一种基于高精度惯导的采煤机三维定位方法及系统

专利名称：一种基于高精度惯导的采煤机三维定位方法及系统

专利类型：实用新型专利

专利申请号：CN202011439162.7

专利申请（专利权）人：北斗天地股份有限公司
权利人地址：陕西省西安市高新区新型工业园西部大道2号企业一号公园9号

专利发明（设计）人：冯建,彭继国,张钺

专利摘要：本公开提供了一种基于高精度惯导的采煤机三维定位方法及系统，能够解决采煤机的精确自主定位问题。该方法包括：构建采煤机三维模型和采煤机动态补偿模型；接收高精度惯导设备采集的机身三维位置信息和定位模块采集的截割机构二维位置信息；将机身三维位置信息输入采煤机三维模型得到截割机构虚拟位置信息；将二维位置信息和截割机构虚拟位置信息输入采煤机动态补偿模型得到截割机构的实时状态参数和虚拟状态参数；基于实时状态参数和虚拟状态参数的差值调整采煤机三维模型，在采煤机三维模型中得到采煤机三维定位信息。该系统基于上述的方法。本公开利用截割机构的位置信息补偿高精度惯导模块的定位误差，实现采煤机在煤层环境中的实时定位。

主权利要求：
1.一种基于高精度惯导的采煤机三维定位方法，其特征在于，包括：构建采煤机三维模型和采煤机动态补偿模型；
接收高精度惯导设备实时采集的机身三维位置信息和定位模块实时采集的截割机构二维位置信息；
将所述机身三维位置信息输入所述采煤机三维模型得到截割机构虚拟位置信息；
将所述二维位置信息和所述截割机构虚拟位置信息输入所述采煤机动态补偿模型，得到截割机构的实时状态参数和虚拟状态参数；
基于实时状态参数和虚拟状态参数的差值调整所述采煤机三维模型，在所述采煤机三维模型中得到采煤机三维定位信息；
所述构建所述采煤机三维模型，包括：获取采煤机周围的三维环境数据；基于所述三维环境数据，提取采煤机周围的参照物轮廓；将所述参照物轮廓与预先采集的煤层信息和巷道信息进行匹配；根据匹配结果构建采煤机三维模型；
所述构建所述采煤机动态补偿模型，包括：基于非线性系统构建定量补偿模型；收集采煤机至少三个维度的补偿数据和非补偿数据，人工标记并机器扩展所述补偿数据，得到扩展补偿参数；基于扩展补偿参数训练定量补偿模型；利用补偿数据和非补偿数据验证定量补偿模型；
所述将所述机身三维位置信息输入所述采煤机三维模型得到截割机构虚拟位置信息，包括：将机身三维位置信息中采煤机的速度、位置姿态和行进方向输入所述采煤机三维模型；将机身三维位置信息中当前采掘深度、采煤机轨道位置、煤柱厚度、煤层厚度输入所述采煤机三维模型；基于采煤机的速度、位置姿态和行进方向以及当前采掘深度、采煤机轨道位置、煤柱厚度、煤层厚度，计算出当前截割煤块的位置参数和体积参数；根据截割煤块的位置参数和体积参数，模拟出截割机构的虚拟位置信息；
所述将所述二维位置信息和所述截割机构虚拟位置信息输入所述采煤机动态补偿模型，得到截割机构的实时状态参数和虚拟状态参数，包括：从所述截割机构虚拟位置信息中提取出对应所述二维位置信息的二维虚拟信息；将所述二维位置信息输入所述采煤机动态补偿模型，得到截割机构的实时状态参数；将所述二维虚拟信息输入所述采煤机动态补偿模型，得到截割机构的虚拟状态参数；
所述基于实时状态参数和虚拟状态参数的差值调整所述采煤机三维模型，在所述采煤机三维模型中得到采煤机三维定位信息，包括：将实时状态参数和虚拟状态参数逐一对应；
计算每个参数的偏差；根据偏差得到所述二维位置信息和所述截割机构虚拟位置信息的相对误差；根据相对误差在所述采煤机三维模型中补偿采煤机位置姿态的最大定位误差，得到补偿后的采煤机三维定位信息；根据补偿后的采煤机三维定位信息，获取采煤机的三维定位信息。
2.根据权利要求1所述的采煤机三维定位方法，其特征在于，接收高精度惯导设备实时采集的机身三维位置信息，包括：在采煤机的机身安装高精度惯导设备；
