采煤机姿态矫正系统研究综述

巩剑波，任文永，郭帅

（山西焦煤集团岚县正利煤业有限公司，吕梁  033000）

摘要：由于现阶段我国煤矿井下开采环境恶劣，且需要人工操作，为了实现采煤机在工作时能够自主对其位置、姿态等进行实时定位以及矫正，对实现采煤机井下智能化姿态矫正进行了相关讨论以及研究。本文首先对采煤机在工作时可能遇到的姿态进行分析，随后对国内采煤机定位技术进行了讨论，紧接着又对惯导技术的研究现状以及发展进行了论述，并对采煤机姿态矫正系统的关键性技术进行了研究讨论，然后又提出了一种基于组态软件的采煤机姿态矫正以及控制系统，分析了此矫正系统的工作原理以及组态界面实现的功能。此采煤机姿态矫正系统对未来实现采煤机智能化控制、无人化发展奠定了理论基础。

关键词：采煤机姿态矫正系统；定位技术；惯导技术；组态软件；智能化控制

Attitude correction system of shearer and its prospect

GONG Jianbo ,REN Wenyong,GUO Shuai

(Shanxi Coking Coal Group Lanxian Zhengli Coal Industry Co., Ltd., Lvliang  033000,China)

Abstract:At present, the underground mining environment in China is bad. And manual operation is needed. In order to realize the real-time observation of the position and attitude of the shearer when it is working, and to correct it, the intelligent attitude correction of the shearer underground is discussed and studied. This paper first analyzes the possible posture of the shearer at work, then the positioning technology of domestic shearers is discussed. Then the research status and development of inertial navigation technology are discussed, the key technology of the shearer attitude correction system is studied and discussed. A posture correction and control system of Shearer Based on configuration software is also proposed, Analysis the working principle of the correction system and the function of the configuration interface. The attitude correction system of shearer lays a theoretical foundation for the future intelligent control and unmanned development of shearer.

Key words: Attitude correction system of Shearer; Positioning technology; Inertial navigation technology; configuration software; Intelligent control

0 引言

近些年以来，由于煤炭事业的快速发展，采煤机的发展速度也十分迅速，其发展也经历了从机械化到自动化再到智能化开采的发展。

目前我国煤炭生产的主要方式是以机械化为主，但是很多地方也有许多矿工在井下恶劣、危险等环境下从事煤炭开采作业。由于人工在矿井下工作容易受到许多灾害的威胁，所以每年都有数百名矿工因受到矿井下灾害而失去生命。由于采煤机矿井下工作过程中会遇到不同工况，而且在其行驶路线上有很多不规则的角度变化。采煤机运行是否平稳，姿态是否标准对煤矿开采的生产效率、井下生产作业人员以及设备的安全都十分重要。因此，设计出一个智能化采煤机控制系统，实现采煤机自动化、智能化运行是实现煤矿生产机械化现代化的重中之重¹。实现采煤机智能化的关键是对惯性导航系统以及采煤机自动化姿态矫正控制系统的研究，即采煤机能够根据自身姿态信息、煤岩界面和煤层地质条件的变化通过自身控制系统对其姿态进行实时调整。

本文在分析了国内外采煤机姿态矫正系统的研究现状的基础之上，分析其中的不足，并对采煤机姿态矫正系统的关键性技术进行了研究讨论，然后又在采煤机姿态预测以及采煤机姿态调整的基础之上设计出了一种新的采煤机姿态矫正系统。同时又对基于组态界面的采煤机姿态矫正系统进行了相关介绍以及说明。

1 采煤机的姿态分析

1.1 采煤机姿态矫正研究现状

目前在国内采煤机姿态矫正这一研究领域中，葛兆亮²等人通过对采煤机截割工艺和位姿影响因素进行分析，确定采煤机位姿为三维定位，在分析捷联惯导基本原理的基础上，说明了捷联惯导在采煤机位姿检测中应用原理；谢嘉成³等人将刮板输送机在不同地形中的变化和采煤机的姿态变化相耦合，设计了一种适应于不同地形的采煤机与刮板输送机的姿态监测策略，通过实验表明，此方法可以获得精准的采煤机和刮板输送机姿态；张庆^4-5等人对采煤机的摇臂监测以及采煤机的滚筒高度调整进行了相关研究与实验验证；周元华⁶等人提出了基于RBF神经网络的采煤机姿态预测控制方法，采用巷道数据和“人工示教”数据来初步预测煤岩界面，利用实时截割载荷观测数据来识别煤层特性，最后对采煤机姿态进行预测以及控制。司卓印⁷通过构建运动学约束下采煤机定位定姿解算模型，开发了基于ARM的采煤机捷联惯导定位定姿系统，设计了针对模拟实验平台的上位机位姿检测软件通过仿真对比实验探讨了矫正后的采煤机位置、速度、姿态的定位精度较高，为实现运动学约束下采煤定位定姿系统的高精度作理论铺垫。

