一种智能化露天煤矿连采机系统技术方案

一种智能化露天煤矿采煤机系统涉及一种惯导系统/里程计组合导航方式应用于智能化露天矿井采煤机系统中，该系统中的惯性导航系统安装于连采机的顶部；里程计安装于连采机的行走部；连采机运动方向控制机构安装于连采机上；惯性导航系统、里程计和连采机运动方向控制机构均通过光缆与上位机连接；系统中的惯性导航/里程计组合系统安装在采煤机上，这种高精度导航定位定向方式，不需要任何外部信息，不受外部干扰；为应对矿道中的复杂的电磁环境和煤粉对信号传输线路腐蚀，在此系统中使用光纤传输技术，将导航系统采集到的信息传输给上位机,上位机对采集的信息进行处理并使用PID控制算法对采煤机进行控制，使其按照既定方向工作。

【技术实现步骤摘要】
一种智能化露天煤矿连采机系统
本专利技术涉及一种智能化露天煤矿连采机系统，特别涉及一种惯性导航系统/里程计组合导航方式和PID控制算法应用于智能化露天矿井连采机系统中。
技术介绍
随着近年来国家能源战略的发展实施，是的煤炭开采逐步从高产量向绿色开采、安全开发和高效开采发展。煤矿综采工作面的自动化和智能化是实现矿井无人化、安全高效开采的关键步骤，也是发展“数字矿山”，提高矿井机电装备信息化和自动化水平的重要组成部分。实现煤炭开采的智能化最有效的解决方案之一是实现煤矿生产设备的自动化，从而实现煤矿综采面无人或者少人开采，其中对连采机工作信息感知、传输、处理，并以此对连采机工作状态的进行控制，这是实现煤矿智能化的关键技术。连采机工作信息包括连采机的位置和姿态，目前流行的GPS导航定位在煤矿矿道中无法正常工作，并且无法检测连采机的实时工作姿态。这导致连采机系统的自动化无法实现。在信息的传输过程中，煤矿中复杂的电磁干扰和恶劣的环境会对一般总线传输造成严重的干扰。
技术实现思路
本专利技术是为解决上述问题提出的一种智能化露天煤矿连采机系统。惯性导航/里程计组合系统安装在在连采机上，连采机从矿道口向前掘进，达到任意一个位置后，立刻得知自身位置、姿态和方位。这种全自主的高精度导航定位定向方式，不需要任何外部信息，不受外部干扰。为应对矿道中的复杂的电磁环境和煤粉对信号传输线路腐蚀，在此系统中使用光纤传输技术，将导航系统采集到的信息传输给上位机。上位机对采集的信息进行处理并使用PID控制算法对连采机进行控制，使其按照既定方向工作。为了实现本专利技术的目的，我们将采用如下技术方案加以实施。一种智能化露天煤矿连采机系统，包括连采机，连采机在露天煤矿的煤层工作面进行采煤作业，其特征在于：还包括上位机、光缆、惯性导航系统、里程计和连采机运动方向控制机构，所述的惯性导航系统安装于连采机的顶部；所述的里程计安装于连采机的行走部；所述的连采机运动方向控制机构设置于连采机上；所述的惯性导航系统、里程计和连采机运动方向控制机构均通过光缆与上位机连接。进一步，所述的上位机为PLC控制系统，PLC控制系统包括PID控制器，所述的PID控制器输入位移偏差量，通过比例环节、积分环节、微分环节的运算处理后，给连采机运动方向控制机构控制信号控制连采机的运动方向。利用权利要求1所述的一种智能化露天煤矿连采机系统控制连采机运动方向方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：步骤一：将连采机移动到矿道口，将捷联惯性导航系统和里程计器分别安装在连采机的顶部和运动部，并确定连采机的初始信息，包括在系统坐标系下的初始位置；步骤二：晃动基座下，采用惯性系对准方法，确定连采机的初始姿态信息，即姿态矩阵初始值步骤三：惯性导航系统中光纤陀螺及加速度计实时测量连采机运动角速度和加速度信息，通过时间积分更新姿态矩阵步骤四：通过安装在连采机运动部的里程计测量出连采机的位移信息，并在以一个采样周期ΔT内的平均速度V作为连采机里程计输出的速度信息；步骤五：每经过相同的时间ΔT，上传实时的航向角ψ(t)、俯仰角θ(t)、姿态矩阵信息到上位机；步骤六：上位机根据既定要求的的航向角ψ0、俯仰角θ0信息，解算出在ΔT时间内连采机位移偏差ΔS；步骤七：采用PID控制算法，对连采机的工作状态进行控制，使其按照既定的方向前进工作。有益效果本专利技术所述的系统包括惯性导航/里程计组合系统安装在在连采机上，连采机从矿道口向前掘进，达到任意一个位置后，立刻得知自身位置、姿态和方位；这种全自主的高精度导航定位定向方式，不需要任何外部信息，不受外部干扰；为应对矿道中的复杂的电磁环境和煤粉对信号传输线路腐蚀，在此系统中使用光纤传输技术，将导航系统采集到的信息传输给上位机。上位机对采集的信息进行处理并使用PID控制算法对连采机进行控制，使其按照既定方向工作。附图说明图1系统安装示意图；图2系统工作原理示意图；图3PID控制原理示意图图1中：1为上位机；2为惯性导航系统；3为连采机运动方向控制机构；4为里程计；5为光缆；6为连采机的行走部；具体实施方式下面结合附图说明本专利技术所述的系统的结构以及该系统的一次使用过程。