基于刮板输送机中部槽采空区侧采集多元信息的感知方法

技术领域

本发明属于矿用仪器仪表技术领域，尤其涉及一种基于刮板输送机中部槽采空区侧采集多元信息的感知方法。

背景技术

目前：在构建智能化矿山过程中，无人化智能采煤工作面需要实现割煤机、刮板机和液压支架群之间按需联动，前提是必须实时地掌握“三机”(割煤机、刮板机和液压支架)的相对位置及其动态变化过程。

然而，在目前的“三机”联动作业过程中，工作人员不能实时动态地精准了解液压支架推溜后的刮板机各中部槽的相对位置状态及其变化过程；不能实时动态地精准了解割煤机经过后的中部槽的相对位置状态及其变化过程；不能实时动态地精准了解液压支架移动后所关联的中部槽的相对位置状态及其变化过程；不能实时动态地精准了解割煤机的相对位置；不能实时动态地精准了解刮板机的弯曲程度。

由于采煤过程中煤炭和割煤机移动，中部槽煤壁侧和上下侧不能安装任何设备，现场环境无法保障在刮板机两侧同时安装姿态变化传感器，来感知中部槽移动变化。

目前最普遍的是人工检测直线度的方法：在工作面沿刮板机横向通过绳子拉线或者使用激光器打出一束激光，以上述拉线或光线作为参照，通过人工判别刮板机是否弯曲(前后方向)，若存在弯曲，则通过人工操作支架推移液压缸对刮板机进行校正。但是这种方法效率较低，无法满足综采工作面自动化、多方位、实时性和精确性的要求。

公开号：CN106595557A，名称为“一种刮板输送直线度的检测装置及检测方法”的中国发明专利，公开了采用数据采集单元采集刮板机在被推移过程中每节中部槽的三轴加速度、角速度和磁感应强度；数据处理单元获取到各节中部槽上MEMS传感器中三轴角速度和加速度数据，进行积分后得到三轴角度和三轴位移，识别出刮板机的S弯；然后采用差分法减少位移测量误差；采用AHRS算法和平均法减少角度测量误差；通过曲线拟合，得到刮板机的曲线。目前市面未见该方法产品，计算繁琐，所采用三轴加速度、角速度和磁感应强度等传感器，经过多次积分计算之后累计误差增大，导致测量值和实际值严重偏离，缺乏实际动态准确校准参考点，不能适应煤矿综采工作面长时间可靠工作的实际需要。

公开号:CN102102512A，名称为“综采工作面弯曲检测和矫直方法及其系统”的中国发明专利，公开了利用惯性敏感元件与角度传感器组合、信号处理电路，对割煤机沿刮板机运行轨迹和姿态实时检测，解析出工作面检测数据，由电液控制系统控制推移千斤顶推溜，使刮板机达到直线要求。也可将检测数据传递给割煤机控制系统，控制调高千斤顶调节滚筒割底高度；割煤机再次截割煤壁使弯曲得以矫直。该方法利用的惯性敏感元件也存在累积误差和同时该装置中没有消除累积误差的装置，检测出的采煤机的位姿精确度不高，因此会增大刮板机的直线度误差。

公开号：CN104058215A，名称为“基于采煤机绝对运动轨迹的刮板机动态校直方法”的中国发明专利，公开了利用定位装置对割煤机沿刮板机运行轨迹进行实时监测，解析出割煤机在设定的空间作标系下动态位置数据，拟合出其绝对运动轨迹曲线与目标参考运动轨迹，再由微控制器得出下一刀的目标轨迹，计算出每个液压支架的推移距离；电液控制系统控制各支架推溜，使刮板机达到直线要求。该方法在对刮板机校直的过程中，以割煤机的运动轨迹为基准，在多个截割循环后，由于割煤机的运动轨迹存在累积误差，所以导致计算出的推移距离误差进一步增大，加之液压支架和刮板机之间存在销耳间隙，使得液压支架整体排列容易出现弯曲，影响刮板机的直线度。

名称为“一种采煤工作面刮板机直线度的检测方法与流程”的中国发明专利申请资料，采用“捷联惯导定位系统”和“超声波定位系统”耦合技术，通过安装在液压支架群上的多个超声波定位接收装置和割煤机上三轴加速度、角速度等传感器来检测割煤机姿态角信息、采煤机位置信息，然后经过容积卡尔曼滤波算法，计算出融合后割煤机位置信息，非中心几何位置映射，推算出刮板机位置坐标和直线度。这种方法是间接测量和推导刮板机的直线度，存在计算方法和设备复杂，检测误差累积，无法满足现场粉尘和水汽众多的恶劣环境。

