СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АБСОЛЮТНОГО ПОЛОЖЕНИЯ УГЛЕДОБЫВАЮЩЕЙ МАШИНЫ
METHOD FOR DETERMINING ABSOLUTE POSITION OF COAL MINING MACHINE

ОБЛАСТЬ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Настоящее изобретение относится к области определения абсолютного положения выемочного комбайна, в частности, к способу определения абсолютного положения шнекового комбайна, а в общем смысле - к области автоматизации горнодобывающего оборудования.
СУЩЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] В Китае огромные масштабы добычи и потребления угля. Основным инструментом добычи угля является выемочный комбайн. Работы в забое обычно ведутся вручную и характеризуются высокой трудоемкостью, низкой эффективностью, крайне неблагоприятными и опасными условиями труда. Следовательно, актуальность представляет автоматизация горнодобывающего оборудования. Первостепенная задача в рамках автоматизации работы забоя - решение проблемы определения положения горнодобывающего оборудования. Однако сложные условия на многих шахтах исключают применение большинства распространенных способов позиционирования с соблюдением требования по точности, при этом позиционирование на некоторых участках, например, непосредственно под шахтой и вовсе не представляется возможным. В настоящее время наиболее часто применяются способ подсчета передач, инфракрасное излучение, инерциальная навигация и т.д. Однако многие из этих способов предполагают определение только относительного положения и не предназначены для определения абсолютного положения комбайна в системе координат шахты. Точность таких способов сравнительно низкая и они не могут применяться для автоматизации работы забоя.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническая задача
[0003] Задачей настоящего изобретения является сгладить недостатки существующего уровня техники и предложить способ определения абсолютного положения комбайна для получения шестистепенных параметров позиционирования комбайна в абсолютной системе координат шахты. Этот способ эффективен при работе в режиме реального времени и может применяться для обустройства автоматизированного забоя.
Техническое решение
[0004] Для решения поставленной задачи в настоящем изобретении применяется следующее техническое решение:
[0005] Предлагается способ определения абсолютного положения комбайна в составе трехкомпонентного горнодобывающего комплекса, состоящего из комбайна, скрепера и гидравлической крепи; способ состоит из определения счисленной точки с помощью бесплатформенного инерциального навигационного модуля, определения положения лазерной точки с помощью лазерного излучателя и интеллектуального модуля тахеометра, затем выполняется асинхронное сведение двух результатов определения с использованием алгоритма оптимальной оценки, например, фильтра Калмана, для получения точного абсолютного положения комбайна.
[0006] В частности, лазерный излучатель состоит из корпуса, шагового двигателя, механизма шагающего движения, кривошипно-коромыслового механизма, серводвигателя, излучателя и бортового контроллера I, при этом шаговой двигатель представлен в огнестойком исполнении, излучатель представляет собой безопасный, огнестойкий излучатель; шаговый двигатель, механизм шагающего движения и кривошипно-коромысловый механизм смонтированы на корпусе, кривошипно-коромысловый механизм приводится в движение шаговым двигателем, а в его верхней части установлены серводвигатель и излучатель; серводвигатель вращает излучатель, который осуществляет сканирование в диапазоне ±45°, бортовой контроллер I после обработки для придания огнестойкости крепится на корпусе и отвечает за управление шаговым двигателем и определение трехмерных координат излучателя в системе координат лазерного излучателя, а также нормализованного вектора лазерного пучка от излучателя.
[0007] В частности, устройство для приема лазерных лучей состоит из трех лазерных приемников и бортового контроллера II, при этом три лазерных приемника закреплены на корпусе комбайна не в линию; все три лазерных приемника способны принимать пучки лазерных лучей, испускаемые излучателем; бортовой контроллер II после обработки для придания огнестойкости крепится на корпусе и связан как с лазерными приемниками, так и бортовым контроллером I; исходя из данных о сигнале, полученном каждым лазерным приемником, трехмерных координатах излучателя в системе координат излучательного устройства и нормализованном векторе пучка лазерных лучей, испускаемого излучателем, выполняется расчет координат каждого лазерного приемника в системе координат излучательного устройства, что позволяет определить шестиступенные параметры позиционирования комбайна в системе координат лазерного излучателя.
