專利名稱：綜采工作面采煤機(jī)定位裝置及定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采煤機(jī)自主定位裝置及定位方法，特別是一種綜采工作面采煤機(jī)定位裝置及定位方法。
背景技術(shù)：
采煤機(jī)是綜采工作面落煤和裝煤的主要裝備，在綜合機(jī)械化采煤過(guò)程中，要實(shí)現(xiàn)液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化，必須實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)高速、精確定位導(dǎo)航。當(dāng)采煤機(jī)實(shí)時(shí)位置和姿態(tài)能夠確認(rèn)時(shí)，支架控制單元才能及時(shí)根據(jù)獲得的采煤機(jī)位置信息，發(fā)出相應(yīng)的控制指令，控制支架的及時(shí)支護(hù)和推溜程序，實(shí)現(xiàn)三機(jī)協(xié)同自動(dòng)化。因此，采煤機(jī)定位是綜采面機(jī)械裝備綜合自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)。目前，煤礦井下工作面正在采用和研究的方法主要有采煤機(jī)齒輪計(jì)數(shù)法、采煤機(jī)紅外對(duì)射定位法，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采煤機(jī)定位法。所述的采煤機(jī)齒輪計(jì)數(shù)定位法是利用齒輪計(jì)數(shù)的原理得到行走齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)，計(jì)數(shù)傳感器采用霍爾計(jì)數(shù)器，轉(zhuǎn)數(shù)乘以行走齒輪的周長(zhǎng)得到采煤機(jī)行走的距離，根據(jù)支架的架間距計(jì)算出采煤機(jī)的中間部位位于工作面哪個(gè)支架的中心(即架號(hào))，從而確定采煤機(jī)在工作面的位置，這種方法比較簡(jiǎn)便，容易實(shí)現(xiàn)。但是仔細(xì)分析，由于采煤機(jī)行走方向是沿工作面和垂直工作面兩個(gè)方向，而齒輪計(jì)數(shù)法只能確定采煤機(jī)沿一條直線上面的位移和方向， 無(wú)法定位兩個(gè)方向上的位移，造成定位不精確，同時(shí)存在齒輪計(jì)數(shù)誤差累加的不足。所述的采煤機(jī)紅外對(duì)射定位法是在采煤機(jī)機(jī)身安裝紅外發(fā)射裝置，在液壓支架上安裝紅外接收裝置，采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中定向發(fā)射廣角脈沖，當(dāng)液壓支架接收到信號(hào)，對(duì)接收信號(hào)的強(qiáng)弱進(jìn)行分析，從而判斷采煤機(jī)具體位置。該方法比較可行，但是也存在固有的一些缺陷，首先由于液壓支架的架間距固定存在，單純靠接收信號(hào)的強(qiáng)弱判斷采煤機(jī)位置，只能定性，不能定量，存在固有誤差。同時(shí)，井下環(huán)境惡劣，紅外對(duì)射電子裝置可靠性還需提高。所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采煤機(jī)定位法，其原理是在采煤機(jī)機(jī)身安裝無(wú)線發(fā)射裝置，在液壓支架上安裝無(wú)線接收裝置，采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中不能定向發(fā)射射頻信號(hào)，當(dāng)液壓支架接收到信號(hào)，通過(guò)確定衰減信號(hào)強(qiáng)度反算出距離。這種模式能夠定量進(jìn)行采煤機(jī)位置確定，但是由于射頻信號(hào)在井下衰減指數(shù)較大，加之井下無(wú)線信道模型建立還不完整，對(duì)于無(wú)線定位模型誤差沒(méi)有足夠分析，故還沒(méi)有實(shí)際運(yùn)用。