一种采煤机截割起点确定方法

技术领域

本发明涉及采煤机导航领域，尤其涉及一种采煤机截割起点确定方法。

背景技术

采煤机自主定位和导航是实现智能化无人采煤系统的关键技术之 一。煤炭生产时，综采工作面粉尘量巨大，无法使用激光定位技术；受 采煤工艺限制，也无法采用北斗、GPS等卫星定位技术，因此，目前采 煤机自主定位导航的设计方案大多采用高精度惯导模块。

截割机构是采煤机的工作部件，其组件主要有：摇臂减速箱、截割 电机、喷雾装置和截割滚筒。截割机构位于采煤机机身的两端，通过销 轴与机身铰接，以销轴为回转中心，通过调高油缸活塞杆的伸缩，实现 左右滚筒的升降。摇臂与调高油缸采用销轴连接，左右摇臂分别用电机 驱动。经2-3级摇臂减速箱减速，1-2级行星减速后通过方形滚筒座来 驱动滚筒转动，完成截煤和装煤。

当采煤机割至工作面端头时，调换滚筒位置，前滚筒降下，后滚筒 升起，并沿运输机弯曲段反向割入煤壁，直到运输机呈直线段为止，再 调换2个滚筒上下位置，重新返回割煤至运输机机头处；将三角煤割掉， 煤壁割直后，再次调换上下滚筒，返程正常割煤。

采煤机自主采煤时，在虚拟画面中如何确定采煤机的截割起点，成 为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采煤机截割起点确定方法，利用高精度惯 导模块对采煤机实时定位，利用定位模块实时采集截割机构的位置信息，在 计算机构建采煤环境的虚拟画面，利用虚拟画面寻找截割起点。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种采煤机截割起点确定方法，包括：

