CN114701566B - 一种井工煤矿锚杆机履带行走设备智能调直系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及井工煤矿锚杆机履带行走设备技术领域，公开了一种井工煤矿锚杆机履带行走设备智能调直系统及方法。系统包括控制模块、方向传感器、速度传感器、通信模块和隔爆变频器，其中，所述速度传感器用于分别测量履带行走设备的左右履带的转速，所述方向传感器用于测量行走设备的角度，所述霍尔速度传感器和方向传感器的输出端通过通信模块与所述控制模块连接，所述控制模块的输出端与所述隔爆变频器的输入端连接，用于根据霍尔速度传感器和方向传感器的测量值，控制所述隔爆变频器调节左右履带的行走速度以及履带行走设备的行走方位角度。本发明可以提高设备作业效率，提升控制精度，减少辅助作业时间。
Description
技术领域
本发明涉及井工煤矿锚杆机履带行走设备技术领域，具体涉及一种井工煤矿锚杆机履带行走设备智能调直系统及方法。
背景技术
目前井工煤矿中，锚杆机行走方式为马达驱动，履带行走。左右履带各自拥有独立且相同的行走系统，互不干预。履带行走没有设置独立的转向系统，通过控制回路给左右两侧行走驱动输入相同的变量，使左右两侧履带具有相同的行驶速度，实现锚杆机直线行走，输入数值不等或方向不等的变量，实现锚杆机转向或掉头。但在实际中，即便给定完全相同的控制输入，两侧履带依然会因启动同步性、过程冲击、元器件的固有非线性因素及部件间接触、履带涨紧力差异、地面附着力等不同因素影响，导致设备出现“跑偏”现象，同时，跑偏量的大小也反映了设备动力传动系统的制造水平和设备的操控精度。“跑偏”对提高锚杆机的作业效率和操纵性都会产生不利影响，控制“跑偏”在允许范围，对提高锚护效率、锚护质量，提升井下设备无人驾驶、自动化锚钻的控制精度有着重要的意义。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种井工煤矿锚杆机履带行走设备智能调直系统及方法，以实现井工煤矿锚杆机履带行走设备的自动调直。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种井工煤矿锚杆机履带行走设备智能调直系统，包括控制模块、方向传感器、速度传感器、通信模块和隔爆变频器，其中，所述速度传感器用于分别测量履带行走设备的左右履带的转速，所述方向传感器用于测量行走设备的角度，所述霍尔速度传感器和方向传感器的输出端通过通信模块与所述控制模块连接，所述控制模块的输出端与所述隔爆变频器的输入端连接，用于根据霍尔速度传感器和方向传感器的测量值，控制所述隔爆变频器调节左右履带的行走速度以及履带行走设备的行走方位角度。
所述控制模块内设置有自适应模糊PID控制器，所述自适应模糊PID控制器的输入量为履带行走设备实时的行走方位角度和设定方位角度，其通过模糊推理自动整定PID参数KP、KI、KD，实时调整左右两侧隔爆型变频器输出的频率f和电压V，使履带行走设备实时的行走方位角度等于设定方位角度。
履带行走设备实时的位置偏移量St的计算方法为：
计算左右履带的行进速度的平均值；
结合左右履带的行进速度的平均值和履带宽度，计算履带行走设备的速度；
根据履带行走设备的速度，行走时间以及车辆当前偏转角，计算履带行走设备实时的位置偏移量St。
所述方向传感器为本安三维电子罗盘。
所述速度传感器为本安霍尔速度传感器，设置在所述履带行走设备的左右履带上。
此外，本发明还提供了一种井工煤矿锚杆机履带行走设备智能调直方法，采用所述的一种井工煤矿锚杆机履带行走设备智能调直系统，包括以下几个步骤:
S1、设备启动后，实时监测设备的方位角和左右履带的转速，计算位置偏移量St；
S2、判断位置偏移量是否大于偏移阈值，若大于，则控制隔爆变频器调节左右履带的行走速度，直至履带行走设备的行走方位角度等于α或360°-α；其中，α表示给定转向角度；若当前履带行走设备的行走方位角满足270°＜θt＜360°时，其行走方位角调整为α，若当前锚杆机行走方位角0°＜θt＜90°时，其行走方位角调整为360°-α；
S3、调节左右履带的行走速度保持一致，实时监测设备的方位角和左右履带的转速，计算位置偏移量，若偏移量减小到等于零，则控制隔爆变频器调节左右履带的行走速度，直至履带行走设备的行走方位角度等于0，则返回步骤S1。
所述给定转向角度α的取值范围为小于30°。
