一種基于虛擬軌跡控制的采煤機(jī)自適應(yīng)截割方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于虛擬軌跡控制的采煤機(jī)自適應(yīng)截割方法，屬于采煤機(jī)截割軌跡控制方法。該方法設(shè)定虛擬截割軌跡為采煤機(jī)的截割軌跡，使采煤機(jī)啟動(dòng)后滾筒沿著設(shè)定的虛擬軌跡進(jìn)行截割，在采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)時(shí)計(jì)算采煤機(jī)的實(shí)際截割軌跡與虛擬軌跡之間的誤差S，當(dāng)誤差S大于實(shí)際開(kāi)采需要控制的最大誤差S0時(shí)，通過(guò)采煤機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制采煤機(jī)的截割軌跡即調(diào)整采煤機(jī)的截割滾筒高度，實(shí)現(xiàn)基于虛擬軌跡控制的采煤機(jī)自適應(yīng)截割，從而解決了現(xiàn)有采煤機(jī)截割軌跡被動(dòng)調(diào)整的問(wèn)題。該方法能夠?qū)⒉蓞^(qū)的地質(zhì)信息和采煤機(jī)的截割軌跡進(jìn)行融合，能夠?qū)崿F(xiàn)采煤機(jī)截割軌跡的主動(dòng)調(diào)整，降低設(shè)備損耗和故障率，使采煤機(jī)的截割效果更好，提高回采率及煤炭的質(zhì)量。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于虛擬軌跡控制的采煤機(jī)自適應(yīng)截割方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001〕 本發(fā)明涉及一種采煤機(jī)自適應(yīng)截割方法，尤其是一種適用于控制采煤機(jī)截割軌跡的基于虛擬軌跡控制的采煤機(jī)自適應(yīng)截割方法。
【背景技術(shù)】
[0002]采煤機(jī)截割軌跡的控制，除國(guó)外極少數(shù)的采煤機(jī)外，絕大部分是靠人工操作。即采煤機(jī)司機(jī)靠視力觀察及截割的噪聲來(lái)判斷采煤機(jī)滾筒在割巖還是割煤，以便調(diào)節(jié)滾筒的垂直位置。然而由于采煤機(jī)工作過(guò)程中產(chǎn)生大量的煤塵，尤其大功率的采煤機(jī)工作面能見(jiàn)度很低，而且，機(jī)器本身噪音很大，操作工人實(shí)際上難以準(zhǔn)確及時(shí)判斷采煤機(jī)的截割狀態(tài)。更談不上及時(shí)調(diào)整采煤機(jī)截割軌跡。如果是在薄煤層工作面，則工人行走不便，再加上采煤機(jī)的牽引速度較快，采煤機(jī)司機(jī)不可能準(zhǔn)確及時(shí)地調(diào)整采煤機(jī)的截割軌跡，因此采煤機(jī)在工作過(guò)程中經(jīng)常會(huì)截割到頂?shù)装鍘r石。采煤機(jī)連續(xù)截割巖石會(huì)加劇滾筒截齒磨損及其他零部件的損壞:對(duì)于高瓦斯礦井極易引起瓦斯爆炸，形成惡性事故；另外，截割的巖石混入原煤中會(huì)造成原煤含研量增加，質(zhì)量下降。如果滾筒的位置調(diào)整太保守，則造成頂?shù)酌菏Ａ暨^(guò)多，降低回采率，造成很大的資源浪費(fèi)；同時(shí)司機(jī)人工操作還可能使頂?shù)装灞砻娌黄秸?，造成移架和推溜困難等一系列的問(wèn)題。
