張化乾,徐鵬鵬,李海潤,王 賓,宮三朋,馬 迅,王晨晨,姚世杰,王明明,楊 洋,,陳 璨,菅典建

(1.河南能源集團(tuán) 永煤公司新橋煤礦,河南 永城 476600; 2.河南能源集團(tuán) 永煤公司,河南 永城 476600; 3.河南理工大學(xué),河南 焦作 454000; 4.鄭州普澤能源科技有限公司,河南 鄭州 450000)

采煤機(jī)的定位是實現(xiàn)數(shù)字化智能化采煤工作面建設(shè)亟須解決的首要難題[1]。由于煤礦井下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜性,無線電導(dǎo)航、北斗定位、GPS定位需要借助外部信息源進(jìn)行位置確定,因此無法適用于煤礦井下開采。目前常用于采煤機(jī)定位的方法包括,基于紅外定位、基于軸編碼器定位、慣性導(dǎo)航定位[2]。

基于紅外定位是將紅外發(fā)射裝置安裝在采煤機(jī)上,紅外接收裝置安裝在工作面每臺液壓支架上,采煤機(jī)運行過程中發(fā)射裝置發(fā)射脈沖,接收裝置接收脈沖,從而判斷出采煤機(jī)相對于液壓支架的位置信息[3]。紅外定位優(yōu)點在于現(xiàn)場安裝簡單,造價低,但是,由于紅外僅能通過視距傳播,受工作面作業(yè)煤塵遮擋、管路擠壓破壞、底板起伏與燈光等環(huán)境影響,易導(dǎo)致支架“丟架”“跳架”“錯架”等定位誤差。

基于軸編碼器定位技術(shù)是通過采煤機(jī)行走計算編碼器齒輪轉(zhuǎn)動圈數(shù),再采用圈數(shù)乘以周長,從而計算出采煤機(jī)的行走位移,之后依據(jù)各液壓支架的中心間距推算出采煤機(jī)所處支架號[4-8]。20世紀(jì)70年代末,美國喬治·馬歇爾航天中心為解決長壁工作面的采煤機(jī)位置監(jiān)測問題,研制出基于脈沖的行程定位裝置。20世紀(jì)90年代末,Servodynamic公司推出AMI530型管軸編碼器,為精度測量提供全新的技術(shù)手段。但是,由于軸編碼器轉(zhuǎn)為煤機(jī)架號定位時,采用支架平均中心間距推算,會因支架間距的變化帶來累計誤差。軸編碼器定位優(yōu)點是可實現(xiàn)煤機(jī)運行軌跡的高精度、連續(xù)定位,周圍環(huán)境對設(shè)備軌跡監(jiān)測影響較小[9-10]。但是,根據(jù)對塔山礦、趙固二礦、平煤十礦等礦井采煤機(jī)現(xiàn)場實測軸編碼數(shù)據(jù)分析,軸編碼器在實際生產(chǎn)運行階段受設(shè)備穩(wěn)定性、環(huán)境變化、設(shè)備故障、數(shù)據(jù)傳輸?shù)仍蛴绊?出現(xiàn)“缺失數(shù)據(jù)”、“轉(zhuǎn)化架號不精準(zhǔn)”、“異常數(shù)據(jù)”等現(xiàn)象。