综上所述，现有刮板机直线度检测方法存在的问题是：由于现场实际应用场景约束，无法在中部槽双侧均安装感知设备。精度偏低、实时性差、检测设备难安装、缺乏适用算法，从而无法满足实际工程的要求。

解决以上问题及缺陷的难度为：“三机”均是相对运动，没有绝对参考物辅助校准；刮板机呈前后上下等多方向运动，缺乏直接的多参数可靠检测方法；由于刮板机经常移动，操作力度大，割煤机挤压，煤炭堆积，导致设备安装困难；现场充满爆炸性气体、粉尘，且水汽大，需要防爆防尘防水等等，目前研究也很少提及。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的矿用刮板输送机无法在中部槽双侧均安装感知设备；且现有的感知方法精度偏低、实时性差、检测设备难安装、缺乏适用算法，无法满足实际工程的要求。

解决以上问题及缺陷的难度为：三机均是相对运动，没有绝对参考物辅助校准；刮板机呈前后上下等多方向运动，缺乏直接的多参数可靠检测方法；由于刮板机经常移动，操作力度大，割煤机挤压，煤炭堆积，导致设备安装困难；现场充满爆炸性气体、粉尘，且水汽大，需要防爆防尘防水等等，目前研究也很少提及。

解决以上问题及缺陷的意义为：能够掌握关键核心技术，解决国内构建智能工作面三机联动“卡脖子”问题，为无人工作面建设奠定感知基础，促进工作面“三机”协同作业，加速智能矿山建设；能够替代国外进口惯导型产品，填补国内技术和产品空白，扭转技术和产品受制于国外的被动局面。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于刮板输送机中部槽采空区侧采集多元信息的感知方法。

本发明是这样实现的，一种基于刮板输送机中部槽采空区侧采集多元信息的感知方法，所述基于刮板输送机中部槽采空区侧采集多元信息的感知方法包括：

步骤一，通过分析刮板机中部槽间变化过程中共模差分特性，于中部槽采空区侧设置中部槽姿态传感器。解决现场因割煤机作业导致中部槽煤壁侧或上下部分无法安装感知设备，无法实时获取中部槽姿态信息问题。通过这种安装方式，能够保障满足现场环境条件下获取有用信息。

步骤二，构建基于中部槽中心线等效模型，融合相对距离常量和变量、距离测量方式，确定中部槽姿态传感器的检测单体的多元信息采集及多种组合逻辑算法。为数据处理提供理论依据支撑，确保从逻辑上能够准确呈现出中部槽姿态，指导采用电子元器件进行产品开发、批量化生产及市场应用。

步骤三，利用多个中部槽姿态传感器的检测单体感知中部槽姿态变化，进行多元信息的采集；实现持续地对中部槽姿态信息进行以100ms周期测量，多组检测单体同时进行测量，获取多组联合数据。

步骤四，基于步骤三获取的多组联合数据信息，采用步骤二所描述的理论方法，判断中部槽之间是否存在相对变化；若存在变化，则转向步骤五；否则，转向步骤三；实现持续地进行数据采集、逻辑分析循环，动态监控中部槽姿态。

步骤五，计算出变化移动趋势，并判断移动方向以及移动大小，确定相对点并进行信息交互；同时生成中部槽相对位置映像图像。解决了中部槽姿态信息无法实时快速呈现难题，能够形象、准确、实时地以数字化方式描述出来，为液压支架推移提供实时反馈信息，保障工作面“三机”自主联动，促进无人化。

