基于红外检测装置的采煤机定位算法研究

刘 清，魏文艳

（北京天地玛珂电液控制系统有限公司，北京 100013）

0 引言

目前，大多数液压电液控制系统支架采用红外检测装置（红外发射器和红外接收器）来识别采煤机位置及运行方向［1－6］，但由于煤矿井下综采工作面的环境比较恶劣，大功率配套设备较多，每个支架上安置的红外接收器有时难免会出现故障或受到干扰，导致电液控制系统对采煤机位置信息识别能力降低，甚至出现错误信息［7］。本文基于红外检测装置识别采煤机位置的原理，提出了一种新的煤机定位算法，应用于电液控制系统中，以提高电液控制系统对煤机信息的识别能力和容错能力。

1 基于红外检测装置的煤机定位算法原理

红外线采煤机位置检测装置由发射器及接收器两部分构成。其中发射器安装在采煤机上，接收器安装在液压支架立柱上。在一个工作面上只需要一个发射器，而接收器的数量需根据液压支架的个数进行配置。采煤机位置检测示意图见图1，当采煤机运行时发射器不停地发射红外线信号，采煤机附近多个支架上的接收器可能同时接收到红外线信号，收到信号的接收器向支架控制器报送采煤机位置信号。随着采煤机的运行，不同支架上的支架控制器对接收到的实时的采煤机位置信息进行定位算法处理后，通过总线发布给整个工作面的电液控制系统网络。

2 煤机定位算法设计

2．1 设计原则

（1）高效性。电液控制系统中包括支架控制器、网络变换器、井下电液控主机、井下自动化主机等，由于集成的自动化设备较多，各设备之间通讯的稳定性受到井下工作面环境的影响较大，因此本文设计的煤机定位算法仅依赖于支架控制器和网络变换器，对电液控制系统的通讯冗余度要求较低，以达到简单高效的目的。

图1 采煤机位置检测示意图

（2）准确性。经过煤机定位算法识别出的煤机信息包括采煤机运行的位置（以采煤机正对的支架编号标识）和采煤实际运行的方向（朝大号支架方向运行作为上行；反之，作为下行）。

（3）容错性。当电液控制系统中的若干不相邻的红外接收传感器出现故障时，煤机定位算法仍能够计算并输出正确的采煤机位置和运行方向。

2．2 算法设计

本文的设计算法在电液控制系统中实现，该系统通讯由CAN总线和CAN邻架线组成，采煤机定位算法分别用于支架控制器软件和网络变换器软件中，并且由二者协同处理完成。电液控制系统结构框图如图2所示。

图2 电液控制系统结构框图

算法中涉及的3种数据帧结构体F如下：

Typedef struct F｛

unsigned int ulPri；／／优先级

unsigned int ulCmd；／／命令码

unsigned int ucDataLen；／／数据长度

unsigned int ucBuf［8］；／／帧数据

unsigned int ulDir；／／方向码

…

｝；

struct F F1；／／支架控制器之间交互的信息帧

struct F F2；／／支架控制器报送给网络变换器的煤机位置信息帧struct F F3；／／网络变换器广播的煤机信息帧

3种数据帧的数据内容及含义如表1所示。

表1 数据帧对比表

采煤机位置识别流程图如图3所示，工作面支架控制器判断本架红外接收器是否收到红外发射器的信号，如果收到信号，再根据与左右邻架的控制器的交互信息帧的内容来决策处理交互信息帧的方式；如果未收到信号，且收到邻架交互信息帧，那么根据交互信息帧中的计数器决策是否向网络变换器报送煤机位置。在此决策过程中，控制器根据交互信息帧中收到的煤机信号的最小架号和最大架号计算得出采煤机机身中心所对应的支架编号，将此架号作为煤机位置报送给网络变换器。

采煤机运行方向识别流程图如图4所示，网络变换器监听工作面支架控制器通过总线报送的煤机位置信息，如果收到来自工作面的信息帧，那么根据信息帧中的煤机位置架号与上一次工作面报送的煤机位置架号关系决策煤机运行方向；如果未收到来自工作面的信息，那么根据超时定时器是否超时判断是否广播煤机位置（最后一条来自工作面报送的煤机位置架号）。

图3 采煤机位置识别流程图

图4 采煤机运行方向识别流程图

2．3 算法实现

本设计算法采用嵌入式C语言编写实现，根据上述流程图介绍，算法分为两部分：采煤机位置识别流程主要在支架控制器程序中完成；采煤机运行方向识别流程在网络变换器程序中完成。