綜上所述，所有采煤機(jī)的定位法定位不精確，存在固有誤差，不能精確確定采煤機(jī)多方向位置和姿態(tài)，不能滿足井下復(fù)雜環(huán)境要求的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供一種綜采工作面采煤機(jī)定位裝置及定位方法，解決所有采煤機(jī)的定位方法定位不精確，存在固有誤差，不能精確確定采煤機(jī)多方向位置和姿態(tài)，不能滿足井下復(fù)雜環(huán)境要求的問(wèn)題。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的該采煤機(jī)定位裝置包括機(jī)身、橡膠減振基座、采煤機(jī)定位裝置、三軸激光陀螺儀、三軸光纖加速度計(jì)、定位裝置微處理單元和定位裝置防爆外殼，采煤機(jī)定位裝置安裝在機(jī)身內(nèi)，采煤機(jī)定位裝置包括橡膠減振基座、三軸激光陀螺儀、 三軸光纖加速度計(jì)、定位裝置微處理單元、定位裝置防爆外殼，在橡膠減振基座的上方連接有定位裝置防爆外殼，三軸激光陀螺儀、三軸光纖加速度計(jì)、定位裝置微處理單元安裝在橡膠減振基座和定位裝置防爆外殼構(gòu)成的殼體內(nèi)。采煤機(jī)定位方法是
1、采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，三軸光纖加速度計(jì)檢測(cè)得到采煤機(jī)沿載體坐標(biāo)系三個(gè)方向的加速度；三軸激光陀螺儀檢測(cè)得到采煤機(jī)沿載體坐標(biāo)系三個(gè)軸產(chǎn)生的角速率；
2、三軸光纖加速度計(jì)將測(cè)得到采煤機(jī)沿載體坐標(biāo)系三個(gè)方向的加速度信號(hào)數(shù)據(jù)送至接力反饋回路，力反饋回路采用二元脈沖調(diào)寬力反饋回路；三軸激光陀螺儀將檢測(cè)得到采煤機(jī)沿載體坐標(biāo)系三個(gè)軸產(chǎn)生的角速率送至再平衡回路，再平衡回路的再平衡力矩控制敏感元件輸出軸的位置，測(cè)量出載體的角速率信號(hào)數(shù)據(jù)；再平衡回路為脈沖調(diào)寬電路；
3、將經(jīng)過(guò)數(shù)字轉(zhuǎn)換器后的加速度信號(hào)數(shù)據(jù)和角速度信號(hào)數(shù)據(jù)送入定位裝置微處理單元，定位裝置微處理單元分別對(duì)采煤機(jī)位置和姿態(tài)解算；對(duì)采煤機(jī)三方向加速度進(jìn)行方向余弦矩陣解算；對(duì)采煤機(jī)三方向軸角速度進(jìn)行采煤機(jī)姿態(tài)基準(zhǔn)更新解算，再進(jìn)行方向余弦的坐標(biāo)變換，經(jīng)過(guò)輸出接口分別得到姿態(tài)角的采煤機(jī)沿軸向角速率和沿地理坐標(biāo)系的采煤機(jī)線性加速度，通過(guò)姿態(tài)角的角速率確定采煤機(jī)姿態(tài)，通過(guò)對(duì)沿地理坐標(biāo)系的加速度進(jìn)行積分運(yùn)算，確定采煤機(jī)的位移和速率。4、通過(guò)定位裝置微處理單元的輸出端口輸出采煤機(jī)的沿軸向角速率和采煤機(jī)線性加速度。有益效果，由于采用了上述方案，采煤機(jī)定位裝置(3 )中包含三軸光纖加速度傳感器(5)，三軸激光陀螺儀(4)，以及數(shù)據(jù)處理單元(6)。采用新型三軸激光陀螺儀(4)對(duì)采煤機(jī)三個(gè)方向角速度進(jìn)行檢測(cè)，采用新型三軸光纖加速度計(jì)(5)對(duì)采煤機(jī)三個(gè)方向線性加速度進(jìn)行檢測(cè)。利用采煤機(jī)在行進(jìn)過(guò)程中自身存在的慣性，加以檢測(cè)來(lái)推算采煤機(jī)所進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)。采煤機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中所存在的線性加速度和角速率都可以分解到地理坐標(biāo)系中，采用定位裝置微處理單元DSP (6)采樣三軸光纖加速度計(jì)(5)和三軸激光陀螺儀(4)數(shù)據(jù)，對(duì)三軸光纖加速度計(jì)(5)數(shù)據(jù)進(jìn)行方向余弦矩陣解算，對(duì)采煤機(jī)三激光陀螺(4)數(shù)據(jù)進(jìn)行采煤機(jī)姿態(tài)基準(zhǔn)更新解算，通過(guò)方向余弦的坐標(biāo)變換，計(jì)算分別得到姿態(tài)角和沿地理坐標(biāo)系的加速度，其中通過(guò)姿態(tài)角可以確定采煤機(jī)姿態(tài)，通過(guò)對(duì)沿地理坐標(biāo)系的加速度進(jìn)行積分運(yùn)算，可以確定采煤機(jī)的位移和速率。