进一步，所述多元信息包括距离、角度及其他信息。

进一步，步骤三中，所述利用中部槽姿态传感器的检测单体感知中部槽姿态变化包括：

可采用以惯导、光栅、磁栅、电阻、容栅或图像识别及其他方式进行姿态变化测量；

本发明的另一目的在于提供一种基于刮板输送机中部槽采空区侧采集多元信息的感知装置，所述基于刮板输送机中部槽采空区侧采集多元信息的感知装置设置有：

多个姿态传感器；所述姿态传感器利用固定安装支架固定于每台中部槽采空区侧；

所述中部槽姿态传感器由检测单体、信号处理电路、通信接口和外壳组成；

所述检测单体出口处采用转向轮，所述检测单体收缩采用弹簧拉回机制。

进一步，所述多个姿态传感器检测单体可组合作业。

进一步，所述姿态传感器还设置有柔性链接部件。

进一步，所述姿态传感器两端分别固定在相邻两节中部槽或槽帮上，所述姿态传感器利用垫片保持平行和垂直。

进一步，所述固定安装支架一端设置有螺栓，所述螺栓用于紧固中部槽与挡煤板、挡煤板与电缆槽之间的连接，同时将安装支架固定在中部槽上；

所述固定支架中间部分呈剪刀交叉状，并设置有弹簧，用于提供支撑力；也可是一段直线连接体，一端垂直连接螺栓，另一端垂直连接底端支座或支杆。

所述固定支架另一端紧紧地抵靠在中部槽侧面；

所述固定支架底端设置有支座或支杆，用于为中部槽姿态传感器提供固定位置；所述支座或支杆垂直中部槽。

进一步，所述固定支架为可伸缩的固定支架。

进一步，所述相邻中部槽专用固定支架上的关键点采用拉线或支杆及其他方式进行连接，且每个中部槽的专用固定安装支架之间采用传感器连接，所述专用固定安装支架近似平行于中部槽。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明能够实现关键核心技术，解决国内构建智能工作面三机联动“卡脖子”问题，为无人工作面建设奠定感知基础，促进工作面“三机”协同作业，加速智能矿山建设；能够替代国外进口惯导产品，填补国内技术和产品空白，扭转技术和产品受制于人的被动局面。采用独创的中部槽同侧检测算法，辅助专用安装固定支架，既能直接对刮板机中部槽姿态变化进行实时动态检测，又能贴合实际，保障算法和装置极大地可行性应用。本发明采用高精度、原点测量、拉绳机制、多单元检测等技术，有效消除刮板机工作过程中中部槽姿态传感器无法可靠安装使用、检测不准确等问题，从而保证对刮板机直线度检测精度、环境适应性和可持续地检测。

本发明比其它检测能更进一步地提高检测的实时性、精准度、全面性、可靠性及环境适应性。

本发明采用直接测量刮板机相邻中部槽同一侧(靠近采空区侧)安装多组检测单元模式，设计专用安装固定支架，结合中部槽等效模型，能够有效减少工作量，避免设备被煤炭磨损和倾轧。设计基于微米精度、转向轮、多功能螺栓等技术，有效消除刮板机工作过程中中部槽姿态传感器无法可靠安装使用、检测不准确等问题，从而保证对刮板机直线度检测精度、环境适应性和可持续地检测，全面、实时、快速检测中部槽相对位移方向及大小等参数。传感器采用胶套组合防护技术，实现防护和柔性变化融合。

本发明应用于智能矿山综采工作面中，并作用刮板机中部槽同一侧(采空区侧)，以达到实时动态监测刮板机姿态变化，本发明与其它监测路径相比，能够更能贴近现场实际应用，便于安装、使用及可靠性保障，监测关键参数更精准、实时、可靠，分辨率高且无累积误差。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于刮板输送机中部槽采空区侧采集多元信息的感知方法流程图。

图2是本发明实施例提供的基于刮板输送机中部槽采空区侧采集多元信息的感知方法原理图。

图3是本发明实施例提供的固定支架结构示意图。

图4是本发明实施例提供的固定支架正面意图。

图5是本发明实施例提供的固定支架、传感器、中部槽位置示意图。

图中：1、中部槽；2、上连接杆；3、螺栓；4、下链接杆；5、弹簧；6、底座；7、上平板；8、下平板；9、支杆；10、姿态传感器；11、柔性链接部件；12、螺栓。

所述固定支架中间部分也可是一段直线连接体，一端垂直连接螺栓，另一端垂直连接底端支座或支杆。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于刮板输送机中部槽采空区侧采集多元信息的感知方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1-图2所示，本发明实施例提供的基于刮板输送机中部槽采空区侧采集多元信息的感知方法包括：