[0008] В частности, тахеометр и лазерный излучатель устанавливаются в одном и том же подземном проходе; бортовой контроллер III после обработки для придания огнестойкости крепится на тахеометре и связан как с тахеометром, так и с бортовым контроллером I; призма позиционирования установлена в нужной точке на лазерном излучателе, при этом определение параметров позиционирования лазерного излучателя в абсолютной системе координат шахты осуществляется с использованием тахеометра с учетом параметров позиционирования комбайна в системе координат излучателя; по параметрам позиционирования лазерного излучателя в абсолютной системе координат шахты определяются параметры позиционирования комбайна в абсолютной системе координат шахты, и этот результат считается итоговым результатом лазерного позиционирования.
[0009] В частности, бесплатформенный инерциальный навигационный модуль крепится на комбайне после обработки для придания огнестойкости, при этом бортовой контроллер II связан с бесплатформенным инерциальным навигационным модулем, по навигационным данным бесплатформенного инерциального навигационного модуля бортовой контроллер II вычисляет параметры позиционирования комбайна в абсолютной системе координат шахты, и этот результат считается итоговым результатом инерциального позиционирования.
[0010] В частности, бортовой контроллер I, бортовой контроллер II и бортовой контроллер III связаны друг с другом с помощью ультраширокополосной беспроводной связи, а для бортового контроллера I и бортового контроллера II выполняется часовая синхронизация.
[0011] В частности, в способе в качестве осевого направления используется направление движения комбайна по скреперу, а в качестве радиального направления - направление движения скольжения гидравлической крепи, при этом сам способ включает в себя следующие этапы:
[0012] (a) после запуска системы в исходном состоянии лазерный излучатель перемещают так, чтобы он располагался на одной линии с выработкой, а затем крепят так, чтобы пучок лучей от излучателя сканировал комбайн; бесплатформенный инерциальный навигационный модуль на комбайне запускают в режиме реального времени и определяют с помощью бортового контроллера II параметры позиционирования комбайна в абсолютной системе координат шахты;
[0013] (b) после прекращения работы лазерного излучателя бортовой контроллер I посылает сигнал на бортовой контроллер III, затем бортовой контроллер III приводит в действие тахеометр, после чего параметры позиционирования лазерного излучателя в абсолютной системе координат шахты, полученные с помощью тахеометра, отправляются на бортовой контроллер I;
[0014] (c) бортовой контроллер I запускает шаговый двигатель и серводвигатель так, чтобы излучатель испускал пучки лазерных лучей под разным углом как минимум в трех разных положениях, при этом в режиме реального времени ведется вычисление нормализованного вектора пучка лучей в системе координат излучателя, а также координат лазерного излучателя в системе координат излучателя; при каждом получении сигнала три лазерных приемника с помощью бортового контроллера II отправляют соответствующий идентификационный номер приемника и время приема на бортовой контроллер I; с помощью бортового контроллера I по параметрам позиционирования лазерного излучателя в абсолютной системе координат шахты определяются параметры позиционирования комбайна в абсолютной системе координат шахты, и этот результат считается итоговым результатом лазерного позиционирования;
[0015] (d) бортовой контроллер II обрабатывает данные и сводит результаты инерциального позиционирования и лазерного позиционирования для получения точного абсолютного положения комбайна; данные об абсолютном положении отправляются на интерфейс «человек-машина» для удаленного контроля, а также на контроллер горнодобывающего оборудования для автоматического управления комбайном;
[0016] (e) повтор этапов (c)-(d) вплоть до завершения комбайном цикла осевой выемки;
[0017] (f) комбайн радиально подает материал на скрепер, бортовой контроллер II посылает сигнал на бортовой контроллер I, чтобы лазерный излучатель продвинулся вперед на среднее расстояние скольжения, затем лазерный излучатель закрепляется на месте;
[0018] (g) повтор этапов (b)-(f) для определения параметров позиционирования в режиме реального времени в процессе работы комбайна.