1.2 采煤机的姿态分析

采煤机的姿态由机身的倾角、摇臂与机身水平面的夹角（即抬起或下降的角度）以及滚筒高度这三部分所组成²。采煤机的机身姿态与刮板输送机的姿态两者相互联系，且联系十分密切，同时对液压支架的姿态也有一些影响。采煤机机身紧贴着刮板输送机并且沿着刮板输送机的轨道进行移动，在采煤机移动过程中会遇到不同的工况。比如：采煤机在工作过程中会遇到上坡、下坡、俯采、仰采这四种状态；具体图示如图（1）、（2）、（3）、（4）所示：

（1）                                （2）

（3）                           （4）

采煤机的机身角度变化可以通过连接的前后两个支撑滑靴的角度变化来体现，而支撑滑靴是采煤机与刮板输送机的主要连接部分，通过研究采煤机运行时导向滑靴的实时、动态受力情况,在分析导向滑靴销轴受力特点⁸，分析出采煤机的支撑滑靴与刮板输送机的铲煤板之间会存在三种不同的接触形式：完全接触、半接触和两点接触。其中，在支撑滑靴与铲煤板处于完全接触的情况下时，支撑滑靴与铲煤板一直处于一个水平面上，即两者角度保持一致；在半接触的情况下，会存在两个铲煤板的角度，这里可以将两个铲煤板之间的角度作为支撑滑靴的角度；当支撑滑靴与铲煤板处于两点接触的时候，可以通过建立几何关系通过数学计算的到其具体角度^2-3。

以上为采煤机才工作过程中可能会遇到的状态，在采煤机工作时候需要根据具体情况对采煤机进行实时的姿态矫正，使采煤机能够正常采煤，不至于耽误工作效率。那么，要想实现采煤机的姿态矫正，首先需要解决的问题就是采煤机的定位，通过对采煤机的实时定位，然后通过通讯设备将采煤机的姿态信息等传送到控制系统中，再经过数据分析，控制系统发出控制指令实现对采煤机的姿态矫正。

2 采煤机定位技术

目前为止，采煤机的定位方法主要有超声波反射法、红外线对射法、齿轮计数法、无线传感器网络采煤机定位法以及捷联惯导技术定位法。

1）超声波反射法：超声波反射法是将超声波发射器安装在工作面端头转载机行走部，向采煤机方向发射超声波，并开始计时，超声波在综采工作面的空气中传播，当超声波碰到采煤机端部的时候就立刻反射回来，转载机行走部的超声波接收器接收到反射波，与此同时停止计时。这样就可以实时解算出采煤机到工作面端头部的距离，由此找出与采煤机对应的液压支架，由于液压支架布置距离已知，这样就可实现采煤机的动态定位。这种方法在煤矿上的使用缺点就是超声波信号采集的难度比较大，因此存在的误差也就比较大。

2）红外线对射法：红外线对射法是将红外线发射器安装在采煤机上，同时在每个液压支架上都安装上红外线接收器，当采煤机进行煤岩截割的时候，割至到每个液压支架前的时候，安装在液压支架上的红外线接收器就会接收到红外线信号即采煤机的实时位置信息。它的缺点就是在检测时不能检测到动态为止，可靠性比较差，并且其安装也比较的复杂。

3）齿轮计数法：这种方法是将计数传感器安装在采煤机行走部减速箱的齿轮上，可以实时的采集到齿轮的转动个数。通过计算可以得到采煤机的行走距离，然后就可以得到采煤机的位置。这种方法检测采煤机在刮板轨道上行走距离比较精确。但是安装难度较大，且没法满足采煤机动态定位和精度要求。

4）无线传感器网络采煤机定位法：该方法是将无线发射装置安装在采煤机机身上，无线接收装置安装在液压支架上，采煤机运行过程中不定向发射射频信号，当液压支架接收到信号，通过确定衰减信号强度反向计算便可得出采煤机前进距离。这种方法能够确定采煤机位置，但定位精度与监控节点的布置密度有关。为避免相邻节点间的干扰，布置距离需设有一定的范围，主要用于井下人员定位，但无法满足工作面采煤机的定位精度要求。再加上射频信号在井下衰减指数大，井下的无线信道模型还没有完整建立，没有足够分析无线定位模型误差，故无法得到实际运用。

以上介绍的采煤机定位技术有的定位精度都比较低，但是有的安装难度较大，而且对环境的要求较高。但是惯导技术对外界环境没有依赖性，在恶劣的环境也可以稳定工作，而且测量精度比较高，但是惯导技术很适合煤矿井下等复杂恶劣环境⁷。