慣性導(dǎo)航定位是通過將陀螺儀與加速度計安裝在采煤機(jī)上,依據(jù)采煤機(jī)相對于慣性坐標(biāo)系的角速度、加速度,搭建采煤機(jī)相對初始時刻的慣性坐標(biāo)系模型,實現(xiàn)采煤機(jī)三維空間定位。鄭江濤[11]提出一種使用激光陀螺儀和加速度獲得連續(xù)式采煤機(jī)的航向和位置的方法。石金龍等[12]研發(fā)出LASC采煤機(jī)慣導(dǎo)定位技術(shù)。李昂[13]提出了基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與軸編碼器組合的采煤機(jī)定位方法。慣性導(dǎo)航定位優(yōu)點是可實現(xiàn)煤機(jī)的三維空間定位、煤機(jī)姿態(tài)監(jiān)測[14-15]。但是,慣導(dǎo)系統(tǒng)存在以下問題:①測量是針對初始時刻載體狀態(tài)進(jìn)行計算,受工作面斷電影響,每次都是以初始時刻的載體位置為依據(jù)進(jìn)行計算,慣導(dǎo)設(shè)備斷電重啟后恢復(fù)定位較為復(fù)雜[16];②在計算割煤循環(huán)數(shù),監(jiān)測煤機(jī)所在架號位置等相關(guān)問題時對時效性要求較高與精準(zhǔn)度要求不太高時,紅外定位于軸編碼器定位更加適應(yīng)當(dāng)前的條件[17];③慣導(dǎo)系統(tǒng)目前仍主要以國外進(jìn)口為主,目前相關(guān)費用較高,其相關(guān)服務(wù)費用經(jīng)濟(jì)效益不佳的礦井難以承擔(dān)[18]。

單一使用紅外定位技術(shù)、軸編碼定位技術(shù)、慣導(dǎo)定位技術(shù),針對需要精準(zhǔn)實時監(jiān)測采煤機(jī)所處支架號,保障煤機(jī)軌跡的連續(xù)性[19-20]這一問題時,各項技術(shù)均存在其局限性?；诖?筆者建立了基于紅外與軸編碼器組合的采煤機(jī)定位校準(zhǔn)方法,并通過現(xiàn)場試驗分析確認(rèn)了煤機(jī)定位的精準(zhǔn)性與歷史軌跡連續(xù)可靠性。在紅外異常時,采用軸編碼數(shù)據(jù),在軸編碼異常時采用紅外數(shù)據(jù)的思路,在兩者均正常且滿足設(shè)定條件時,進(jìn)行動態(tài)校正表的更新與維護(hù)。以動態(tài)校正表為媒介,在采煤機(jī)運行中動態(tài)對校正表進(jìn)行更新,保障在工作面在運行階段支架出現(xiàn)上竄下滑,工作面曲斜時,仍可精準(zhǔn)、實時反饋采煤機(jī)位置變化信息。

1 采煤機(jī)定位優(yōu)化的基本原理

1.1 基于紅外定位的優(yōu)化

1.1.1 紅外定位的基本原理

紅外采煤機(jī)定位主要是由發(fā)射器以及接收器2部分組合而成,具體關(guān)系如圖1所示。其中將發(fā)射器安裝在采煤機(jī)上,接收器安裝在支架,發(fā)射器數(shù)量為1臺,接收器與支架總數(shù)一致,當(dāng)采煤機(jī)工作時,發(fā)射器不停的向支架扇形區(qū)域發(fā)射紅外信號,在接收器收到信號后向支架實時報送,之后通過紅外煤機(jī)位置分析算法輸出煤機(jī)位置數(shù)據(jù)。

圖1 采煤機(jī)紅外定位原理示意Fig.1 Schematic diagram of infrared positioning principle for shearer

1.1.2 紅外定位的基本原理

針對采煤機(jī)紅外定位,制定以下優(yōu)化內(nèi)容。

(1)優(yōu)化紅外采煤機(jī)定位識別算法。紅外實現(xiàn)煤機(jī)定位的優(yōu)化方案如圖2所示,根據(jù)工作面支架紅外接收器是否收到紅外發(fā)射器的信號,如果收到紅外信號,則判斷是否存在與鄰架的交互信息,若收到交互信息,按照從小到大的順序判斷下一臺支架,若未收到交互信息,按照從小到大的順序發(fā)起鄰架交互信息;如果未收到紅外信號,判斷鄰架計數(shù)器是否滿足設(shè)定數(shù)量,以避免接收器的偶然錯誤,若鄰架計數(shù)器滿足設(shè)定數(shù)量,統(tǒng)計紅外信號架號,再對紅外兩兩作差,去除差值較大的架號信息,排除由于線路擠壓導(dǎo)致的頻繁跳某臺支架的問題。若鄰架計數(shù)器未滿足數(shù)量,鄰架計數(shù)器加1,繼續(xù)判斷下臺支架。