由于是對(duì)時(shí)間積分，故存在累積誤差，本發(fā)明設(shè)計(jì)自動(dòng)校準(zhǔn)裝置，當(dāng)采煤機(jī)每完成一個(gè)截割循環(huán)時(shí)，在端頭部分對(duì)定位裝置進(jìn)行坐標(biāo)校準(zhǔn)。同時(shí)為了克服采煤機(jī)振動(dòng)干擾，在采煤機(jī)機(jī)身和定位裝置之間加入橡膠減振基座(2)，以提高系統(tǒng)精度。解決了采煤機(jī)的定位法定位不精確，存在固有誤差，不能精確確定采煤機(jī)多方向位置和姿態(tài)，不能滿足井下復(fù)雜環(huán)境要求的問(wèn)題，達(dá)到了本發(fā)明的目的。優(yōu)點(diǎn)通過(guò)慣性器件進(jìn)行采煤機(jī)定位，完全不需要外部信息源，不向外部輻射能量，屬于自主定位，可靠性更高。由于定位裝置包含X^方向的三軸光纖加速度計(jì)和XYZ軸的三軸激光陀螺儀，可以對(duì)采煤機(jī)三維空間內(nèi)的位置和姿態(tài)進(jìn)行精確定位，當(dāng)采煤機(jī)工作在不同傾斜角度煤層和沿工作面方向或者推進(jìn)方向運(yùn)行時(shí)，都能表現(xiàn)出良好的定位精度。該發(fā)明能用于三機(jī)協(xié)同控制中液壓支架隨機(jī)自動(dòng)化研究，通過(guò)采煤機(jī)準(zhǔn)確定位，液壓支架及時(shí)跟機(jī)，實(shí)現(xiàn)三機(jī)自動(dòng)化配套。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，方法簡(jiǎn)單，安全可靠，安裝和操作簡(jiǎn)便。


圖1是本發(fā)明的采煤機(jī)自主定位實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明的采煤機(jī)自主定位裝置組成結(jié)構(gòu)圖。圖3是本發(fā)明的采煤機(jī)自主定位系統(tǒng)原理框圖。圖4是本發(fā)明的采煤機(jī)自主定位解算軟件編寫(xiě)流程圖。圖中1、機(jī)身；2、橡膠減振基座；3、采煤機(jī)定位裝置；4、三軸激光陀螺儀；5、三軸光纖加速度計(jì)；6、定位裝置微處理單元；7、定位裝置防爆外殼。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 該采煤機(jī)定位裝置包括機(jī)身1、橡膠減振基座2、采煤機(jī)定位裝置3、三軸激光陀螺儀4、三軸光纖加速度計(jì)5、定位裝置微處理單元6和定位裝置防爆外殼7，采煤機(jī)定位裝置3安裝在機(jī)身1內(nèi)，采煤機(jī)定位裝置3包括橡膠減振基座2、三軸激光陀螺儀4、三軸光纖加速度計(jì)5、定位裝置微處理單元6、定位裝置防爆外殼7，在橡膠減振基座2的上方連接有定位裝置防爆外殼7，三軸激光陀螺儀4、三軸光纖加速度計(jì)5、定位裝置微處理單元 6安裝在橡膠減振基座2和定位裝置防爆外殼7構(gòu)成的殼體內(nèi)。采煤機(jī)定位方法是
1、采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，三軸光纖加速度計(jì)5檢測(cè)得到采煤機(jī)沿載體坐標(biāo)系三個(gè)方向的加速度；三軸激光陀螺儀4檢測(cè)得到采煤機(jī)沿載體坐標(biāo)系三個(gè)軸產(chǎn)生的角速率；
2、三軸光纖加速度計(jì)將測(cè)得到采煤機(jī)沿載體坐標(biāo)系三個(gè)方向的加速度信號(hào)數(shù)據(jù)送至接力反饋回路，力反饋回路采用二元脈沖調(diào)寬力反饋回路；三軸激光陀螺儀將檢測(cè)得到采煤機(jī)沿載體坐標(biāo)系三個(gè)軸產(chǎn)生的角速率送至再平衡回路，再平衡回路的再平衡力矩控制敏感元件輸出軸的位置，測(cè)量出載體的角速率信號(hào)數(shù)據(jù)；再平衡回路為脈沖調(diào)寬電路；
