专利名称：一种采煤机三维定位检测装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种采煤机三维定位及方法，特别是一种采煤机定位检测装置及方法。
背景技术：
我国煤矿事故率较高，其主要原因是我国煤炭工业装备的自动化程度水平低，大量设备依赖于人工手动操作。综采工作面是煤矿生产核心区域之一，由采煤机、刮板输送机和液压支架组成的三机作为综采工作面核心采矿设备，承担着破煤、装煤以及支护等任务，是综采工作面生产的关键。当前大多数需要借助人工干预来实现三机联动，而要想实现三机自动运行，需要解决采煤机自适应割煤以及液压支架跟机自动化等问题，其中的主要技术是采煤机在综采工作面的定位。由于综采工作面地质结构复杂、工作环境恶劣、采煤路线时变、综采机械化对顶底板的要求以及传感器稳定性等方面的原因，难以准确测量采煤机的运动参数。目前已有的方法有齿轮计数法、红外对射法、超声波反射法、惯性导航法及无线Zigbee。所述的齿轮计数法是通过计数采煤机牵引部轮齿转动个数后，换算出采煤机的具体位置，该方法已相当成熟，成本低，但存在只能实现直线定位和具有累计误差等不足；所述的红外对射法是在采煤机与液压支架上分别安装红外发射器和接收器，通过接收器接收到发射器的红外线信号获知采煤机位置，其不足之处是不能连续监测采煤机的位置，同时一旦采煤机和液压支架不在一个水平高度上，则接收器很难接收到信号；所述的超声波反射法则是在顺槽安装超声波反射器，超声波经采煤机反射后由顺槽的接收器接收，通过回波时间计算距离，但该方法存在的缺陷是在工作面长度较大的情况下，声衰很大，造成回波误差大甚至无法收到回波；惯性导航法是利用加速度传感器和陀螺仪，可以提供采煤机位置、速度及姿态，但是随着采煤机运动行程的增大其定位精度会有较大的漂移，需要经过外部信息的不断校正来消除定位误差；所述的无线Zigbee则是利用无线信号强度衰减来进行距离反算，确定采煤机位置，但是无线节点基准坐标的漂移以及信号强度衰减的非线性特性，从而使采用Zigbee技术来进行定位具有较大的误差。

发明内容
技术问题本发明的目的在于提供一种采煤机三维定位检测装置及方法，解决煤矿井下综采工作面采矿条件复杂、生产环境多变下采煤机定位存在的监控难度大、定位误差大的问题。技术方案采煤机三维定位检测装置包括，采煤机机身、无线定位传感器、解算频率测量单元、无线标签传感器、高度检测传感器、加速度传感器、定位微处理单元和防爆外壳；在采煤机机身固定无线定位传感器、解算频率测量单元和加速度传感器，在液压支架顶梁下固定无线标签传感器和高度检测传感器，在采煤机机身上安装定位微处理单元及防爆夕卜壳。本发明采煤机三维定位检测方法是对无线标签传感器基准坐标值进行计算，解算频率测量单元根据加速度测量值动态调整定位周期，同时利用无线定位传感器和无线标签传感器间无线脉冲信号，对采煤机机身和液压支架间的距离和角度进行检测，将获得的数据传输给定位微处理单元，经定位算法解算得到采煤机的三维坐标值，随着采煤机的移动，能够实现采煤机在整个综采工作面的定位，具体步骤为
1)采用高度检测传感器实时检测液压支架上的支护高度，结合液压支架间的中心间距，经坐标变换得到液压支架上无线标签传感器的基准坐标值；
2)采用加速度传感器测量采煤机加速度，解算频率测量单元根据采煤机移动快慢计算定位解算频率，来动态调整定位周期，从而调度无线定位传感器与其通信范围内的无线标签传感器进行无线通信，形成一个定位单元；
3)利用无线定位传感器与无线标签传感器间无线脉冲信号，实现采煤机与液压支架之间到达时间和到达角度的测量，并对数据进行衰减记忆滤波，提高新测量数据的作用及抑制旧数据的影响，得到采煤机与液压支架之间的距离和角度；