圖2 采煤機(jī)位置識別優(yōu)化流程Fig.2 Optimization flow chart of shearer position identification

(2)對煤機(jī)紅外異常結(jié)果數(shù)據(jù)過濾。由于設(shè)備自身穩(wěn)定性,設(shè)備會出現(xiàn)“0值”、或者不在設(shè)定架號期間的數(shù)據(jù),因此應(yīng)去除該類數(shù)據(jù)的影響。

1.2 基于紅外定位的優(yōu)化

1.2.1 紅外定位的基本原理

軸編碼器定位技術(shù)主要利用采煤機(jī)行走時帶動軸編碼轉(zhuǎn)動圈數(shù)計數(shù),再利用圈數(shù)乘以周長,計算出采煤機(jī)的行走位移,之后依據(jù)各液壓中心間距推算出采煤機(jī)具體處于某臺支架處。

采煤機(jī)的行走位移:

L=n×π×D

(1)

式中,L為采煤機(jī)的行走位移;n為軸編碼轉(zhuǎn)動圈數(shù);D為軸編碼直徑。

Scu=(Scu_1-Scu_2)/(Pos_1-Pos_2)×(Pos-Pos_2)+Scu_2

(2)

式中,Scu為待轉(zhuǎn)化軸編碼數(shù)值對應(yīng)的支架號;Pos為待轉(zhuǎn)化的軸編碼數(shù)值;Scu_1為現(xiàn)場實測架號1;Pos_1為現(xiàn)場實測架號1中心位對應(yīng)的軸編碼數(shù)據(jù);Scu_2為現(xiàn)場實測架號2;Pos_2為現(xiàn)場實測架號2中心位對應(yīng)的軸編碼數(shù)據(jù)。

1.2.2 軸編碼器定位優(yōu)化方案

根據(jù)對現(xiàn)場實測軸編碼器數(shù)據(jù)分析,主要發(fā)現(xiàn)軸編碼器數(shù)據(jù)出現(xiàn)異?，F(xiàn)象表現(xiàn)為:①出現(xiàn)異?！?”值數(shù)據(jù);②數(shù)據(jù)曲線會出現(xiàn)范圍性波動。

(1)處理異常“0”值。為了能避免現(xiàn)場出現(xiàn)的“0”值干擾,會對“0”值左右兩側(cè)各3個數(shù)值,分別與0值作差,判斷差值的絕對值是否小于0.5 m,滿足“0”值保留,否則“0”值去除。

(2)數(shù)據(jù)波動除雜。經(jīng)過分析,數(shù)據(jù)波動主要是由2種誤差引起的,包括采煤機(jī)振動引起的測量誤差以及軸編碼傳感器自身測量方法帶來的誤差。為處理2種誤差引發(fā)的數(shù)據(jù)波動,采用卡爾曼濾波方法[8]進(jìn)行處理?？柭鼮V波的原理是用上一個處理過的數(shù)據(jù),振動引起的測量誤差以及軸編碼傳感器的測量誤差,以及本次的測量值來預(yù)估本次的準(zhǔn)確值。

具體算法代碼如下:

function output = kalmanFilter(data,Q,R)

if(Q==0)&(R==0)

output = data;

else

X = 0;

P = 1;

A = 1;

H = 1;

output = zeros(size(data));

output(1) = data(1,:);

for index = 2:length(data)

X_k = A * X;

P_k = A * P * A' + Q;

Kg = P_k * H' /(H * P_k * H' + R);z_k = data(index);

X = X_k + Kg *(z_k - H * X_k);

