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液压支架自主跟机关键技术研究

张霖  
【摘要】:综采工作面的“少人化”和“无人化”对于实现煤矿安全高效生产具有重要意义,液压支架作为煤矿综采工作面关键机电装备之一,其自动化和智能化水平直接影响着整个综采工作面的安全生产和开采效率,而自主跟机控制是实现液压支架智能化的必要条件。当前的电液控制液压支架基本实现了设定程序模式下的自动化跟机控制,还不能满足液压支架智能控制的需求。因此,有必要针对液压支架的自主跟机控制关键技术进行研究,为综采工作面提供更为智能可靠的安全支护保障,进而提高煤矿综采工作面的智能化开采水平。本文以液压支架自主跟机控制为目标,针对液压支架位姿监测、跟机决策以及自主调控等关键技术进行了深入研究,主要研究成果如下:(1)研究了液压支架的自主跟机原理,建立了液压支架自主跟机模型,搭建了液压支架自主跟机控制系统的总体架构,进行了控制系统设计,并分析了液压支架自主跟机控制系统的硬件与软件组成。(2)分析了理想与非理想状态下的液压支架支护位姿,设计并定义了液压支架自主跟机过程中的工作空间及其状态变量,建立了液压支架支护位姿运动学模型,实现了液压支架各工作空间的相互转换,并基于BP神经网络非线性拟合方法,实现了由位姿空间向驱动空间的最优转换。(3)建立了基于推移位移与刮板输送机中部槽姿态的液压支架推移位姿直线度评价模型,提出了基于推移状态模式识别的液压支架推移位移分段感知方法,利用多类SVM实现了液压支架推移状态模式识别,并通过改进果蝇算法优化了Kalman滤波的Q和R协方差矩阵,采用不同的Kalman状态空间转换模型实现了不同分段内的液压支架推移位移估计。(4)在实现图像的自适应双树复小波阈值去噪的基础上,基于病毒入侵搜索算法改进了EPnP相对位姿估计算法,感知液压支架与采煤机相对位姿,获取采煤机位置信息与截割干涉状态,并基于按序跟机与按需调节的两步调控方法,实现了液压支架自主跟机控制。本文设计并研发了具有自主跟机功能的液压支架控制系统,并在中国矿业大学智能采掘装备实验室和中煤张家口煤矿机械有限责任公司进行了地面实验,实验结果表明:该自主跟机控制系统能够根据液压支架与采煤机位置与截割干涉状态的变化,实现液压支架的自主调控,提高了液压支架跟机控制的智能化水平。本课题研究成果对于推动“少人化”或“无人化”开采具有重要意义。


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