4)结合无线标签传感器的基准坐标以及采煤机与液压支架之间的距离和角度，建立关于采煤机位置的非线性方程，以采煤机在刮板输送机上运行轨迹为边界约束条件，在无线标签传感器基准坐标位置误差以及无线测距误差等多种误差源下进行基于西格玛点卡尔曼滤波的非线性方程求解，得到采煤机三维坐标。有益效果，由于采用了上述方案，在采煤机机身上安装无线定位传感器，每台液压支架顶梁下安装无线标签传感器，每个无线标签传感器固定一个唯一的ID号，每个ID对应一个基准坐标；无线定位传感器与其通信范围内对应的无线标签传感器进行无线通信，形成一个定位单元，随着采煤机的移动，能够实现采煤机在整个综采工作面的定位。通过无线定位传感器和无线标签传感器进行采煤机三维定位，无需在综采工作面布线，属于一种分布式定位方式。随着综采工作面的推进，煤层的起伏变化引起采煤机截割高度的变化，使液压支架支护高度发生变化，导致无线标签传感器基准坐标的不确定性，从而给定位算法解算带来较大的误差。因此，本发明利用高度检测传感器实时检测液压支架上的支护高度，并结合液压支架间中心间距，从而对安装在液压支架上的无线标签传感器基准坐标进行计算。而基于加速度传感器确定采煤机移动快慢，解算频率测量单元根据采煤机移动快慢计算定位解算频率，来动态调整定位周期，提高无线定位传感器和无线标签传感器的电池使用寿命；在此基础上利用无线定位传感器和无线标签传感器间的信号到达时间和到达角度，计算出采煤机与液压支架间的距离，通过定位算法解算可以获得采煤机的三维坐标。优点该发明能够适用于综采工作面三机联动中采煤机位置的监测，以无线信号到达时间和到达角度为测距技术，具有稳定的定位精度，而且传感器具有灵活的部署方式，安装方便。


图1是本发明的采煤机位置监测结构示意图。图2是本发明的采煤机三维定位装置构成示意图。
图3是本发明的采煤机三维定位系统原理框图。图4是本发明的采煤机三维定位解算软件编写流程图。图中1、采煤机机身；2、无线定位传感器；3、解算频率测量单元；4、无线标签传感器；5、高度检测传感器；6、加速度传感器；7、定位微处理单元；8、防爆外壳。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步描述
实施例1:在图1和图2中，采煤机三维定位装置主要由采煤机机身1、无线定位传感器2、解算频率测量单元3、无线标签传感器4、高度检测传感器5、加速度传感器6、定位微处理单元7和防爆外壳8 ;在采煤机机身I固定无线定位传感器2、解算频率测量单元3和加速度传感器6，在液压支架顶梁下固定无线标签传感器4和高度检测传感器5。同时在采煤机机身上安装定位微处理单元7及防爆外壳8。在图2和图3中，在采煤机机身上安装无线定位传感器，每台液压支架顶梁下安装无线标签传感器，每个无线标签传感器固定一个唯一的ID号，每个ID对应一个基准坐标；无线定位传感器与其通信范围内对应的无线标签传感器进行无线通信，形成一个定位单元；对无线标签传感器4基准坐标值进行计算，解算频率测量单元3根据加速度测量值动态调整定位周期，同时利用无线定位传感器2和无线标签传感器4间无线脉冲信号，对采煤机机身I和液压支架间的距离和角度进行检测，将获得的数据传输给定位微处理单元7，得到采煤机的三维坐标值；随着采煤机的移动，能够实现采煤机在整个综采工作面的定位，具体方法步骤如下1、采煤机截割煤壁时，利用安装在液压支架顶梁下的高度检测传感器，经信号采样、放大滤波、A/D转换后，实时检测液压支架的支护高度，并且结合液压支架间的中心间距，经过坐标变换运算得到液压支架上无线标签传感器的基准坐标，实现在采煤机截割过程中对液压支架上无线标签传感器基准坐标更新。2、采用加速度传感器确定采煤机移动快慢，解算频率测量单元根据采煤机移动快慢计算定位解算频率，来动态调整定位周期，当采煤机移动速度较低时，可以提高定位周期，一旦采煤机移动速度较快时则降低定位周期，从而提高无线定位传感器和无线标签传感器的电池使用寿命，根据定位周期，采煤机无线定位传感器上的通信组网模块向液压支架上的无线标签传感器发起通信请求。3、当无线定位传感器发起通信请求之后，无线标签传感器对无线定位传感器发送无线脉冲信号，测量无线脉冲信号到达时间和到达角度，实现采煤机与液压支架间距离和角度的测量，在此基础上，对距离和角度数据进行衰减记忆滤波，即提高新测量数据的作用及抑制旧数据的影响，得到精确的信号到达时间和到达角度值；
