基于紅外檢測(cè)裝置的采煤機(jī)定位算法研究

劉 清，魏文艷

（北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京 100013）

0 引言

目前，大多數(shù)液壓電液控制系統(tǒng)支架采用紅外檢測(cè)裝置（紅外發(fā)射器和紅外接收器）來(lái)識(shí)別采煤機(jī)位置及運(yùn)行方向［1－6］，但由于煤礦井下綜采工作面的環(huán)境比較惡劣，大功率配套設(shè)備較多，每個(gè)支架上安置的紅外接收器有時(shí)難免會(huì)出現(xiàn)故障或受到干擾，導(dǎo)致電液控制系統(tǒng)對(duì)采煤機(jī)位置信息識(shí)別能力降低，甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤信息［7］。本文基于紅外檢測(cè)裝置識(shí)別采煤機(jī)位置的原理，提出了一種新的煤機(jī)定位算法，應(yīng)用于電液控制系統(tǒng)中，以提高電液控制系統(tǒng)對(duì)煤機(jī)信息的識(shí)別能力和容錯(cuò)能力。

1 基于紅外檢測(cè)裝置的煤機(jī)定位算法原理

紅外線采煤機(jī)位置檢測(cè)裝置由發(fā)射器及接收器兩部分構(gòu)成。其中發(fā)射器安裝在采煤機(jī)上，接收器安裝在液壓支架立柱上。在一個(gè)工作面上只需要一個(gè)發(fā)射器，而接收器的數(shù)量需根據(jù)液壓支架的個(gè)數(shù)進(jìn)行配置。采煤機(jī)位置檢測(cè)示意圖見(jiàn)圖1，當(dāng)采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)發(fā)射器不停地發(fā)射紅外線信號(hào)，采煤機(jī)附近多個(gè)支架上的接收器可能同時(shí)接收到紅外線信號(hào)，收到信號(hào)的接收器向支架控制器報(bào)送采煤機(jī)位置信號(hào)。隨著采煤機(jī)的運(yùn)行，不同支架上的支架控制器對(duì)接收到的實(shí)時(shí)的采煤機(jī)位置信息進(jìn)行定位算法處理后，通過(guò)總線發(fā)布給整個(gè)工作面的電液控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

2 煤機(jī)定位算法設(shè)計(jì)

2．1 設(shè)計(jì)原則

（1）高效性。電液控制系統(tǒng)中包括支架控制器、網(wǎng)絡(luò)變換器、井下電液控主機(jī)、井下自動(dòng)化主機(jī)等，由于集成的自動(dòng)化設(shè)備較多，各設(shè)備之間通訊的穩(wěn)定性受到井下工作面環(huán)境的影響較大，因此本文設(shè)計(jì)的煤機(jī)定位算法僅依賴于支架控制器和網(wǎng)絡(luò)變換器，對(duì)電液控制系統(tǒng)的通訊冗余度要求較低，以達(dá)到簡(jiǎn)單高效的目的。

圖1 采煤機(jī)位置檢測(cè)示意圖

（2）準(zhǔn)確性。經(jīng)過(guò)煤機(jī)定位算法識(shí)別出的煤機(jī)信息包括采煤機(jī)運(yùn)行的位置（以采煤機(jī)正對(duì)的支架編號(hào)標(biāo)識(shí)）和采煤實(shí)際運(yùn)行的方向（朝大號(hào)支架方向運(yùn)行作為上行；反之，作為下行）。

（3）容錯(cuò)性。當(dāng)電液控制系統(tǒng)中的若干不相鄰的紅外接收傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，煤機(jī)定位算法仍能夠計(jì)算并輸出正確的采煤機(jī)位置和運(yùn)行方向。

2．2 算法設(shè)計(jì)

本文的設(shè)計(jì)算法在電液控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)通訊由CAN總線和CAN鄰架線組成，采煤機(jī)定位算法分別用于支架控制器軟件和網(wǎng)絡(luò)變換器軟件中，并且由二者協(xié)同處理完成。電液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 電液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

