基于高精度慣導(dǎo)的智能綜放工作面采煤機(jī)軌跡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

研發(fā)起止時(shí)間：2018年12月～2020年12月

完成單位：晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司

獲獎(jiǎng)及評(píng)價(jià)：國(guó)際先進(jìn)

1 立項(xiàng)背景

綜采工作面為整個(gè)煤礦開(kāi)采最為重要的場(chǎng)所，采煤機(jī)是綜采工作面的核心裝備之一，它移動(dòng)范圍廣、工作時(shí)間長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)過(guò)程復(fù)雜，工作面其它裝備均是以其為核心進(jìn)行工作。采煤機(jī)的智能化是實(shí)現(xiàn)綜采工作面“無(wú)人化”或“少人化”采煤的關(guān)鍵因素，而準(zhǔn)確定位是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)智能化的基礎(chǔ)。目前井下采煤機(jī)定位方法均具有較大的定位誤差且無(wú)法連續(xù)定位，不能滿(mǎn)足采煤機(jī)定位實(shí)時(shí)性、自主性和準(zhǔn)確性的要求。主要問(wèn)題一方面是在煤礦復(fù)雜環(huán)境下無(wú)法進(jìn)行采煤機(jī)位置動(dòng)態(tài)精確定位；另一方面是對(duì)采煤機(jī)姿態(tài)定位還沒(méi)有有效的方法。

本項(xiàng)目引入固態(tài)激光雷達(dá)、高精度慣性導(dǎo)航、編碼器的組合慣導(dǎo)系統(tǒng)（見(jiàn)圖1），并利用LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來(lái)對(duì)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航方程進(jìn)行建模，并結(jié)合現(xiàn)代電子技術(shù)，設(shè)計(jì)出實(shí)時(shí)、高效的數(shù)據(jù)采集硬件電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)位置和姿態(tài)信息的實(shí)時(shí)采集和分析處理，進(jìn)一步對(duì)采煤機(jī)位姿進(jìn)行跟蹤測(cè)量，有效提高了采煤機(jī)的定位精度，對(duì)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的智能化，推動(dòng)綜采工作面“少人化”或“無(wú)人化”開(kāi)采具有十分重要的意義。

圖1 整體技術(shù)方案

2 研究?jī)?nèi)容

（1）基于LSTM 算法的組合慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)

綜采工作面的“三直兩平”是綜采工作面的核心部分，即煤壁、刮板輸送機(jī)和支架成直線狀，刮板輸送機(jī)和支架平穩(wěn)牢靠。由于采煤機(jī)受力情況復(fù)雜，采煤機(jī)實(shí)際軌跡與中心計(jì)算機(jī)設(shè)定的理想軌跡存在一定偏差。本項(xiàng)目針對(duì)組合慣導(dǎo)體系應(yīng)用的主要算法為L(zhǎng)STM 算法，又被稱(chēng)為長(zhǎng)短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以有效的解決組合慣性導(dǎo)航的采煤機(jī)定位問(wèn)題，采用LSTM算法后，可精確預(yù)測(cè)出慣導(dǎo)所經(jīng)過(guò)的空間位置，大大提升了采煤機(jī)定位精度。

（2）基于FPGA+ARM架構(gòu)的嵌入式開(kāi)發(fā)板電路設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

由于井下采煤機(jī)工作環(huán)境的惡劣，震動(dòng)較為嚴(yán)重，市面上的系統(tǒng)很難滿(mǎn)足在采煤機(jī)機(jī)身上工作的需求，因此本項(xiàng)目根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，采用了FPGA+ARM架構(gòu)的嵌入式開(kāi)發(fā)板電路設(shè)計(jì)，可以有效解決數(shù)據(jù)量轉(zhuǎn)發(fā)較大，頻率較快的特性，并可滿(mǎn)足神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)運(yùn)算的需求。

（3）采煤機(jī)電控箱粒子阻尼減振器設(shè)計(jì)研究

在惡劣的礦井路況下，采煤機(jī)電控設(shè)備上的精密儀器在采煤機(jī)工作時(shí)受到振動(dòng)沖擊，導(dǎo)致電控設(shè)備的精密儀器受損，極易造成開(kāi)發(fā)板異常死機(jī)。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了采煤機(jī)專(zhuān)用的電控機(jī)粒子阻尼減震器，降低電控設(shè)備的精密儀器受到的振動(dòng)沖擊的影響，可以有效防止開(kāi)發(fā)板異常死機(jī)問(wèn)題，并可以進(jìn)行開(kāi)發(fā)板斷電后自動(dòng)重啟。