所谓的惯导技术，就是将惯性敏感元件（陀螺和加速度计）直接“捆绑”在载体上，它不需要接收外部的信息即可完成导航任务。在采煤机上的应用就是利用捷联惯性导航系统中的三轴加速度计和三轴陀螺仪实时测量采煤机的加速度和角速度信息，并根据四元数捷联惯导位姿解算方法解算出采煤机的实时位置和姿态信息，得到精确的采煤机运动轨迹，实现对采煤机的实时定位。如图1所示，将惯导系统直接固定在机身上，分别测量采煤机相对惯性空间的转动角速度和线加速度沿机身坐标系3个轴的分量，经过计算可得到采煤机的位置、速度、姿态等各种导航信息。通过陀螺仪测量值实时更新姿态矩阵，利用姿态矩阵可以得到姿态角的信息，加速度计测量值也要利用姿态矩阵转换到导航坐标系，进行速度和位置计算。

图1 捷联惯导系统示意图

惯导技术的发展经历过四个阶段：第一阶段：1930年以前的惯性技术是自从1687年牛顿三大定律的建立之后，牛顿力学才成为惯性导航技术的理论基础；第二阶段：其开始于上世纪40年代火箭发展的初期，它的研究内容从惯性仪表技术逐渐发展扩大到惯性导航系统的应用；第三阶段：自从70年代初期发展阶段出现了一些新型陀螺、加速度计和相应的惯性导航系统（INS），之后它的研究目标就是进一步提高惯性导航系统（INS）的性能，并通过多种技术途径来推广和应用惯性技术。第四阶段：目前惯性技术正处于发展的第四个阶段，其目标就是实现高精度、高可靠性、低成本、小型化、数字化、应用领域更加广泛的导航系统。

采煤机姿态矫正系统主要就是以惯导技术为基础，通过布置在采煤机机身上的捷联惯导系统对采煤机进行定位^9-10，同时可获得采煤机的姿态等信息，然后再通过控制系统控制液压支架的升降移架和刮板输送机的推移实现对采煤机姿态进行实时控制即采煤机的姿态矫正。

3 采煤机姿态矫正系统

3.1 采煤机姿态矫正系统及其工作原理

此姿态矫正系统为无人化工作面智能化采煤机姿态矫正系统，通过井下数据传输技术等，最终实现采煤机手动控制、自主控制、上位机远程控制3种控制工作模式以及相关工作参数的实时监测^11-12。

采煤机姿态矫正系统由地面操作控制单元、自动控制单元、命令执行单元、通讯控制单元以及信息采集单元组成。当该系统在工作的时，将获得的采煤机姿态信息数据等通过CAN总线或RS485总线传输到采煤机姿态矫正系统的主监控屏幕上，一方面将数据信息传送到地面操作单元，可以通过比对信息进行人工控制采煤机姿态；另一方面，会将获得的采煤机位置姿态数据信息传送到主控单元，然后再通过CAN总线或RS485总线传输至命令执行单元实现采煤机姿态矫正。该采煤机姿态矫正系统中主要涉及到的技术参数有：频率信号；CAN总线通信实现与采煤机中央主控板的数据传输、传感器之间的通信；RS485通信接口实现与采煤机中央主控板、传感器之间的冗余通信；实时时钟；本质安全电路。采煤机姿态矫正系统的工作原理如图所示：

3.2 采煤机姿态矫正系统的工作过程

当采煤机正常工作时，它的截割电动机电流、牵引电动机电流采煤机速度、刮板输送机的牵引速度等都会有一个稳定状态值。如果采煤机处于正常采煤、上坡、下坡、仰采、俯采等情况下或者支撑滑靴与铲煤板处于完全接触、半接触以及两点接触的情况下的情况下，采煤机姿态矫正系统通过采煤机定位技术获得的采煤机姿态信息会存放入信息采集单元，并通过CAN总线或RS485总线传送至通讯控制器进行信号转换，然后再通过CAN总线1或者RS485总线1传送至采煤机主控单元进行信号识别与处理并发出相应指令，紧接着再通过CAN总线2或者RS485总线2传送至命令执行单元，命令执行单元对上一级传来的采煤机需要调整的部位以及需要调整的角度进行命令执行，其中所执行的命令包括：采煤机上下坡姿态矫正、采煤机俯仰采姿态矫正、支撑滑靴与铲煤板完全接触、半接触、两点接触姿态矫正等。

通过运用捷联惯导技术安装在采煤机机身上获得的采煤机姿态等信息以及安装在采煤机上的传感器获得其角度信息传送至控制系统中并进行上述过程完成对采煤机的姿态矫正。

4 组态监控界面的建立

本论文的采煤机姿态矫正系统选用的是基于Kingview组态软件所设计的远程监控系统¹³。该远程监控系统能够通过人工控制、半自动控制或者自动化控制来实现采煤机的姿态矫正，同时，显示屏幕上实时显示采煤机的姿态角信息。