算法中涉及的3種數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)體F如下：

Typedef struct F｛

unsigned int ulPri；／／優(yōu)先級(jí)

unsigned int ulCmd；／／命令碼

unsigned int ucDataLen；／／數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

unsigned int ucBuf［8］；／／幀數(shù)據(jù)

unsigned int ulDir；／／方向碼

…

｝；

struct F F1；／／支架控制器之間交互的信息幀

struct F F2；／／支架控制器報(bào)送給網(wǎng)絡(luò)變換器的煤機(jī)位置信息幀struct F F3；／／網(wǎng)絡(luò)變換器廣播的煤機(jī)信息幀

3種數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)內(nèi)容及含義如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)幀對(duì)比表

采煤機(jī)位置識(shí)別流程圖如圖3所示，工作面支架控制器判斷本架紅外接收器是否收到紅外發(fā)射器的信號(hào)，如果收到信號(hào)，再根據(jù)與左右鄰架的控制器的交互信息幀的內(nèi)容來(lái)決策處理交互信息幀的方式；如果未收到信號(hào)，且收到鄰架交互信息幀，那么根據(jù)交互信息幀中的計(jì)數(shù)器決策是否向網(wǎng)絡(luò)變換器報(bào)送煤機(jī)位置。在此決策過(guò)程中，控制器根據(jù)交互信息幀中收到的煤機(jī)信號(hào)的最小架號(hào)和最大架號(hào)計(jì)算得出采煤機(jī)機(jī)身中心所對(duì)應(yīng)的支架編號(hào)，將此架號(hào)作為煤機(jī)位置報(bào)送給網(wǎng)絡(luò)變換器。

采煤機(jī)運(yùn)行方向識(shí)別流程圖如圖4所示，網(wǎng)絡(luò)變換器監(jiān)聽(tīng)工作面支架控制器通過(guò)總線報(bào)送的煤機(jī)位置信息，如果收到來(lái)自工作面的信息幀，那么根據(jù)信息幀中的煤機(jī)位置架號(hào)與上一次工作面報(bào)送的煤機(jī)位置架號(hào)關(guān)系決策煤機(jī)運(yùn)行方向；如果未收到來(lái)自工作面的信息，那么根據(jù)超時(shí)定時(shí)器是否超時(shí)判斷是否廣播煤機(jī)位置（最后一條來(lái)自工作面報(bào)送的煤機(jī)位置架號(hào)）。

圖3 采煤機(jī)位置識(shí)別流程圖

圖4 采煤機(jī)運(yùn)行方向識(shí)別流程圖

2．3 算法實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)算法采用嵌入式C語(yǔ)言編寫實(shí)現(xiàn)，根據(jù)上述流程圖介紹，算法分為兩部分：采煤機(jī)位置識(shí)別流程主要在支架控制器程序中完成；采煤機(jī)運(yùn)行方向識(shí)別流程在網(wǎng)絡(luò)變換器程序中完成。

支架控制器中算法程序部分代碼如下：

if（ir＿flag＝＝1）

｛ucBuf［5］＝NATIVE＿NUM；／／此架接收到紅外線信號(hào)｝

else｛ucBuf［5］＝ucBuf［5］；／／此架沒(méi)有接收到紅外線信號(hào)