高精度惯导设备实时采集机身的机身三维位置信息；
高精度惯导设备把机身三维位置信息通过通讯模块发送给服务器；
服务器接收所述机身三维位置信息。
3.根据权利要求1所述的采煤机三维定位方法，其特征在于，接收定位模块实时采集的截割机构二维位置信息，包括：在采煤机上基于高精度惯导设备选取参考点，以参考点为坐标点构建坐标；
在采煤机的截割机构上选取或增设若干定位点；
实时监控若干定位点，基于坐标确定若干定位点的实时坐标点；
所有实时坐标点连线形成截割机构的实时轮廓；
定位模块根据所述实时轮廓确定截割机构二维位置信息。
4.一种基于高精度惯导的采煤机三维定位系统，其特征在于，包括：高精度惯导设备，安装在采煤机的机身，实时采集机身的三维位置信息，所述机身的三维位置信息作为第一位置信息通过通讯模块传输至计算机；
定位模块，位于采煤机的截割机构，实时采集截割机构的二维位置信息，所述截割机构的二维位置信息作为第二位置信息通过通讯模块传输至计算机；
通讯模块，与高精度惯导设备、定位模块和计算机模块连接；
服务器，构建采煤机三维模型和采煤机动态补偿模型并实时接收第一位置信息和第二位置信息，使用权利要求1‑3任一项所述的一种基于高精度惯导的采煤机三维定位方法，得到采煤机的三维定位信息。 说明书 : 一种基于高精度惯导的采煤机三维定位方法及系统技术领域[0001] 本发明涉及三维定位领域，尤其涉及一种基于高精度惯导的采煤机三维定位方法及系统。背景技术[0002] 采煤机自主定位是实现智能化无人采煤系统的关键技术之一。煤炭生产时，综采工作面粉尘量巨大，无法使用激光定位技术；受采煤工艺限制，也无法采用GPS、北斗等卫星定位技术，因此，目前采煤机自主定位的设计方案大多采用高精度惯导模块。[0003] 高精度惯导模块是一种不依赖于任何外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航模块，具有隐蔽性好，可在空中、地下、水下等各种复杂环境下工作。常用的高精度惯导模块包括多个陀螺、多个线加速度计和微型计算机，陀螺和加速度计分别用来测量采煤机的角运动信息和线运动信息，微型计算机根据这些测量信息解算出采煤机的方向、姿态、速度和位置。[0004] 然而，仅依赖高精度惯导模块无法实现采煤机的精确自主定位。例如：采煤机的截割机构(例如截齿部)为了形成所要求的截割断面形状，需要实时调整截割机构的位置，采煤机的装载机构(例如装载部)需实时匹配截割机构的位置，以便把截割机构破落下来的煤块精确装入工作面输送机。[0005] 有鉴于此，有必要研究出一种基于高精度惯导的采煤机三维定位方法及系统，以解决采煤机在地下数百米深处的精确定位问题。发明内容[0006] 本发明实施例提供一种基于高精度惯导的采煤机三维定位方法及系统，在同一坐标下选取若干定位点，以定位点作为标记点获取截割机构的位置信息，利用截割机构的位置信息补偿高精度惯导模块的定位误差，实现采煤机在煤层环境中的实时定位。[0007] 实现本发明目的的技术方案如下：[0008] 第一方面，本发明实施例提供了一种基于高精度惯导的采煤机三维定位方法，包括：[0009] 构建采煤机三维模型和采煤机动态补偿模型；[0010] 接收高精度惯导设备实时采集的机身三维位置信息和定位模块实时采集的截割机构二维位置信息；[0011] 将所述机身三维位置信息输入所述采煤机三维模型得到截割机构虚拟位置信息；[0012] 将所述二维位置信息和所述截割机构虚拟位置信息输入所述采煤机动态补偿模型得到截割机构的实时状态参数和虚拟状态参数；[0013] 基于实时状态参数和虚拟状态参数的差值调整所述采煤机三维模型，在所述采煤机三维模型中得到采煤机三维定位信息。