[发明专利]基于惯导系统的煤矿综采工作面自动调直系统及方法

权利要求书

1.一种基于惯导系统的煤矿综采工作面自动调直系统的调直方法，其特征在于：采用的自动调直系统包括顺槽主控计算机，综采工作面无线通信基站，设置在每台液压支架上的行程传感器，以及设置在采煤机上的惯导系统和采煤机行走编码器；所述惯导系统通过无线方式与所述无线通信基站通信，无线通信基站通过CAN网与所述顺槽主控计算机通信，所述采煤机行走编码器通过有线方式与惯导系统通信并通过载波形式与顺槽主控计算机通信；顺槽主控计算机通过CAN网与每台所述液压支架上的电液控制器通信，所述电液控制器用于接收顺槽主控计算机发送的控制指令对液压支架进行控制；

其调直方法包括下述步骤：

步骤1，惯导系统模型建立：

步骤1.1，在所述采煤机机身中间位置处安装所述惯导系统，将该安装位置设定为原点O；

步骤1.2，建立惯导系统坐标系：惯导系统安装完成后，设置惯导系统导航坐标系(O，X，Y，Z)，所述导航坐标系以惯导系统安装位置为原点O，过原点O指向采煤机行走方向为X轴正方向，过原点O指向综采工作面推进方向为Y轴正方向，过原点O垂直向上为Z轴正方向，设定Z轴＝0；

步骤1.3，上传采煤机行走轨迹坐标：所述采煤机行走编码器将测得的参数传入所述惯导系统实时计算出精确的采煤机实时行走位置坐标(X T ，Y T ，Z T )信息，并上传至所述顺槽主控计算机；

步骤2，采煤机行走轮廓曲线形成：所述采煤机实时行走位置坐标(X T ，Y T ，Z T )是在坐标系(OX，OY，OZ)的空间坐标，且Z T ＝0；

步骤2.1，采煤机行走完整轮廓曲线识别：采用设置机头标志点和机尾标志点对采煤机行走轮廓曲线识别，即判断采煤机的行走轨迹是否完整；

步骤2.2，采煤机行走轨迹片段拼接：当采煤机行走编码器测量过程中断时，惯导系统将从原点O重新纪录采煤机行走轨迹，对本次采煤机行走轨迹进行拼接，纪录中断t时刻的采煤机坐标点(X t ，Y t )，令重新记录的所有采煤机坐标点 分别与所述坐标点(X t ，Yt )相加，即得到完整的采煤机行走轨迹测量曲线，i＝1，2，3...N；

步骤2.3，坐标点优化：

步骤2.3.1，将生成的所述采煤机行走轨迹测量曲线坐标点等间隔划分，设定划分间隔为L，将每个相等间隔内的所有采煤机坐标点(X i ，Y i )进行算术平均生成一个坐标点(XL ，Y L )代表该间隔区域坐标点，如果间隔区域生成的坐标点数量为0，则跳过该区域；

步骤2.3.2，采用三次样条插值法和自然边界条件，将所有所述等间隔区域代表点(X L，Y L )进行曲线拟合，生成采煤机行走曲线的初步轮廓线l′ 0 ；

步骤2.4，旋转所述初步轮廓线l′ 0 至水平状态：以设置的所述机头标志点和机尾标志点之间的连线为实际轮廓参考线l 0 ，并向两边延长，将初步轮廓线l′ 0 通过旋转公式：X R ＝X T cos(β)+Y T sin(β)、Y R ＝Y T cos(β)-X T sin(β)旋转至水平方向，即：令实际轮廓参考线l 0 与X轴重合，其中坐标点(X R ，Y R )为旋转后的采煤机位置坐标点，(X T ，Y T )为实时采煤机位置坐标点，β为实际轮廓参考线l 0 与X轴的夹角，通过实际轮廓参考线l 0 的斜率求倒即得；采用l 1 表示旋转后参考线，l′ 1 表示旋转后的初步轮廓曲线，l″ 1 表示旋转后自动调直期望结果线，且旋转后参考线l 1 和旋转后自动调直期望结果线l″ 1 都与X T 轴平行；

步骤2.5，平滑处理：采用二次指数滑动平均算法，对所述旋转后的初步轮廓曲线l′ 1进行平滑处理，得到用于计算每个液压支架修正量RPC的采煤机轮廓曲线l′ 2 ；

步骤2.6，设定最大移架距离D max 和最小移架距离D min ，所述最大移架距离D max为液压支架满量程移架时每个液压支架所允许的最大移架距离，所述最小移架距离D min为液压支架所允许的最小移架距离；

步骤2.7，设定自动调直误差d ε ：计算采煤机行走轮廓曲线l′ 2 中最高点A和最低点B分别与旋转后参考线l 1 之间的垂直距离d h 、d l ，则：d ε ＝|d h |+|d l |；

当d ε ≤100mm时为自动调直误差允许范围内；

步骤3，计算调直参数：

步骤3.1，设置修正量RPC：所述RPC最大值为RPC max ＝0，在所述最低点B处修正量最小，RPC Bmin ＝D min -D max ，最高点A处的修正量为RPC A ＝D min -D max ，则对于轮廓曲线l′ 2 上任意一点M，设所述M点到最低点B垂直距离为D M ，根据公式：RPC M ＝RPCA ×(D M /D max )，即可计算得到轮廓曲线l′ 2 上任意一点M的修正量RPC M ；

步骤3.2，计算实际移架距离：根据所有均匀分布在旋转后参考线l 1 上液压支架的宽度和间隔距离，确定每个液压支架中点位置在轮廓曲线l′ 2 坐标系的横坐标X k ，k＝1，2，3…k，k为液压支架的总个数；由所述横坐标X k 即可计算得到每个液压支架中点到最低点B的垂直距离D k ，进而计算得到每个液压支架中点的修正量RPC k ；根据计算得到的修正量RPC k ，由公式：m k ＝D max +RPC k ，计算得到每个液压支架移架的实际距离m k ；

步骤4，实现综采工作面自动调直：顺槽主控计算机将液压支架移架的实际距离m k 下发给对应液压支架的所述电液控制器，电液控制器控制对应的液压支架按照行程传感器的量程移架；

步骤5，每次综采工作面自动调直前，先对采煤机的行走轮廓曲线l′ 2 进行一次测量，即完成步骤2，之后判断d ε 是否小于或等于100mm，如果d ε ≤100mm，则在下一次开采循环中继续测量不矫正，即继续执行步骤2，如果d ε ＞1000m，则在下一次开采循环中执行步骤3至步骤5实现综采工作面自动调直，如此循环，直至d ε ≤100mm。