Полезный эффект
[0019] По сравнению с существующим уровнем техники, способ определения абсолютного положения комбайна согласно настоящему изобретению позволяет получить абсолютный шестистепенный параметр позиционирования комбайна при помощи сочетания технологий инерциальной навигации и лазерного сканирования. Преимущества бесплатформенной инерциальной навигации заключаются в простоте расчетов, способности применения в режиме реального времени и привязке к внешнему ориентиру. Однако у бесплатформенной инерциальной навигации имеется накопление погрешности. При этом способ лазерного позиционирования требует привязки к внешнему ориентиру и малоэффективен в режиме реального времени, но не обладает накоплением погрешности. При сочетании внутреннего и внешнего позиционирования используются преимущества обеих технологий, а сам способ подходит для применения в сложных условиях забоя. Все модули системы представлены в надежном исполнении и связаны между собой посредством ультраширокополосной беспроводной связи. Преимущества настоящего изобретения заключаются в высокой точности определения, применимости для работы в режиме реального времени, надежности и экономичности.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0020] Фигура 1 - схематическое представление фронта очистного забоя при использовании способа определения абсолютного положения комбайна согласно настоящему изобретению;
[0021] Фигура 2 - схематическое представление лазерного излучателя согласно настоящему изобретению;
[0022] Фигура 3 - блок-схема системы согласно настоящему изобретению.
[0023] На чертежах: 1, комбайн, 2, скрепер, 3, гидравлическая крепь, 4, лазерный излучатель, 4-1, механизм шагового движения, 4-2, кривошипно-коромысловый механизм, 4-3, серводвигатель, 4-4, лазерный излучатель, 4-5, шаговый двигатель, 5, тахеометр, 6, угольная шахта.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0024] Далее приводится предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения.
[0025] Способ определения абсолютного положения комбайна показан на Фигуре 1 и Фигуре 2. Способ заключается в определении положения комбайна 1 в забое в составе трехкомпонентного горнодобывающего комплекса, состоящего из комбайна 1, скрепера 2 и гидравлической крепи 3. Способ состоит из определения счисленной точки с помощью бесплатформенного инерциального навигационного модуля, определения положения лазерной точки с помощью лазерного излучателя 4 и интеллектуального модуля тахеометра 5, затем выполняется асинхронное сведение двух результатов определения с использованием алгоритма оптимальной оценки, для получения точного абсолютного положения комбайна 1.
[0026] Лазерный излучатель 4 состоит из корпуса, шагового двигателя 4-5, механизма шагающего движения 4-1, кривошипно-коромыслового механизма 4-2, серводвигателя 4-3, излучателя 4-4 и бортового контроллера I, при этом шаговой двигатель представлен в огнестойком исполнении, излучатель 4-4 представляет собой безопасный, огнестойкий излучатель; шаговый двигатель 4-5, механизм шагающего движения 4-1 и кривошипно-коромысловый механизм 4-2 смонтированы на корпусе, кривошипно-коромысловый механизм 4-2 приводится в движение шаговым двигателем 4-5, а в его верхней части установлены серводвигатель 4-3 и излучатель 4-4; серводвигатель 4-3 вращает излучатель 4-4, который осуществляет сканирование в диапазоне ±45°, бортовой контроллер I после обработки для придания огнестойкости крепится на корпусе и отвечает за управление шаговым двигателем 4-5 и серводвигателем 4-3 и определение трехмерных координат излучателя 4-4 в системе координат лазерного излучателя, а также нормализованного вектора лазерного пучка от излучателя 4-4.
[0027] Устройство для приема лазерных лучей состоит из трех лазерных приемников и бортового контроллера II, при этом три лазерных приемника закреплены на корпусе комбайна 1 не в линию; все три лазерных приемника способны принимать пучки лазерных лучей, испускаемые излучателем 4-4; бортовой контроллер II после обработки для придания огнестойкости крепится на корпусе комбайна 1 и связан как с лазерными приемниками, так и бортовым контроллером I; исходя из данных о сигнале, полученном каждым лазерным приемником, трехмерных координатах излучателя 4-4 в системе координат излучательного устройства и нормализованном векторе пучка лазерных лучей, испускаемого излучателем 4-4, выполняется расчет координат каждого лазерного приемника в системе координат излучательного устройства, что позволяет определить шестиступенные параметры позиционирования комбайна 1 в системе координат лазерного излучателя.
