董剛，馬宏偉，聶真

(1.西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安　710054；2.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司 六礦，河南 平頂山　467000)

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實(shí)驗(yàn)研究

基于虛擬煤巖界面的采煤機(jī)上滾筒路徑規(guī)劃

董剛1，2，馬宏偉1，聶真1

(1.西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安710054；2.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司 六礦，河南 平頂山467000)

針對(duì)采煤機(jī)上滾筒截割過程中在頂板煤巖界面彎曲區(qū)域極易截割到頂板巖石的問題，提出了一種基于虛擬煤巖界面的采煤機(jī)上滾筒路徑規(guī)劃方法。該方法定義了對(duì)上滾筒產(chǎn)生斥力的虛擬煤巖界面和虛擬引力場，模擬了上滾筒跟隨煤巖界面落煤的運(yùn)動(dòng)過程，通過上滾筒的運(yùn)動(dòng)模擬計(jì)算出了截割路徑離散點(diǎn)，并基于高斯核模型的l2約束最小二乘回歸方法，通過訓(xùn)練路徑離散點(diǎn)獲得了一條光滑的上滾筒截割路徑曲線。仿真結(jié)果表明，采用該方法規(guī)劃的路徑能夠有效避免上滾筒截割到頂板煤巖界面彎曲區(qū)域的巖石。

采煤機(jī)上滾筒；路徑規(guī)劃；虛擬煤巖界面；路徑曲線回歸；高斯核模型；l2約束最小二乘法

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160930.1017.017.html

0　引言

長壁采煤法綜采工藝的工作面主要設(shè)備為采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架，簡稱工作面“三機(jī)”。采煤機(jī)以刮板輸送機(jī)為軌道在工作面往返運(yùn)行，上、下2個(gè)滾筒分別實(shí)現(xiàn)沿頂板煤巖界面落煤和向刮板輸送機(jī)內(nèi)拾煤。采煤機(jī)上滾筒的落煤過程非常危險(xiǎn)，因此提高采煤機(jī)上滾筒落煤的自動(dòng)化水平格外重要[1-2]。

目前針對(duì)采煤機(jī)上滾筒自動(dòng)落煤的研究主要集中在頂板煤巖界面識(shí)別及上滾筒截割路徑規(guī)劃技術(shù)、上滾筒自動(dòng)調(diào)高的隨動(dòng)控制技術(shù)等方面。在煤巖界面識(shí)別及上滾筒截割路徑規(guī)劃方面，XU Z P等[3]認(rèn)為頂板煤巖界面是連續(xù)變化的，基于人工示教，提出了記憶截割方法對(duì)煤巖界面進(jìn)行預(yù)測；LI W等[4]提出了基于隱馬爾科夫模型的記憶截割方法，并通過仿真驗(yàn)證了該方法具有運(yùn)算速度快、預(yù)測誤差小等優(yōu)點(diǎn)；WANG B P等[5]基于小波包能量譜分析方法對(duì)工作面的煤壁圖像進(jìn)行處理，獲得了頂板的煤巖界面曲線，該方法降低了設(shè)備振動(dòng)對(duì)圖像信號(hào)的干擾；RALSTON J C[6]采用紅外成像及圖像特征提取方法識(shí)別煤巖界面，降低了煤塵對(duì)圖像信號(hào)的干擾；QUAN G T等[7]提出了一種用三次樣條曲線優(yōu)化滾筒截割路徑的方法，使?jié)L筒路徑更光滑，并采用粒子群算法進(jìn)行了準(zhǔn)確、快速的求解。這些方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)煤巖界面的識(shí)別，確定上滾筒自動(dòng)落煤的定位目標(biāo)，但都沒能解決上滾筒根據(jù)煤巖界面自動(dòng)調(diào)高的問題。

針對(duì)采煤機(jī)滾筒調(diào)高系統(tǒng)隨動(dòng)控制方面的研究較少。FAN Q G等[8]采用動(dòng)態(tài)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)調(diào)高液壓系統(tǒng)對(duì)煤巖界面曲線的位置跟隨控制；SU X P等[9]采用改進(jìn)的滑?？刂撇呗裕瑢?shí)現(xiàn)了采煤機(jī)滾筒對(duì)頂板煤巖界面的位置跟隨控制。以上研究雖然解決了采煤機(jī)上滾筒對(duì)頂板煤巖界面的快速跟隨問題，但未能充分考慮滾筒的外觀尺寸及采煤機(jī)牽引速度的影響，導(dǎo)致上滾筒截割過程中在頂板煤巖界面彎曲處極易割到頂板巖石。針對(duì)該問題，本文提出了一種基于虛擬煤巖界面的采煤機(jī)上滾筒路徑規(guī)劃方法。該方法首先基于人工勢場原理得出虛擬煤巖界面障礙曲線和目標(biāo)點(diǎn)[10-11]，以此規(guī)劃具有等步距的滾筒截割路徑的離散點(diǎn)；其次以截割路徑的離散點(diǎn)為訓(xùn)練樣本，采用核最小二乘回歸方法獲取滾筒截割路徑函數(shù)[12-13]。