构建采煤环境的虚拟画面；

标记采煤机三维模型在虚拟画面中实时位置；

确定所述采煤机三维模型的滚筒在煤层中最佳切入点；

在虚拟画面标记所述最佳切入点，根据所述最佳切入点确定采煤机的截 割起点。

作为本发明的进一步改进，所述构建采煤环境的虚拟画面，包括：

获取采煤机周围的三维环境数据；

基于所述三维环境数据，提取采煤机周围的参照物轮廓；

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，得到匹 配信息；

根据匹配信息构建采煤环境的虚拟画面。

作为本发明的进一步改进，所述标记采煤机三维模型在虚拟画面中实时 位置，包括：

构建采煤机的三维模型；

将采煤机的三维模型置于所述虚拟画面；

提取采煤机的数据信息；

根据所述数据信息在虚拟画面中标记采煤机三维模型的实时位置。

作为本发明的进一步改进，所述构建采煤机的三维模型，包括：

构建采煤机模型；

构建采煤机动态补偿模型；

把所述采煤机动态补偿模型的实时输出参数导入所述采煤机模型，得到 采煤机的三维模型。

作为本发明的进一步改进，确定所述采煤机三维模型的滚筒在煤层中最 佳切入点，包括：

获取采煤机自身的尺寸信息；

获取所述采煤机三维模型在虚拟环境的当前位置信息；

以当前位置信息为基准，基于所述尺寸信息得到多个切入点；

从多个切入点选择最佳切入点。

作为本发明的进一步改进，所述以当前位置信息为基准，基于所述尺寸 信息得到多个切入点，包括：

当前位置信息为坐标中心(X

所述尺寸信息包括采煤机长度L；

根据坐标中心(X

多条轨迹对应煤层的多个割入点即为多个切入点。

作为本发明的进一步改进，多条轨迹的确定方法为：

获取截割机构相对坐标中心(X

沿截割坐标(X,Y)和坐标中心(X

以截割机构宽度一半平移中心线可得到预计运动轨迹；

沿预计运动轨迹的边线划一条参考线，该参考线即为采煤机滚筒截割机 构的最大偏移边线；

在最大偏移边线与预计运动轨迹之间的区域构建多条直线，多条直接对 应的运动轨迹即为多条轨迹。

作为本发明的进一步改进，所述在虚拟画面标记所述最佳切入点，包括：

获取多个切入点对应的多个坐标信息；

从多个坐标信息中选择一个相对截割坐标(X,Y)最近的坐标信息；

提取出相对截割坐标(X,Y)最近的坐标信息作为最佳坐标信息；

在虚拟画面中标记最佳坐标信息作为所述最佳切入点。

作为本发明的进一步改进，所述根据所述最佳切入点确定采煤机的截割 起点，包括：

从虚拟画面中获取最佳切入点的位置信息；

根据最佳切入点的位置信息，使用若干10－25mm的分段折线在预计运 动轨迹与参考线之间连接成曲线；

所述曲线距最佳切入点x米时将曲线用标记线划线标识；

沿巷道平行运行将截割机构靠近煤体，按0.05±0.02m/s的速度采用攻 角方式将采煤机由后向前缓慢运动；

采煤机全部运动到预计运动轨迹的边线，在虚拟画面中对应此时的采煤 机三维模型；

此时的采煤机三维模型中心与所述最佳切入点连线并延长形成延长线；

延长线与媒体的交点为采煤机的截割起点。

作为本发明的进一步改进，所述根据所述最佳切入点确定采煤机的截割 起点，还包括：

当部分截割机构不在边线上时，在虚拟画面中校直巷道，再次将预计运 动轨迹与截割机构的实际轨迹线匹配，直到截割机构的实际轨迹线与预计运 动轨迹边线重合；

在虚拟画面中将采煤机前进小于1米的区间按折线为20－80mm修整成 圆滑的曲线，得到预计运动轨迹的实时边线。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用高精度惯导模块对采煤机实时定位，利用定位模块实时采 集截割机构的位置信息，在计算机构建采煤环境的虚拟画面，利用虚拟画 面寻找截割起点。

附图说明

图1为采煤机截割起点确定方法的流程图；

图2为图1中步骤S110的流程图；

图3为图1中步骤S120的流程图；

图4为图1中步骤S130的流程图；

图5为图1中步骤S140的流程图。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的 是，这些实施方式并非对本发明的限制，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，均属于本发明的保 护范围之内。

我国煤矿平均井深超过700米，而澳大利亚、美国煤矿平均井深350米。 我国煤炭开采的最大难题是“三高”，即高伤亡、高损害、高排放。实现零 伤亡、零损害、零排放的煤炭绿色开采目标，仅靠一般的机械化开采很难实 现，必须从智能化开采找出路。

智能化开采是机器拟人化生产，由多机器人协同作业，具有自主定位、 自动感知、自适运行的功能，实现整个采矿过程的数字化和物联化，装备运 行的无人化和可视化。机器人化开采技术体系，包括了采煤作业机器人、无 人操作刮板输送机、无人值守提升机以及无人驾驶车辆等。

采煤作业机器人是实现是有人开采变为无人开采的因素之一，所谓有人 开采变为无人开采，是从原始的人力开采到机器人开采，尽管还是人，但“人” 已经不是原来生物体的人了，而是机器与智能化的融合体。机器人化开采源 自仿生，未来要走向拟人。掘进机模仿了穿山甲的功能，采煤机模仿了地鼠 挖掘的功能，而带式输送机模仿了蚁群搬家的功能，每个托辊相当于一只蚂 蚁。要通过人工智能的嵌入或嫁接来实现煤矿机器人化开采。

