CN111896916A - 一种采煤机与液压支架相对位置测量系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采煤机与液压支架相对位置测量系统及方法，包括同处于综采工作面环网中的主动式声发射装置、机载控制器、安装在液压支架上的声音传感器阵列、计算处理装置。其中声发射装置主动发出固定波形与频段的声音信号；机载控制器隔一段时间给声发射装置一个指令，控制其发出指定声音。声音传感器阵列包括3个空间分布的声音传感器；每个液压支架上安装有一套声音传感器阵列和计算处理装置。通过盲源分离算法分离出声发射装置发出的信号，根据每个传感器接收到的信号的时间差计算出声发射装置的位置，从而获取采煤机空间位置与液压支架相对位置。本发明定位精度高，结构简单，功耗低，成本低，易于安装布置与维护。
Description
技术领域
本发明属于煤矿综采工作面采煤机定位测量技术领域，涉及一种采煤机与液压支架相对位置测量系统及其方法。
背景技术
随着我国煤炭开采技术的发展，现代化矿井的自动化和智能化程度有了很大的提升，推动了煤炭“无人化”或“少人化”开采的进程。作为综合机械化采煤工作面的重要设备，采煤机主要完成采煤和落煤，液压支架为综采工作面中的设备和人员安全的作业空间，采煤机和液压支架的高效协同工作是综采工作面智能化的重要保障。为了实现采煤过程的自动化，液压支架需要根据采煤机的位置完成相应的动作，即跟机自动控制模式。其中位于采煤机前进方向前部一定距离的液压支架应收起护帮板，使得采煤机顺利完成割煤。若液压支架提前动作，会影响综采工作面的支护效果；反之可能导致采煤机滚筒截割到护帮板，引发安全事故和设备损坏。位于采煤机前进方向后部的液压支架，应在采煤机完成割煤后迅速完成“降-移-升”动作，使得工作面顶板得到及时支护。后部的液压支架若提前动作，可能导致采煤机后滚筒截割到其它设备，引发安全事故和设备损坏；反之，则会影响综采工作面的支护效果。
上述采煤机与液压支架自动化工作流程过程中，如何实现采煤机与液压支架之间相对空间位置的精确测量或感知，是保证上述动作顺利完成的关键。
中国专利201410815250.0提出了一种利用液压支架推溜曲线实现采煤机相对定位的方法，通过在液压支架中安装推溜位移曲线传感器，获取离散序列构建推溜曲线。然而液压支架推移液压缸与刮板输送机采用铰接方式连接，推溜与移架过程中推移液压缸与刮板输送机接触点存在一定的相对移动，以推溜位移传感器为依据的位置判断存在不可避免的误差，且误差难以消除。
中国专利申请201910695933.X、中国专利201710040418.9，均是利用图像方式实现采煤机与液压支架相对定位，然而综采工作面光照条件差、能见度低、粉尘及水雾等因素对图像采集影响较大，导致相关技术在实际使用过程中难度较大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提出一种采煤机与液压支架相对位置测量系统其方法，通过安装在采煤机机身上的主动式声发射装置所发出的指定声音信号，到达安装在液压支架上的信号接收装置的时间差的不同，实现采煤机与液压支架空间相对位置的精确计算；其定位过程中不存在累计误差的问题，功耗低，定位精度高，适用于各种地质条件，易于推广使用。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案。
本发明的一种采煤机与液压支架相对位置测量系统，包括采煤机、采煤机机载控制器、主动式声发射装置、液压支架、声音传感器阵列(9)、计算处理装置(10)；
所述的主动式声发射装置安装在采煤机机身上或安装在采煤机内部隔爆腔体内；
所述的声发射装置与采煤机机载控制器相连，并接入到综采工作面环网中；机载控制器每隔一段时间给声发射装置一个指令，控制其发出指定波形的声音信号；
所述的液压支架包括液压支架底梁(1)、液压支架顶梁(2)、液压支架立柱(3)、液压支架铰接梁(4)、液压支架前梁(6)、液压支架后梁(7)、液压支架铰接点(8)；
沿所述的采煤机前进方向上布置有若干台所述的液压支架，依次编号为支架1，支架2，支架3，…支架N，支架N+1，支架N+2，支架N+3，支架N+4…；
在每个所述的液压支架顶梁(2)的中间正下方处，均设置有所述的声音传感器阵列(9)和计算处理装置(10)，相邻固定安装到液压支架顶梁(2)上并通过信号线连接以实现相互间信号传输；
