研發(fā)起止時間：2018年12月～2020年12月

完成單位：晉能控股煤業(yè)集團有限公司

獲獎及評價：國際先進

1 立項背景

綜采工作面為整個煤礦開采最為重要的場所，采煤機是綜采工作面的核心裝備之一，它移動范圍廣、工作時間長、運動過程復(fù)雜，工作面其它裝備均是以其為核心進行工作。采煤機的智能化是實現(xiàn)綜采工作面“無人化”或“少人化”采煤的關(guān)鍵因素，而準確定位是實現(xiàn)采煤機智能化的基礎(chǔ)。目前井下采煤機定位方法均具有較大的定位誤差且無法連續(xù)定位，不能滿足采煤機定位實時性、自主性和準確性的要求。主要問題一方面是在煤礦復(fù)雜環(huán)境下無法進行采煤機位置動態(tài)精確定位；另一方面是對采煤機姿態(tài)定位還沒有有效的方法。

本項目引入固態(tài)激光雷達、高精度慣性導(dǎo)航、編碼器的組合慣導(dǎo)系統(tǒng)（見圖1），并利用LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來對捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航方程進行建模，并結(jié)合現(xiàn)代電子技術(shù)，設(shè)計出實時、高效的數(shù)據(jù)采集硬件電路，實現(xiàn)對采煤機位置和姿態(tài)信息的實時采集和分析處理，進一步對采煤機位姿進行跟蹤測量，有效提高了采煤機的定位精度，對實現(xiàn)采煤機的智能化，推動綜采工作面“少人化”或“無人化”開采具有十分重要的意義。

圖1 整體技術(shù)方案

2 研究內(nèi)容

（1）基于LSTM 算法的組合慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)的研究與開發(fā)

綜采工作面的“三直兩平”是綜采工作面的核心部分，即煤壁、刮板輸送機和支架成直線狀，刮板輸送機和支架平穩(wěn)牢靠。由于采煤機受力情況復(fù)雜，采煤機實際軌跡與中心計算機設(shè)定的理想軌跡存在一定偏差。本項目針對組合慣導(dǎo)體系應(yīng)用的主要算法為LSTM 算法，又被稱為長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以有效的解決組合慣性導(dǎo)航的采煤機定位問題，采用LSTM算法后，可精確預(yù)測出慣導(dǎo)所經(jīng)過的空間位置，大大提升了采煤機定位精度。

（2）基于FPGA+ARM架構(gòu)的嵌入式開發(fā)板電路設(shè)計與開發(fā)

由于井下采煤機工作環(huán)境的惡劣，震動較為嚴重，市面上的系統(tǒng)很難滿足在采煤機機身上工作的需求，因此本項目根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境，采用了FPGA+ARM架構(gòu)的嵌入式開發(fā)板電路設(shè)計，可以有效解決數(shù)據(jù)量轉(zhuǎn)發(fā)較大，頻率較快的特性，并可滿足神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)運算的需求。

（3）采煤機電控箱粒子阻尼減振器設(shè)計研究

在惡劣的礦井路況下，采煤機電控設(shè)備上的精密儀器在采煤機工作時受到振動沖擊，導(dǎo)致電控設(shè)備的精密儀器受損，極易造成開發(fā)板異常死機。本項目設(shè)計了采煤機專用的電控機粒子阻尼減震器，降低電控設(shè)備的精密儀器受到的振動沖擊的影響，可以有效防止開發(fā)板異常死機問題，并可以進行開發(fā)板斷電后自動重啟。

（4）建立無線數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)

建立無線數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)，對工作面設(shè)備各類數(shù)據(jù)信息進行傳輸、共享。目前煤礦工作面環(huán)境惡劣，而組合慣導(dǎo)體數(shù)據(jù)量較大，實時性要求較高，通過礦用WiFi 丟包較嚴重，本項目針對此問題，研發(fā)了無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用無線433 MHz 頻段DTU，433 M DTU 近乎完美的適用于井下嚴酷的地理環(huán)境，在井下200 m 左右的距離進行無線傳輸丟包較少，滿足系統(tǒng)功能要求。

（5）基于固態(tài)激光雷達的定位系統(tǒng)修正方法研究

綜采工作面生產(chǎn)任務(wù)重，采煤機需要時刻進行開采，綜采面環(huán)境復(fù)雜惡劣，影響因素較多。當綜采工作面的采煤機發(fā)生上竄、下滑現(xiàn)象時，會造成采煤機超出切巷范圍，進入到主巷或者副巷，從而破壞了工作面刮板運輸機與轉(zhuǎn)載機雙機合理的搭接運輸關(guān)系，影響綜采工作面的開采運輸作業(yè)。本項目針對此問題，研發(fā)基于固態(tài)激光雷達的定位系統(tǒng)修正方法研究，建立空間位置模型，隨時監(jiān)控上竄下滑，利用水平距離信息，修正組合慣導(dǎo)漂移量。

3 創(chuàng)新點

（1）融合了采煤機側(cè)高精度光纖慣導(dǎo)、里程計，刮板機側(cè)激光雷達、接近開關(guān)，液壓支架側(cè)紅外對射等傳感器信息，基于LSTM、SLAM 算法開發(fā)了深度學(xué)習(xí)多傳感器融合軟件，實現(xiàn)對采煤機運行軌跡與位姿解算。

（2）采集采煤機電量檢測傳感器、軸編碼器等信息，研發(fā)了基于LSTM 算法的深度學(xué)習(xí)多傳感器融合軟件,進行采煤機滾筒截割高度控制，實現(xiàn)了綜放工作面的傾角控制與綜放工作面頂?shù)装迩€監(jiān)測。

（3）采用LoRa+WiFi 協(xié)議，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)無線傳輸。采煤機運行時，將解算數(shù)據(jù)用LoRa 傳輸；采煤機停采時，將原始數(shù)據(jù)用WiFi傳輸。

（4）研制了適應(yīng)采煤機惡劣工況條件的粒子減震設(shè)備和電池管理系統(tǒng)，保證FPGA+VPU+ARM 的多核嵌入式電路等設(shè)備的穩(wěn)定運行。

4 技術(shù)經(jīng)濟指標

平直度測量偏差＜100 mm，全工作面直線度測量偏差≤500 mm；基于高精度行程傳感器和雙速邏輯閥實現(xiàn)拉架、推溜行程精確控制，誤差＜20 mm。

5 研究成果及應(yīng)用效果

本項目獲授權(quán)計算機軟件著作權(quán)3 項，實用新型專利權(quán)1項。經(jīng)中國煤炭工業(yè)協(xié)會組織專家對本項目進行科技成果鑒定，成果達到了國際先進水平。

本項目開發(fā)的基于高精度慣導(dǎo)的智能綜放工作面采煤機軌跡監(jiān)測系統(tǒng)已在塔山礦進行了工業(yè)性試驗（見圖2），有效提高了煤礦綜采工作面采煤機的定位精度，大幅提升了工作面平直度控制，保障采煤機、液壓支架和刮板輸送機安全、穩(wěn)定、高效運行，同時也為煤礦智能化、無人化開采的提供了重要關(guān)鍵技術(shù)。

圖2 塔山礦工業(yè)性試驗