[0003]目前解決這個(gè)問(wèn)題已有兩種方法即采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高和采煤機(jī)記憶截割。采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)工作原理是:當(dāng)搖臂位于某一位置時(shí)，采煤機(jī)滾筒正好貼著煤層頂板進(jìn)行純煤切割，此時(shí)反饋電壓信號(hào)與指令電壓信號(hào)相平衡，并在雙向液壓鎖的作用下使?jié)L筒位置固定。當(dāng)滾筒截割到頂板巖石時(shí)，滾筒受力增大，導(dǎo)致液壓缸受力也增大即液壓缸壓力增大，此時(shí)反饋電壓信號(hào)大于指令電壓信號(hào)，得到一偏差電壓信號(hào)，此偏差信號(hào)經(jīng)伺服放大器放大后輸入到伺服閥，使伺服閥產(chǎn)生負(fù)載壓差作用于液壓缸活塞上，使輸出力向減小誤差的方向變化即使反饋電壓信號(hào)變小，直至輸出力等于指令信號(hào)所規(guī)定的值為止，此時(shí)閥芯左移，油泵吸油，油液進(jìn)入到液壓缸下腔使?jié)L筒高度下降。當(dāng)滾筒高度下降到重新切割純煤的時(shí)候，反饋電壓信號(hào)與指令電壓信號(hào)相平衡，閥芯回到中位，在雙向液壓鎖的作用下，滾筒位置再次固定。這樣，采煤機(jī)便完成一次自動(dòng)調(diào)高過(guò)程。采煤機(jī)記憶截割的原理是:司機(jī)操縱采煤機(jī)沿工作面煤層先割一刀，將采煤機(jī)的位置、牽引方向、牽引速度、左截割搖臂位置、右截割搖臂位置、采煤機(jī)橫向傾角、采煤機(jī)縱向傾角等參數(shù)存入計(jì)算機(jī)，以后的截割行程由計(jì)算機(jī)根據(jù)存儲(chǔ)器記憶的參數(shù)自動(dòng)調(diào)高。如煤層條件發(fā)生變化，通過(guò)多種傳感器檢測(cè)和采集信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后得到煤巖界面信息，采煤機(jī)根據(jù)信息進(jìn)行自動(dòng)調(diào)高，同時(shí)自動(dòng)記憶調(diào)整過(guò)的參數(shù)，作為一下刀調(diào)高的依據(jù)。
[0004]以上兩種方法都能控制采煤機(jī)截割軌跡，并且都在煤礦的實(shí)際生產(chǎn)中所應(yīng)用，在一定程度上提高了采煤效率，但是上述兩種控制采煤機(jī)的截割軌跡的方法的控制思路都是根據(jù)反饋或記憶信息來(lái)調(diào)整采煤機(jī)截割軌跡。上述兩種方法存在以下缺點(diǎn):1、未開(kāi)采煤層的地質(zhì)條件是變化的，其缺少對(duì)未開(kāi)采煤層地質(zhì)環(huán)境的預(yù)測(cè)；2、采煤機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中會(huì)截割到頂?shù)装鍘r石；3、在采煤機(jī)遇到特殊的地質(zhì)構(gòu)造或其他特殊因素時(shí)，缺乏有效應(yīng)對(duì)。載割煤層的厚度及其變化、煤層夾矸地質(zhì)條:底板的虛擬截割軌跡13，在以3三維坐標(biāo)系復(fù)擬截割軌跡6的系列坐標(biāo)記為(乂。，\，10-,受該煤礦設(shè)定的開(kāi)采回采率標(biāo)準(zhǔn)X，計(jì)算出:1]軌跡，使采煤機(jī)啟動(dòng)后滾筒沿著設(shè)定的虛:相連的基于613的采煤機(jī)定位及姿態(tài)監(jiān)控:8的采煤機(jī)定位及姿態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控丨勺運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，同時(shí)通過(guò)采煤機(jī)在以3三維坐已采煤機(jī)靠近頂板的實(shí)際截割軌跡％、采煤
跡％的實(shí)時(shí)坐標(biāo)記為031，2」、實(shí)際截的誤差3為頂?shù)装宓膶?shí)際截割軌跡和虛擬
軌跡之間的誤差3小于實(shí)際開(kāi)采控制的最3割，循環(huán)執(zhí)行步驟(5)- (7)；
軌跡之間的誤差3大于實(shí)際開(kāi)采控制的最卜幾將誤差信息傳遞給采煤機(jī)控制系統(tǒng)；
,對(duì)采煤機(jī)的截割軌跡進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整直至誤差3小于實(shí)際開(kāi)采需要控制的最大誤差