[0014] 在本实施例中，构建所述采煤机三维模型，包括：[0015] 获取采煤机周围的三维环境数据；[0016] 基于所述三维环境数据，提取采煤机周围的参照物轮廓；[0017] 将所述参照物轮廓与预先采集的煤层信息和巷道信息进行匹配；[0018] 根据匹配结果构建采煤机三维模型。[0019] 在本实施例中，构建所述采煤机动态补偿模型，包括：[0020] 基于非线性系统构建定量补偿模型；[0021] 收集采煤机至少三个维度的补偿数据和非补偿数据，人工标记并机器扩展所述补偿数据，得到扩展补偿参数；[0022] 基于扩展补偿参数训练定量补偿模型；[0023] 利用补偿数据和非补偿数据验证定量补偿模型。[0024] 在本实施例中，接收高精度惯导设备实时采集的机身三维位置信息，包括：[0025] 在采煤机的机身安装高精度惯导设备；[0026] 高精度惯导设备实时采集机身的机身三维位置信息；[0027] 高精度惯导设备把机身三维位置信息通过通讯模块发送给服务器；[0028] 服务器接收所述机身三维位置信息。[0029] 在本实施例中，所述服务器中运行有采煤机三维模型和采煤机动态补偿模型。[0030] 在本实施例中，接收定位模块实时采集的截割机构二维位置信息，包括：[0031] 在采煤机上基于高精度惯导设备选取参考点，以参考点为坐标点构建坐标；[0032] 在采煤机的截割机构上选取或增设若干定位点；[0033] 实时监控若干定位点，基于坐标确定若干定位点的实时坐标点；[0034] 所有实时坐标点连线形成截割机构的实时轮廓；[0035] 定位模块根据所述实时轮廓确定截割机构二维位置信息。[0036] 在本实施例中，所述将所述机身三维位置信息输入所述采煤机三维模型得到截割机构虚拟位置信息，包括：[0037] 将机身三维位置信息中采煤机的速度、位置姿态和行进方向输入所述采煤机三维模型；[0038] 将机身三维位置信息中当前采掘深度、采煤机轨道位置、煤柱厚度、煤层厚度输入所述采煤机三维模型；[0039] 基于采煤机的速度、位置姿态和行进方向以及当前采掘深度、采煤机轨道位置、煤柱厚度、煤层厚度，计算出当前截割煤块的位置参数和体积参数；[0040] 根据截割煤块的位置参数和体积参数，模拟出截割机构的虚拟位置信息。[0041] 在本实施例中，所述将所述二维位置信息和所述截割机构虚拟位置信息输入所述采煤机动态补偿模型，得到截割机构的实时状态参数和虚拟状态参数，包括：[0042] 从所述截割机构虚拟位置信息中提取出对应所述二维位置信息的二维虚拟信息；[0043] 将所述二维位置信息输入所述采煤机动态补偿模型，得到截割机构的实时状态参数；[0044] 将所述二维虚拟信息输入所述采煤机动态补偿模型，得到截割机构的虚拟状态参数。[0045] 在本实施例中，所述基于实时状态参数和虚拟状态参数的差值调整所述采煤机三维模型，在所述采煤机三维模型中得到采煤机三维定位信息，包括：[0046] 将实时状态参数和虚拟状态参数逐一对应；[0047] 计算每个参数的偏差；[0048] 根据偏差得到所述二维位置信息和所述截割机构虚拟位置信息的相对误差；[0049] 根据相对误差在所述采煤机三维模型中补偿采煤机位置姿态的最大定位误差，得到补偿后的采煤机三维定位信息；[0050] 根据补偿后的采煤机三维定位信息，获取采煤机的三维定位信息。[0051] 第二方面，本发明实施例提供了一种基于高精度惯导的采煤机三维定位系统，包括：[0052] 高精度惯导设备，安装在采煤机的机身，实时采集机身的三维位置信息，所述机身的三维位置信息作为第一位置信息通过通讯模块传输至计算机；[0053] 定位模块，位于采煤机的截割机构，实时采集截割机构的二维位置信息，所述截割机构的二维位置信息作为第二位置信息通过通讯模块传输至计算机；[0054] 通讯模块，与高精度惯导设备、定位模块和计算机模块连接；[0055] 服务器，构建采煤机三维模型和采煤机动态补偿模型并实时接收第一位置信息和第二位置信息，使用上述的基于高精度惯导的采煤机三维定位方法，得到采煤机的三维定位信息。