一种采煤机定位误差消除方法与流程

1.本公开涉及采煤机自主定位领域，尤其涉及一种采煤机定位误差消除方法。


背景技术：

2.采煤机定位技术是实现矿井无人工作面的关键。然而，现有采煤机定位系统大多依赖于已知的基站坐标或轨道形态等外界参数，不能满足采煤机定位的实时性、自主性和精确性要求。
3.为了提高采煤机定位的精确性，有必要研究出一种采煤机定位误差消除方法，以解决采煤机定位的精度问题。


技术实现要素：

4.本发明的实施例提供一种采煤机定位误差消除方法，分别消除接收模块误差和模型误差，提高定位精度。
5.为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
6.本发明的实施例提供一种采煤机定位误差消除方法，包括：
7.在同一煤矿的若干采煤机中选择基准采煤机，若干采煤机使用同一型号且同一批次的接收模块；
8.使用多种定位手段实时确定接收模块的误差数据；
9.所述误差数据实时传输至每个接收模块；
10.除基准采煤机外的剩余采煤机把实时定位和误差数据输入定位模型；
11.所述定位模型实时输出剩余采煤机各自的定位信息。
12.在本发明的实施例中，所述多种定位手段包括高精度惯导设备、卫星通讯设备、第一定位模块和第二定位模块；
13.所述高精度惯导设备配备有高精度闭环光纤陀螺和加速度计，所述高精度惯导设备安装在采煤机的机身，所述高精度惯导设备实时采集机身的位置信息，机身的位置信息作为第一位置信息通过通信模块传输至服务器；
14.所述第一定位模块安装在采煤机的一个截割机构，所述第一定位模块实时采集一个截割机构的位置信息，一个截割机构的位置信息作为第二位置信息通过通讯模块传输至服务器；
15.所述第二定位模块安装在采煤机的另一个截割机构，所述第二定位模块实时采集另一个截割机构的位置信息，另一个截割机构的位置信息作为第三位置信息通过通讯模块传输至服务器；
16.所述卫星通讯设备安装于采煤机的机身，所述卫星通讯设备接收卫星信号，所述卫星通讯设备把卫星信号作为第四位置信息发送给服务器。
17.在本发明的实施例中，若干采煤机中有多个基准采煤机，多个基准采煤机同时校准剩余采煤机的定位数据；
18.多个基准采煤机确定有多个误差数据，剔除多个误差数据中异常误差数据后再取平均值，得到平均误差数据；
19.所述平均误差数据实时传输至每个接收模块；
20.剩余采煤机把实时定位和所述平均误差数据输入定位模型；
21.所述定位模型实时输出剩余采煤机各自的定位信息。
22.在本发明的实施例中，若干采煤机还使用同一定位模型；
23.所述定位模型包括实时定位计算模块和误差补偿模块，所述误差补偿模块把误差数据输入所述实时定位计算模块，所述实时定位计算模块根据误差数据修正定位信息。
24.在本发明的实施例中，所述实时定位计算模块包括：
25.获取采煤机周围的三维环境数据；
26.基于所述三维环境数据，提取采煤机周围的参照物轮廓；
27.将所述参照物轮廓与预先采集的煤层信息和巷道信息进行匹配；
28.根据匹配结果构建采煤机三维模型。
29.在本发明的实施例中，所述预先采集的煤层信息和巷道信息，包括基于煤矿勘探出的煤层信息和实时煤层信息；
30.所述基于煤矿勘探出的煤层信息，为揭露煤系和采集煤样，使用巷探技术或开挖各种巷道探测煤层信息；
31.所述实时煤层信息包括煤层层位结构、煤种、煤质及变化、煤层产状、落差大于20m的断层。
32.在本发明的实施例中，所述参照物轮廓，包括采煤机头部、采煤机尾部、采煤机前滚筒、采煤机后滚筒、铲煤板、巷道支架、采煤机的刮板输送机。
33.在本发明的实施例中，所述误差补偿模块，包括：
34.基于非线性系统构建定量补偿模型；
35.收集采煤机至少三个维度的补偿数据和非补偿数据，人工标记并机器扩展所述补偿数据，得到扩展补偿参数；