常规意义的采煤机是综采成套装备的主要设备之一，在长壁采煤工作 面，以截割机构把煤从煤体上破落下来(破煤)并装入工作面输送机(装煤)的 采煤机械。采煤机按调定的牵引速度行走(牵引)，使破煤和装煤工序能够连 续不断地进行。采煤机一般由截割机构、装载机构、行走机构(牵引机构)、 电动机、操作控制系统和辅助装置等部分组成。工作机构及其机械传动或驱 动装置的总称。当截割部由专用电动机驱动时，截割机构也包括截割电动机， 截割机构是直接实现截割、破碎等主要功能的部件，其上装有截齿，截齿将 煤从煤体上破落下来，有些采煤机的截割机构为了形成所要求的截割断面形 状，除了一个主要截割机构外，还有一个或几个辅助截割机构。截割机构的 机械传动装置用来将动力传输给截割机构，以满足其运动方式、运动方向和 截割速度大小的要求。机械传动装置通常采用齿轮传动，一般在使用过程中 不能变速，但备有专门的换速齿轮副，供安装时更换，以满足截割速度的要 求。装载机构是把截割机构破落下来的煤块装入工作面输送机的部件。装载 机构一般包括装载组件和机械传动装置。当装载机构有专用的电动机时，也 包括装载电动机，装载机构也可以由截割部的机械传动装置驱动。

截割机构是采煤机的工作部件，其组件主要有：摇臂减速箱、截割 电机、喷雾装置和截割滚筒。截割机构位于采煤机机身的两端，通过销 轴与机身铰接，以销轴为回转中心，通过调高油缸活塞杆的伸缩，实现 左右滚筒的升降。摇臂与调高油缸采用销轴连接，左右摇臂分别用电机 驱动。经2-3级摇臂减速箱减速，1-2级行星减速后通过方形滚筒座来 驱动滚筒转动，完成截煤和装煤。

当采煤机割至工作面端头时，调换滚筒位置，前滚筒降下，后滚筒 升起，并沿运输机弯曲段反向割入煤壁，直到运输机呈直线段为止，再 调换2个滚筒上下位置，重新返回割煤至运输机机头处；将三角煤割掉， 煤壁割直后，再次调换上下滚筒，返程正常割煤。

工作面端头是工作面与轨道巷、运输巷相连接的地方，位于回采工作面 与顺槽交叉点处，采煤机割煤过程轨迹呈现Z字形，先行采煤机割透整个工 作面，形成三角煤弯曲段，采煤机斜切进刀然后回刀吃掉三角煤，完成完整 一刀的采煤过程。采煤机从中部往机头自动割煤，牵引至第一折返点，牵停， 降左滚筒；初始态：左滚筒割顶刀、右滚筒割底刀；第一折返点：左滚筒割 底刀、右滚筒割底刀；采煤机从中部往机头方向自动割煤，每节支架随着采 煤机依次自动移动。本发明确定的是采煤机斜切进刀时的截割起点。

本发明实施例提供了一种采煤机截割起点确定方法，请参阅图1，采煤 机截割起点确定方法包括：

步骤S110、构建采煤环境的虚拟画面；

步骤S120、标记采煤机三维模型在虚拟画面中实时位置；

步骤S130、确定采煤机三维模型的滚筒在煤层中最佳切入点；

步骤S140、在虚拟画面标记最佳切入点，根据最佳切入点确定采煤机的 截割起点。

本发明实施例的采煤环境包括煤层信息和巷道信息，首先是基于煤矿勘 探出的煤层信息，例如，为了揭露煤系和采集煤样，使用巷探技术，开挖各 种巷道探测煤层信息，煤层信息包括煤层的层位结构、煤种、煤质及变化、 煤层产状、落差大于20m的断层等等。

本发明实施例的采煤机三维模型，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。

本发明实施例中采煤机的截割起点，是采煤机斜切进刀时的坐标点。由 于工作面端头是工作面与轨道巷、运输巷相连接的地方，位于回采工作面与 顺槽交叉点处，采煤机割煤过程轨迹呈现Z字形，先行采煤机割透整个工作 面，形成三角煤弯曲段，采煤机斜切进刀然后回刀吃掉三角煤，完成完整一 刀的采煤过程。