[0056] 在本实施例中，所述服务器在采煤机三维模型中输入第一位置信息得到截割机构的虚拟位置信息；[0057] 所述服务器根据第二位置信息和虚拟位置信息分别调整采煤机动态补偿模型，得到截割机构的实时状态参数和虚拟状态参数；[0058] 所述服务器计算实时状态参数和虚拟状态参数的差值，基于差值在采煤机三维模型中调整虚拟位置信息，实时匹配虚拟位置信息和第二位置信息，直至虚拟位置信息和第二位置信息一致时在采煤机三维模型中得到采煤机的定位信息。[0059] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：[0060] 1、本发明实施例的高精度惯导设备能够实时定位机身，然而采煤机工作过程中截割机构会相对机身运动，这就导致高精度惯导设备无法准确定位采煤机的截割机构，本发明利用采煤机动态补偿模型补偿高精度惯导设备的定位信息，提高采煤机的定位精度。[0061] 2、本发明实施例的高精度惯导设备匹配有惯性导航系统，采煤机三维模型可嵌入惯性导航系统使用，惯性导航系统中输入的采煤机定位信息为采煤机三维模型中补偿过的三维定位信息。[0062] 3、本发明实施例在同一坐标下选取若干定位点，以定位点作为标记点获取截割机构的位置信息，利用截割机构的位置信息补偿高精度惯导模块的定位误差，实现采煤机在煤层环境中的实时定位。附图说明[0063] 图1为本发明实施例提供的一种基于高精度惯导的采煤机三维定位方法流程图；[0064] 图2为图1中步骤S110的构建采煤机三维模型流程图；[0065] 图3为图1中步骤S110的构建采煤机动态补偿模型流程图；[0066] 图4为图1中步骤S120的接收高精度惯导设备实时采集的机身三维位置信息流程图；；[0067] 图5为图1中步骤S120的接收定位模块实时采集的截割机构二维位置信息流程图；[0068] 图6为图1中步骤S130的流程图；[0069] 图7为图1中步骤S150的流程图；[0070] 图8为本发明实施例提供的一种基于高精度惯导的采煤机三维定位系统原理框图。具体实施方式[0071] 下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。[0072] 我国煤矿平均井深超过700米，而澳大利亚、美国煤矿平均井深350米。我国煤炭开采的最大难题是“三高”，即高伤亡、高损害、高排放。实现零伤亡、零损害、零排放的煤炭绿色开采目标，仅靠一般的机械化开采很难实现，必须从智能化开采找出路。[0073] 智能化开采是机器拟人化生产，由多机器人协同作业，具有自主定位、自动感知、自适运行的功能，实现整个采矿过程的数字化和物联化，装备运行的无人化和可视化。机器人化开采技术体系，包括了采煤作业机器人、无人操作刮板输送机、无人值守提升机以及无人驾驶车辆等。[0074] 采煤作业机器人是有人开采变为无人开采的因素之一，所谓有人开采变为无人开采，是从原始的人力开采到机器人开采，尽管还是人，但“人”已经不是原来生物体的人了，而是机器与智能化的融合体。机器人化开采源自仿生，未来要走向拟人。掘进机模仿了穿山甲的功能，采煤机模仿了地鼠挖掘的功能，而带式输送机模仿了蚁群搬家的功能，每个托辊相当于一只蚂蚁。要通过人工智能的嵌入或嫁接来实现煤矿机器人化开采。[0075] 基于此，有必要研究出一种基于高精度惯导的采煤机三维定位方法及系统，实现采煤机在地下700米左右的精确定位。[0076] 常规意义的采煤机是综采成套装备的主要设备之一，在长壁采煤工作面，以截割机构把煤从煤体上破落下来(破煤)并装入工作面输送机(装煤)的采煤机械。采煤机按调定的牵引速度行走(牵引)，使破煤和装煤工序能够连续不断地进行。