所述声音传感器阵列(9)包括3个呈空间分布的声音传感器，用于接收声发射装置所发出的声音信号、其他设备运行声音信号和噪声信号；所述的3个呈空间分布的声音传感器不在同一个平面内，设置于计算处理装置(10)周边；
所述的计算处理装置(10)用于实现采煤机与液压支架相对位置精确定位算法，包括用于数据在线分析计算的核心处理器，用于数据归档与参数储存的数据存储器，用于同步3个声音传感器时钟的同步时钟电路，用于和综采工作面环网通讯的通讯模块，用于采集并转换3路声音传感器信号的信号采集模块，电源电路；
所述的计算处理装置(10)工作状态与采煤机位置保持同步，只有在感知到采煤机位置接近对应液压支架位置时，计算处理装置(10)才开始工作
本发明的一种采煤机与液压支架相对位置测量方法，采用一种采煤机与液压支架相对位置测量系统，包括采煤机、采煤机机载控制器、主动式声发射装置、液压支架、声音传感器阵列(9)、计算处理装置(10)；
沿所述的采煤机前进方向上布置有若干台所述的液压支架，依次编号为支架1，支架2，支架3，…支架N，支架N+1，支架N+2，支架N+3，支架N+4,…；
在每个所述的液压支架顶梁(2)的中间正下方处，均设置有所述的声音传感器阵列(9)和计算处理装置(10)，相邻固定安装到液压支架顶梁(2)上并通过信号线连接和实现相互间信号传输；
所述的计算处理装置工作状态与采煤机位置保持同步，只有在感知到采煤机机位置接近对应支架位置时，计算处理装置才开始工作；所述的计算处理装置是否工作以及工作顺序，按照以下规则确定：
1)当采煤机位于综采工作面起始工作位置即端头时，此时位置校正清零并定义为零点初始位置；此时，每台液压支架上安装的计算处理装置处于静默待机状态；
2)当采煤机机载控制器向采煤机发出前进指令后，采煤机机身长度即采煤机前进方向上对应的所有支架上的计算处理装置均开始工作，并计算采煤机的实时位置；设采煤机机身长度为L，每台支架的宽度为l，则采煤机长度方向对应的支架数量为N＝Roundup(L/l)，其中Roundup为向上取整函数；采煤机启动的瞬间，其前进相反方向无支架，机身沿长度方向上对应的N台支架对应的计算处理装置全部激活工作，同时位于第N台支架右侧的4台支架也激活工作；
3)所有激活工作的计算处理装置均计算采煤机的实时位置，分别记为(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3),…(xn,yn,zn),(xn+1,yn+1,zn+1)(xn+2,yn+2,zn+2),(xn+3,yn+3,zn+3),(xn+4,yn+4,zn+4)；
4)采煤机实时位置记为x＝(x1+x2+x3+…+xn+4)/(n+4),y＝(y1+y2+y3+…+yn+4)/(n+4),z＝(z1+z2+z3+…+zn+4)/(n+4)；
5)随着采煤机不断前进，当计算出来的位置表示采煤机越过左侧第一台液压支架后，则激活的计算处理装置为采煤机机身长度对应的支架上的计算处理装置及其前方的4台支架，即标号为2,3,4,5，…N+1,N+2,N+3,N+4,N+5；
6)以此类推，按顺序激活对应的计算处理装置，直至采煤机运动到工作面另一端头；当采煤机反方向运动时，其方法相同；
7)采煤机位置由所有被激活的计算处理装置计算出的三维坐标取平均值确定。
所述的一种采煤机与液压支架相对位置测量方法，包括以下步骤：
步骤1.定义空间坐标系：坐标原点为计算处理装置的几何中心点，Z轴正方向为铅直向上的方向，X轴正方向为面向煤壁向右并与Z轴呈90°夹角的方向，Y轴正方向为垂直于XOZ平面并指向煤壁的方向；
步骤2.根据计算处理装置的几何尺寸和声音传感器的空间布置，便可获知3个声音传感器的空间位置，分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)；用声音传感器和声发射装置的几何中心点分别代表两个设备的空间位置，声发射装置的位置定义为(xL,yL,zL)，为未知的待求解量；
步骤3.声发射装置间隔一定时间T发出上述合成声音，控制指令由采煤机机载控制器发出，声发射装置发出的声音信号应尽量避开综采工作面采煤机及其他设备所发出声音的频率区间；
步骤4.根据权利要求2中定义的激活方式激活的计算处理装置，开始工作后一直接受3个声音传感器采集到的综采工作面声音信号，并进行分析计算；
