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基于GA-BP网络的掘进机截割臂摆速控制策略与仿真

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煤炭学报 2021年第S1期46卷 511-519页

作者：宗凯符世琛吴淼褚福磊清华大学机械工程系北京100084 中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院北京100083

针对掘进机截割过程中煤岩硬度急剧变化时,截割臂的摆动速度无法迅速调节以适应当前截割载荷这一实际问题,本文提出了一种基于BP神经网络的截割臂摆速控制策略,通过控制截割臂摆速来实现截割电机恒功率输出。在该策略中,提出了一种基于... 详细信息

针对掘进机截割过程中煤岩硬度急剧变化时,截割臂的摆动速度无法迅速调节以适应当前截割载荷这一实际问题,本文提出了一种基于BP神经网络的截割臂摆速控制策略,通过控制截割臂摆速来实现截割电机恒功率输出。在该策略中,提出了一种基于多参数判据的截割载荷变化判定方法,根据截割电机的电压和电流,截割臂驱动油缸的压力和截割臂振动加速度这4个掘进机工作状态参数的变化来准确判断截割载荷的变化。为实现恒功率截割,设计一个BP神经网络来保证截割电机的输出功率恒等于其额定功率;基于井下实测数据,获取BP神经网络的训练样本;针对BP神经网络的输出稳定性问题,采用遗传算法(GA)对BP神经网络进行优化,使其获得更优的性能,且训练耗时和迭代次数大幅降低。建立截割臂系统的数学模型,针对截割臂横向截割和纵向截割2种工况,采用Simulink仿真方法建立了截割臂摆速仿真控制系统,并对提出的截割臂摆速控制策略进行了仿真研究。结果表明:截割臂摆速能够针对不同的截割载荷输入信号进行自适应调节,且截割臂摆速变化量在0.2 s之后处于恒定状态,具有较高的控制精度和较快的响应速度。所提出的截割臂摆速自适应控制策略能够为保证掘进机恒功率截割,延长掘进机使用寿命和提高巷道掘进效率提供一定的理论指导和实践参考。

关键词：悬臂式掘进机截割臂摆速控制截割载荷变化判定方法 BP神经网络遗传算法(GA)

基于分形盒维数和小波包能量矩的垮落煤岩性状识别

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煤炭学报 2017年第3期42卷 803-808页

作者：李一鸣符世琛焦亚博吴淼中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院北京100083

针对综放工作面垮落煤岩性状识别的技术问题,采集了综放开采现场垮落煤岩冲击液压支架后尾梁的振动信号,提出了一种基于分形盒维数和小波包能量矩的识别方法。该方法结合分形盒维数对非线性信号整体定量描述的特点和小波包能量矩对非线... 详细信息

针对综放工作面垮落煤岩性状识别的技术问题,采集了综放开采现场垮落煤岩冲击液压支架后尾梁的振动信号,提出了一种基于分形盒维数和小波包能量矩的识别方法。该方法结合分形盒维数对非线性信号整体定量描述的特点和小波包能量矩对非线性信号在各频带精细描述的特点,先对振动信号进行分形特征分析,求出其盒维数,然后对振动信号进行小波包变换,并计算各频带的能量矩。以分形盒维数和小波包能量矩构造特征向量,并作为BP神经网络的输入来识别顶煤垮落和顶板岩石垮落两种工况。试验结果表明:分形盒维数和小波包能量矩构造的特征向量可用于识别垮落煤岩,识别率达到95%。

关键词：综放开采煤岩性状识别分形盒维数小波包能量矩 BP神经网络

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基于小波包熵和流形学习的垮落煤岩识别

煤炭学报 2017年第S2期42卷 585-593页

作者：李一鸣符世琛周俊莹宗凯李瑞吴淼中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院北京100083

针对垮落煤岩识别的技术问题,基于垮落煤岩冲击液压支架后尾梁的振动信号,提出了一种基于小波包熵和流形学习的特征提取方法。该方法首先对振动信号进行小波包分解并单支重构,计算该信号的小波包能量熵,从而确定信号能量分布的复杂度,... 详细信息