采煤机一般由截割机构、装载机构、行走机构(牵引机构)、电动机、操作控制系统和辅助装置等部分组成。工作机构及其机械传动或驱动装置的总称。当截割部由专用电动机驱动时，截割机构也包括截割电动机，截割机构是直接实现截割、破碎等主要功能的部件，其上装有截齿，截齿将煤从煤体上破落下来，有些采煤机的截割机构为了形成所要求的截割断面形状，除了一个主要截割机构外，还有一个或几个辅助截割机构。截割机构的机械传动装置用来将动力传输给截割机构，以满足其运动方式、运动方向和截割速度大小的要求。机械传动装置通常采用齿轮传动，一般在使用过程中不能变速，但备有专门的换速齿轮副，供安装时更换，以满足截割速度的要求。装载机构是把截割机构破落下来的煤块装入工作面输送机的部件。装载机构一般包括装载组件和机械传动装置。当装载机构有专用的电动机时，也包括装载电动机，装载机构也可以由截割部的机械传动装置驱动。[0077] 第一方面，本发明实施例提供了一种基于高精度惯导的采煤机三维定位方法，请参阅图1，包括以下步骤：[0078] 步骤S110、构建采煤机三维模型和采煤机动态补偿模型；[0079] 步骤S120、接收高精度惯导设备实时采集的机身三维位置信息和定位模块实时采集的截割机构二维位置信息；[0080] 步骤S130、将机身三维位置信息输入采煤机三维模型得到截割机构虚拟位置信息；[0081] 步骤S1140、将二维位置信息和截割机构虚拟位置信息输入采煤机动态补偿模型得到截割机构的实时状态参数和虚拟状态参数；[0082] 步骤S150、基于实时状态参数和虚拟状态参数的差值调整采煤机三维模型，在采煤机三维模型中得到采煤机三维定位信息。[0083] 本发明实施例的采煤机三维模型和采煤机动态补偿模型，是在服务器中构建的，采煤机三维模型是基于惯性导航平台构建的。本发明实施例的采煤机动态补偿模型，各个补偿参数是通过训练和学习完成的。采煤机动态补偿模型的训练和学习，是基于最小偏差范围的环境特征学习，当在采煤机三维模型上观察截割机构的虚拟位置时，采煤机机身、煤层、巷道、掘进量、截割煤块量的矢量之间存在这一个比较复杂的非线性关系。判别学习的目标，就是通过使平均代价函数最小来减少误分类数，(1)定义判别函数，(2)定义误分类测度(3)定义代价函数(4)平均代价函数(5)平均代价函数的最小化。这样环境特征可以通过沿着平均代价函数梯度下降方向不断地进行迭代优化。在估计到了偏差特征以后，就可以在此基础上进行截割机构的偏差位置估计，并用估计到的偏差位置进行训练和识别。[0084] 本发明实施例的高精度惯导设备配备有高精度闭环光纤陀螺和加速度计，考虑到高精度惯导设备配备有惯性导航系统，惯性导航系统嵌设惯性导航算法，对煤矿向导导航起到厘米甚至毫米级定位。[0085] 在本实施例中，请参阅图2，步骤S110中构建采煤机三维模型，包括以下步骤：[0086] 步骤S110a、获取采煤机周围的三维环境数据；[0087] 步骤S110b、基于三维环境数据，提取采煤机周围的参照物轮廓；[0088] 步骤S110c、将参照物轮廓与预先采集的煤层信息和巷道信息进行匹配；[0089] 步骤S110d、根据匹配结果构建采煤机三维模型。[0090] 本发明实施例的三维环境数据，是通过高清摄像机扫描的。高清摄像机选用可在爆炸性气体环境中使用的高精度及高分辨率摄像机。[0091] 本发明实施例中预先采集的煤层信息和巷道信息，首先是基于煤矿勘探出的煤层信息，例如，为了揭露煤系和采集煤样，使用巷探技术，开挖各种巷道探测煤层信息，煤层信息包括煤层的层位结构、煤种、煤质及变化、煤层产状、落差大于20m的断层等等。[0092] 本发明实施例的参照物轮廓，包括但不限于采煤机头部、采煤机尾部、采煤机前滚筒、采煤机后滚筒、铲煤板、巷道支架、采煤机的刮板输送机等等。