P =(1 - Kg*H) * P_k;

if index<5

output(index) = data(index,:);

else

output(index)=X;

end

end

end

1.3 基于紅外與軸編碼的煤機(jī)位置動態(tài)校正

基于上述校正后紅外與軸編碼數(shù)據(jù),互相校正實現(xiàn)煤機(jī)軌跡校正。紅外與軸編碼數(shù)據(jù)動態(tài)校正技術(shù)路徑,如圖3所示。主要涉及理念:①煤機(jī)停機(jī)期間存在數(shù)據(jù),全部清除;②煤機(jī)開啟或者煤機(jī)狀態(tài)信號缺失期間數(shù)據(jù),在編碼器沒有故障情況下,輸出的數(shù)據(jù)結(jié)果以編碼器數(shù)據(jù)輸出為主,在編碼器故障,且紅外變化正常條件下,以紅外數(shù)據(jù)的結(jié)果為主;③在紅外與軸編碼同時改變,且滿足設(shè)定條件時,則更新紅外與編碼器的對照表;④在紅外與軸編碼器均發(fā)生缺失故障,在非停機(jī)期間以等間隔自動填充。

圖3 紅外與軸編碼數(shù)據(jù)動態(tài)校正流程Fig.3 Flow chart of dynamic correction of infrared and axis encoded data

未校正軸編碼器數(shù)據(jù)與紅外與軸編碼的煤機(jī)位置動態(tài)校正后數(shù)據(jù)的對比如圖4所示。紅外與軸編碼數(shù)據(jù)動態(tài)校正算法實現(xiàn)步驟如下:

(1)判斷采煤機(jī)運行狀態(tài),依據(jù)現(xiàn)場實際情況,若采煤機(jī)可以實時發(fā)送狀態(tài)信息可直接采用,若無法發(fā)送,可以依據(jù)采煤機(jī)電機(jī)電流判斷,若采煤機(jī)電機(jī)電流均為0值,定義為采煤機(jī)為“停機(jī)”狀態(tài),若存在電機(jī)電流不為零,或者長期無電流數(shù)據(jù),則認(rèn)為

圖4 軸編碼器數(shù)據(jù)校正前后對比Fig.4 Comparison before and after data correction of axis encoder

采煤機(jī)處于“開機(jī)”或者“信號缺失”狀態(tài)。

(2)對于采煤機(jī)停機(jī)期間產(chǎn)生的紅外與軸編碼器數(shù)據(jù),可認(rèn)為是異常數(shù)據(jù),過濾處理。

(3)動態(tài)校正表生成,可以根據(jù)現(xiàn)場實測的編碼與支架號對應(yīng)信息反饋支架號與軸編碼器數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系,采用公式:

Pos=(Pos_1-Pos_2)/(Scu_1-Scu_2)×(Scu-Scu_2)+Pos_2

(3)

式中,Scu為待轉(zhuǎn)化軸編碼數(shù)值的支架號;Pos為待轉(zhuǎn)化支架號對應(yīng)的軸編碼數(shù)值;Scu_1為現(xiàn)場實測架號1;Pos_1為現(xiàn)場實測架號1中心位對應(yīng)的軸編碼數(shù)據(jù);Scu_2為現(xiàn)場實測架號2;Pos_2為現(xiàn)場實測架號2中心位對應(yīng)的軸編碼數(shù)據(jù)。

(4)判斷新產(chǎn)生跳變的數(shù)據(jù)為軸編碼數(shù)據(jù)還是紅外數(shù)據(jù),若為軸編碼數(shù)據(jù),計算該編碼與最近一條軸編碼數(shù)據(jù)的速度值,若速度>15 m/min,刪除,否則記錄軸編碼數(shù)據(jù);若為紅外數(shù)據(jù),計算該紅外與最近一條紅外數(shù)據(jù)的速度值,若速度>15 m/min或時間差<15 s,刪除,否則記錄紅外數(shù)據(jù)。

(5)根據(jù)記錄的紅外數(shù)據(jù)、軸編碼數(shù)據(jù),依據(jù)動態(tài)對照表轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的軸編碼、紅外信息,計算當(dāng)前時刻數(shù)據(jù)分別與對照的紅外數(shù)據(jù)或軸編碼數(shù)據(jù)的行程偏移量或時間偏移量。具體判斷規(guī)則如下:

①編碼器首先跳變。編碼器數(shù)據(jù)顯示采煤機(jī)位置跳變后,并在Bbias_coder_range(預(yù)設(shè)值0.05 m) 距離范圍內(nèi),紅外數(shù)據(jù)顯示采煤機(jī)位置發(fā)生跳變,認(rèn)為紅外傳感器和編碼器數(shù)據(jù)均正確,更新一次動態(tài)對照表。

Bbias_coder_range=B編碼-B紅外

(4)

式中,Bbias_coder_range為編碼器與紅外跳變?yōu)橥恢Ъ苤g的行程差;B編碼為采用編碼器定位轉(zhuǎn)化為支架號時,支架號變化對應(yīng)的編碼器數(shù)值;B紅外為采用紅外定位支架號時,支架號變化時刻對應(yīng)的最近時刻編碼器數(shù)值。

②紅外傳感器首先跳變。紅外傳感器數(shù)據(jù)顯示采煤機(jī)位置發(fā)生跳變后,并在Tcost_infrared_rang(預(yù)設(shè)值為4 s) 時間范圍內(nèi),編碼器數(shù)據(jù)顯示采煤機(jī)位置發(fā)生跳變,,紅外數(shù)據(jù)顯示采煤機(jī)位置發(fā)生跳變,認(rèn)為紅外傳感器和編碼器數(shù)據(jù)均正確,更新一次動態(tài)對照表。

Tcost_infrared_rang=T編碼-T紅外

(5)

式中,Tcost_infrared_rang為編碼器與紅外跳變?yōu)橥恢Ъ苤g的時間差;T編碼為采用編碼器定位轉(zhuǎn)化為支架號時,編碼器數(shù)值對應(yīng)的時間值;T紅外為采用紅外定位支架號時,紅外數(shù)據(jù)變化時刻對應(yīng)的時間值。

校正表動態(tài)更新與校正原理如圖5、圖6所示。

2 算法驗證及相關(guān)試驗測試

2.1 現(xiàn)場測試平臺搭建

由于本測試暫時不做控制反饋,所以選取現(xiàn)場

圖6 動態(tài)校正表更新流程Fig.6 Update flow chart of dynamic correction table

實際生產(chǎn)工作面作為測試場所,包括液壓支架102臺,人機(jī)操作界面1套,創(chuàng)力電液控1套,紅外接收傳感器102臺,紅外發(fā)射器1臺,采煤機(jī)機(jī)身攜帶軸編碼器1臺。采取現(xiàn)場跟蹤采煤機(jī)實際位置與地面監(jiān)控人員采用手機(jī)反饋的方式,進(jìn)行現(xiàn)場煤機(jī)位置跟蹤。本試驗主要對采煤機(jī)運行軌跡校正曲線可靠性、準(zhǔn)確性的驗證,測試主要包括:采煤機(jī)機(jī)頭進(jìn)刀、機(jī)頭回刀、中部正常割煤、機(jī)尾進(jìn)刀、機(jī)尾回刀情況下的煤機(jī)定位準(zhǔn)確性判斷。

2.2 測試結(jié)果分析

(1)單獨紅外數(shù)據(jù)的采集。分別對棗礦集團(tuán)、晉能控股煤業(yè)集團(tuán)下屬礦井進(jìn)行部分?jǐn)?shù)據(jù)的采集,跟據(jù)現(xiàn)場實際勘測結(jié)果采集實測現(xiàn)場數(shù)據(jù),如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場采煤機(jī)紅外軌跡Fig.7 Infrared track diagram of field shearer

由圖7分析可知,各廠家在單獨采用紅外傳感器運行時,數(shù)據(jù)可能會存在跳架、丟架、頻繁產(chǎn)生某支架等異?，F(xiàn)象。

(2)單獨編碼數(shù)據(jù)的采集。分別對棗礦集團(tuán)、晉能控股煤業(yè)集團(tuán)下屬礦井進(jìn)行部分?jǐn)?shù)據(jù)的采集,跟據(jù)現(xiàn)場實際勘測結(jié)果采集實測現(xiàn)場數(shù)據(jù),如圖8所示。