[0028] Тахеометр 5 и лазерный излучатель 4 устанавливаются в одном и том же подземном проходе; бортовой контроллер III после обработки для придания огнестойкости крепится на тахеометре 5 и связан как с тахеометром 5, так и с бортовым контроллером I; призма позиционирования установлена в нужной точке на лазерном излучателе 4, при этом определение параметров позиционирования лазерного излучателя 4 в абсолютной системе координат шахты осуществляется с использованием тахеометра с учетом параметров позиционирования комбайна 1 в системе координат излучателя; по параметрам позиционирования лазерного излучателя 4 в абсолютной системе координат шахты определяются параметры позиционирования комбайна 1 в абсолютной системе координат шахты, и этот результат считается итоговым результатом лазерного позиционирования.
[0029] В частности, бесплатформенный инерциальный навигационный модуль крепится на комбайне 1 после обработки для придания огнестойкости, при этом бортовой контроллер II связан с бесплатформенным инерциальным навигационным модулем, по навигационным данным бесплатформенного инерциального навигационного модуля бортовой контроллер II вычисляет параметры позиционирования комбайна 1 в абсолютной системе координат шахты, и этот результат считается итоговым результатом инерциального позиционирования.
[0030] Бортовой контроллер I, бортовой контроллер II и бортовой контроллер III связаны друг с другом с помощью ультраширокополосной беспроводной связи, а для бортового контроллера I и бортового контроллера II выполняется часовая синхронизация.
[0031] В способе в качестве осевого направления используется направление движения комбайна 1 по скреперу 2, а в качестве радиального направления - направление движения скольжения гидравлической крепи 3, при этом сам способ включает в себя следующие этапы:
[0032] (a) после запуска системы в исходном состоянии лазерный излучатель 4 перемещают так, чтобы он располагался на одной линии с выработкой, а затем крепят так, чтобы пучок лучей от излучателя 4-4 сканировал комбайн 1; бесплатформенный инерциальный навигационный модуль на комбайне 1 запускают в режиме реального времени и определяют с помощью бортового контроллера II параметры позиционирования комбайна 1 в абсолютной системе координат шахты;
[0033] (b) после прекращения работы лазерного излучателя 4 бортовой контроллер I посылает сигнал на бортовой контроллер III, затем бортовой контроллер III приводит в действие тахеометр 5, после чего параметры позиционирования лазерного излучателя в абсолютной системе координат шахты, полученные с помощью тахеометра 5, отправляются на бортовой контроллер I;
[0034] (c) бортовой контроллер I запускает шаговый двигатель 4-5 и серводвигатель 4-3 так, чтобы излучатель 4-4 испускал пучки лазерных лучей под разным углом как минимум в трех разных положениях, при этом в режиме реального времени ведется вычисление нормализованного вектора пучка лучей в системе координат излучателя, а также координат лазерного излучателя 4-4 в системе координат излучателя; при каждом получении сигнала три лазерных приемника с помощью бортового контроллера II отправляют соответствующий идентификационный номер приемника и время приема на бортовой контроллер I; с помощью бортового контроллера I по параметрам позиционирования лазерного излучателя 4-4 в абсолютной системе координат шахты определяются параметры позиционирования комбайна 1 в абсолютной системе координат шахты, и этот результат считается итоговым результатом лазерного позиционирования;
[0035] (d) бортовой контроллер II обрабатывает данные и сводит результаты инерциального позиционирования и лазерного позиционирования для получения точного абсолютного положения комбайна 1; данные об абсолютном положении отправляются на интерфейс «человек-машина» для удаленного контроля, а также на контроллер горнодобывающего оборудования для автоматического управления комбайном 1;
[0036] (e) повтор этапов (c)-(d) вплоть до завершения комбайном 1 цикла осевой выемки;
[0037] (f) комбайн 1 радиально подает материал на скрепер 2, бортовой контроллер II посылает сигнал на бортовой контроллер I, чтобы лазерный излучатель 4 продвинулся вперед на среднее расстояние скольжения, затем лазерный излучатель 4 закрепляется на месте;
[0038] (g) повтор этапов (b)-(f) для определения параметров позиционирования в режиме реального времени в процессе работы комбайна 1.
[0039] Выше приводится предпочтительный вариант осуществления изобретения. В варианты осуществления настоящего изобретения специалисты могут вносить различные изменения и улучшения, а любые представленные здесь описания не могут считаться ограничивающими смысл настоящего изобретения.