（11）中，和分别表示如下：
（12）
表明钻头受到煤层作用力具有向上偏斜的趋势；表明钻头受到煤层作用力具有向下偏斜的趋势；表明钻头受到煤层的作用力具有向右偏斜的趋势；表明钻头受到煤层的作用力具有向左偏斜的趋势，根据和的值可以判定钻头偏斜的大小。
结合附图4，所述姿态计算模块5-3采用PID控制实现钻具的姿态控制，计算将超声检测模块3得到的XY平面的偏移量与激光检测模块2得到的掘进空间位姿结合作为姿态计算模块5-3的反馈信号进行纠偏，它和给定钻进方向角度之间的差值输入到积分分离PID控制系统中，通过液压系统中的4个电液伺服阀来控制水平液压缸和垂直液压缸，实现钻具的姿态调整。
在钻具纠偏控制的液压系统中，当控制电流输入为零时，伺服阀内的滑阀位于中间，滑阀两端油腔的压力相等，没有压力输出，液压缸活塞杆维持不动。一旦控制电流不为零时，滑阀就会运动，使得油液进入液压缸，活塞杆以一定速度运动，其运动方向和强度大小则是由电流方向和大小来控制。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种采煤机掘进姿态调整系统，其包括：
获得煤层情况和掘进振动的振动检测模块（1）、获得煤层倾角的激光检测模块（2）以及获得采煤机掘进姿态的超声检测模块（3）；
数据采集单元（4），用于采集所述振动检测模块（1）、激光检测模块（2）和超声检测模块（3）获得的传感器信号，并所述传感器信号传输至工控机（5）；
工控机（5），与数据采集单元（4）相连，用于接收所述数据采集单元（4）传输过来的信号，具备煤岩识别分析模块（5-1）、三维辨向模块（5-2）和姿态计算模块（5-3），所述煤岩识别分析模块（5-1）和三维辨向模块（5-2）都与姿态计算模块（5-3）连接；
PLC控制单元（8），所述PLC控制单元（8）与工控机（5）连接，用于调整采煤机掘进姿态；
远程通信模块（6），与所述工控机（5）相连，用于将工控机（5）中所述煤岩识别分析模块（5-1）计算得到的煤岩识别信息和所述姿态计算模块（5-3）得到的采煤机掘进姿态数据发送至远程监控终端（7）。
2.根据权利要求1所述的一种采煤机掘进姿态调整系统，其特征在于：所述振动检测模块（1）包括振动传感器和滤波电路，所述振动传感器采用三轴加速度传感器。
3.根据权利要求1或2任一项所述的一种采煤机掘进姿态调整系统，其特征在于：激光检测模块（2）采用激光发射接收装置，其中激光发射探头采用十字激光器，固定安装在采煤机掘进方向的巷道顶板上；激光接收装置则采用激光标靶，所述激光标靶分别固定在采煤机机身水平面的正前方，用于接收所述十字激光器发射的十字激光信号；所述激光标靶采用光线传感阵列制作，所述光线传感阵列采用若干个光线传感器制成，以获得十字激光投影的成像位置。
4.根据权利要求1所述的一种采煤机掘进姿态调整系统，其特征在于：所述超声检测模块（3）包括四个超声波传感器，以钻进方向为中轴线，沿着钻进方向在螺旋钻杆的前端和后端各安装两个超声波测距离传感器，分别朝左右两边煤壁发射超声波，根据检测到的距离来判断钻进方向是否偏斜，根据四个传感器测得的距离判定螺旋钻式采煤机的钻进方向。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种采煤机掘进姿态调整系统，其特征在于：数据采集单元（4）采用多通道高速数据采集卡，可以同步采集振动检测模块（1）、激光检测模块（2）以及超声检测模块（3）传输过来的信号。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种采煤机掘进姿态调整系统，其特征在于：所述煤岩识别分析模块（5-1）包括使用基于小波包分解的特征提取算法用于实现对振动信号特征提取。
7.根据权利要求6所述的一种采煤机掘进姿态调整系统，其特征在于：所述三维辨向模块的输入为振动检测模块（1），其与姿态计算模块相连，可用于检测三维空间受力情况；所述超声检测模块（3）可用于检测钻杆的XY平面的位移量，其输出作为姿态计算模块的输入；所述激光检测模块（2）用于计算巷道截面坐标系下采煤机掘进的偏航角、俯仰角以及机身固定点在巷道截面上的偏移量。
8.根据权利要求7所述的一种采煤机掘进姿态调整系统，其特征在于：所述姿态计算模块（5-3）采用PID控制实现钻具的姿态控制，计算将超声检测模块（3）得到的XY平面的偏移量与激光检测模块（2）得到的掘进空间位姿结合作为姿态计算模块（5-3）的反馈信号进行纠偏，它和给定钻进方向角度之间的差值输入到积分分离PID控制系统中，通过液压系统中的4个电液伺服阀来控制水平液压缸和垂直液压缸，实现钻具的姿态调整。
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