无人工作面采煤机自主定位系统

=
Ra i ( t) .
i =1
采煤机质量为 m , t时刻位移分别为 y( t) , x( t) , z( t) 。分析采煤机整体受力 ,建立如图 3 ( b)坐标系 , 由牛
顿第 2定理可得沿 x, y, z 3个坐标轴运动微分方程 : m ”y″( t) = T + N1 f + N2 f + N3 f′+ N4 f′+ Ry1 ( t) cosθ+ Ry2 ( t) co sθ, m z ″( t) =N 1 +N2 +N 3 +N4 + Rz1 ( t) + Rz2 ( t) , m x ″( t) = Rx1 ( t) sinθ+ Rx2 ( t) sinθ.
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西 安 科 技 大 学 学 报 2008年
第 28卷 第 2期 2008年 6月
西安科技大学学报 JOURNAL OF X I′AN UN IVERSITY OF SC IENCE AND TECHNOLOGY
文章编号 : 1672 - 9315 (2008) 02 - 0349 - 05
Vol. 28 No12 J un12008
3
无人工作面采煤机自主定位系统
方新秋 1, 2 ,何 杰 1, 2 ,张 斌 1, 2 ,郭敏江 1, 2
(1. 中国矿业大学 矿业工程学院 ; 2. 煤炭资源与安全开采国家重点实验室 ,江苏 徐州 221116)
摘 要 : 基于依靠惯性仪表为导航信息源的导航系统无需外部信息源 、不向外部辐射能量的优 点 ,研究国内外采煤机自主定位系统现状 ,分析井下采煤机工作环境 、运动路线以及影响采煤机 运动轨迹的因素 ,确定采煤机在不同运动路线的运动特征 ,建立一个复杂程度满足要求的动力学 模型 ;选用微机械陀螺和加速度计 2种传感器组合自主定位系统 。实验室模拟实验结果表明 ,惯 性传感器误差是导致自主定位系统精度低的主要因素 ,据此提出利用环境特征 、路标识别以及基 于 GIS的地图匹配技术来减少系统误差 ,提高自主定位精度 。 关键词 : 采煤机 ; 动力学模型 ; 自主定位 ; 地图匹配 中图分类号 : TD 63 + 2. 1 文献标识码 : A
作面采煤机动力学方程为
m z ″( t) = Fzo + Rz1 ( t) + Rz2 ( t) , m y ″( t) = Fyo + Ry1 ( t) co sθ+ Ry2 ( t) co sθ, m x ″( t) = Rx1 ( t) sinθ+ Rx2 ( t) sinθ.
3 自主定位系统结构及工作原理
+
Rz1
L1 2
+ d1 cosθ
+ Rz2
L1 2
+ d1 co sθ1
,
My
=N1
L2 2
+N2
L2 2
+N3
L2 2
+N4
L2 2
+ Rx1
L3 2
+ d1 sinθ
+ Rx2
L3 2
+ d2 sinθ
+ ( Rz1
+ Rz2 )
L2 + D 22
,
M z = N 1 f + N 2 f + N 3 f + N 4 f′+ ( Ry1 + Ry2 )
采煤机绕
3
个轴转动的角度为
ψ x
,ψy
,ψz
,
由刚体的定轴转动定理可得
Jx
d2ψx d t2
=M x , Jy
d2ψy d t2
=M y , Jz
d2ψy d t2
=M z.