[0093] 在本实施例中，请参阅图3，步骤S110中构建采煤机动态补偿模型，包括：[0094] 步骤S110e、基于非线性系统构建定量补偿模型；[0095] 步骤S110f、收集采煤机至少三个维度的补偿数据和非补偿数据，人工标记并机器扩展补偿数据，得到扩展补偿参数；[0096] 步骤S110g、基于扩展补偿参数训练定量补偿模型；[0097] 步骤S110h、利用补偿数据和非补偿数据验证定量补偿模型。[0098] 由于采煤机机身、煤层、巷道、掘进量、截割煤块量的矢量之间存在这一个比较复杂的非线性关系，形成非线性关系的各个变量构成非线性系统，依据非线性系统构建定量补偿模型。[0099] 上述的采煤机至少三个维度的补偿数据，包括采煤机液压系统数据、采煤机链轮链条张紧数据、采煤机滚筒摆动液压数据、巷道走向数据及巷道底面平缓度数据。上述的采煤机非补偿数据，包括采煤机自身尺寸数据、采煤机截割机构各部件数据、采煤机运输系统各部件数据等。[0100] 本发明实施例根据煤层变化、巷道走向、采煤机规格变化、截割机构变化等参数机器扩展补偿数据。[0101] 在本实施例中，请参阅图4，步骤S120中接收高精度惯导设备实时采集的机身三维位置信息，包括以下步骤：[0102] 步骤S120a、在采煤机的机身安装高精度惯导设备；[0103] 步骤S120b、高精度惯导设备实时采集机身的机身三维位置信息；[0104] 步骤S120c、高精度惯导设备把机身三维位置信息通过通讯模块发送给服务器；[0105] 步骤S120d、服务器接收机身三维位置信息。[0106] 本发明实施例的高精度惯导设备，是可靠的固态惯性测量单元。内置三轴硅陀螺仪、三轴硅加速度计，并经过三轴转台精密校准以满足不同条件下的性能需求。可输出实时、准确的载体姿态和传感器数据。能够校准陀螺仪的零点、零点温度系数、灵敏度、灵敏度温度系数、正交性误差和加速度效应，加速度计的零点、零点温度系数、灵敏度、灵敏度温度系数和正交性误差。[0107] 在大多数实施例中，服务器中运行有采煤机三维模型和采煤机动态补偿模型。[0108] 在本实施例中，请参阅图5，步骤S120中接收定位模块实时采集的截割机构二维位置信息，包括以下步骤：[0109] 步骤S120e、在采煤机上基于高精度惯导设备选取参考点，以参考点为坐标点构建坐标；[0110] 步骤S120f、在采煤机的截割机构上选取或增设若干定位点；[0111] 步骤S120g、实时监控若干定位点，基于坐标确定若干定位点的实时坐标点；[0112] 步骤S120h、所有实时坐标点连线形成截割机构的实时轮廓；[0113] 步骤S120i、定位模块根据实时轮廓确定截割机构二维位置信息。[0114] 本发明实施例选取的采煤机参考点，包括采煤机的支腿、采煤的溜槽、采煤机的摆臂、采煤机的摇臂、采煤机的滚筒、工作面的滑靴、采煤机的主机架等。[0115] 本发明实施例在采煤机的截割机构上选取定位点，包括选取截割机构的切深、截割机构的滚筒以及截割机构的角度。本发明实施例在采煤机的截割机构上增设若干定位点，包括增加左角度传感器、右角度传感器、俯仰//摇摆传感器、煤机工作面定位和采空区定位。[0116] 在本实施例中，请参阅图6，步骤S130中将机身三维位置信息输入采煤机三维模型得到截割机构虚拟位置信息，包括：[0117] 步骤S130a、将机身三维位置信息中采煤机的速度、位置姿态和行进方向输入采煤机三维模型；[0118] 步骤S130b、将机身三维位置信息中当前采掘深度、采煤机轨道位置、煤柱厚度、煤层厚度输入采煤机三维模型；[0119] 步骤S130c、基于采煤机的速度、位置姿态和行进方向以及当前采掘深度、采煤机轨道位置、煤柱厚度、煤层厚度，计算出当前截割煤块的位置参数和体积参数；[0120] 步骤S130d、根据截割煤块的位置参数和体积参数，模拟出截割机构的虚拟位置信息。