步骤5.由于3个声音传感器为空间分布，所以声发射装置到各个声音传感器的距离各不相同；根据3个通道分离结果，每个通道分离出的信号起始时间点距离0时刻点的时间差分别记为t1，t2，t3，声音信号的传播速度为常量c；声发射装置的空间坐标计算公式如下：
其中，
步骤6.上述3个相互独立的方程可求解出声发射装置的空间位置(xL,yL,zL)，且计算结果唯一；最后根据声发射装置安装位置、几何尺寸以及采煤机的几何尺寸，便可得知采煤机的空间位置(xc,yc,zc)；
步骤7.所有激活的安装在液压支架上的计算处理装置均按照步骤1至步骤6计算出采煤机的实时三维空间位置，最终采煤机的实时位置，通过计算三个坐标上的平均值确定。
进一步的，在步骤3中采煤机机载控制器发出控制指令后，同时通过综采工作面环网向各个计算处理装置发出一个信号，使计算处理装置开始工作，而其他时间处于低功耗待机运行状态；计算处理装置初始化3通道的声音传感器信号采集电路时钟，定义为0时刻。另外，避开综采工作面采煤机及其他设备所发出声音的频率区间的方法为：事先采集综采工作面运行过程中的声音信号，并利用时频分析软件获取信号的时频特征，统计信号中主要能量对应的频率区间范围：f1～f2，f3～f4，f5～f6…；合成一段独立的声音信号，其频率远离上述区间，且与综采工作面其它声源信号无耦合关系。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果和优点：
(1)本发明所提出的采煤机与液压支架相对位置测量系统具有结构简单，主动式声发射装置、声音传感器阵列以及计算处理装置体积小，功耗低，成本低，易于安装布置与维护。
(2)本发明通过安装在采煤机机身上的主动式声发射装置所发出的指定声音信号，到达安装在液压支架上的信号接收装置的时间差的不同，实现采煤机与液压支架空间相对位置的精确计算。
(3)本发明的采煤机与液压支架相对位置测量方法，不受综采工作面空间及其他设备遮挡的影响，不受工作面粉尘、瓦斯等颗粒物与气体的影响。且每两次定位结果之间相互独立，定位过程中不存在累计误差的问题，功耗低，定位精度高，适用于各种地质条件，应用范围广。
(4)本发明的采煤机与液压支架相对位置测量方法，解算过程简单快速，易于提高系统实时性，降低系统硬件配置要求。
附图说明
图1是本发明的一种实施例的系统总体结构示意图。
图2是本发明的一种实施例的采煤机与液压支架相对位置的解算示意图。
图3是本发明的一种实施例的计算处理装置的结构框图。
图4是本发明的一种实施例的液压支架、计算处理装置与声音传感器阵列安装布置示意图。
图5是本发明的一种实施例的方法流程图。
图中，1-液压支架底梁、2-液压支架顶梁、3-液压支架立柱、4-液压支架铰接梁、6-液压支架前梁、7-液压支架后梁、8-液压支架铰接点、9-声音传感器阵列、10-计算处理装置。
具体实施方式
本发明的一种采煤机与液压支架相对位置测量系统，包括采煤机、采煤机机载控制器、主动式声发射装置、液压支架、声音传感器阵列(9)、计算处理装置(10)；
所述的主动式声发射装置安装在采煤机机身上或安装在采煤机内部隔爆腔体内；
所述的声发射装置与采煤机机载控制器相连，并接入到综采工作面环网中；机载控制器每隔一段时间给声发射装置一个指令，控制其发出指定波形的声音信号；
所述的液压支架包括液压支架底梁(1)、液压支架顶梁(2)、液压支架立柱(3)、液压支架铰接梁(4)、液压支架前梁(6)、液压支架后梁(7)、液压支架铰接点(8)；
沿所述的采煤机前进方向上布置有若干台所述的液压支架，依次编号为支架1，支架2，支架3，…支架N，支架N+1，支架N+2，支架N+3，支架N+4…；
在每个所述的液压支架顶梁(2)的中间正下方处，均设置有所述的声音传感器阵列(9)和计算处理装置(10)，相邻固定安装到液压支架顶梁(2)上并通过信号线连接以实现相互间信号传输；
所述声音传感器阵列(9)包括3个呈空间分布的声音传感器，用于接收声发射装置所发出的声音信号、其他设备运行声音信号和噪声信号；所述的3个呈空间分布的声音传感器不在同一个平面内，设置于计算处理装置(10)周边；
所述的计算处理装置(10)用于实现采煤机与液压支架相对位置精确定位算法，包括用于数据在线分析计算的核心处理器，用于数据归档与参数储存的数据存储器，用于同步3个声音传感器时钟的同步时钟电路，用于和综采工作面环网通讯的通讯模块，用于采集并转换3路声音传感器信号的信号采集模块，电源电路；