所述步骤S2～S4中，通过自适应模糊PID控制器控制隔爆变频器的输出电压和频率，进而调节左右履带的行走速度。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明能够对井下履带行走设备的直线行进路线进行实时监测，实现设备直线行走的自主纠偏，有效控制实际“跑偏量”处在允许范围之内，因此，本发明可以提高设备作业效率，提升控制精度，减少辅助作业时间。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的一种井工煤矿锚杆机履带行走设备智能调直系统的原理图；
图2为本发明实施例一中的PID控制原理图；
图3为本发明实施例一中的速度计算原理图；
图4为本发明实施例一中的位置偏移量的计算原理图；
图5为本发明实施例二提供的一种井工煤矿锚杆机履带行走设备智能调直方法的流程图；
图6为本发明实施例二的纠偏示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供了一种井工煤矿锚杆机履带行走设备智能调直系统，包括控制模块，三维电子罗盘、霍尔速度传感器、通信模块和隔爆变频器，其中，所述霍尔速度传感器分别设置在履带行走设备1的左右履带上，用于分别测量履带行走设备的左右履带的转速，所述方向传感器用于测量行走设备的角度，所述霍尔速度传感器和方向传感器的输出端通过通信模块与所述控制模块连接，所述控制模块的输出端与所述隔爆变频器的输入端连接，用于根据霍尔速度传感器和方向传感器的测量值，控制所述隔爆变频器调节左右履带的行走速度以及履带行走设备的行走方位角度。
具体地，如图2所示，本实施例中，所述控制模块内设置有自适应模糊PID控制器，所述自适应模糊PID控制器的输入量为履带行走设备实时的行走方位角度和设定方位角度，其通过模糊推理自动整定PID参数KP、KI、KD，实时调整左右两侧隔爆型变频器输出的频率f和电压V，使履带行走设备实时的行走方位角度等于设定方位角度。此外，所述自适应模糊PID控制器的输入量还可以为履带行走设备左右履带实时的转速，其通过模糊推理自动整定PID参数KP、KI、KD，实时调整左右两侧隔爆型变频器输出的频率f和电压V，使履带行走设备的左右履带的实时行走速度相同。
进一步地，本实施例中，自适应模糊PID控制器也可以采用CNN-PID控制器等其他类型控制器。
具体地，本实施例中，履带行走设备实时的位置偏移量St的计算方法为：
S1、计算左右履带的行进速度的平均值，结合履带行走设备的宽度，计算出履带行走设备的速度。
S2、根据履带行走设备的速度，行走时间以及车辆当前偏转角，计算履带行走设备实时的位置偏移量St。
假设左右履带的行进平均速度分别为v左和v右，履带行走设备的速度为v车，如图3所示，履带行走设备的宽度为B，连接各个速度矢量的端点与X轴交点为O’，其中，设备纵向为X轴，前行方向为Y轴的正向，其中x表示履带行走设备与交点O’的距离，则有如下关系：
通过式(1)，可以计算出履带行走设备的速度V车的表达式为：
参见下图4，根据三角函数关系可知，履带行走设备实时的位置偏移量St的表达式为：
St ＝sinθtv车t； (3)
其中，θt为履带行走设备的实时角度，t表示履带行走设备的行走时间。
具体地，本实施例中，所述方向传感器为本安三维电子罗盘。此外，方向传感器也可用激光雷达和深度相机组合。
具体地，本实施例中，所述速度传感器为本安霍尔速度传感器，本安霍尔速度传感器用来检测履带行进速度和方向，设置在所述履带行走设备的左右履带上。此外，左右履带的行进速度和方向也可以通过检测隔爆变频电机输出转速，或者行走减速器输出转速来实现。
进一步地，本实施例提供的一种井工煤矿锚杆机履带行走设备智能调直系统，也可以应用于井工煤矿其他履带或胶轮设备中。
实施例二
如图5所示，本实施例二提供了一种井工煤矿锚杆机履带行走设备智能调直方法，采用实施例一所述的一种井工煤矿锚杆机履带行走设备智能调直系统，包括以下几个步骤:
S1、设备启动后，实时监测设备的方位角和左右履带的转速，计算位置偏移量St。
如图6所示，系统启动并会自动记当前位置为O点，并以O为原点建立笛卡尔坐标系，此时设备纵向为X轴，前行方向为Y轴的正向，设备横向X轴，Y轴与X轴垂直，Z轴垂直地心。步骤S1中，位置偏移量St的计算方式与实施例一相同。
S2、判断位置偏移量是否大于偏移阈值ζ/2，若大于，则控制隔爆变频器调节左右履带的行走速度，直至履带行走设备的行走方位角度等于α或360°-α。