1　采煤機(jī)上滾筒路徑規(guī)劃方法

1.1采煤機(jī)上滾筒截割路徑特點(diǎn)

采煤機(jī)運(yùn)行過程中上滾筒跟蹤頂板煤巖界面，盡量掃落其下方的煤并避免割到頂板巖石。正常情況下，工作面頂板煤巖界面平整光滑，此時(shí)上滾筒只需保持一定的高度緊貼煤巖界面運(yùn)行即可。當(dāng)工作面遇到斷層時(shí)，頂板煤巖界面會(huì)發(fā)生斷裂或褶曲，此時(shí)上滾筒必須根據(jù)煤巖界面的變化及時(shí)調(diào)整高度，否則上滾筒必然割到過多的頂板巖石。如圖1所示，頂板煤巖界面出現(xiàn)彎曲情況時(shí)，若采煤機(jī)上滾筒仍然在煤巖界面以下一個(gè)滾筒半徑R的距離范圍內(nèi)規(guī)劃路徑進(jìn)行截割，必然割到頂板巖石。圖1中陰影部分即為割到的頂板巖石。

圖1　煤巖界面平移截割效果

可見當(dāng)遇到工作面頂板煤巖界面彎曲變形時(shí)，規(guī)劃上滾筒的截割路徑不能采用平移煤巖界面的方法，而應(yīng)充分考慮煤巖界面的形狀和滾筒尺寸，采用能夠更少或避免截割巖石的方法。

1.2虛擬煤巖界面模型

圖2　基于虛擬煤巖界面的上滾筒路徑規(guī)劃原理

上滾筒當(dāng)前所受的合力為

(1)

(2)

該上滾筒路徑規(guī)劃方法根據(jù)頂板煤巖界面情況，模擬了采煤機(jī)上滾筒在工作面沿頂板煤巖界面從左端向右端的運(yùn)動(dòng)過程，能夠保證上滾筒緊貼煤巖界面，并避免或減少截割到頂板巖石。

1.3采煤機(jī)上滾筒路徑曲線回歸方法

由于煤巖界面形狀變化、滾筒位置更新、步長選擇、虛擬煤巖界面排斥力影響等原因，獲得的上滾筒路徑點(diǎn)存在一定波動(dòng)，無法形成光滑的運(yùn)動(dòng)路徑曲線，需要根據(jù)得到的路徑點(diǎn)進(jìn)行回歸，以獲得較為光滑的上滾筒路徑。采用基于高斯核模型的l2約束最小二乘回歸方法。該方法具有較好的泛化能力，滿足上滾筒路徑規(guī)劃在連續(xù)性、光滑性方面的要求。

首先確定上滾筒路徑規(guī)劃采用的高斯核模型：

(3)

(4)

(5)

由式(5)可知，l2約束最小二乘方法通過矩陣ΦTΦ與λI相加提高了正則行，進(jìn)而可以更加穩(wěn)定地求逆矩陣。

通過該回歸方法得到的采煤機(jī)上滾筒路徑曲線為一條光滑曲線，并且在頂板煤巖界面彎曲處，采煤機(jī)上滾筒中心點(diǎn)在落煤過程中沿該路徑曲線運(yùn)行，可有效避免截割到頂板巖石。

2　仿真結(jié)果及分析

按照某采煤工作面的實(shí)際情況設(shè)置仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)：工作面采長為180 m，煤層厚度為3 m，工作面中部頂板煤巖界面有一處落差為1.3 m的斷層，采煤機(jī)上滾筒直徑為2 m。上滾筒從工作面左端起始，向右運(yùn)行至工作面右端，利用Matlab對(duì)采煤機(jī)上滾筒路徑進(jìn)行規(guī)劃。由于煤層頂板平整部分的上滾筒路徑規(guī)劃較為簡單，只需將煤巖界面向下平移1個(gè)滾筒半徑即可，所以仿真過程中重點(diǎn)關(guān)注斷層區(qū)域的上滾筒路徑規(guī)劃情況。