支架控制器中算法程序部分代码如下：

if（ir＿flag＝＝1）

｛ucBuf［5］＝NATIVE＿NUM；／／此架接收到红外线信号｝

else｛ucBuf［5］＝ucBuf［5］；／／此架没有接收到红外线信号

if（ucBuf［3］＞＝2）｛MemTranPostA（＆sem＿can＿buf［0］）；｝｝

sem＿can＿buf［7］＝sem＿can＿buf［5］；

sem＿can＿buf［8］＝0；

if（tmpframe［13］＝＝CAN＿PORT＿LEFT）

｛sem＿can＿buf［13］＝CAN＿PORT＿LEFT；｝

else if（tmpframe［13］＝＝CAN＿PORT＿RIGHT）

｛sem＿can＿buf［13］＝CAN＿PORT＿RIGHT；｝

MemTranPostA（＆sem＿can＿buf［0］）；

网络变换器中算法程序如下：

if（rec＿flag＝＝1）

｛If（ucBuf［0］＞＝shear＿locate＿pre）

｛shear＿location＝ucBuf［0］；

ucBuf［1］＝2；／／煤机上行｝

Else｛shear＿location＝ucBuf［0］；

ucBuf［1］＝1；／／煤机下行｝

MemTranPostA（＆sem＿can＿buf［0］）；／／报送给工作面｝

else

｛if（（SEC＿TIMER－shear＿stop＿time）＞120）

｛ucBuf［1］＝0；

MemTranPostA（＆sem＿can＿buf［0］）；｝｝

3 算法测试与验证

3．1 测试平台及方法

测试平台由80套支架控制器和人机操作界面、1套网络变换器和人机操作界面、80个红外接收传感器、1个红外发射器及若干连接器组成。系统平台搭建完成后，通过移动红外发射器的方式模拟井下采煤机的运行轨迹。

算法的高效性和准确性通过测试电液控制系统中报送的采煤机的位置和方向进行验证，测试条件主要分为4种情况：采煤机上行、下行、停止及采煤机上下行切换。算法的容错性通过断开某一个支架控制器相连接的红外接收传感器的方式，模拟井下红外传感器的故障情况。

3．2 测试结果

图5为模拟采煤机经过1号支架和2号支架上行过程时，网络变换器下发到工作面的煤机位置及运行方向数据。

图5 采煤机上行时测试数据截取

图6为模拟采煤机在4号支架处反向运行，由原来的上行切换为下行过程时，网络变换器下发到工作面的煤机位置及运行方向数据。通过分析测试数据中的“时间标识”得出，采煤机定位算法能够在较短的时间内精确地报送工作面煤机位置及运行方向信息，验证了算法的精确性和实时性。

此外，对采煤机停止时及某一红外接收传感器断开时进行了测试。测试结果说明采煤机定位算法具有较强的容错能力。

图6 采煤机上下行切换及下行时测试数据截取

4 结论

本文基于红外检测装置识别采煤机位置的原理，设计的采煤机定位算法结合电液控制系统实现了采煤机位置的快速定位功能，并具备一定的容错能力。在实际应用过程中，准确的采煤机位置信息为煤矿井下自动化系统的稳定运行提供了可靠保障。

［1］ 李蒙，魏巍．液压支架电液控制器设计与实现［J］．煤炭科学技术，2011，39（4）：110－113．

［2］ 伍小杰，程尧，崔建民，等．液压支架电液控制系统设计［J］．煤炭科学技术，2011，39（4）：106－109．

［3］ 朱小林，李首滨．采煤机速度对综采工作面跟机自动化影响研究［J］．煤炭工程，2008（2）：79－81．

［4］ 张守祥，李首滨，张良．综采工作面监控信息系统研究［J］．煤炭工程，2001（8）：45－47．

［5］ 方新秋，何杰，张斌，等．无人工作面采煤机自主定位系统［J］．西安科技大学学报，2008（2）：349－353．

［6］ 方新秋，张雪峰．无人工作面开采关键技术［G］／／煤炭开采新理论与新技术论文集．徐州：中国矿业大学出版社，2006：55－59．

［7］ 樊启高，李摇威，王禹桥，等．一种采用捷联惯导的采煤机动态定位方法［J］．煤炭学报，2011（10）：1758－1761．