36.基于扩展补偿参数训练定量补偿模型；
37.利用补偿数据和非补偿数据验证定量补偿模型。
38.在本发明的实施例中，采煤机机身、煤层、巷道、掘进量、截割煤块量的矢量之间存在这一个比较复杂的非线性关系，形成非线性关系的各个变量构成非线性系统，依据非线性系统构建定量补偿模型。
39.在本发明的实施例中，采煤机至少三个维度的补偿数据，包括采煤机液压系统数据、采煤机链轮链条张紧数据、采煤机滚筒摆动液压数据、巷道走向数据及巷道底面平缓度数据。
40.在本发明实施例中，根据煤层变化、巷道走向、采煤机规格变化、截割机构变化等参数机器扩展补偿数据。
41.在本公开中，至少具有如下技术效果或优点：
42.1、本发明的实施例通过选取基准采煤机，有效降低了采煤机的定位误差，消除接收模块误差和模型误差，提高定位精度。
43.2、本发明实施例的高精度惯导设备能够实时定位机身，然而采煤机工作过程中截
割机构会相对机身运动，这就导致高精度惯导设备无法准确定位采煤机的截割机构，本发明利用采煤机动态补偿模型补偿高精度惯导设备的定位信息，提高采煤机的定位精度。
44.3、本发明实施例的高精度惯导设备匹配有惯性导航系统，采煤机三维模型可嵌入惯性导航系统使用，惯性导航系统中输入的采煤机定位信息为采煤机三维模型中补偿过的三维定位信息。
附图说明
45.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
46.图1为根据本公开的一些实施例提供的采煤机定位误差消除方法流程图。
具体实施方式
47.下面结合附图所示的各实施方式对本公开进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本公开的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本公开的保护范围之内。
48.请参阅图1，本发明的实施例提供了一种采煤机定位误差消除方法，包括以下步骤：
49.步骤s110、在同一煤矿的若干采煤机中选择基准采煤机，若干采煤机使用同一型号且同一批次的接收模块；
50.步骤s120、使用多种定位手段实时确定接收模块的误差数据；
51.步骤s130、误差数据实时传输至每个接收模块；
52.步骤s140、除基准采煤机外的剩余采煤机把实时定位和误差数据输入定位模型；
53.步骤s150、定位模型实时输出剩余采煤机各自的定位信息。
54.当煤层离地表远时，一般选择向地下开掘巷道采掘煤炭，此为井工煤矿。当煤层距地表的距离很近时，一般选择直接剥离地表土层挖掘煤炭，此为露天煤矿。煤矿是人类在开掘富含有煤炭的地质层时所挖掘的合理空间，通常包括巷道、井硐和采掘面等等。
55.通常，一个煤矿有至少6台采煤机，对大型煤矿而言，可高达20余台采煤机，每台采煤机的采高范围为1.8～3.6m，采煤机的工作倾角≤35
°
。选取一台、两台或者三台采煤机为基准采煤机，用基准采煤机的误差数据修正剩余采煤机的误差，以此提高定位精度。
56.在本发明的实施例中，多种定位手段包括高精度惯导设备、专网通讯设备、第一定位模块和第二定位模块；高精度惯导设备配备有高精度闭环光纤陀螺和加速度计，高精度惯导设备安装在采煤机的机身，高精度惯导设备实时采集机身的位置信息，机身的位置信息作为第一位置信息通过通信模块传输至服务器；第一定位模块安装在采煤机的一个截割机构，第一定位模块实时采集一个截割机构的位置信息，一个截割机构的位置信息作为第二位置信息通过通讯模块传输至服务器；第二定位模块安装在采煤机的另一个截割机构，第二定位模块实时采集另一个截割机构的位置信息，另一个截割机构的位置信息作为第三位置信息通过通讯模块传输至服务器；卫星通讯设备安装于采煤机的机身，卫星通讯设备