if（ucBuf［3］＞＝2）｛MemTranPostA（＆sem＿can＿buf［0］）；｝｝

sem＿can＿buf［7］＝sem＿can＿buf［5］；

sem＿can＿buf［8］＝0；

if（tmpframe［13］＝＝CAN＿PORT＿LEFT）

｛sem＿can＿buf［13］＝CAN＿PORT＿LEFT；｝

else if（tmpframe［13］＝＝CAN＿PORT＿RIGHT）

｛sem＿can＿buf［13］＝CAN＿PORT＿RIGHT；｝

MemTranPostA（＆sem＿can＿buf［0］）；

網(wǎng)絡(luò)變換器中算法程序如下：

if（rec＿flag＝＝1）

｛If（ucBuf［0］＞＝shear＿locate＿pre）

｛shear＿location＝ucBuf［0］；

ucBuf［1］＝2；／／煤機(jī)上行｝

Else｛shear＿location＝ucBuf［0］；

ucBuf［1］＝1；／／煤機(jī)下行｝

MemTranPostA（＆sem＿can＿buf［0］）；／／報(bào)送給工作面｝

else

｛if（（SEC＿TIMER－shear＿stop＿time）＞120）

｛ucBuf［1］＝0；

MemTranPostA（＆sem＿can＿buf［0］）；｝｝

3 算法測(cè)試與驗(yàn)證

3．1 測(cè)試平臺(tái)及方法

測(cè)試平臺(tái)由80套支架控制器和人機(jī)操作界面、1套網(wǎng)絡(luò)變換器和人機(jī)操作界面、80個(gè)紅外接收傳感器、1個(gè)紅外發(fā)射器及若干連接器組成。系統(tǒng)平臺(tái)搭建完成后，通過(guò)移動(dòng)紅外發(fā)射器的方式模擬井下采煤機(jī)的運(yùn)行軌跡。

算法的高效性和準(zhǔn)確性通過(guò)測(cè)試電液控制系統(tǒng)中報(bào)送的采煤機(jī)的位置和方向進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)試條件主要分為4種情況：采煤機(jī)上行、下行、停止及采煤機(jī)上下行切換。算法的容錯(cuò)性通過(guò)斷開(kāi)某一個(gè)支架控制器相連接的紅外接收傳感器的方式，模擬井下紅外傳感器的故障情況。

3．2 測(cè)試結(jié)果

圖5為模擬采煤機(jī)經(jīng)過(guò)1號(hào)支架和2號(hào)支架上行過(guò)程時(shí)，網(wǎng)絡(luò)變換器下發(fā)到工作面的煤機(jī)位置及運(yùn)行方向數(shù)據(jù)。

圖5 采煤機(jī)上行時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)截取

圖6為模擬采煤機(jī)在4號(hào)支架處反向運(yùn)行，由原來(lái)的上行切換為下行過(guò)程時(shí)，網(wǎng)絡(luò)變換器下發(fā)到工作面的煤機(jī)位置及運(yùn)行方向數(shù)據(jù)。通過(guò)分析測(cè)試數(shù)據(jù)中的“時(shí)間標(biāo)識(shí)”得出，采煤機(jī)定位算法能夠在較短的時(shí)間內(nèi)精確地報(bào)送工作面煤機(jī)位置及運(yùn)行方向信息，驗(yàn)證了算法的精確性和實(shí)時(shí)性。

此外，對(duì)采煤機(jī)停止時(shí)及某一紅外接收傳感器斷開(kāi)時(shí)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果說(shuō)明采煤機(jī)定位算法具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力。

圖6 采煤機(jī)上下行切換及下行時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)截取

4 結(jié)論

本文基于紅外檢測(cè)裝置識(shí)別采煤機(jī)位置的原理，設(shè)計(jì)的采煤機(jī)定位算法結(jié)合電液控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)位置的快速定位功能，并具備一定的容錯(cuò)能力。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，準(zhǔn)確的采煤機(jī)位置信息為煤礦井下自動(dòng)化系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠保障。

［1］ 李蒙，魏?。簤褐Ъ茈娨嚎刂破髟O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39（4）：110－113．

［2］ 伍小杰，程堯，崔建民，等．液壓支架電液控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39（4）：106－109．

［3］ 朱小林，李首濱．采煤機(jī)速度對(duì)綜采工作面跟機(jī)自動(dòng)化影響研究［J］．煤炭工程，2008（2）：79－81．

［4］ 張守祥，李首濱，張良．綜采工作面監(jiān)控信息系統(tǒng)研究［J］．煤炭工程，2001（8）：45－47．

［5］ 方新秋，何杰，張斌，等．無(wú)人工作面采煤機(jī)自主定位系統(tǒng)［J］．西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（2）：349－353．

［6］ 方新秋，張雪峰．無(wú)人工作面開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)［G］／／煤炭開(kāi)采新理論與新技術(shù)論文集．徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2006：55－59．

［7］ 樊啟高，李搖威，王禹橋，等．一種采用捷聯(lián)慣導(dǎo)的采煤機(jī)動(dòng)態(tài)定位方法［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2011（10）：1758－1761．