3、將經(jīng)過(guò)數(shù)字轉(zhuǎn)換器后的加速度信號(hào)數(shù)據(jù)和角速度信號(hào)數(shù)據(jù)送入定位裝置微處理單元，定位裝置微處理單元分別對(duì)采煤機(jī)位置和姿態(tài)的解算；對(duì)采煤機(jī)三方向加速度進(jìn)行方向余弦矩陣解算；對(duì)采煤機(jī)三方向軸角速度進(jìn)行采煤機(jī)姿態(tài)基準(zhǔn)更新解算，再進(jìn)行方向余弦的坐標(biāo)變換，經(jīng)過(guò)輸出接口分別得到姿態(tài)角的采煤機(jī)沿軸向角速率和沿地理坐標(biāo)系的采煤機(jī)線性加速度，通過(guò)姿態(tài)角的角速率確定采煤機(jī)姿態(tài)，通過(guò)對(duì)沿地理坐標(biāo)系的加速度進(jìn)行積分運(yùn)算，確定采煤機(jī)的位移和速率。4、通過(guò)定位裝置微處理單元的輸出端口輸出采煤機(jī)的沿軸向角速率和采煤機(jī)線性加速度。在圖1和圖2中，采煤機(jī)自主定位裝置主要由剛性框架組成的機(jī)身1，固聯(lián)在機(jī)身 1上的抗振基座2，抗振基座2上連接采煤機(jī)定位裝置3，采煤機(jī)定位裝置3中設(shè)有三軸激光陀螺儀4、三軸光纖加速度計(jì)5、定位裝置微處理單元單元6和定位裝置防爆外殼7構(gòu)成。 機(jī)身1是由連接框架組成的一個(gè)剛性整體，采煤機(jī)定位裝置3直接固聯(lián)在采煤機(jī)機(jī)身1上， 為了減少采煤機(jī)隨機(jī)振動(dòng)的干擾，在采煤機(jī)機(jī)身1和采煤機(jī)定位裝置3之間加入橡膠減振器2。采煤機(jī)定位裝置3中不僅設(shè)有加速度敏感器5和角速率敏感器4，還安裝有加速度計(jì)對(duì)應(yīng)的力反饋電路、陀螺儀對(duì)應(yīng)的再平衡回路、加速度計(jì)輸出數(shù)字轉(zhuǎn)換器、陀螺儀輸出數(shù)字轉(zhuǎn)換器。在圖2和圖3中，本發(fā)明的采煤機(jī)自主定位方法步驟如下
1、采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，利用三軸光纖加速度計(jì)5檢測(cè)得到采煤機(jī)沿載體坐標(biāo)系三個(gè)方向的加速度，利用三軸激光陀螺儀4檢測(cè)得到采煤機(jī)沿載體坐標(biāo)系三個(gè)軸產(chǎn)生的角速率；
2、三軸光纖加速度計(jì)5后接力反饋回路，以保證加速度計(jì)有高精度和好的線性度，這里采用二元脈沖調(diào)寬力反饋回路，它具有自主性強(qiáng)、精度高、安全可靠、不需要A/D轉(zhuǎn)換器等特點(diǎn)。三軸激光陀螺儀4后接再平衡回路，運(yùn)用再平衡力矩來(lái)連續(xù)不斷地控制敏感元件輸出軸的位置，從而測(cè)量出載體的角速率。這里選擇脈沖調(diào)寬再平衡回路，它具有穩(wěn)定性好、抗干擾性好，輸出分辨率高，動(dòng)態(tài)性能好等特點(diǎn)；
3、當(dāng)加速度和角速度數(shù)據(jù)數(shù)字化進(jìn)入定位裝置微處理單元之后，進(jìn)行采煤機(jī)位置和姿態(tài)的解算，對(duì)采煤機(jī)三方向加速度進(jìn)行方向余弦矩陣解算，對(duì)采煤機(jī)三方向軸角速度進(jìn)行采煤機(jī)姿態(tài)基準(zhǔn)更新解算，通過(guò)方向余弦的坐標(biāo)變換，計(jì)算分別得到姿態(tài)角和沿地理坐標(biāo)系的加速度，其中通過(guò)姿態(tài)角可以確定采煤機(jī)姿態(tài)，通過(guò)對(duì)沿地理坐標(biāo)系的加速度進(jìn)行積分運(yùn)算，可以確定采煤機(jī)的位移和速率。4、通過(guò)定位裝置微處理單元的輸出端口輸出采煤機(jī)的沿軸向角速率和采煤機(jī)線性加速度。在圖4中，首先進(jìn)行定位裝置微處理單元DSP的初始化，初始化完畢之后對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)進(jìn)行采樣，由初始校準(zhǔn)或者外部校準(zhǔn)信息獲得采煤機(jī)初始位置和速率，然后編寫(xiě)采煤機(jī)速率提取和角速率解算程序，接下來(lái)完成采煤機(jī)姿態(tài)矩陣的實(shí)時(shí)修正及歸一化程序，之后進(jìn)行加速度坐標(biāo)變換處理，使得采煤機(jī)速率得以實(shí)時(shí)修正，在經(jīng)過(guò)積分可得到采煤機(jī)位置信息，最后通過(guò)本地加速度g的解算，編寫(xiě)程序得到加速度計(jì)測(cè)得的采煤機(jī)對(duì)地球的速度和位移，以及采煤機(jī)姿態(tài)角。