接收卫星信号，卫星通讯设备把卫星信号作为第四位置信息发送给服务器。
57.本发明实施例的高精度惯导设备，是可靠的固态惯性测量单元。内置三轴硅陀螺仪、三轴硅加速度计，并经过三轴转台精密校准以满足不同条件下的性能需求。可输出实时、准确的载体姿态和传感器数据。能够校准陀螺仪的零点、零点温度系数、灵敏度、灵敏度温度系数、正交性误差和加速度效应，加速度计的零点、零点温度系数、灵敏度、灵敏度温度系数和正交性误差。
58.本发明实施例的接收模块，指服务器的收发模块，服务器具有高速的cpu运算能力、长时间的可靠运行、强大的i/o外部数据吞吐能力以及更好的扩展性。服务器的收发模块，可以是有线连接，也可以是无线连接。无线连接是指利用无线技术进行数据传输的一种方式。无线传输和有线传输是对应的，无线数据传输可分为公网数据传输和专网数据传输。有线传输是指有线电信，即利用金属导线、光纤等有形媒质传送信息的方式。
59.在本发明的实施例中，若干采煤机中有多个基准采煤机，多个基准采煤机同时校准剩余采煤机的定位数据；多个基准采煤机确定有多个误差数据，剔除多个误差数据中异常误差数据后再取平均值，得到平均误差数据；平均误差数据实时传输至每个接收模块；剩余采煤机把实时定位和平均误差数据输入定位模型；定位模型实时输出剩余采煤机各自的定位信息。
60.基准采煤机的选择，考虑运输能力强、通风效果好、巷道平整、煤质优良并且处于回采工作面的采煤机。矿的开采为了安全一般是从前向后采，先打通巷道进入计划开采面积的远处，正式开采时的工作面称回采工作面。
61.除此之外，本发明实施例的采煤机割煤至端头后，前滚简下降，后滚筒上升，反向沿输送机弯曲段剂入煤壁，进入直线段并继续向一端割煤，同时进行进刀段推直输送机机头作业。
62.在本发明的实施例中，若干采煤机还使用同一定位模型；定位模型包括实时定位计算模块和误差补偿模块，误差补偿模块把误差数据输入实时定位计算模块，实时定位计算模块根据误差数据修正定位信息。
63.本发明实施例的采煤机三维模型和采煤机动态补偿模型，是在服务器中构建的，采煤机三维模型是基于惯性导航平台构建的。本发明实施例的采煤机动态补偿模型，各个补偿参数是通过训练和学习完成的。采煤机动态补偿模型的训练和学习，是基于最小偏差范围的环境特征学习，当在采煤机三维模型上观察截割机构的虚拟位置时，采煤机机身、煤层、巷道、掘进量、截割煤块量的矢量之间存在这一个比较复杂的非线性关系。判别学习的目标，就是通过使平均代价函数最小来减少误分类数，(1)定义判别函数，(2)定义误分类测度(3)定义代价函数(4)平均代价函数(5)平均代价函数的最小化。这样环境特征可以通过沿着平均代价函数梯度下降方向不断地进行迭代优化。在估计到了偏差特征以后，就可以在此基础上进行截割机构的偏差位置估计，并用估计到的偏差位置进行训练和识别。
64.在本发明的实施例中，实时定位计算模块包括：获取采煤机周围的三维环境数据；基于三维环境数据，提取采煤机周围的参照物轮廓；将参照物轮廓与预先采集的煤层信息和巷道信息进行匹配；根据匹配结果构建采煤机三维模型。
65.在本发明的实施例中，预先采集的煤层信息和巷道信息，包括基于煤矿勘探出的煤层信息和实时煤层信息；基于煤矿勘探出的煤层信息，为揭露煤系和采集煤样，使用巷探
技术或开挖各种巷道探测煤层信息；实时煤层信息包括煤层层位结构、煤种、煤质及变化、煤层产状、落差大于20m的断层。
66.在本发明的实施例中，参照物轮廓，包括采煤机头部、采煤机尾部、采煤机前滚筒、采煤机后滚筒、铲煤板、巷道支架、采煤机的刮板输送机。
67.在本发明的实施例中，误差补偿模块，包括：基于非线性系统构建定量补偿模型；收集采煤机至少三个维度的补偿数据和非补偿数据，人工标记并机器扩展补偿数据，得到扩展补偿参数；基于扩展补偿参数训练定量补偿模型；利用补偿数据和非补偿数据验证定量补偿模型。