基于虛擬煤巖界面的采煤機(jī)上滾筒路徑規(guī)劃仿真實(shí)驗(yàn)步驟如下。

(1) 在煤巖界面上每隔0.1 m選取1個(gè)障礙物點(diǎn)，計(jì)算煤巖界面的極大點(diǎn)和極小點(diǎn)，作為上滾筒運(yùn)動(dòng)的臨時(shí)目標(biāo)點(diǎn)。

(2) 配置各種參數(shù)，具體見表1。

表1　仿真參數(shù)配置

(3) 根據(jù)虛擬煤巖界面方法規(guī)劃上滾筒路徑曲線，如圖3所示?？煽闯鰯鄬游挥诠ぷ髅?6～57 m處，落差1.3 m。基于人工勢場法原理直接規(guī)劃出來的上滾筒路徑點(diǎn)存在頻繁的上下擺動(dòng)，無法滿足上滾筒運(yùn)動(dòng)需求。

(a) 整個(gè)斷層區(qū)域的路徑點(diǎn)規(guī)劃

(b) 局部放大的路徑點(diǎn)規(guī)劃

(4) 針對(duì)圖3中規(guī)劃的上滾筒路徑曲線，采用基于高斯核模型的l2約束最小二乘法進(jìn)行回歸，結(jié)果如圖4所示?；貧w的上滾筒路徑曲線在水平區(qū)域位于煤巖界面曲線向下平移1個(gè)上滾筒半徑所得曲線(平移曲線)的下方，這是由基于虛擬煤巖界面的采煤機(jī)上滾筒路徑規(guī)劃方法中所設(shè)的障礙物影響范圍所致，當(dāng)ρ0=0.06時(shí)，規(guī)劃的上滾筒路徑曲線與平移曲線的差值為0.04 m。從圖4可看出，回歸的上滾筒路徑曲線較為光滑，并成功避免了上滾筒截割到頂板巖石，而平移曲線無法避免上滾筒截割到頂板巖石。

圖4　上滾筒截割路徑回歸曲線

3　結(jié)語

以智能綜采工作面采煤機(jī)上滾筒運(yùn)動(dòng)的路徑規(guī)劃為工程背景，以避免采煤機(jī)上滾筒截割到頂板巖石為目的，研究了一種基于虛擬煤巖界面的采煤機(jī)上滾筒路徑規(guī)劃方法，通過建立虛擬煤巖界面模型模擬了上滾筒跟隨煤巖界面落煤的運(yùn)動(dòng)過程，獲取上滾筒截割路徑的離散點(diǎn)，并采用基于高斯核模型的l2約束最小二乘回歸方法對(duì)規(guī)劃的上滾筒截割路徑進(jìn)行回歸，得到光滑的上滾筒截割路徑曲線，以避免采煤機(jī)上滾筒截割到頂板煤巖界面彎曲區(qū)域的巖石。該方法的應(yīng)用減少了上滾筒截割頂板巖石的量，進(jìn)而降低了采煤機(jī)搖臂的損耗，并減少了工作面生產(chǎn)原煤的矸石含量，提高了煤質(zhì)。

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Path planning of shearer up-drum based on virtual coal-rock interface

DONG Gang1,2,MA Hongwei1,NIE Zhen1

(1.School of Mechanical Engineering,Xi'an University of Science and Technology, Xi'an 710054,China; 2.No.6 Coal Mine,Pingdingshan Tian'an Coal Mining Co.,Ltd., Pingdingshan 467000,China)

For the problem of shearer up-drum cutting rock in roof in the region where coal-rock interface is bended,a path planning method of shearer up-drum based on virtual coal-rock interface was proposed.The method defines virtual coal-rock interface which has repulsion to up-drum and virtual gravitational field,simulates moving process of shearer up-drum along the virtual coal-rock interface,calculates discrete points of cutting path through simulating the motion of shearer up-drum,and obtains a smooth cutting path of up-drum based on regression method of Gaussian kernel model and l2constraint least square by training the discrete points.The simulation results show that cutting path of shearer up-drum planned by the method can avoid up-drum to cu rock in the region where coal-rock interface is bend effectively.

shearer up-drum; path planning; virtual coal-rock interface; path curve regression; Gaussian kernel model; l2constraint least square method

1671-251X(2016)10-0022-05DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.10.005

董剛，馬宏偉，聶珍.基于虛擬煤巖界面的采煤機(jī)上滾筒路徑規(guī)劃[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(10)：22-26.

2016-05-24；

2016-08-20；責(zé)任編輯：李明。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51074121)。

董剛(1983-)，男，河北唐山人，工程師，博士研究生，現(xiàn)主要從事智能化綜采工作面方面的研究工作,E-mail：dg5594@aliyun.com。

TD421.6

A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-09-30 10:17