本发明的实施例中，请参阅图2，步骤S110中，构建采煤环境的虚拟画 面，包括：

步骤S110a、获取采煤机周围的三维环境数据；

步骤S110b、基于三维环境数据，提取采煤机周围的参照物轮廓；

步骤S110c、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， 得到匹配信息；

步骤S110d、根据匹配信息构建采煤环境的虚拟画面。

本发明实施例的三维环境数据，是通过高清摄像机扫描的。高清摄像机 选用可在爆炸性气体环境中使用的高精度及高分辨率摄像机。

本发明实施例中预先采集的煤层信息和巷道信息，首先是基于煤矿勘探 出的煤层信息，例如，为了揭露煤系和采集煤样，使用巷探技术，开挖各种 巷道探测煤层信息，煤层信息包括煤层的层位结构、煤种、煤质及变化、煤 层产状、落差大于20m的断层等等。

本发明实施例的参照物轮廓，包括但不限于采煤机头部、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等 等。

在本发明的实施例中，请参阅图3，步骤S120中，标记采煤机三维模型 在虚拟画面中实时位置，包括：

步骤S120a、构建采煤机的三维模型；

步骤S120b、将采煤机的三维模型置于虚拟画面；

步骤S120c、提取采煤机的数据信息；

步骤S120d、根据数据信息在虚拟画面中标记采煤机三维模型的实时位 置。

本发明实施例的虚拟画面，包括煤层信息和巷道信息，首先是基于煤矿 勘探出的煤层信息，例如，为了揭露煤系和采集煤样，使用巷探技术，开挖 各种巷道探测煤层信息，煤层信息包括煤层的层位结构、煤种、煤质及变化、 煤层产状、落差大于20m的断层等等。

在本发明的实施例中，步骤S120a中，构建采煤机的三维模型，包括：

步骤S120a1、构建采煤机模型；

步骤S120a2、构建采煤机动态补偿模型；

步骤S120a3、把采煤机动态补偿模型的实时输出参数导入采煤机模型， 得到采煤机的三维模型。

由于采煤机机身、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。因此本发明在构建采煤机模型的基础上 还构建了采煤机动态补偿模型。

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。

上述的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。上述的采煤机非补偿数据，包括采煤机自身尺寸数据、采煤 机截割机构各部件数据、采煤机运输系统各部件数据等。

本发明实施例根据煤层变化、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。

在本发明的实施例中，请参阅图4，步骤S130中，确定采煤机三维模型 的滚筒在煤层中最佳切入点，包括：

步骤S130a、获取采煤机自身的尺寸信息；

步骤S130b、获取采煤机三维模型在虚拟环境的当前位置信息；

步骤S130c以当前位置信息为基准，基于尺寸信息得到多个切入点；

步骤S130d、从多个切入点选择最佳切入点。

采煤机自身的尺寸信息，包括采高(m)、截深(m)、适应倾角、滚筒 直径(m)、滚筒转数(r/min)、摇臂长度(mm)、摇臂摆动中心距(mm)、 牵引力(KN)、牵引速度(m/min)、机面高度(mm)以及采煤机长度(m)。

本发明在众多尺寸信息中，选取采煤机长度(m)作为重要尺寸信息， 以采煤机长度(m)确定切入点。由于采煤机机身、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，本发明实施例还依据非线性系统确定最佳切入 点。

上述的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。上述的采煤机非补偿数据，包括采煤机自身尺寸数据、采煤 机截割机构各部件数据、采煤机运输系统各部件数据等。