采煤机运动过程中受力复杂 ,基于一定的工程环境和研究目的 , 在允许的范围内 , 抓住影响采煤机定
位主要因素 ,忽略或简化次要因素 ,作出以下简化和假设 。
态矩阵 ,通过姿态矩阵将装置中测量的加速度信息转换成所需坐标系中的加速度值和角速度值 。基于新
坐标系 ,由计算机积分求得采煤机 3个线速度 、位移和位置坐标 。
当采煤机只做水平面上的二维运动时 ,则需 1个微机械陀螺仪和 2个加速度传感器即可 。如图 4所
示 , xyz坐标系为固联在地面的地球坐标系 , x1 y1 z1为固联在运动设备上的设备坐标系 , 2个加速度传感器 的敏感轴分别沿 x′和 y′方向 , x和 x′夹角为 θ。
第 2 期
方新秋等 :无人工作面采煤机自主定位系统
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1, 2)分别为前后滚筒的推进阻力 、切割阻力 、侧向阻力在 3个坐标轴上的分力 ; G为采煤机的重量 ; T为采
煤机的牵引力 ;θ1和 θ为 t时刻采煤机摇臂与机身的夹角 ; L1 , L2 , L3分别为采煤机机身的长 、宽和高 ; Si ( i = 1～4)为支撑力和摩擦力的力臂 。
为了实现采煤机自主定位 ,依据采煤机运动模型 ,针对煤矿井下特殊的环境 ,设计了无人工作面采煤
机自主定位系统装置 。该装置主要由陀螺仪 、加速度计 、双路直流稳压电源和带有 RS - 232串口的计算
机组成 。其核心为加速度计和陀螺仪组成的惯性导航系统 [6 ] 。将惯性导航系统固定在采煤机上 ,加速度
入煤壁 ,直到运输机直线段为止 (图 1 ( a) ) ;
2) 再调换 2个滚筒上下位置 ,重新返回割煤至运输机机头处 (图 1 ( b) ) ;
3) 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 (图 1 ( c) ) 。
以采煤机运动空间建立二维坐标系 ,简化采煤机一个周期的运动路线 ,如图 2 所示 。以平行于煤壁
计测量沿物体坐标系 3个直线加速度 ;陀螺仪测量 3个转动角速度 ,并提供定位计算所需的基准坐标系 ,
经过计算确定运动物体的速度 、位置 、方向 、水平姿态等各种信息 。输出信号以一定的电压表示 ,选用的
CA1713双路直流稳压电源能稳流稳压 ,同时显示双电流 、双电路 4组数据 ,可串并联使用 、具有过载短路
由于煤矿井下特殊环境 ,无线电导航 、卫星定位 、天文导航需要借助于外部力量 ,都有其局限性 ,无法 正常应用 ;另外采煤机工作环境复杂 、恶劣 ,煤岩性质 、采煤路线不断变化 ,引起采煤机外部载荷不均匀变 化 ,对采煤机运动造成各种扰动 ,改变了采煤机运动状态 ,再加上时间因素 ,要确定某一时刻采煤机运动 状态参数以及控制采煤机的运行将极其困难 [ 1～3 ] 。文中充分考虑采煤机工作的复杂环境 ,基于自主定位 采煤机特性 ,将采煤机整体视为一个质点运动 ,建立需要的动力学模型 ,分析非线性因素在采煤机运动过 程中的影响 ,进行无人工作面采煤机自主定位系统研究 ,为无人工作面实现提供基础和依据 。
1 运动路线的分析
要清楚采煤机的运动模式 ,必须分析井下工作面
的详细布置以及采煤机运动过程 。井下工作面主要设
备有滚筒采煤机 、可弯曲刮板输送机和液压支架 。采
煤机 、刮板输送机以及液压支架 3者之间相互制约 ,平 行于煤壁方向上 。在液压支架保护下 ,采煤机骑在刮
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图 1 采煤机端部割三角煤斜切进刀 Fig11 Shearer′s end inclined sump ing
保护的作用 ; RS - 232串口实现实时从硬件端口获取数据 。
定位采煤机需要实时获取陀螺仪和加速度计数据 。这些数据先由采集卡采集 ,然后通过串口传输给
计算机 。采用微机械陀螺仪和加速度计采集数据时 ,数据处理重点在于数学解析运算 ;采煤机自主定位
信息自动采集系统是利用角速度和加速度 2种传感器读出 ,经过标定标准转化为数值 ;解析算法解出姿
图 3 ( a)中 Rai , Rbi , Rci分别为滚筒上第 i个截齿的侧向阻力 、推进阻力和截割阻力 ; Rz , Rx 和 Ry 分别表
示滚筒所有截割 (N i )受力沿 x, y, z坐标轴的分力之和 。割煤过程中 , 煤岩的非匀质性 、各向异性 、坚硬杂
物以及井下煤层应力和地质构造连续变化将引起推进阻力 、切割阻力 、侧向阻力随时间变化 , 用 Rx ( t) , Ry
L2 + D 22
L2 2
+ Rx1
L1 2
+ d1 co sθ
+ Rx2
L1 2
+ d2 cosθ .