3采煤機(jī)自適應(yīng)截割方法，能夠?qū)崿F(xiàn)采煤機(jī)I清晰的得到采區(qū)的煤層厚度、頂板地質(zhì)條扳變化曲線可以對(duì)采煤機(jī)的截割軌跡進(jìn)行！煤層的開(kāi)采率達(dá)到最大；根據(jù)煤層的夾矸I機(jī)的截割軌跡能夠有效避開(kāi)危險(xiǎn)，保護(hù)采:因素時(shí)，能夠提前進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，是采煤機(jī)1,靠近底板的虛擬截割軌跡比在以3三維23?，虛擬截割軌跡6的系列坐標(biāo)記為
受該煤礦設(shè)定的開(kāi)采回采率標(biāo)準(zhǔn)X，計(jì)算出
割軌跡，使采煤機(jī)1啟動(dòng)后滾筒沿著設(shè)定的:統(tǒng)3相連的基于以3的采煤機(jī)定位及姿態(tài)
18的采煤機(jī)定位及姿態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)2實(shí)時(shí)監(jiān)菓機(jī)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，同時(shí)通過(guò)采煤機(jī)在以3三艮得出采煤機(jī)靠近頂板的實(shí)際截割軌跡％、
跡％的實(shí)時(shí)坐標(biāo)記為031，2」、實(shí)際截割軌跡a與采煤機(jī)靠近底板的實(shí)時(shí)截割軌跡在水平位置上重合度最高的坐標(biāo)；
[0057]根據(jù)靠近底板的實(shí)際截割軌跡Id1的實(shí)時(shí)坐標(biāo)（Xbl，Ybl, Zbl)與靠近底板的虛擬截割軌跡b的系列坐標(biāo)（Xb，Yb, Zb)計(jì)算出兩者坐標(biāo)在X、Y軸之間的差值Sbx、Sbx;
[0058]Sbx=|Xbl-Xb Say=IYbl-Yb
[0059]虛擬截割軌跡b的系列坐標(biāo)（Xb，Yb, Zb)中尋找出匹配點(diǎn)的坐標(biāo)（XQb，Yob, Zob),使X、Y軸之間的差值sbx、Sby同時(shí)取得最小差值；
[0060]Sbx min- I Xbl_Xob I Sby min- I Ybi-Yob
[0061]最小差值Sbx min、Sby min匹配點(diǎn)的坐標(biāo)（XQb，Yob, Zob)即為采煤機(jī)靠近底板的虛擬截割軌跡b與采煤機(jī)靠近底板的實(shí)時(shí)截割軌跡bi在水平位置上重合度最高的坐標(biāo)；
[0062](7)通過(guò)基于GIS的采煤機(jī)定位及姿態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)計(jì)算出采煤機(jī)的實(shí)際截割軌跡和虛擬截割軌跡之間的誤差S :其中：
[0063]計(jì)算出實(shí)際截割軌跡和虛擬截割軌跡a之間的誤差Saz，即：
[0064]采煤機(jī)I靠近頂板的實(shí)際截割軌跡a的實(shí)時(shí)坐標(biāo)和采煤機(jī)I靠近頂板的虛擬截割軌跡B1系列坐標(biāo)在水平位置重合度最高的匹配點(diǎn)坐標(biāo)（Xtla, Y0a, Z0a)在Z軸的值與采煤機(jī)I靠近頂板的實(shí)際截割軌跡a的實(shí)時(shí)坐標(biāo)（Xal，Yal, Zal)在Z軸的值之間的差即為實(shí)際截割軌跡％和虛擬截割軌跡a之間的誤差Saz ；
[0065]Saz=IZal-Z0J ；
[0066]計(jì)算出實(shí)際截割軌跡Id1和虛擬截割軌跡b之間的誤差Sbz，即：
[0067]采煤機(jī)I靠近底板的實(shí)際截割軌跡b的實(shí)時(shí)坐標(biāo)和采煤機(jī)I靠近底板的虛擬截割軌跡匕的系列坐標(biāo)在水平位置重合度最高的匹配點(diǎn)坐標(biāo)（Xtlb, Yob, Ztlb)在Z軸的值與采煤機(jī)I靠近底板的實(shí)際截割軌跡b的實(shí)時(shí)坐標(biāo)（Xbl，Ybl，Zbl)在Z軸的值之間的差即為實(shí)際截割軌跡h和虛擬截割軌跡b之間的誤差Sbz ；
