[发明专利]一种采煤机‑液压支架相对定位的方法及装置

权利要求书

1.一种采煤机-液压支架相对定位装置的定位方法，其特征在于，所述定位装置包括：红外传感器、轴编码定位装置、惯性导航定位装置和中央系统处理单元，惯性导航定位装置、轴编码定位装置和红外传感器分别电连接于中央系统处理单元；惯性导航定位装置安装在采煤机的重心位置，轴编码定位装置放置在采煤机行走部行星减速器的低速输出轴上，红外传感器包括安装在采煤机中心位置的红外线发射装置以及安装在各个液压支架上的复数个红外线接收装置，所述定位方法包括以下步骤：

红外线发射装置随着采煤机行走连续的发射红外信号，位于各液压支架上的红外线接收装置会接收到强度不等的红外信号，靠近采煤机中心位置的红外线接收装置信号强度最强，确定该信号最强的红外线接收装置所在的液压支架为采煤机正对的液压支架；

轴编码定位装置根据行走部齿轮的传动比计算出采煤机的行走距离，通过对行走距离进行计算求出该采煤机的位置；

通过惯性导航定位装置中的三轴陀螺仪和三轴加速度计测得对应的角速度和加速度后，发送至中央系统处理单元，求得相应的位置参数，再进行计算得到采煤机的位置；

分别通过红外线发射装置、轴编码定位装置和惯性导航定位装置确定采煤机的位置后，进行比较处理，最终确定采煤机的精确定位位置；

其中，红外传感器的定位方法具体为：

通过安装在采煤机上的红外线发射装置发射信号，安装在液压支架上的红外线接收装置接收信号，随着采煤机行走连续的发射红外信号，位于附近的红外线接收装置将会接收到强度不等的红外信号，将信号发送至中央系统处理单元，根据信号强度确定出目前采煤机所在位置[w,w+a]，信号最强的接收装置所在的液压支架即为红外传感器确定的采煤机正对的液压支架；

轴编码器定位装置的定位方法具体为：

设输出轴到行走轮的齿轮传动比为i，轴编码器旋转一周生成的脉冲数目为N，某一时刻所累计的脉冲数目为n(t_i)，行走轮的分度圆半径为R，采煤机的当前运行的距离为：

S(ti)=2πRn(ti)Ni]]>

结合液压支架的宽度以及液压支架在工作面上的分布情况进行采煤机和液压支架的相对定位，设工作面液压支架宽度为β，相邻液压支架之间的平均距离为Δβ，液压支架从采煤机行走开始端编号1～n，采煤机正对的液压支架的支架号n_c(t_i)为j，采煤机行走距离同液压支架编号之间的关系为：

S(t_i)＝Δβ·[n_c(t_i)-1]+β·n_c(t_i)

由此得出采煤机正对的支架号

nc(ti)=[S(ti)+ΔβΔβ+β];]]>

惯性导航定位装置的定位方法具体为：

通过惯性导航定位装置中的三轴陀螺仪和三轴加速度计测得对应的角速度和加速度后，发送到中央系统处理单元，通求得相应的位置参数，随后计算后得出采煤机的当前位置；

由采煤机机身上安装的三轴加速度计直接测得沿采煤机机身坐标系的比例分量设采煤机机身坐标系为固联在采煤机机身中部的一点Ox_by_bz_b，三个坐标轴的初始方位同平台坐标系重合，实现由采煤机机身至平台坐标系的坐标转换的采煤机姿态矩阵T应满足如下的坐标转换方程：

xpypzp=Txbybzb]]>

通过实时解算算法获得采煤机的姿态矩阵T，

T=T11T12T13T21T22T23T31T32T33]]>

进而计算得到平台坐标系内的测量参数

在平台坐标系下对三个方向的加速度进行两次积分计算，从而获得采煤机机身安装点在惯性下的位移情况；通过四元数法进行采煤机姿态矩阵的实时求解，设采煤机机身坐标系相对平台坐标系做定轴转动的转动四元数为：

Q(t)＝q₀(t)+q₁(t)i_b+q₂(t)j_b+q₃(t)

三轴陀螺仪测得角速度ω，Q随时间变化而变化，Q的实时求解通过解四元数微分方程

q0(t)·q1(t)·q2(t)·q3(t)·=120-ωpbxb(t)-ωpbyb(t)-ωpbzb(t)ωpbxb(t)0ωpbzb(t)-ωpbyb(t)ωpbyb(t)-ωpbzb(t)0ωpbxb(t)ωpbzb(t)ωpbyb(t)-ωpbxb(t)0q0(t)q1(t)q2(t)q3(t)]]>

得到，然后通过最佳正交化纠偏得到：

Q~(t)=q0(t)+q1(t)ib+q2(t)jb+q3(t)kbq0(t)2+q1(t)2+q2(t)2+q3(t)2=q0~(t)+q1~(t)ib+q2~(t)jb+q3~(t)kb]]>

由此，计算得到采煤机姿态矩阵T的实时值为：

q0~2(t)+q1~2(t)-q2~2(t)-q3~2(t)2q1~(t)q2~(t)-2q0~(t)q3~(t)2q1~(t)q3~(t)+2q0~(t)q2~(t)2q1~(t)q2~(t)+2q0~(t)q3~(t)q0~2(t)-q1~2(t)+q2~2(t)-q3~2(t)2q3~(t)q2~(t)-2q0~(t)q1~(t)2q1~(t)q3~(t)-2q0~(t)q2~(t)2q3~(t)q2~(t)+2q0~(t)q1~(t)q0~2(t)-q1~2(t)-q2~2(t)+q3~2(t)]]>

采煤机机身坐标系下加速度的坐标转换：

fxp(t)fyp(t)fzp(t)=T(t)fxb(t)fyb(t)fzb(t)]]>

在平台坐标系下对三个方向的加速度再加上重力加速度：

Vxp(t)·Vyp(t)·Vzp(t)·=fxp(t)fyp(t)fzp(t)+00g]]>

一次积分求出对应的速度

Vxp(t)=Vxp(0)+∫0tVxp(t)·dt]]> 2

Vyp(t)=Vyp(0)+∫0tVyp(t)·dt]]>

Vzp(t)=Vzp(0)+∫0tVzp(t)·dt]]>

二次积分求出对应的位移

Sxp(t)=Sxp(0)+∫0tVxp(t)dt]]>

Syp(t)=Syp(0)+∫0tVyp(t)dt]]>

Szp(t)=Szp(0)+∫0tVzp(t)dt]]>

其中各速度位移的初始值均为0；

计算当前采煤机的位置k，结合液压支架的宽度以及液压支架在工作面上的分布情况进行采煤机和液压支架的相对定位，设工作面液压支架宽度为β，相邻液压支架之间的平均距离为Δβ，液压支架从采煤机行走开始端编号1～n，采煤机正对的液压支架的支架号n_c(t_i)为k，采煤机行走距离同支架号之间的关系为：

S(t_i)＝Δβ·[n_c(t_i)-1]+β·n_c(t_i)

由此得出采煤机正对的液压支架号

nc(ti)=[S(ti)+ΔβΔβ+β]]]>

对三种定位方式进行比较：计算j、k是否都在[w，w+a]内，若只有j在范围内，那么此时采煤机的位置就是在j处，若只有k在范围内，那么此时采煤机的位置就是在k处，若j、k都在范围内，且j＝k，此时位置为j或者k,若j≠k则采煤机位置取[w,w+a]中间架号w+a/2；若j、k都不在范围内，那么采煤机位置取[w,w+a]中间架号w+a/2。