式中 f为摩擦系数 ; N i为滑靴和导向套支撑反力 ; , fN i ( i = 1～4)为滑靴和导向套摩擦力 ; Rzi , Ry i , Rx i ( i =
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板输送机上运动 ,垂直于工作面的方向 ,依靠刮板输送
to cut the triangle coal
机的推动来移动 。采煤机运动的起始位置在巷道 ,然后进入煤壁 ,常见的进入方式有端部斜切进刀和中
部斜切进刀 。下面以双滚筒采煤机端部斜切进刀为例进行研究 [4 ] ,运动过程如图 1所示 。
1) 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 ,并沿运输机弯曲段返向割
根据力系的合成和平衡 ,将采煤机上的力系简化到采煤机的机身上 。简化后的力过质心 3个轴的力
矩为
M x =N 1 S1 +N 2 S1 +N 3 S1 +N 4 S1 + Ry1
L3 2
d1
sinθ
+ (N 1 f +N 2 f +N 3 f′+N 4 f′) S2
+ Rx2
L3 2
+
d2
sin
θ 1
国内对采煤机动力学模型的研究不少 [5 ] ,但基于不同研究目的所建立模型不同 。自主定位系统采煤 机动力学学模型是以提高采煤机定位精度为目的 。采煤机长度一般为 10 m 左右 ,工作面长度为 200 m 左 右 ,综合机械化采煤面更长 ,在研究整个工作面范围内 ,可简化采煤机 ,将采煤机作为一个质点分析采煤 机运动路线 、各个路线上运动状态以及受力特征 。由图 2 可知 :在 oa 和 de段 , 采煤机摇臂不动 , 滚筒旋 转 ,采煤机沿斜线牵引前进 ;在 cb, bc, cd 和 ef段 , 采煤机摇臂不动 , 滚筒旋转 , 沿直线运动 ; 在点 c, b, g, f 时 ,采煤机停止前进 ,摇臂摆动 ,滚筒边运动边旋转 。为能够准确 、合理建立采煤机运动模型 , 综合分析 3 种运动状态 。采煤机受力状况如图 3所示 。
1) 采用链牵引或齿轮传动的采煤机 ,瞬时速度略有波动 , 采煤机的牵引速度较低 , 可忽略速度波动 。
即采煤机 Fz = 0。 2) 将采煤机视为力偶平衡 ,采煤机在两侧与刮板输送机接触点的各个方向转动较小 , 可忽略 , 即 M z
=M x =M y = 0。 由以上假设和简化 ,综合式 ( 1) ～ ( 4) ,将 3个坐标轴不随时间变化合力分别用 Fxo , Fyo , Fzo , 则无人工
Ni
Ni
6 6 ( t) , Rz ( t)来表示 ,可得 : Rz ( t) =
[ - Rc1i ( t) co sΨi1 ( t) + Rb1i ( t) sinΨ1i ( t) ], Ry ( t) =
[ - Rc1i ( t) sin
i =1
i =1
Ni
6 Ψ i1
(
t)
- Rb1i ( t) co sΨ1i ( t) ], Rx ( t)
x1 y1 z1坐标系绕 z轴 (或 z′轴 )旋转 , 微机械陀螺仪敏感轴沿竖直 方向 z轴 (或 z′轴 ) , 则通过如下的方程组和积分公式可以求出所需
方向为 x轴 ,垂直于煤壁方向为 y轴 ,采煤机初始位置即工作面端头设为原点 0, 坐标为 ( 0, 0) 。 h为采煤 机割煤深度 。采煤机从工作面一端沿刮板输送机与煤壁夹角为 ψ段进入煤壁 , 即 oa段 , 达直线段上的 c
3收稿日期 : 2008 - 04 - 10 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50504014) 作者简介 :方新秋 (1974 - ) ,男 ,浙江永康人 ,副教授 ,主要从事采矿工程的教学和科研工作 1
点停机 ;待 oa段刮板输送机推直后 ,采煤机返向割煤直至工作面另一端头 b点停止 ;接着采煤机从 b点运 动到 c点 ,清理浮煤 ,此段承担载荷较小 ;随后进入正常割煤时间 cd段 ,到工作面另一端头 d点停止 , 割煤 完成一个循环 。此后采煤机运行路线与 o点相似 ,方向相反 。
2 动力学模型的建立