（4）建立無(wú)線數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)

建立無(wú)線數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)，對(duì)工作面設(shè)備各類(lèi)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸、共享。目前煤礦工作面環(huán)境惡劣，而組合慣導(dǎo)體數(shù)據(jù)量較大，實(shí)時(shí)性要求較高，通過(guò)礦用WiFi 丟包較嚴(yán)重，本項(xiàng)目針對(duì)此問(wèn)題，研發(fā)了無(wú)線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用無(wú)線433 MHz 頻段DTU，433 M DTU 近乎完美的適用于井下嚴(yán)酷的地理環(huán)境，在井下200 m 左右的距離進(jìn)行無(wú)線傳輸丟包較少，滿(mǎn)足系統(tǒng)功能要求。

（5）基于固態(tài)激光雷達(dá)的定位系統(tǒng)修正方法研究

綜采工作面生產(chǎn)任務(wù)重，采煤機(jī)需要時(shí)刻進(jìn)行開(kāi)采，綜采面環(huán)境復(fù)雜惡劣，影響因素較多。當(dāng)綜采工作面的采煤機(jī)發(fā)生上竄、下滑現(xiàn)象時(shí)，會(huì)造成采煤機(jī)超出切巷范圍，進(jìn)入到主巷或者副巷，從而破壞了工作面刮板運(yùn)輸機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)雙機(jī)合理的搭接運(yùn)輸關(guān)系，影響綜采工作面的開(kāi)采運(yùn)輸作業(yè)。本項(xiàng)目針對(duì)此問(wèn)題，研發(fā)基于固態(tài)激光雷達(dá)的定位系統(tǒng)修正方法研究，建立空間位置模型，隨時(shí)監(jiān)控上竄下滑，利用水平距離信息，修正組合慣導(dǎo)漂移量。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）融合了采煤機(jī)側(cè)高精度光纖慣導(dǎo)、里程計(jì)，刮板機(jī)側(cè)激光雷達(dá)、接近開(kāi)關(guān)，液壓支架側(cè)紅外對(duì)射等傳感器信息，基于LSTM、SLAM 算法開(kāi)發(fā)了深度學(xué)習(xí)多傳感器融合軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行軌跡與位姿解算。

（2）采集采煤機(jī)電量檢測(cè)傳感器、軸編碼器等信息，研發(fā)了基于LSTM 算法的深度學(xué)習(xí)多傳感器融合軟件,進(jìn)行采煤機(jī)滾筒截割高度控制，實(shí)現(xiàn)了綜放工作面的傾角控制與綜放工作面頂?shù)装迩€監(jiān)測(cè)。

（3）采用LoRa+WiFi 協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸。采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)，將解算數(shù)據(jù)用LoRa 傳輸；采煤機(jī)停采時(shí)，將原始數(shù)據(jù)用WiFi傳輸。

（4）研制了適應(yīng)采煤機(jī)惡劣工況條件的粒子減震設(shè)備和電池管理系統(tǒng)，保證FPGA+VPU+ARM 的多核嵌入式電路等設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

平直度測(cè)量偏差＜100 mm，全工作面直線度測(cè)量偏差≤500 mm；基于高精度行程傳感器和雙速邏輯閥實(shí)現(xiàn)拉架、推溜行程精確控制，誤差＜20 mm。

5 研究成果及應(yīng)用效果

本項(xiàng)目獲授權(quán)計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)3 項(xiàng)，實(shí)用新型專(zhuān)利權(quán)1項(xiàng)。經(jīng)中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)組織專(zhuān)家對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行科技成果鑒定，成果達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的基于高精度慣導(dǎo)的智能綜放工作面采煤機(jī)軌跡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在塔山礦進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)（見(jiàn)圖2），有效提高了煤礦綜采工作面采煤機(jī)的定位精度，大幅提升了工作面平直度控制，保障采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行，同時(shí)也為煤礦智能化、無(wú)人化開(kāi)采的提供了重要關(guān)鍵技術(shù)。

圖2 塔山礦工業(yè)性試驗(yàn)