所述的计算处理装置(10)工作状态与采煤机位置保持同步，只有在感知到采煤机位置接近对应液压支架位置时，计算处理装置(10)才开始工作
本发明的一种采煤机与液压支架相对位置测量方法，采用一种采煤机与液压支架相对位置测量系统，包括采煤机、采煤机机载控制器、主动式声发射装置、液压支架、声音传感器阵列(9)、计算处理装置(10)；
沿所述的采煤机前进方向上布置有若干台所述的液压支架，依次编号为支架1，支架2，支架3，…支架N，支架N+1，支架N+2，支架N+3，支架N+4,…；
在每个所述的液压支架顶梁(2)的中间正下方处，均设置有所述的声音传感器阵列(9)和计算处理装置(10)，相邻固定安装到液压支架顶梁(2)上并通过信号线连接和实现相互间信号传输；
所述的计算处理装置工作状态与采煤机位置保持同步，只有在感知到采煤机机位置接近对应支架位置时，计算处理装置才开始工作；所述的计算处理装置是否工作以及工作顺序，按照以下规则确定：
1)当采煤机位于综采工作面起始工作位置即端头时，此时位置校正清零并定义为零点初始位置；此时，每台液压支架上安装的计算处理装置处于静默待机状态；
2)当采煤机机载控制器向采煤机发出前进指令后，采煤机机身长度即采煤机前进方向上对应的所有支架上的计算处理装置均开始工作，并计算采煤机的实时位置；设采煤机机身长度为L，每台支架的宽度为l，则采煤机长度方向对应的支架数量为N＝Roundup(L/l)，其中Roundup为向上取整函数；采煤机启动的瞬间，其前进相反方向无支架，机身沿长度方向上对应的N台支架对应的计算处理装置全部激活工作，同时位于第N台支架右侧的4台支架也激活工作；
3)所有激活工作的计算处理装置均计算采煤机的实时位置，分别记为(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3),…(xn,yn,zn),(xn+1,yn+1,zn+1)(xn+2,yn+2,zn+2),(xn+3,yn+3,zn+3),(xn+4,yn+4,zn+4)；
4)采煤机实时位置记为x＝(x1+x2+x3+…+xn+4)/(n+4),y＝(y1+y2+y3+…+yn+4)/(n+4),z＝(z1+z2+z3+…+zn+4)/(n+4)；
5)随着采煤机不断前进，当计算出来的位置表示采煤机越过左侧第一台液压支架后，则激活的计算处理装置为采煤机机身长度对应的支架上的计算处理装置及其前方的4台支架，即标号为2,3,4,5，…N+1,N+2,N+3,N+4,N+5；
6)以此类推，按顺序激活对应的计算处理装置，直至采煤机运动到工作面另一端头；当采煤机反方向运动时，其方法相同；
7)采煤机位置由所有被激活的计算处理装置计算出的三维坐标取平均值确定。
所述的一种采煤机与液压支架相对位置测量方法，包括以下步骤：
步骤1.定义空间坐标系：坐标原点为计算处理装置的几何中心点，Z轴正方向为铅直向上的方向，X轴正方向为面向煤壁向右并与Z轴呈90°夹角的方向，Y轴正方向为垂直于XOZ平面并指向煤壁的方向；
步骤2.根据计算处理装置的几何尺寸和声音传感器的空间布置，便可获知3个声音传感器的空间位置，分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)；用声音传感器和声发射装置的几何中心点代表该设备的空间位置，声发射装置的位置定义为(xL,yL,zL)，为未知的待求解量；
步骤3.声发射装置间隔一定时间T发出上述合成声音，控制指令由采煤机机载控制器发出，声发射装置发出的声音信号应尽量避开综采工作面采煤机及其他设备所发出声音的频率区间；
步骤4.根据权利要求2中定义的激活方式激活的计算处理装置，开始工作后一直接受3个声音传感器采集到的综采工作面声音信号，并进行分析计算；
步骤5.由于3个声音传感器为空间分布，所以声发射装置到各个声音传感器的距离各不相同；根据3个通道分离结果，每个通道分离出的信号起始时间点距离0时刻点的时间差分别记为t1，t2，t3，声音信号的传播速度为常量c；声发射装置的空间坐标计算公式如下：
其中，
步骤6.上述3个相互独立的方程可求解出声发射装置的空间位置(xL,yL,zL)，且计算结果唯一；最后根据声发射装置安装位置、几何尺寸以及采煤机的几何尺寸，便可得知采煤机的空间位置(xc,yc,zc)；
步骤7.所有激活的安装在液压支架上的计算处理装置均按照步骤1至步骤6计算出采煤机的实时三维空间位置，最终采煤机的实时位置，通过计算三个坐标上的平均值确定。