[0121] 在本实施例中，步骤S140中，将二维位置信息和截割机构虚拟位置信息输入采煤机动态补偿模型，得到截割机构的实时状态参数和虚拟状态参数，包括：[0122] 从截割机构虚拟位置信息中提取出对应二维位置信息的二维虚拟信息；[0123] 将二维位置信息输入采煤机动态补偿模型，得到截割机构的实时状态参数；[0124] 将二维虚拟信息输入采煤机动态补偿模型，得到截割机构的虚拟状态参数。[0125] 在本实施例中，请参阅图7，步骤S150中，基于实时状态参数和虚拟状态参数的差值调整采煤机三维模型，在采煤机三维模型中得到采煤机三维定位信息，包括：[0126] 步骤S150a、将实时状态参数和虚拟状态参数逐一对应；[0127] 步骤S150b、计算每个参数的偏差；[0128] 步骤S150c、根据偏差得到二维位置信息和截割机构虚拟位置信息的相对误差；[0129] 步骤S150d、根据相对误差在采煤机三维模型中补偿采煤机位置姿态的最大定位误差，得到补偿后的采煤机三维定位信息；[0130] 步骤S150e、根据补偿后的采煤机三维定位信息，获取采煤机的三维定位信息。[0131] (1)本发明实施例的高精度惯导设备能够实时定位机身，然而采煤机工作过程中截割机构会相对机身运动，这就导致高精度惯导设备无法准确定位采煤机的截割机构，本发明利用采煤机动态补偿模型补偿高精度惯导设备的定位信息，提高采煤机的定位精度。(2)本发明实施例的高精度惯导设备匹配有惯性导航系统，采煤机三维模型可嵌入惯性导航系统使用，惯性导航系统中输入的采煤机定位信息为采煤机三维模型中补偿过的三维定位信息。(3)本发明实施例在同一坐标下选取若干定位点，以定位点作为标记点获取截割机构的位置信息，利用截割机构的位置信息补偿高精度惯导模块的定位误差，实现采煤机在煤层环境中的实时定位。[0132] 第二方面，请参阅图8，本发明实施例提供了一种基于高精度惯导的采煤机三维定位系统，包括：[0133] 高精度惯导设备，安装在采煤机的机身，实时采集机身的三维位置信息，机身的三维位置信息作为第一位置信息通过通讯模块传输至计算机；[0134] 定位模块，位于采煤机的截割机构，实时采集截割机构的二维位置信息，截割机构的二维位置信息作为第二位置信息通过通讯模块传输至计算机；[0135] 通讯模块，与高精度惯导设备、定位模块和计算机模块连接；[0136] 服务器，构建采煤机三维模型和采煤机动态补偿模型并实时接收第一位置信息和第二位置信息，使用上述的基于高精度惯导的采煤机三维定位方法，得到采煤机的三维定位信息。[0137] 在本实施例中，服务器在采煤机三维模型中输入第一位置信息得到截割机构的虚拟位置信息；[0138] 服务器根据第二位置信息和虚拟位置信息分别调整采煤机动态补偿模型，得到截割机构的实时状态参数和虚拟状态参数；[0139] 服务器计算实时状态参数和虚拟状态参数的差值，基于差值在采煤机三维模型中调整虚拟位置信息，实时匹配虚拟位置信息和第二位置信息，直至虚拟位置信息和第二位置信息一致时在采煤机三维模型中得到采煤机的定位信息。[0140] 本发明的服务器得到采煤机的三维定位信息的过程如下：[0141] (1)构建采煤机三维模型和采煤机动态补偿模型：构建采煤机三维模型，包括：获取采煤机周围的三维环境数据；基于三维环境数据，提取采煤机周围的参照物轮廓；将参照物轮廓与预先采集的煤层信息和巷道信息进行匹配；根据匹配结果构建采煤机三维模型。构建采煤机动态补偿模型，包括：基于非线性系统构建定量补偿模型；收集采煤机至少三个维度的补偿数据和非补偿数据，人工标记并机器扩展补偿数据，得到扩展补偿参数；基于扩展补偿参数训练定量补偿模型；利用补偿数据和非补偿数据验证定量补偿模型。