S101，通过分析刮板机中部槽间变化过程中共模差分特性，于中部槽采空区侧设置中部槽姿态传感器；

S102，构建基于中部等效模型，融合相对距离常量和变量、距离测量方式，确定各个中部槽姿态传感器的检测单体的多元信息采集及多种组合逻辑算法；

S103，利用多个中部槽姿态传感器的检测单体感知中部槽姿态变化，进行多元信息的采集；

S104，基于多个中部槽姿态传感器采集的信息，判断中部槽之间是否存在相对变化；若存在变化，则转向步骤S105；否则，转向步骤S103；

S105，判断变化移动趋势，并判断移动方向以及移动大小，确定相对点并进行信息交互；同时生成中部槽相对位置映像图像。

本发明实施例提供的多元信息包括距离、角度及其他信息。

本发明实施例提供的利用中部槽姿态传感器的检测单体感知中部槽姿态变化包括：

可采用以惯导、光栅、磁栅、电阻、容栅或图像识别及其他方式进行姿态变化测量。

如图3至图5所示，本发明实施例提供的基于刮板输送机中部槽采空区侧采集多元信息的感知装置设置有：

多个姿态传感器10；姿态传感器10利用固定安装支架固定于每台中部槽1采空区侧；

中部槽姿态传感器10由检测单体、信号处理电路、通信接口和外壳组成；检测单体出口处采用转向轮，检测单体收缩采用弹簧拉回机制。

本发明实施例提供的多个姿态传感器10可组合进行作业。

本发明实施例提供的姿态传感器10还设置有柔性链接部件11。

本发明实施例提供的姿态传感器10两端分别固定在相邻两节中部槽或槽帮上，姿态传感器利用垫片保持平行和垂直。

本发明实施例提供的固定安装支架一端设置有螺栓12，螺栓用于紧固中部槽与挡煤板、挡煤板与电缆槽之间的连接，同时将安装支架固定在中部槽1上；

固定支架中间部分呈剪刀交叉状，并设置有弹簧5，用于提供支撑力；

固定支架另一端紧紧地抵靠在中部槽1侧面；

固定支架底端设置有支座或支杆9，用于为中部槽姿态传感器提供固定位置；支座或支杆9垂直中部槽。

本发明实施例提供的固定支架为可伸缩的固定支架。

本发明实施例提供的相邻中部槽专用固定支架上的关键点采用拉线、支杆及其他方式进行连接，且每个中部槽的专用固定安装支架之间采用传感器连接。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

本发明基于矿用刮板输送机中部槽采空区侧采集其姿态变化多元信息的感知算法及实现方法包括以下步骤：

结合中部槽现场工作特性，提出了仅在每台中部槽采空区侧安装中部槽姿态传感器，感知中部槽姿态变化，以避免煤壁侧和割煤机挤压；

中部槽姿态传感器由检测单体、信号处理电路、时钟电路、通信接口和外壳等模块构成；

每个中部槽配有专用固定安装支架，支架之间采用传感器连接；

传感器支架一端联接在中部槽或挡煤板或电缆槽上，相邻中部槽专用固定支架上关键点采用拉线或支杆进行连接；

传感器内含检测单体，可采用多个检测单元，增加系统可靠性；

构建基于中部槽等效模型，融合相对距离常量和变量、距离测量等方式，设计距离、角度等多元信息采集检测单体及多种组合逻辑算法；

检测单体既可采用以惯导、光栅、磁栅、电阻、容栅或图像识别等进行姿态变化测量；

检测单体出口处采用转向轮，满足伸长、收缩和方向变化需要，收缩采用弹簧拉回机制；

构成多个多边形，分析中部槽之间相对变化及趋势；

采集中部槽姿态信息变化信息，判断移动方向，判断移动大小，确定相对点，并进行信息交互；

生成中部槽相对位置逻辑及映像图像。

本发明实施例提供的中部槽同一侧(采空区侧)姿态传感器专用固定支架具体包括以下步骤：

(1)专用固定支架一段呈螺栓，以便于紧固中部槽与挡煤板、挡煤板与电缆槽之间的联接，同时确保安装支架固定在中部槽上；

(2)固定支架中间部分呈剪刀交叉状，用弹簧提供支撑力；

(3)固定支架另一端紧紧地抵靠在中部槽侧面；

(4)由固定支架底端引出支座或支杆，为中部槽姿态传感器提供固定位置，支座或支杆垂直中部槽。

(5)固定支架具有伸缩功能，能够根据现场环境进行尺寸调整。

本发明的中部槽采空区侧采集其姿态变化多元信息的感知算法及实现方法分为三个大步骤依次进行，第一大步，由于受现场工况和实际应用等因素影响，采用专用固定支架，实现中部槽姿态传感器牢牢地固定在中部槽上，且近似平行于中部槽。第二大步就是传感器分辨率可达到微米级，采用自动恢复和绝对测量模式，避免初始化依赖和反复校准。第三大步就是融合多边形算法机制和多测量单元冗余机制，实现多中部槽串行监测的可靠性。

本发明的实施方式可以通过硬件、机械结构、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用测量单体、信号处理和逻辑电路来实现；结构部分可以利用不锈钢、波纹管和可变套管相结合来实现；软件部分可以存储在微处理中，由适当的指令执行系统。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用装置可采用微控制器来负责数据的采集和通信。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。