[发明专利]综采工作面煤岩识别装置及方法

权利要求书

1.一种综采工作面煤岩识别装置，其特征在于，包括：

惯性导航装置，安装在采煤机上，用于获取采煤机的姿态数据；

轴编码器，安装在采煤机的行走部，用于获取采煤机的行进速度数据；

箱体，安装在采煤机上，箱体上设有舵机；

卤素灯座，安装在舵机的一端，卤素灯座上安装有卤素灯；

准直镜，安装在舵机的另一端，准直镜通过光纤与安装在所述箱体内的近红外光谱仪连接，所述近红外光谱仪用于对煤壁的光谱数据进行实时采集；

舵机控制板，与所述舵机信号连接；

嵌入式工控机，与所述舵机控制板和近红外光谱仪信号连接；

电源，为所述舵机、卤素灯、近红外光谱仪、舵机控制板以及嵌入式工控机供电。

2.根据权利要求1所述的综采工作面煤岩识别装置，其特征在于，所述箱体为防爆箱体，防爆箱体内部设置所述近红外光谱仪、舵机控制板和嵌入式工控机。

3.根据权利要求1所述的综采工作面煤岩识别装置，其特征在于，所述舵机为防爆型双头舵机。

4.根据权利要求1所述的综采工作面煤岩识别装置，其特征在于，所述卤素灯座为隔爆型卤素灯座。

5.一种基于权利要求1～4中任一所述的综采工作面煤岩识别装置的识别方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、采煤机运动时舵机控制板控制舵机面对煤壁做往复的扫描运动，同时，舵机控制板实时的把扫描角度反馈到嵌入式工控机，近红外光谱仪在扫描过程中实时的对煤壁进行光谱数据的采集；

S2、嵌入式工控机中内嵌有煤岩识别软件，所述煤岩识别系统软件二值化煤岩，把煤标志设为“0”岩的标志设为“1”，接收光谱数据，同时通过煤岩识别的算法来实时的对所采集的数据进行煤岩识别，所述煤岩识别的算法具体如下：

运用光谱角度匹配的算法，计算所测目标光谱与标准光谱库的广义夹角，判定所测目标的类型，最终实现对煤岩的识别：

广义夹角为：

即：

式中，X为被测目标光谱向量；Y为标准光谱库向量；X、Y均不为零；

当识别结果标志点从“0”变为“1”或者从“1”变为“0”时，设此时刻为j时刻，由嵌入式工控机记录舵机控制板在j时刻所反馈的扫描角度；

煤岩识别系统软件通过采煤机距煤壁的距离L及扫描角度θ_j实时的解算该分界点在采煤机坐标系下的位置并返回该数据；

S3、嵌入式工控机中通过定位系统软件实时接收所述惯性导航装置获取的采煤机的姿态数据、以及轴编码器获取的采煤机的行进速度数据，并通过航位推算算法实时解算采煤机在局部地理坐标系下的坐标，当煤岩识别软件反馈煤岩分界点的扫描角度时，通过当前位置采煤机的坐标解算煤岩分界点的坐标，拟合煤岩分界点为煤岩分界线。

6.根据权利要求5所述的综采工作面煤岩识别装置的识别方法，其特征在于，步骤S3中解算煤岩分界点的坐标，拟合煤岩分界点为煤岩分界具体步骤如下：

S3-1、嵌入式工控机读取惯导所返回的采煤机航向角α、俯仰角β；

S3-2、通过航位推算实时解算采煤机在局部地理坐标系下的坐标S_g(X_g，Y_g，Z_g)^T行进轨迹，其满足如下的关系式：

式中i表示i时刻；X、Y、Z分别为局部地理坐标系下的X_g、Y_g、Z_g，T是采样周期，v_i是i时刻轴编码器输出的速度值，α_i和β_i分别是i时刻惯导的航向角和俯仰角；

S3-3、当煤岩识别软件在j时刻检测到煤岩分界点时，返回舵机的扫描角度θ_j，在采煤机坐标系下，煤岩分界点坐标S_b1(X_b1，Y_b1，Z_b1)^T和采煤机S_b(X_b，Y_b，Z_b)^T满足以下关系式：

式中，L为准直镜镜头到煤壁的垂直距离，S为准直镜镜头到采煤机机身上的垂直距离；

S3-4、采煤机定位软件根据煤岩分界点j时刻(i＝j)的局部地理坐标系下的采煤机坐标S_g(X_g，Y_g，Z_g)^T解算煤岩分界点在局部地理坐标系下的坐标S_g1(X_g1，Y_g1，Z_g1)^T，如式3所示，根据煤岩分界点的坐标拟合出煤岩分界线；

S3-5、重复步骤S3-1～步骤S3-4，实现采煤机的运动轨迹的建立和煤岩分界线的建立。