进一步的，在步骤3中采煤机机载控制器发出控制指令后，同时通过综采工作面环网向各个计算处理装置发出一个信号，使计算处理装置开始工作，而其他时间处于低功耗待机运行状态；计算处理装置初始化3通道的声音传感器信号采集电路时钟，定义为0时刻。另外，避开综采工作面采煤机及其他设备所发出声音的频率区间的方法为：事先采集综采工作面运行过程中的声音信号，并利用时频分析软件获取信号的时频特征，统计信号中主要能量对应的频率区间范围：f1～f2，f3～f4，f5～f6…；合成一段独立的声音信号，其频率远离上述区间，且与综采工作面其它声源信号无耦合关系。
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明的一种采煤机与液压支架相对位置测量系统及方法，系统包括主动式声发射装置、液压支架、声音传感器阵列、嵌入式计算处理装置。
如图4所示，是本发明的一种实施例的液压支架结构示意图和计算处理装置与声音传感器阵列安装布置图。本实施例的液压支架包括液压支架底梁1、液压支架顶梁2、液压支架立柱3、液压支架铰接梁4、液压支架前梁6、液压支架后梁7、液压支架铰接点8。
所述声音传感器阵列9和计算处理装置10安装在液压支架顶梁2的中间正下方处，通过螺栓与顶梁连接固定，声音传感器阵列9和计算处理装置10之间通过信号线连接，实现信号传输，信号线可为矿用阻燃网线或屏蔽双绞线。
所述主动式声发射装置安装在采煤机机身上或者安装在采煤机内部隔爆腔体内，若安装在采煤机机身上因具有相应的防爆外壳以及相应的防撞击装置。
所述声发射装置与采煤机机载控制器相连，并接入到综采工作面环网中。机载控制器隔一段时间给声发射装置一个指令，控制其发出指定波形的声音信号。
所述声音传感器阵列安装在综采工作面每台液压支架顶梁的下方，由3个空间分布的声音传感器，均具有工业级防尘麦克风，用于接收声发射装置所发出的声音信号，同时也会接受到工作面其他设备运行声音信号，以及噪声信号。声音传感器呈空间分布，不在同一个平面内，且安装在计算处理装置周边。
所述计算处理装置与声音传感器阵列配套使用，均安装在液压支架的顶梁下方。计算处理装置主要用于实现采煤机精确定位算法，该装置包括用于数据在线分析计算的核心处理器，用与数据归档与参数储存的数据存储器，用于同步3个声音传感器时钟的同步时钟电路，用于和综采工作面环网通讯的通讯模块，用于采集并转换3路声音传感器信号的信号采集模块，用于给本装置供电的电源电路，以及本装置的本安兼隔爆型外壳，如图3所示。
所述核心处理器是基于SoC平台或Atom平台的超微型计算器。所述通讯模块与综采工作面环网可以通过无线WiFi、无线MESH、无线Zigbee等无线，或者矿用阻燃网线、屏蔽双绞线、电力载波线等有线方式连接。
进一步，声音传感器及配套的信号采集模块的信号采样频率，应该至少是声发射装置所发出声音信号最大频率的2倍以上，以保证采样精度，避免信号混叠。
进一步，所述计算处理装置工作状态与采煤机位置保持同步，只有在感知到采煤机机位置接近对应支架位置时，计算处理装置开始工作，以降低系统功耗。
更进一步，安装在液压支架上的计算处理装置是否工作或工作顺序可按照如下规则确定(以图1中的表述为例)：
1)当采煤机位于综采工作面端头时(以位于最左侧为例)，此时位置校正清零，定义为零点初始位置。零点初始位置时，每台液压支架上安装的计算处理装置处于静默待机状态。
2)当采煤机机载控制器向采煤机发出前进指令后，采煤机机身长度方向上对应的所有的支架上的计算处理装置都开始工作，并计算采煤机的实时位置。设采煤机机身长度为L，每台支架的宽度为l，则采煤机长度方向对应的支架数量为N＝Roundup(L/l)，其中Roundup为向上取整函数。采煤机启动的瞬间，其左侧无支架，机身沿长度(前进)方向上对应的支架编号为支架1,支架2,支架3，…支架N，上述N台支架对应的计算处理装置全部激活工作。同时位于第N台支架右侧的4台支架也激活工作。
3)所有激活工作的计算处理装置均计算采煤机的实时位置，分别记为(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3),…(xn,yn,zn),(xn+1,yn+1,zn+1)(xn+2,yn+2,zn+2),(xn+3,yn+3,zn+3),(xn+4,yn+4,zn+4).