如图1所示，一种智能化露天煤矿连采机系统，包括连采机，连采机在露天煤矿的煤层工作面进行采煤作业，其特征在于：还包括上位机1、光缆5、惯性导航系统2、里程计4和连采机运动方向控制机构3，所述的惯性导航系统2安装于连采机的顶部；所述的里程计4安装于连采机的行走部6；所述的连采机运动方向控制机构3安装于连采机上；所述的惯性导航系统2、里程计4和连采机运动方向控制机构3均通过光缆5与上位机1连接。如图1或图3所示，所述的上位机1为PLC控制系统，PLC控制系统包括PID控制器，所述的PID控制器输入位移偏差量，通过比例环节、积分环节、微分环节的运算处理后，给连采机运动方向控制机构3控制信号控制连采机的运动方向。如图2所示，所述的一种智能化露天煤矿连采机系统的一次使用过程：步骤一：本专利技术是基于惯性导航系统和PID控制算法的一种智能化露天煤矿连采机系统，为了确定连采机与工作面煤层顶底板的位置关系，连采机定位坐标系与工作面煤层数据库坐标系使用同一坐标系，即以开采起始点为原点建立系统坐标系。步骤二：晃动基座下，采用惯性系对准方法，确定连采机的初始姿态信息，即姿态矩阵初始值步骤三：在惯性导航系统测得连采机位于连采机坐标系下的坐标后，将连采机坐标系下的坐标转换为系统坐标系下的坐标，其过程可分为上次顺序不可交换的基本旋转：1、首先将OXnYnZn绕Zn轴旋转ψ角，OXnYnZn旋转到OX1Y1Z1处，这次变化可以表示为：2、然后将OX1Y1Z1绕x1轴旋转转θ角，OX1Y1Z1旋转到OX2Y2Z2处，此次的变换关系可以表示为：3、最后一次旋转是将OX2Y2Z2绕y2旋转φ角，此时OX2Y2Z2旋转到OXbYbZb处，此次变换关系可表示为：则从导航坐标系到机体坐标系的坐标转换矩阵为：由于都是正交矩阵，他们相乘的结果也是正交的，即也是正交矩阵。步骤四：里程计在连采机车运动时会发出A,B两路相位差90°的数字脉冲信号。运动部正转时A超前B为90°，当反转时B超前A为90°。脉冲的个数与位移量成比例关系。系统先对里程计输出的两路脉冲进行鉴相，判断是正转还是反转；其次进行正转加数，反转减数。位移增量可以表示为其中A为连采机运动部在运动时，每旋转1°所对应运动的位移；Z为里程计的分辨率(脉冲数/转)；M0为内里程计输出的脉冲数；KD为里程计输出脉冲的倍频系数。里程计在一个采样周期ΔT内，测得位于连采机坐标系OXbYbZb真实位移为S0，以时间ΔT内其平均速度为V(t)为里程计输出速度，其中步骤五：每经过相同的时间ΔT，上传实时的航向角ψ(t)、俯仰角θ(t)、姿态矩阵和里程计测得的速度信息V到上位机；步骤六：上位机根据实时姿态信息和速度信息，将位于运动部的里程计实时测得的在连采机坐标系OXbYbZb下单位时间内轨道检测车位移增量转换到系统坐标OXnYnZn下得实际连采机的在ΔT内，既定的位移在系统坐标系下为则在ΔT内，连采机位移的偏差量为步骤七：上位机采用PID控制算法，以位移的偏差量ΔS(t)为输入，输出u(t)为连采机运动方向的控制机构，其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种智能化露天煤矿连采机系统，包括连采机，连采机在露天煤矿的煤层工作面进行采煤作业，其特征在于：还包括上位机、光缆、惯性导航系统、里程计和连采机运动方向控制机构，所述的惯性导航系统安装于连采机的顶部；所述的里程计安装于连采机的行走部；所述的连采机运动方向控制机构设置于连采机上；所述的惯性导航系统、里程计和连采机运动方向控制机构均通过光缆与上位机连接。

【技术特征摘要】
1.一种智能化露天煤矿连采机系统，包括连采机，连采机在露天煤矿的煤层工作面进行采煤作业，其特征在于：还包括上位机、光缆、惯性导航系统、里程计和连采机运动方向控制机构，所述的惯性导航系统安装于连采机的顶部；所述的里程计安装于连采机的行走部；所述的连采机运动方向控制机构设置于连采机上；所述的惯性导航系统、里程计和连采机运动方向控制机构均通过光缆与上位机连接。2.根据权利要求1所述的一种智能化露天煤矿连采机系统，其特征在于：所述的上位机为PLC控制系统，PLC控制系统包括PID控制器，所述的PID控制器输入位移偏差量，通过比例环节、积分环节、微分环节的运算处理后，给连采机运动方向控制机构控制信号控制连采机的运动方向。3.利用权利要求1所述的一种智能化露天煤矿连采机系统控制连采机运动方向方法，其特征在于：该方法包括如下步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋来亮，闫林，王心，李永军，
申请(专利权)人：伊金霍洛旗瑞隆机械工程有限公司，北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：内蒙古,15