(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010950450.2
(22)申请日 2020.09.10
(71)申请人 西安科技大学
地址 710054 陕西省西安市雁塔区雁塔中
路58号
申请人 深圳赛奥航空科技有限公司
(72)发明人 马宏伟 石金龙 贺媛 毛清华
李磊 华洪涛 张羽飞
(74)专利代理机构 北京彭丽芳知识产权代理有
限公司 11407
代理人 彭丽芳
(51)Int.Cl.
E21D 23/12(2006.01)
E21C 35/24(2006.01)
E21F 13/06(2006.01)
G06F 30/20(2020.01)
(54)发明名称
液压支架自动调直方法
(57)摘要
本发明涉及煤矿开采技术领域，具体涉及一
种基于惯导与里程计组合的综采工作面液压支
架自动调直方法，以高精度的光纤惯导与里程计
为测量系统，运用卡尔曼滤波方法对惯导与里程
息，然后根据采煤机齿轨轮的运行轨迹，推算出
量，从而实现液压支架自动调直。本发明可以实
现综采工作面刮板输送机直线度的精确检测，为
液压支架自动调直提供依据，对于煤矿智能开采
具有意义。权利要求书4页 说明书9页 附图3页CN 111927518 A 2020.11.13
C N 111927518
A
1.一种基于惯导与里程计组合的综采工作面液压支架自动调直方法，其特征在于：以高精度的光纤惯导
与里程计为测量系统，运用卡尔曼滤波方法对惯导与里程计信息进行融合，获得采煤机的位姿与位置信息，然后根据采煤机齿轨轮的运行轨迹，推算出刮板输送机的直线度，确定每个液压支架的推移量，从而实现液压支架自动调直。
2.如权利要求1所述的一种基于惯导与里程计组合的综采工作面液压支架自动调直方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、完成光纤惯导系统、里程计的安装，并记录光纤惯导系统与采煤机两齿轨轮的距离与高度以及齿轨轮行走里程，其中，光纤惯导系统安装在采煤机固定位置，里程计安装在采煤机齿轨轮处，与齿轨轮同步运行；
S2、解算惯导与里程计数据；
S201、构建光纤惯导系统的导航坐标系O b X n Y n Z n和采煤机坐标系O b X b Y b Z b，其中，导航坐标系O b X n Y n Z n的原点为采煤机重心，X n指向东向，Y n北向和Z n天向；采煤机坐标系O b X b Y b Z b中，X b沿采煤机横轴向右，Y b沿采煤机纵轴向前，Z b沿采煤机竖直向上；设采煤机的航向角俯仰角θ，横滚角γ；
S202、采集光纤惯导数据，得到采煤机的运行角速度与加速度信息，通过四元数法解算惯导姿态、速度和位置信息；
S203、采集里程计数据，里程计输出的位置增量在采煤机坐标系下投影为：
式中，αθ为采煤机坐标系相对于里程计坐标系的航向、俯仰安装角，i为输出轴到齿轨轮传动比，N为里程计旋转一周产生的脉冲数目，n(t)为单位时间t内产生的脉冲数目，行走轮的分度圆半径为R；
只考虑标度因数误差δK D、安装误差角δαθ，则里程计实际输出的采煤机坐标系下分量可简化为：
式中，w d为随即噪声干扰；
S3、应用卡尔曼滤波算法实现光纤惯导数据与里程计数据的融合处理，获得采煤机的位置与姿态；
S301、建立位置观测模式下的系统模型，利用单位时间内惯导和航位推算位置增量之差作为量测，将航位推算误差扩充到状态中，该组合导航状态变量为18维：
式中，δv n为速度误差，为姿态误差，δp为位置误差，εb为陀螺仪零漂，为加速度计零漂，δK D为里程计标度因数误差，δαθ，为俯仰、航向安装误差角；
Kalman滤波器系统方程为：
式中，F(t)为系统矩阵，w(t)为系统噪声，G(t)为系统噪声转移矩阵；
其中，里程计刻度因数误差、安装误差角均可视为随即常数，对应的系统矩阵为：
式中，F1为惯导系统误差方程对应的转移矩阵；
惯导位置更新需要计算每个周期导航坐标系下的位置增量，位置增量的计算公式为：
式中，V i n′和分别为t i时刻和t i-1时刻纯惯导解算得到的采煤机坐标系速度，T m为更新周期；
由里程计输出的航位推算位置更新算法公式为：
式中为t i-1时刻惯导系统解算的姿态矩阵；
由于惯导位置解算使用微分计算，随着时间的增加误差累积增大，因此每累积1s，导航坐标系下惯导位置增量和航位推算位置增量之差作为量测值：
式中，K为1s时间内位置更新次数；