4)采煤机实时位置记为x＝(x1+x2+x3+…+xn+4)/(n+4),y＝(y1+y2+y3+…+yn+4)/(n+4),z＝(z1+z2+z3+…+zn+4)/(n+4)。
5)随着采煤机不断向右前进，当计算出来的位置表示采煤机越过左侧第一台液压支架后，则激活的计算处理装置为采煤机机身长度对应的支架上的计算处理装置，标号为1的支架上的计算处理装置，位于采煤机右侧的4台支架。
6)以此类推，采煤机越过左侧第2台液压支架后，则激活的计算处理装置为采煤机机身长度对应的支架上的计算处理装置，标号为1、2的支架上的计算处理装置，位于采煤机右侧的4台支架；采煤机越过左侧第3台液压支架后，则激活的计算处理装置为采煤机机身长度对应的支架上的计算处理装置，标号为1、2、3的支架上的计算处理装置，位于采煤机右侧的4台支架；采煤机越过左侧第4台液压支架后，则激活的计算处理装置为采煤机机身长度对应的支架上的计算处理装置，标号为1、2、3、4的支架上的计算处理装置，位于采煤机右侧的4台支架；采煤机越过左侧第5台液压支架后，则激活的计算处理装置为采煤机机身长度对应的支架上的计算处理装置，位于采煤机左侧的4台支架，标号为2、3、4、5，位于采煤机右侧的4台支架。以此类推，直至采煤机运动到工作面最右侧，当采煤机从右向左行进时，方法类似。
7)采煤机位置由所有被激活的计算处理装置计算出的三维坐标取平均值确定。
本发明所提出的采煤机与液压支架相对位置测量系统具有结构简单，声发射装置、声音传感器阵列以及计算处理装置体积小，功耗低，成本低，易于安装布置与维护等优点。
本发明所提出的采煤机与液压支架相对位置测量方法，是利用声发射装置所发出的声音信号波形达到3个空间分布的声音传感器时间的不同计算获得。具体实现步骤和过程如下：
步骤1.定义空间坐标系：坐标原点为计算处理装置的几何中心点，Z轴正方向为铅直向上的方向，X轴正方向为面向煤壁向右并与Z轴呈90°夹角的方向，Y轴正方向为垂直于XOZ平面并指向煤壁的方向。
步骤2.确定好坐标原点和空间坐标系之后，根据计算处理装置的几何尺寸和声音传感器的空间布置，便可获知3个声音传感器的空间位置，分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)。
步骤3.声发射装置间隔一定时间T发出上述合成声音，控制指令由采煤机机载控制器发出，声发射装置发出的声音信号应尽量避开综采工作面采煤机及其他设备所发出声音的频率区间。
步骤4.计算处理装置开始工作后一直接受3个声音传感器采集到的综采工作面声音信号，并进行分析计算。
步骤5.由于3个声音传感器为空间分布，所以声发射装置到各个声音传感器的距离各不相同。根据3个通道分离结果，每个通道分离出的信号起始时间点距离0时刻点的时间差分别记为t1，t2，t3，声音信号的传播速度为常量c。声发射装置的空间坐标计算公式如下：
其中，
步骤6.上述3个相互独立的方程可求解出声发射装置的空间位置(xL,yL,zL)，且计算结果唯一。最后根据声发射装置安装位置、几何尺寸以及采煤机的几何尺寸，便可的得知采煤机的空间位置(xc,yc,zc)。
进一步，步骤2中用声音传感器和声发射装置的几何中心点代表该设备的空间位置，声发射装置的位置定义为(xL,yL,zL)，为未知的待求解量，如图2所示。
进一步，步骤3中采煤机机载控制器发出控制指令后，同时通过综采工作面环网向计算处理装置发出一个信号，计算处理装置开始工作(其他时间处于低功耗待机运行状态)。计算处理装置初始化3通道的声音传感器信号采集电路时钟，定为0时刻。
进一步，步骤3中避开综采工作面采煤机及其他设备所发出声音的频率区间的方法如下：事先采集综采工作面运行过程中的声音信号，并利用时频分析软件获取信号的时频特征，统计信号中主要能量对应的频率区间范围，如f1～f2，f3～f4，f5～f6…；合成一段独立的声音信号，其频率远离上述区间，且与综采工作面去他声源信号无耦合关系。
进一步，步骤3中T的取值可根据综采工作面的长度、采煤机的牵引速度等因素大致确定，一般建议取值3-10秒左右。
进一步，步骤4中根据事先获知的综采工作面采煤机及其他设备运行过程中所发出声音信号，以及声发射装置所发出的声音信号特征，结合声源分离算法(如主成分分析法、空间聚类法、信息论算法等)，分离出声发射装置所发出的信号波形。
1)定义空间坐标系：坐标原点为计算处理装置的几何中心点，Z轴正方向为铅直向上的方向，X轴正方向为面向煤壁向右并与Z轴呈90°夹角的方向，Y轴正方向为垂直于XOZ平面并指向煤壁的方向。
2)确定好坐标原点和空间坐标系之后，根据计算处理装置的几何尺寸和声音传感器的空间布置，便可获知3个声音传感器的空间位置，分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)。本发明中用声音传感器和声发射装置的几何中心点代表该设备的空间位置，声发射装置的位置定义为(xL,yL,zL)，为未知的待求解量，如图2所示。