如图所示为采煤机姿态矫正系统的组态监控界面，该界面的主要功能如下：该组态界面中实时显示采煤机的工作视频影像，能够观察到采煤机在工作时候的状态；该组态监控界面能够对采煤机姿态矫正系统是否工作进行控制，分别按下开启或关闭按钮即可实现该姿态矫正系统的开启或者关闭；当采煤机姿态矫正系统开启工作的时候，界面中的绿灯就会亮起，显示此姿态矫正开始工作，在这里可以选择此矫正系统的工作方式，分别为：手动矫正、半自动矫正以及自动矫正，其中系统默认的是自动矫正；随后通过定位技术可得到采煤机的姿态信息并且该姿态信息会在矫正系统的监控界面中的屏幕上显示出来，并且通过分析即可得到支撑滑靴与铲煤板的接触方式或采煤机的牵引状态以及需要调整的角度。

采煤机姿态矫正系统的组态界面中还可以实现采煤机的故障诊断、系统参数设置以及观察、报警以及其它事件的事件记录、姿态矫正过程中的姿态矫正记录还有返回上一页以及退出采煤机姿态矫正控制系统等功能。以采煤机姿态矫正记录为例，如图所示：

该界面主要就是对采煤机姿态矫正过程的记录，分别能够记录到采煤机姿态矫正系统所矫正的采煤机姿态、矫正完成的时间、所用到的矫正方式以及矫正过程中是否是否发生可记录的备注等，点击下一页即可进入到下一个记录界面。

5 结论及展望

本论文对采煤机姿态矫正系统的研究设计与分析并建立了组态界面，通过组态界面可以观察到采煤机的姿态角信息并且需要矫正的角度等。采煤机经过了近几十年的发展，伴随着煤炭事业的迅速发展，采煤机的发展到现在也已经是比较完善了，现阶段我国的采煤机姿态矫正系统在一些关键技术上已经取得一定的突破，本文通过对采煤机姿态矫正控制系统的研究与设计能够对未来实现智能化、无人化发展提提供理论基础。

随着国家战略“智能制造2025”的提出，坚持“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”的战略方针也即将深入产业生产核心。因此，受我国的煤炭生产大国之依托，在未来我国在智能化采煤中也将会有较大的发展。智能化采煤机姿态矫正就是其中之一，智能化采煤机能够结合惯导技术实现实现采煤机井下的定姿定位、姿态自主矫正等，这些都为我国未来采煤机无人化操作技术提供巨大帮助。最终能够实现采煤机姿态矫正系统的智能化以及无人化，我国也将占据煤矿无人化、智能化的世界领先水平。

参考文献（References）：

[1]葛世荣,王忠宾,王世博.互联网+采煤机智能化关键技术研究[J].煤炭科学技术,2016,44(07):1-9.

[2]张露.基于捷联惯导的采煤机位姿解算算法研究[D].西安科技大学,2014.

[3]谢嘉成,杨兆建,王学文,李娟莉,任芳.综采工作面三机虚拟协同关键技术研究[J].工程设计学报,2018,25(01):85-93.

[4]张庆.采煤机组合定位与姿态监测方法研究[D].太原理工大学,2018.

[5]张庆,王学文,谢嘉成,庞新宇,杨兆建.基于捷联惯导系统的采煤机定位与姿态调整[J].工矿自动化,2017,43(10):83-89.

[6]周元华,马宏伟,吴海燕.基于RBF神经网络的采煤机姿态预测控制[J].煤矿机械,2014,35(09):43-45.

[7]司卓印. 基于ARM的采煤机捷联惯性导航定位定姿系统研究[D].中国矿业大学,2017.

[8]张强,吴泽光,吴泽洋,王海舰.采煤机导向滑靴力学在线测试与分析[J].工程设计学报,2017,24(06):694-701+716.

[9]徐建军.采煤机摇臂姿态定位技术分析与应用[J].陕西煤炭,2018,37(01):94-96.

[10]张金尧,李威,杨海,司卓印,应葆华.采煤机捷联惯导定位方法研究[J].工矿自动化,2016,42(03):52-55.

[11]路染妮.采煤机智能化控制系统研究与设计[J].煤矿机械,2018,39(02):23-24.

[12]马洪礼,司凯文,吕东跃.无人工作面智能化采煤机监控系统的研发[J].煤炭科学技术,2014,42(09):67-71.

[13]邓玉娇,童敏明,王欣,豆曙杰.基于组态软件的采煤机远程监控系统设计[J].煤矿机械,2012,33(11):237-239.