權(quán)利要求
1.一種綜采工作面采煤機(jī)定位裝置及定位方法，其特征是采煤機(jī)定位方法是(1 )、采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，三軸光纖加速度計(jì)檢測(cè)得到采煤機(jī)沿載體坐標(biāo)系三個(gè)方向的加速度；三軸激光陀螺儀檢測(cè)得到采煤機(jī)沿載體坐標(biāo)系三個(gè)軸產(chǎn)生的角速率；(2)、三軸光纖加速度計(jì)將測(cè)得到采煤機(jī)沿載體坐標(biāo)系三個(gè)方向的加速度信號(hào)數(shù)據(jù)送至接力反饋回路，力反饋回路采用二元脈沖調(diào)寬力反饋回路；三軸激光陀螺儀將檢測(cè)得到采煤機(jī)沿載體坐標(biāo)系三個(gè)軸產(chǎn)生的角速率送至再平衡回路，再平衡回路的再平衡力矩控制敏感元件輸出軸的位置，測(cè)量出載體的角速率信號(hào)數(shù)據(jù)；再平衡回路為脈沖調(diào)寬電路；(3)、將經(jīng)過(guò)數(shù)字轉(zhuǎn)換器后的加速度信號(hào)數(shù)據(jù)和角速度信號(hào)數(shù)據(jù)送入定位裝置微處理單元，定位裝置微處理單元分別對(duì)采煤機(jī)位置和姿態(tài)的解算；對(duì)采煤機(jī)三方向加速度進(jìn)行方向余弦矩陣解算；對(duì)采煤機(jī)三方向軸角速度進(jìn)行采煤機(jī)姿態(tài)基準(zhǔn)更新解算，再進(jìn)行方向余弦的坐標(biāo)變換，經(jīng)過(guò)輸出接口分別得到姿態(tài)角的采煤機(jī)沿軸向角速率和沿地理坐標(biāo)系的采煤機(jī)線性加速度，通過(guò)姿態(tài)角的角速率確定采煤機(jī)姿態(tài)，通過(guò)對(duì)沿地理坐標(biāo)系的加速度進(jìn)行積分運(yùn)算，確定采煤機(jī)的位移和速率；(4)、通過(guò)定位裝置微處理單元的輸出端口輸出采煤機(jī)的沿軸向角速率和采煤機(jī)線性加速度。
2.一種實(shí)現(xiàn)綜采工作面采煤機(jī)定位裝置及定位方法的設(shè)備，其特征是該采煤機(jī)定位裝置包括機(jī)身、橡膠減振基座、采煤機(jī)定位裝置、三軸激光陀螺儀、三軸光纖加速度計(jì)、定位裝置微處理單元和定位裝置防爆外殼，采煤機(jī)定位裝置安裝在機(jī)身內(nèi)，采煤機(jī)定位裝置包括橡膠減振基座、三軸激光陀螺儀、三軸光纖加速度計(jì)、定位裝置微處理單元、定位裝置防爆外殼，在橡膠減振基座的上方連接有定位裝置防爆外殼，三軸激光陀螺儀、三軸光纖加速度計(jì)、定位裝置微處理單元安裝在橡膠減振基座和定位裝置防爆外殼構(gòu)成的殼體內(nèi)。
全文摘要
一種綜采工作面采煤機(jī)定位裝置及定位方法，屬于采煤機(jī)自主定位裝置及定位方法。采煤機(jī)定位裝置安裝在機(jī)身內(nèi)，采煤機(jī)定位裝置包括橡膠減振基座、三軸激光陀螺儀、三軸光纖加速度計(jì)、定位裝置微處理單元、定位裝置防爆外殼，在橡膠減振基座的上方連接有定位裝置防爆外殼，三軸激光陀螺儀、三軸光纖加速度計(jì)、定位裝置微處理單元安裝在橡膠減振基座和定位裝置防爆外殼構(gòu)成的殼體內(nèi)。采用三軸光纖加速度計(jì)測(cè)量三個(gè)方向上的實(shí)時(shí)加速度值，采用三軸激光陀螺儀測(cè)量沿三個(gè)方向上的實(shí)時(shí)角速率，將傳感器數(shù)據(jù)采樣至DSP處理器，確定初始速率和位置，經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算得到采煤機(jī)沿三個(gè)方向的位移和角度偏移。結(jié)構(gòu)緊湊，方法簡(jiǎn)單，安全可靠，安裝和操作簡(jiǎn)便。
文檔編號(hào)G01C21/16GK102183255SQ20111005317
公開(kāi)日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月7日
發(fā)明者李威, 楊雪鋒, 樊啟豪, 王禹橋 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)