3)声发射装置发出的声音信号应尽量避开综采工作面采煤机及其他设备所发出声音的频率区间，具体可按照如下方式确定：事先采集综采工作面运行过程中的声音信号，并利用时频分析软件获取信号的时频特征，统计信号中主要能量对应的频率区间范围，如f1～f2，f3～f4，f5～f6…；合成一段独立的声音信号，其频率远离上述区间，且与综采工作面去他声源信号无耦合关系。
4)声发射装置间隔一定时间发出上述合成声音，控制指令由采煤机机载控制器发出。采煤机机载控制器发出控制指令后，同时通过综采工作面环网向计算处理装置发出一个信号，计算处理装置开始工作(其他时间处于低功耗待机运行状态)。计算处理装置初始化3通道的声音传感器信号采集电路时钟，定为0时刻。
5)计算处理装置开始工作后一直接受3个声音传感器采集到的综采工作面声音信号，并进行分析计算。根据事先获知的综采工作面采煤机及其他设备运行过程中所发出声音信号，以及声发射装置所发出的声音信号特征，结合声源分离算法(如主成分分析法、空间聚类法、信息论算法等)，分离出声发射装置所发出的信号波形。
6)由于3个声音传感器为空间分布，所以声发射装置到各个声音传感器的距离各不相同。根据3个通道分离结果，每个通道分离出的信号起始时间点距离0时刻点的时间差分别记为t1，t2，t3，声音信号的传播速度为常量c。声发射装置的空间坐标计算公式如下：
其中，
7)上述3个相互独立的方程可求解出声发射装置的空间位置(xL,yL,zL)，且计算结果唯一。最后根据声发射装置安装位置、几何尺寸以及采煤机的几何尺寸，便可得知采煤机的空间位置(xc,yc,zc)。
本发明通过安装在采煤机机身上的声发射装置所发出的指定声音信号，达到空间分布的3个声音传感器时间差的不同，实现采煤机与液压支架相对位置的精确测量。所述的基于声阵列的采煤机与液压支架相对位置精确测量方法，不受综采工作面空间及其他设备遮挡的影响，不受工作面粉尘、瓦斯等颗粒物与气体的影响。且每两次定位结果之间相互独立，定位过程中不存在累计误差的问题，功耗低，定位精度高，适用于各种地质条件，应用范围广。
总之，本发明的一种采煤机与液压支架相对位置测量系统及测量方法，其系统包括安装在综采工作面采煤机上的主动式声发射装置、安装在液压支架上的声音传感器阵列、与声音传感器阵列配合使用的计算处理装置等。其中声发射装置主动发出固定波形与频段的声音信号，发出的声音频率尽量避免工作面其他设备发出声音的主要区间。声发射装置与采煤机机载控制器相连，并接入到综采工作面环网中。机载控制器隔一段时间给声发射装置一个指令，控制其发出指定声音。声音传感器阵列由3个空间分布的声音传感器组成，在每个液压支架上安装一套声音传感器阵列和计算处理装置。通过盲源分离算法分离出声发射装置发出的信号，根据每个传感器接收到的信号的时间差计算出声发射装置的位置，从而获取采煤机空间位置，实现其精确定位。本系统具有定位精度高，结构简单，体积小，功耗低，成本低，易于安装布置与维护等优点。
Claims (5)
1.一种采煤机与液压支架相对位置测量系统，包括采煤机、采煤机机载控制器、主动式声发射装置、液压支架、声音传感器阵列(9)、计算处理装置(10)；
所述的主动式声发射装置安装在采煤机机身上或安装在采煤机内部隔爆腔体内；
所述的声发射装置与采煤机机载控制器相连，并接入到综采工作面环网中；机载控制器每隔一段时间给声发射装置一个指令，控制其发出指定波形的声音信号；
所述的液压支架包括液压支架底梁(1)、液压支架顶梁(2)、液压支架立柱(3)、液压支架铰接梁(4)、液压支架前梁(6)、液压支架后梁(7)、液压支架铰接点(8)；
其特征在于：
沿所述的采煤机前进方向上布置有若干台所述的液压支架，依次编号为支架1，支架2，支架3，…支架N，支架N+1，支架N+2，支架N+3，支架N+4…；
在每个所述的液压支架顶梁(2)的中间正下方处，均设置有所述的声音传感器阵列(9)和计算处理装置(10)，相邻固定安装到液压支架顶梁(2)上并通过信号线连接以实现相互间信号传输；
所述声音传感器阵列(9)包括3个呈空间分布的声音传感器，用于接收声发射装置所发出的声音信号、其他设备运行声音信号和噪声信号；所述的3个呈空间分布的声音传感器不在同一个平面内，设置于计算处理装置(10)周边；
所述的计算处理装置(10)用于实现采煤机与液压支架相对位置精确定位算法，包括用于数据在线分析计算的核心处理器，用于数据归档与参数储存的数据存储器，用于同步3个声音传感器时钟的同步时钟电路，用于和综采工作面环网通讯的通讯模块，用于采集并转换3路声音传感器信号的信号采集模块，电源电路；
所述的计算处理装置(10)工作状态与采煤机位置保持同步，只有在感知到采煤机位置接近对应液压支架位置时，计算处理装置(10)才开始工作。
2.一种采用权利要求1所述系统实现的采煤机与液压支架相对位置测量方法，所述的系统包括采煤机、采煤机机载控制器、主动式声发射装置、液压支架、声音传感器阵列(9)、计算处理装置(10)，其特征在于：
沿所述的采煤机前进方向上布置有若干台所述的液压支架，依次编号为支架1，支架2，支架3，…支架N，支架N+1，支架N+2，支架N+3，支架N+4,…；