本发明实施例根据煤层变化、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。

在本发明的实施例中，步骤S130c中，以当前位置信息为基准，基于尺 寸信息得到多个切入点，包括：

步骤S130c1、当前位置信息为坐标中心(X

步骤S130c2、尺寸信息包括采煤机长度L；

步骤S130c3、根据坐标中心(X

步骤S130c4、多条轨迹对应煤层的多个割入点即为多个切入点。

在本发明的实施例中，上述步骤S130c4中，多条轨迹的确定方法为：

步骤S130c41、获取截割机构相对坐标中心(X

步骤S130c42、沿截割坐标(X,Y)和坐标中心(X

步骤S130c43、以截割机构宽度一半平移中心线可得到预计运动轨迹；

步骤S130c44、沿预计运动轨迹的边线划一条参考线，该参考线即为采 煤机滚筒截割机构的最大偏移边线；

步骤S130c45、在最大偏移边线与预计运动轨迹之间的区域构建多条直 线，多条直接对应的运动轨迹即为多条轨迹。

在本发明的实施例中，请参阅图5，步骤S140中，在虚拟画面标记最佳 切入点，包括：

步骤S140a、获取多个切入点对应的多个坐标信息；

步骤S140b、从多个坐标信息中选择一个相对截割坐标(X,Y)最近的 坐标信息；

步骤S140c、提取出相对截割坐标(X,Y)最近的坐标信息作为最佳坐 标信息；

步骤S140d、在虚拟画面中标记最佳坐标信息作为最佳切入点。

在本发明的实施例中，请参阅图5，步骤S140中，根据最佳切入点确定 采煤机的截割起点，包括：

步骤S140e、从虚拟画面中获取最佳切入点的位置信息；

步骤S140f、根据最佳切入点的位置信息，使用若干10－25mm的分段 折线在预计运动轨迹与参考线之间连接成曲线；

步骤S140g、曲线距最佳切入点x米时将曲线用标记线划线标识；

步骤S140h、沿巷道平行运行将截割机构靠近煤体，按0.05±0.02m/s 的速度采用攻角方式将采煤机由后向前缓慢运动；

步骤S140i、采煤机全部运动到预计运动轨迹的边线，在虚拟画面中对 应此时的采煤机三维模型；

步骤S140j、此时的采煤机三维模型中心与最佳切入点连线并延长形成 延长线；

步骤S140k、延长线与媒体的交点为采煤机的截割起点。

本发明实施例的采煤机三维模型，还包括：将实时状态参数和虚拟状 态参数逐一对应；计算每个参数的偏差；根据偏差得到二维位置信息和 截割机构虚拟位置信息的相对误差；根据相对误差在采煤机三维模型中补 偿采煤机位置姿态的最大定位误差，得到补偿后的采煤机三维定位信息；根 据补偿后的采煤机三维定位信息，获取采煤机的三维定位信息。

在本发明的实施例中，请参阅图5，步骤S140中，根据最佳切入点确定 采煤机的截割起点，还包括：

当部分截割机构不在边线上时，在虚拟画面中校直巷道，再次将预计运 动轨迹与截割机构的实际轨迹线匹配，直到截割机构的实际轨迹线与预计运 动轨迹边线重合；

在虚拟画面中将采煤机前进小于1米的区间按折线为20－80mm修整成 圆滑的曲线，得到预计运动轨迹的实时边线。

本发明的实施例通过校直参数校直巷道，具体的，校直参数的确定除了 依靠截割滚筒外，还依靠装煤机构。具体的，装煤机构到位后，开始装煤机 本体及摇臂，装煤机本体开始运动时从煤体区域曲线开始往摇臂方向逼近， 运动前将截割宽度等分为多个点，设等分点数为M，再将曲线区域宽度按M 点进行划分，然后将各点相对应进行划线，运动时先将摇臂安装到采煤机上， 驱动装置将截割滚筒拉离地面一定高度，沿巷道平行运行推动采煤机移动， 驱动装置开往煤体，开始下一轮运动，其后每次向煤体运动的距离增加 0.1-0.3米，直至运动到截割滚筒预计运动轨迹边线上，当部分边缘不在边线 上时，在虚拟画面中再次校直巷道，直到轨枕边线与截割滚筒预计运动轨迹 边线重合，装煤机本体运动结束。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式 的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精 神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细 节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形 式实现本发明。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，本发明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发 明内。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。

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。