在采煤机运行过程中惯导解算的真实位置和里程计航位推算的位置相同，根据公式进一步整理，即可得到观测矩阵H(t)；
S302、根据上述的状态方程和量测方程，得到标准的卡尔曼滤波过程，把k-1时刻的导
航参数作为系统输入，解算得到k时刻下的转换矩阵速度与位置校正后的导航参数作为组合导航的输出，得出采煤机的姿态与位置信息；其中时间传播方程为：
F(k|k-1)＝F(k，k-1)P(k-1)×F T(k，k-1)+Q(k-1)
量测更新方程为：
K(k)＝P(k|k-1)H T(k)[H(k)×P(k|k-1)H T(k)+R(k)]-1
P(k)＝[I-K(k)H(k)]P(k|k-1)
卡尔曼滤波更新后对相关导航参数进行修正，再将作为输入进行下一次滤波；
对于确定的滤波方程，选取合适的初始值X0和均方误差初值P0分别进行滤波回路与增益回路的时间更新与量测更新，利用递推的算法，随着滤波次数的增加，逐步提高系统的误差补偿精度；
S4、根据融合后的姿态与位置信息，计算采煤机的运行轨迹；
S401、光纤惯性系统安装在采煤机机面的任一位置O点，行走轮的中心位置向采煤机机
面垂直投影点分别为M点和N点，定位点O点到M、N两点的距离分别为L M和L N，采煤机定位点O 点到刮板输送机齿轨的垂直距离为L H，在导航坐标系下，采煤机O点的坐标为P o(x o，y o，z o)，
其姿态角分别为此时，获取采煤机前后两齿轨轮的运动轨迹，即可获得刮板输送机的完整直线度；
S402、为获取采煤机前后两齿轨轮的运行轨迹，需要对惯导与里程计组合的定位点进行空间坐标系转换；
S4021、根据空间转换公式：
获取导航坐标系下所述交点M、N在t时刻的位置坐标P M(t)、P N(t)，其中，组合定位点在t 时刻的位置为P O(t)；L Q为采煤机两齿轨轮的中心距，L M为所述光纤惯导测量模块到所述交点M的距离；
在t时刻下B、D点的坐标转换公式为：
根据BB0＝DD0＝L H，可以把BD两点坐标转换成B0，D0两点坐标，即为采煤机两齿轨轮坐标，因此，
t时刻的位置坐标的位置坐标为：
其中，L H为所述光纤惯导测量模块的安装点与所对应刮板输送机水平面上投影点的垂线长度；
S5、解算采煤机运行轨迹，推算刮板输送机的直线度；
S501、工作面中的采煤机在其往复割煤过程中，采煤机机身位置的长度横跨多节刮板输送机，包含了多节齿轨，需要对采煤机机身轨迹进行分析，因此，需要对B o、D0进行轨迹融合；
S502、在采煤机从左向右运行过程当中，B o点在Y方向的坐标最大值为B n，取B o B n的轨迹线为l B，D0点的行走轨迹中，取出其中在Y轴上坐标最大值为D n，得到图中的B n D n段，当D的第x 个点大于B n点时，l BD就是采煤机的机身横跨的齿轨曲线，其中
将B o的轨迹线为l B与D0的轨迹线l D融合，就可以得到完整的刮板输送机的齿轨轨迹L＝l B+l BD，通过以上方法即可得到完整的刮板输送机直线度；
S6、基于每节刮板输送机的位置偏差，计算出每个液压支架的推移量，从而实现液压支架自动调直，保证在300m工作面的直线度检测误差≤10cm；
S601、根据得到刮板输送机机身的形态曲线，对其进行调直，解算出每节刮板输送机中部槽的位置及所需调整的位移，即约束点处的坐标信息；刮板输送机直线度控制过程可以分为目标曲线为直线和目标曲线为斜线两类，以目标曲线是直线为例，采煤机起始位置为X0，对应的液压支架编号为i n，支架约束点的位置i可以通过下式得到：
i＝INT[(X n-X0)/L]
其中，INT为取整函数，X n为采煤机位置；X0为采煤机起始点位置到第一个通过完整刮板的距离，如果采煤机起始位置为液压支架之间的边界点，则X0＝0；L为每个刮板机的宽度；第n节刮板输送机齿轨的坐标位置
根据刮板输送机各节齿轨的理论调整位移公式计算出各节刮板的实际调整位移，对综采工作面的直线度进行调整；式中，Δy为理论调整位置，y i为理想曲线位置。
3.如权利要求1所述的一种基于惯导与里程计组合的综采工作面液压支架自动调直方法，其特征在于：通过获取采煤机两个齿轨轮的位置推算出刮板输送机的完整直线度，直线度检测误差小于等于10cm。
4.如权利要求1所述的一种基于惯导与里程计组合的综采工作面液压支架自动调直方法，其特征在于：根据获取的刮板输送机的直线度，推算出每一个液压支架的推移量，上位机控制系统根据液压支架推移量进行调直控制。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议