4、采用采煤机与液压支架间的距离和角度以及无线标签传感器基准坐标值，对采煤机运行状态分别建立运动方程和观测方程，并在无线标签传感器基准坐标位置误差以及无线测距误差等多种误差下进行基于西格玛点卡尔曼滤波的非线性方程求解，得到采煤机位置的一次估计；结合采煤机沿刮板输送机直线运行轨迹作为边界约束条件，通过减少定位可行域，进行边界条件约束下的采煤机位置二次估计，可以确定采煤机精确的三维坐标位置。图4为本发明的采煤机三维定位解算软件编写流程图。首先进行采煤机定位微处理单元初始化，继而对高度检测传感器进行采样，通过运算得到液压支架的支护高度，结合液压支架中心间距，编写坐标变换程序得到无线标签传感器基准坐标。在进行无线标签传感器基准坐标解算同时，利用加速度传感器采集采煤机移动加速度，经过积分运算得到采煤机移动速度，解算频率测量单元根据采煤机移动快慢计算定位解算频率从而调整定位周期，继而采集无线信号到达时间值和到达角度值，接下来完成无线信号的非视距环境鉴别处理，以及编写衰减记忆滤波算法程序得到精确的距离和角度值，通过采煤机定位解算，编写程序得到采煤机的三维坐标。
权利要求
1.一种采煤机三维定位检测装置，其特征在于定位检测装置包括，采煤机机身、无线定位传感器、解算频率测量单元、无线标签传感器、高度检测传感器、加速度传感器、定位微处理单元和防爆外壳；在采煤机机身固定无线定位传感器、解算频率测量单元和加速度传感器，在液压支架顶梁下固定无线标签传感器和高度检测传感器，在采煤机机身上安装定位微处理单元及防爆外壳。
2.一种采煤机三维定位检测方法，其特征在于对无线标签传感器基准坐标值进行计算，解算频率测量单元根据加速度测量值动态调整定位周期，同时利用无线定位传感器和无线标签传感器间无线脉冲信号，对采煤机机身和液压支架间的距离和角度进行检测，将获得的数据传输给定位微处理单元，经定位算法解算得到采煤机的三维坐标值，随着采煤机的移动，能够实现采煤机在整个综采工作面的定位，具体步骤为1)采用高度检测传感器实时检测液压支架上的支护高度，结合液压支架间的中心间距，经坐标变换得到液压支架上无线标签传感器的基准坐标值；2)采用加速度传感器测量采煤机加速度，解算频率测量单元根据采煤机移动快慢计算定位解算频率，来动态调整定位周期，从而调度无线定位传感器与其通信范围内的无线标签传感器进行无线通信，形成一个定位单元；3)利用无线定位传感器与无线标签传感器间无线脉冲信号，实现采煤机与液压支架之间到达时间和到达角度的测量，并对数据进行衰减记忆滤波，提高新测量数据的作用及抑制旧数据的影响，得到采煤机与液压支架之间的距离和角度；4)结合无线标签传感器的基准坐标以及采煤机与液压支架之间的距离和角度，建立关于采煤机位置的非线性方程，以采煤机在刮板输送机上运行轨迹为边界约束条件，在无线标签传感器基准坐标位置误差以及无线测距误差等多种误差源下进行基于西格玛点卡尔曼滤波的非线性方程求解，得到采煤机三维坐标。
全文摘要
一种采煤机三维定位检测装置及方法，属于采煤机的三维定位及方法。定位检测装置包括采煤机机身、无线定位传感器、解算频率测量单元、无线标签传感器、高度检测传感器、加速度传感器、定位微处理单元和防爆外壳；采用高度检测传感器测量液压支架支护高度，来对无线标签传感器基准坐标进行计算，解算频率测量单元根据加速度测量值来动态调整定位周期，采用无线定位传感器与无线标签传感器间的信号到达时间和到达角度，确定采煤机与液压支架间的距离和角度，经定位算法解算得到采煤机三维坐标。无线脉冲信号在工作面非视距环境传输容易受到影响，对无线脉冲信号非视距环境下鉴别与滤波，在提高无线测距精度的基础上提高采煤机定位精度。
文档编号G01C21/12GK102997914SQ201210408210
公开日2013年3月27日 申请日期2012年10月24日 优先权日2012年10月24日
发明者李威, 罗成名, 王禹桥, 杨雪锋, 樊启高, 范孟豹, 杨海 申请人:中国矿业大学