圖8 現(xiàn)場采煤機(jī)軸編碼器軌跡Fig.8 Track diagram of shaft encoder of field shearer

根據(jù)圖8可知,各廠家在單獨采用軸編碼傳感器運行時,數(shù)據(jù)可能會存在丟失、異常“0”值等異?，F(xiàn)象。

(3)采用紅外與軸編碼校正后的數(shù)據(jù)采集。采用本方法后數(shù)據(jù)產(chǎn)生情況如圖9所示。

圖9 現(xiàn)場實施后校正后的采煤機(jī)軌跡Fig.9 Track diagram of shearer after correction after field implementation

從圖9可以看出,數(shù)據(jù)在經(jīng)過紅外與軸編碼校正后數(shù)據(jù)跳動明顯消失;數(shù)據(jù)無間斷,會自動補充;同時測試數(shù)據(jù)截圖中可以對數(shù)據(jù)生成時間,generateTime,數(shù)據(jù)測試時間created_time分別進(jìn)行統(tǒng)計。

現(xiàn)場安排1名技術(shù)人員在井下對采煤機(jī)進(jìn)行掐表跟機(jī)實測,截取的部分現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與軟件運行數(shù)據(jù)部分見表1,現(xiàn)場實測記錄與軟件校正數(shù)據(jù)對比如圖10所示。從表1與圖10可以看出,數(shù)據(jù)現(xiàn)場勘測結(jié)果與校正數(shù)據(jù)運行一致性較高,可較好滿足現(xiàn)場實際需求。

表1 現(xiàn)場實測與軟件記錄對照Tab.1 Comparison between field measurement and software record

3 試驗期間遇到問題

(1)在采煤機(jī)掉頭時,容易出現(xiàn)跨半臺支架,由于最終展示結(jié)果單位為支架,會出現(xiàn)速度超越設(shè)定范圍,數(shù)據(jù)被刪除。

(2)由于現(xiàn)場采煤機(jī)位置確定依賴于人眼確定,容易出現(xiàn)誤差。

4 結(jié)語

(1)針對目前常用于采煤機(jī)定位的紅外定位與軸編碼定位出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)缺失、數(shù)據(jù)跳動嚴(yán)重等現(xiàn)象。采用閾值過濾、卡爾曼濾波等方案結(jié)合,實現(xiàn)紅外與軸編碼器數(shù)據(jù)深度過濾與異常數(shù)據(jù)處理。

(2)針對目前常用于采煤機(jī)定位的紅外定位與軸編碼定位,單一利用某種方法易出現(xiàn)的數(shù)據(jù)異常跳變、數(shù)據(jù)缺失等現(xiàn)象。建立紅外與軸編碼器組合校正法,實現(xiàn)監(jiān)測到紅外或編碼器數(shù)據(jù)為異常狀態(tài)(異常狀態(tài)包括缺失、跳變、重復(fù)等現(xiàn)象)時,采用另一種數(shù)據(jù)進(jìn)行采煤機(jī)定位。

(3)針對現(xiàn)場工作面支架與采煤機(jī)易發(fā)生相對運動,即工作面發(fā)生“上竄下滑”,致使軸編碼器定位不準(zhǔn)確的問題,提出基于紅外與軸編碼的煤機(jī)位置動態(tài)校正法,本校正方法根據(jù)紅外數(shù)據(jù)與編碼器數(shù)據(jù)跳變某一支架的先后關(guān)系,搭建基于時間與編碼距離的判斷準(zhǔn)則,實現(xiàn)編碼數(shù)據(jù)與紅外支架號的對照關(guān)系表刷新修訂,實現(xiàn)軸編碼數(shù)據(jù)與支架號碼的動態(tài)對照,保障在工作面發(fā)生“上竄下滑”時,依舊可以采用軸編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行采煤機(jī)所處位置的精準(zhǔn)定位。