68.在本发明的实施例中，采煤机机身、煤层、巷道、掘进量、截割煤块量的矢量之间存在这一个比较复杂的非线性关系，形成非线性关系的各个变量构成非线性系统，依据非线性系统构建定量补偿模型。
69.在本发明的实施例中，采煤机至少三个维度的补偿数据，包括采煤机液压系统数据、采煤机链轮链条张紧数据、采煤机滚筒摆动液压数据、巷道走向数据及巷道底面平缓度数据。
70.在本发明的实施例中，采煤机至少三个维度的补偿数据，还包括采煤机的截割偏角。截割偏角计算过程如下：计算截割偏角θ，包括：(1)根据采煤机型号确定了采煤机最大截割煤宽度d；(2)根据不同巷道确定截割滚筒的截割断面距巷道壁的距离d2；(3)根据巷道情况确定采煤机摇臂距巷道壁的距离d1；基于截割宽度d1≈最大截割煤宽度d－截割滚筒截割断面d2，且根据截割宽度d1及采煤机长度l，计算截割偏角θ＝2arcsin(d1/(2*l))。
71.本发明实施例根据采煤机型号确定了采煤机最大截割煤宽度d、根据巷道对应的截割滚筒的截割断面d2，在煤层倾角大于15
°
截割滚筒截割断面大于25米，煤层倾角小于15
°
截割滚筒截割断面大于1米,根据巷道情况确定采煤机摇臂距离d1，截割宽度d1＝最大截割煤宽度d－截割滚筒截割断面d2，根据截割宽度d1及采煤机长度l，计算截割偏角θ＝2arcsin(d1/(2*l))。
72.在本实施例中，截割滚筒到位后，恢复驱动装置供电，采煤机起动后以0－8m/min速度向煤体行走，行走过程中关注虚拟画面与实际运行中装煤机构沿采煤机运行情况，避免装煤机构脱离虚拟画面中预计轨迹，最后将装煤机构停放于煤体正前方，装煤机构距煤体中心点约为0.2米。
73.在本发明实施例中，根据煤层变化、巷道走向、采煤机规格变化、截割机构变化等参数机器扩展补偿数据。
74.本发明的实施例通过选取基准采煤机，有效降低了采煤机的定位误差，消除接收模块误差和模型误差，提高定位精度。
75.本发明实施例的高精度惯导设备能够实时定位机身，然而采煤机工作过程中截割机构会相对机身运动，这就导致高精度惯导设备无法准确定位采煤机的截割机构，本发明利用采煤机动态补偿模型补偿高精度惯导设备的定位信息，提高采煤机的定位精度。
76.本发明实施例的高精度惯导设备匹配有惯性导航系统，采煤机三维模型可嵌入惯性导航系统使用，惯性导航系统中输入的采煤机定位信息为采煤机三维模型中补偿过的三维定位信息。
77.上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本公开的可行性实施方式的具体说
明，它们并非用以限制本公开的保护范围，凡未脱离本公开技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本公开的保护范围之内。
78.对于本领域技术人员而言，显然本公开不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本公开的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本公开。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本公开的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本公开内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
79.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。