[0142] (2)接收高精度惯导设备实时采集的机身三维位置信息和定位模块实时采集的截割机构二维位置信息：接收高精度惯导设备实时采集的机身三维位置信息，包括：在采煤机的机身安装高精度惯导设备；高精度惯导设备实时采集机身的机身三维位置信息；高精度惯导设备把机身三维位置信息通过通讯模块发送给服务器；服务器接收机身三维位置信息。接收定位模块实时采集的截割机构二维位置信息，包括：在采煤机上基于高精度惯导设备选取参考点，以参考点为坐标点构建坐标；在采煤机的截割机构上选取或增设若干定位点；实时监控若干定位点，基于坐标确定若干定位点的实时坐标点；所有实时坐标点连线形成截割机构的实时轮廓；定位模块根据实时轮廓确定截割机构二维位置信息。[0143] (3)将机身三维位置信息输入采煤机三维模型得到截割机构虚拟位置信息：具体的，将机身三维位置信息中采煤机的速度、位置姿态和行进方向输入采煤机三维模型；将机身三维位置信息中当前采掘深度、采煤机轨道位置、煤柱厚度、煤层厚度输入采煤机三维模型；基于采煤机的速度、位置姿态和行进方向以及当前采掘深度、采煤机轨道位置、煤柱厚度、煤层厚度，计算出当前截割煤块的位置参数和体积参数；根据截割煤块的位置参数和体积参数，模拟出截割机构的虚拟位置信息。[0144] (4)将二维位置信息和截割机构虚拟位置信息输入采煤机动态补偿模型，得到截割机构的实时状态参数和虚拟状态参数：具体的，从截割机构虚拟位置信息中提取出对应二维位置信息的二维虚拟信息；将二维位置信息输入采煤机动态补偿模型，得到截割机构的实时状态参数；将二维虚拟信息输入采煤机动态补偿模型，得到截割机构的虚拟状态参数。[0145] (5)基于实时状态参数和虚拟状态参数的差值调整采煤机三维模型，在采煤机三维模型中得到采煤机三维定位信息：具体的，将实时状态参数和虚拟状态参数逐一对应；计算每个参数的偏差；根据偏差得到二维位置信息和截割机构虚拟位置信息的相对误差；根据相对误差在采煤机三维模型中补偿采煤机位置姿态的最大定位误差，得到补偿后的采煤机三维定位信息；根据补偿后的采煤机三维定位信息，获取采煤机的三维定位信息。[0146] 采煤机三维定位技术是实现智能化无人(或少人)长壁综采工作面的关键技术之一,其对采煤机滚筒的自动调高和刮板运输机的自动调直具有重要意义。由此可见，实现采煤机自主定位面临的困难之一是如何在地下数百米深处实现采煤机各机构的厘米级甚至毫米级定位。[0147] 本发明实施例的采煤机动态补偿模型，模拟生成多维参数补偿数据和非补偿数据，并用多维参数补偿模型和非补偿模型进行参数估计。通过比较项目参数和能力参数的RMSE值，实现各种实验条件下的多维补偿模型与非补偿模型的参数返真性比较。结果发现，无论是估计多维补偿数据还是非补偿数据，三参数多维补偿模型的参数返真性都比三参数多维非补偿模型的参数返真性更好。机身三维位置信息包括当前采掘深度、采煤机轨道位置、煤柱厚度、煤层厚度、采煤机的速度、位置姿态和行进方向。高精度惯导设备实时采集机身的机身三维位置信息，采煤机动态补偿模型将确定性偏差有效消减，补偿之后在至少三个方向的最大定位误差。[0148] 本发明实施例的三维定位设计构思是，利用高精度惯导设备实时采集采煤机的机身三维位置信息，；利用定位模块实时采集采煤机的截割机构二维位置信息；使用截割机构二维位置信息补偿高精度惯导设备的机身三维位置信息。[0149] 上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。[0150] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。[0151] 此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

专利地区：陕西

专利申请日期：2020-12-07

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN114662259B