其中，α表示给定转向角度；若当前履带行走设备的行走方位角满足270°＜θt＜360°时，其行走方位角调整为α，若当前锚杆机行走方位角0°＜θt＜90°时，其行走方位角调整为360°-α。
具体地，本实施例中，所述给定转向角度α的取值范围为小于30°。
S3、调节左右履带的行走速度保持一致，实时监测设备的方位角和左右履带的转速，计算位置偏移量，若偏移量减小到等于零，则控制隔爆变频器调节左右履带的行走速度，直至履带行走设备的行走方位角度等于0，则返回步骤S1。
完成调整后控制履带行走设备沿调整后的方位角(α或360°-α)继续行走，同时继续监测偏移距离St，直至偏移距离St减小到零，说明行驶至OY轴线后，再次调整履带行走设备的方位角为0°，此时设备回到初始路线并回到初始状态，系统完成纠偏。此循环即能保证锚杆机沿既定方向直线行走时的“跑偏”始终在允许偏移范围ζ之内。
具体地，所述步骤S2～S3中，通过自适应模糊PID控制器控制隔爆变频器的输出电压和频率，进而调节左右履带的行走速度。
此外，步骤S3中，偏移距离St的计算公式为：
St＝St0-sinαv’车t1； (4)
其中，St0表示调整前的偏移距离，v’车表示履带行走设备的平均速度，t表示行走时间。
综上所述，本发明提供了一种井工煤矿锚杆机履带行走设备智能调直系统和方法，能够对井下履带行走设备的直线行进路线进行实时监测，实现设备直线行走的自主纠偏，有效控制实际“跑偏量”处在允许范围之内。可以提高设备作业效率，提升控制精度，减少辅助作业时间。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种井工煤矿锚杆机履带行走设备智能调直方法，其特征在于，采用的调直系统包括控制模块、方向传感器、速度传感器、通信模块和隔爆变频器，其中，所述速度传感器用于分别测量履带行走设备的左右履带的转速，所述方向传感器用于测量行走设备的角度，所述速度传感器和方向传感器的输出端通过通信模块与所述控制模块连接，所述控制模块的输出端与所述隔爆变频器的输入端连接，用于根据速度传感器和方向传感器的测量值，控制所述隔爆变频器调节左右履带的行走速度以及履带行走设备的行走方位角度，所述调直方法为：
S1、设备启动后，实时监测设备的方位角和左右履带的转速，计算位置偏移量St；
S2、判断位置偏移量是否大于偏移阈值，若大于，则控制隔爆变频器调节左右履带的行走速度，直至履带行走设备的行走方位角度等于α或360°-α；其中，α表示给定转向角度；若当前履带行走设备的行走方位角满足270°＜θt＜360°时，其行走方位角调整为α，若当前锚杆机行走方位角0°＜θt＜90°时，其行走方位角调整为360°-α；
S3、调节左右履带的行走速度保持一致，实时监测设备的方位角和左右履带的转速，计算位置偏移量，若偏移量减小到等于零，则控制隔爆变频器调节左右履带的行走速度，直至履带行走设备的行走方位角度等于0，则返回步骤S1。
2.根据权利要求1所述的一种井工煤矿锚杆机履带行走设备智能调直方法，其特征在于，所述控制模块内设置有自适应模糊PID控制器，所述自适应模糊PID控制器的输入量为履带行走设备实时的行走方位角度和设定方位角度，其通过模糊推理自动整定PID参数KP、KI、KD，实时调整左右两侧隔爆型变频器输出的频率f和电压V，使履带行走设备实时的行走方位角度等于设定方位角度。
3.根据权利要求2所述的一种井工煤矿锚杆机履带行走设备智能调直方法，其特征在于，履带行走设备实时的位置偏移量St的计算方法为：
计算左右履带的行进速度的平均值；
结合左右履带的行进速度的平均值和履带宽度，计算履带行走设备的速度；
根据履带行走设备的速度，行走时间以及车辆当前偏转角，计算履带行走设备实时的位置偏移量St。
4.根据权利要求1所述的一种井工煤矿锚杆机履带行走设备智能调直方法，其特征在于，所述方向传感器为本安三维电子罗盘。
5.根据权利要求1所述的一种井工煤矿锚杆机履带行走设备智能调直方法，其特征在于，所述速度传感器为本安霍尔速度传感器，设置在所述履带行走设备的左右履带上。
6.根据权利要求1所述的一种井工煤矿锚杆机履带行走设备智能调直方法，其特征在于，所述给定转向角度α的取值范围为小于30°。
7.根据权利要求1所述的一种井工煤矿锚杆机履带行走设备智能调直方法，其特征在于，所述步骤S2～S3中，通过自适应模糊PID控制器控制隔爆变频器的输出电压和频率，进而调节左右履带的行走速度。
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