[0068]Sbz=IZbrZcJ ；
[0069]則實(shí)際截割軌跡和虛擬截割軌跡之間的誤差S為頂?shù)装宓膶?shí)際截割軌跡和虛擬軌跡之間的誤差之和：
[0070]S=Saz+Sbz ；
[0071]當(dāng)采煤機(jī)的實(shí)際截割軌跡和虛擬截割軌跡之間的誤差S小于實(shí)際開(kāi)采控制的最大誤差Stl時(shí)，采煤機(jī)截割軌跡沿虛擬軌跡繼續(xù)截割，循環(huán)執(zhí)行步驟（5) - (7)；
[0072]當(dāng)采煤機(jī)的實(shí)際截割軌跡和虛擬截割軌跡之間的誤差S大于實(shí)際開(kāi)采控制的最大誤差Stl時(shí)，需要調(diào)整采煤機(jī)的截割軌跡，計(jì)算機(jī)將誤差信息傳遞給采煤機(jī)控制系統(tǒng)；
[0073]采煤機(jī)控制系統(tǒng)接收到的誤差信息后，對(duì)采煤機(jī)的截割軌跡進(jìn)行調(diào)整，直至采煤機(jī)的實(shí)際截割軌跡和虛擬截割軌跡之間的誤差S小于實(shí)際開(kāi)采需要控制的最大誤差
【權(quán)利要求】
1.一種基于虛擬軌跡控制的采煤機(jī)自適應(yīng)截割方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)根據(jù)Gis得到的采區(qū)頂?shù)装迩€、截割煤層的厚度及其變化、煤層夾矸地質(zhì)條件，虛擬采煤機(jī)靠近頂板的虛擬截割軌跡a，靠近底板的虛擬截割軌跡b，在GIS三維坐標(biāo)系中虛擬截割軌跡a的系列坐標(biāo)記為(Xa，Ya, Za)，虛擬截割軌跡b的系列坐標(biāo)記為(Xb，Yb, Zb)； (2)根據(jù)各煤礦的勘探煤層厚度h、以及該煤礦設(shè)定的開(kāi)采回采率標(biāo)準(zhǔn)K，計(jì)算出實(shí)際開(kāi)采控制的最大誤差Stl:
S0=hX (1-K); (3)設(shè)定虛擬截割軌跡為采煤機(jī)的截割軌跡，使采煤機(jī)啟動(dòng)后滾筒沿著設(shè)定的虛擬軌跡進(jìn)行截割； (4)在采煤機(jī)上設(shè)置與采煤機(jī)控制系統(tǒng)相連的基于GIS的采煤機(jī)定位及姿態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)； (5)當(dāng)采煤機(jī)運(yùn)行截割時(shí)，通過(guò)基于GIS的采煤機(jī)定位及姿態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控采煤機(jī)在GIS三維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)以及采煤機(jī)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，同時(shí)通過(guò)采煤機(jī)在GIS三維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)和采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)之間的關(guān)系得出采煤機(jī)靠近頂板的實(shí)際截割軌跡、采煤機(jī)靠近底板的實(shí)際截割軌跡匕， 其中:在GIS三維坐標(biāo)系中實(shí)際截割軌跡％的實(shí)時(shí)坐標(biāo)記為(Xal，Yal, Zal)、實(shí)際截割軌跡K的實(shí)時(shí)坐標(biāo)記為(Xbl，Ybl, Zbl)； (6)將采煤機(jī)實(shí)際 截割軌跡的實(shí)時(shí)坐標(biāo)和采煤機(jī)的虛擬截割軌跡系列坐標(biāo)進(jìn)行匹配，尋找出在水平位置重合度最高的坐標(biāo)，具體做法如下: a.將實(shí)際截割軌跡實(shí)時(shí)坐標(biāo)的X、Y值與虛擬截割軌跡系列坐標(biāo)的X、Y值分別進(jìn)行比較: b.根據(jù)靠近頂板的實(shí)際截割軌跡B1的實(shí)時(shí)坐標(biāo)(Xal，Yal,Zal)與靠近頂板的虛擬截割軌跡a的系列坐標(biāo)(Xa，Ya, Za)計(jì)算出兩者坐標(biāo)在X、Y軸之間的差值Sax、Sax:
Sax=IXal-XaI Say=IYal-Yj ； c.虛擬截割軌跡a的系列坐標(biāo)(Xa，Ya，Za)中尋找出匹配點(diǎn)的坐標(biāo)(Xtla,Ytla, Ztla)，使X、Y軸之間的差值sax、Say同時(shí)取得最小差值:
Sax min I ^al ^Oa I ^ay min I Yal ^Oa I， 最小差值Sax min、Say min匹配點(diǎn)的坐標(biāo)(Xtla, Y0a, Z0a)即為采煤機(jī)靠近頂板的虛擬截割軌跡a與采煤機(jī)靠近底板的實(shí)時(shí)截割軌跡B1在水平位置上重合度最高的坐標(biāo)； 同理可得到在GIS三維坐標(biāo)系中虛擬截割軌跡b系列坐標(biāo)中匹配點(diǎn)的坐標(biāo)(X0b, Yob, Zob),使X、Y軸之間的差值Sbx、Sby同時(shí)取得最小差值:
Sbx min-1 Xbl-Xob I Sby min_ | Ybl_Yob |， 最小差值Sbx min、Sby min匹配點(diǎn)的坐標(biāo)(Xtlb, Yob, Zob)即為采煤機(jī)靠近底板的虛擬截割軌跡b與采煤機(jī)靠近底板的實(shí)時(shí)截割軌跡bi在水平位置上重合度最高的坐標(biāo)； (7)通過(guò)基于GIS的采煤機(jī)定位及姿態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)計(jì)算出采煤機(jī)的實(shí)際截割軌跡和虛擬截割軌跡之間的誤差S: 計(jì)算出實(shí)際截割軌跡％和虛擬截割軌跡a之間的誤差Saz:
Saz= I Zal-Z0a ； 計(jì)算出實(shí)際截割軌跡bi和虛擬截割軌跡b之間的誤差Sbz:Sbz= I Zb1-Zob ； 則實(shí)際截割軌跡和虛擬截割軌跡之間的誤差S為頂?shù)装宓膶?shí)際截割軌跡和虛擬軌跡之間的誤差之和:
s=saz+sbz ； 當(dāng)采煤機(jī)的實(shí)際截割軌跡和虛擬截割軌跡之間的誤差S小于實(shí)際開(kāi)采控制的最大誤差Stl時(shí)，采煤機(jī)截割軌跡沿虛擬軌跡繼續(xù)截割，循環(huán)執(zhí)行步驟(5) - (7)； 當(dāng)采煤機(jī)的實(shí)際截割軌跡和虛擬截割軌跡之間的誤差S大于實(shí)際開(kāi)采控制的最大誤差Stl時(shí)，需要調(diào)整采煤機(jī)的截割軌跡，計(jì)算機(jī)將誤差信息傳遞給采煤機(jī)控制系統(tǒng)； 采煤機(jī)控制系統(tǒng)接收到的誤差信息后，對(duì)采煤機(jī)的截割軌跡進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整直至采煤機(jī)的實(shí)際截割軌跡和虛擬 截割軌跡之間的誤差S小于實(shí)際開(kāi)采需要控制的最大誤差
【文檔編號(hào)】E21C25/06GK103835719SQ201410069346
【公開(kāi)日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2014年2月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月27日
【發(fā)明者】劉萬(wàn)里, 趙勇濤, 李威, 王世博, 李昂, 李曉陽(yáng), 葛兆亮, 張智喆 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)