在每个所述的液压支架顶梁(2)的中间正下方处，均设置有所述的声音传感器阵列(9)和计算处理装置(10)，相邻固定安装到液压支架顶梁(2)上并通过信号线连接和实现相互间信号传输；
所述的计算处理装置工作状态与采煤机位置保持同步，只有在感知到采煤机机位置接近对应支架位置时，计算处理装置才开始工作；所述的计算处理装置是否工作以及工作顺序，按照以下规则确定：
1)当采煤机位于综采工作面起始工作位置即端头时，此时位置校正清零并定义为零点初始位置；此时，每台液压支架上安装的计算处理装置处于静默待机状态；
2)当采煤机机载控制器向采煤机发出前进指令后，采煤机机身长度即采煤机前进方向上对应的所有支架上的计算处理装置均开始工作，并计算采煤机的实时位置；设采煤机机身长度为L，每台支架的宽度为l，则采煤机长度方向对应的支架数量为N＝Roundup(L/l)，其中Roundup为向上取整函数；采煤机启动的瞬间，其前进相反方向无支架，机身沿长度方向上对应的N台支架对应的计算处理装置全部激活工作，同时位于第N台支架右侧的4台支架也激活工作；
3)所有激活工作的计算处理装置均计算采煤机的实时位置，分别记为(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3),…(xn,yn,zn),(xn+1,yn+1,zn+1)(xn+2,yn+2,zn+2),(xn+3,yn+3,zn+3),(xn+4,yn+4,zn+4)；
4)采煤机实时位置记为x＝(x1+x2+x3+…+xn+4)/(n+4),y＝(y1+y2+y3+…+yn+4)/(n+4),z＝(z1+z2+z3+…+zn+4)/(n+4)；
5)随着采煤机不断前进，当计算出来的位置表示采煤机越过左侧第一台液压支架后，则激活的计算处理装置为采煤机机身长度对应的支架上的计算处理装置及其前方的4台支架，即标号为2,3,4,5，…N+1,N+2,N+3,N+4,N+5；
6)以此类推，按顺序激活对应的计算处理装置，直至采煤机运动到工作面另一端头；当采煤机反方向运动时，其方法相同；
7)采煤机位置由所有被激活的计算处理装置计算出的三维坐标取平均值确定。
3.根据权利要求2所述的一种采煤机与液压支架相对位置测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.定义空间坐标系：坐标原点为计算处理装置的几何中心点，Z轴正方向为铅直向上的方向，X轴正方向为面向煤壁向右并与Z轴呈90°夹角的方向，Y轴正方向为垂直于XOZ平面并指向煤壁的方向；
步骤2.根据计算处理装置的几何尺寸和声音传感器的空间布置，便可获知3个声音传感器的空间位置，分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)；用声音传感器和声发射装置的几何中心点分别代表两个设备的空间位置，声发射装置的位置定义为(xL,yL,zL)，为未知的待求解量；
步骤3.声发射装置间隔一定时间T发出上述合成声音，控制指令由采煤机机载控制器发出，声发射装置发出的声音信号应尽量避开综采工作面采煤机及其他设备所发出声音的频率区间；
步骤4.根据权利要求2中定义的激活方式激活的计算处理装置，开始工作后一直接受3个声音传感器采集到的综采工作面声音信号，并进行分析计算；
步骤5.由于3个声音传感器为空间分布，所以声发射装置到各个声音传感器的距离各不相同；根据3个通道分离结果，每个通道分离出的信号起始时间点距离0时刻点的时间差分别记为t1，t2，t3，声音信号的传播速度为常量c；声发射装置的空间坐标计算公式如下：
其中，
步骤6.上述3个相互独立的方程可求解出声发射装置的空间位置(xL,yL,zL)，且计算结果唯一；最后根据声发射装置安装位置、几何尺寸以及采煤机的几何尺寸，便可得知采煤机的空间位置(xc,yc,zc)；
步骤7.所有激活的安装在液压支架上的计算处理装置均按照步骤1至步骤6计算出采煤机的实时三维空间位置，最终采煤机的实时位置，通过计算三个坐标上的平均值确定。
4.根据权利要求2所述的一种采煤机与液压支架相对位置测量方法，其特征在于，在步骤3中采煤机机载控制器发出控制指令后，同时通过综采工作面环网向各个计算处理装置发出一个信号，使计算处理装置开始工作，而其他时间处于低功耗待机运行状态；计算处理装置初始化3通道的声音传感器信号采集电路时钟，定义为0时刻。
5.根据权利要求2所述的一种采煤机与液压支架相对位置测量方法，其特征在于，在步骤3中避开综采工作面采煤机及其他设备所发出声音的频率区间的方法为：事先采集综采工作面运行过程中的声音信号，并利用时频分析软件获取信号的时频特征，统计信号中主要能量对应的频率区间范围：f1～f2，f3～f4，f5～f6…；合成一段独立的声音信号，其频率远离上述区间，且与综采工作面其它声源信号无耦合关系。
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