针对垮落煤岩识别的技术问题,基于垮落煤岩冲击液压支架后尾梁的振动信号,提出了一种基于小波包熵和流形学习的特征提取方法。该方法首先对振动信号进行小波包分解并单支重构,计算该信号的小波包能量熵,从而确定信号能量分布的复杂度,计算各频带的样本熵,从而确定各频带小波包系数的复杂度。以小波包能量熵和频带样本熵构造特征向量,输入BP神经网络识别垮落煤岩。然后利用局部线性嵌入(LLE)挖掘特征向量的低维流形结构,并输入神经网络对比其识别效果。并提出了未知样本低维估计方法以得到其低维嵌入。结果表明:基于小波包熵和LLE提取的特征向量准确又简单,输入神经网络识别率达到92.5%;基于低维估计方法得到的未知样本低维嵌入也较准确。

关键词：垮落煤岩识别小波包能量熵样本熵流形学习 BP神经网络

基于TSOA定位原理混合算法的掘进机位姿检测方法

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煤炭学报 2019年第4期44卷 1255-1264页

作者：刘超符世琛成龙刘丹沈阳吴淼中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院北京100083

为实现掘进机的位姿检测,提出了一种面向掘进机的混合算法的位姿检测方法。基于超宽带(Ultra-wideband)测距和(Time Summation of Arrival,TSOA)定位原理,系统地推导了混合算法的计算过程,将间接法得到的定位点初始坐标代入Taylor级数... 详细信息

为实现掘进机的位姿检测,提出了一种面向掘进机的混合算法的位姿检测方法。基于超宽带(Ultra-wideband)测距和(Time Summation of Arrival,TSOA)定位原理,系统地推导了混合算法的计算过程,将间接法得到的定位点初始坐标代入Taylor级数展开法,循环迭代,通过混合算法得到了掘进机的坐标值,将坐标值代入姿态角解算公式得到了掘进机的姿态角。实际实验中需要其他测量方式的标定才可验证真值,且任何测量方式均有误差,因此基于MATLAB进行仿真分析研究规律。绘制了混合算法程序流程图,仿真对比了间接法和混合算法在15 m和90 m的定位点空间分布状态、三轴误差,以及2种算法在10～100 m的测量范围内定位点均方根误差和三轴均方根误差变化情况,分析了混合算法在15 m和90 m的姿态角精度,仿真结果表明:混合算法的定位性能优于间接法,精度高于间接法,姿态角误差可控制在0. 008°以下。搭建了掘进机位姿检测系统实验平台,在模拟巷道中进行了实验验证,完整地采集了UWB测距的相关数据,在MATLAB中通过曲线拟合绘制了误差随距离变化的曲线图,得到了误差随测量距离变化的规律,实验结果表明:在3～94 m测量范围内,X轴误差可控制在4 cm以内,Y轴误差可达到毫米级,Z轴误差随测量距离增大而增大。为实现综掘装备的自主导控提供了理论基础。

关键词：掘进机位姿检测混合算法 TSOA定位原理超宽带 Taylor级数展开精度分析

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面向掘进机的超宽带位姿协同检测方法

煤炭学报 2018年第10期43卷 2918-2925页

作者：符世琛成龙陈慎金王鹏江宗凯吴淼中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院北京100083

为符合安全高效生产对掘进机作业的要求,提出了一种面向掘进机的超宽带位姿协同检测方法。依据TDOA(波达时间差)定位原理及P440模块的测距信息建立定位模型,利用协同定位算法得到定位点坐标的最终估计值。对比Chan算法与协同算法的定位... 详细信息

为符合安全高效生产对掘进机作业的要求,提出了一种面向掘进机的超宽带位姿协同检测方法。依据TDOA(波达时间差)定位原理及P440模块的测距信息建立定位模型,利用协同定位算法得到定位点坐标的最终估计值。对比Chan算法与协同算法的定位点仿真分布,并分析协同算法的三轴定位精度。建立了空间全断面定位误差场,得出协同算法的空间定位精度变化规律。对机身定位点进行布局设计,解算得到掘进机的姿态角。结果表明:在90 m范围内,协同算法的Y轴定位误差基本上可以保持2 mm,而X轴、Z轴定位误差由0. 4至4 cm呈线性增加。随测量距离的增大,在巷道X-Y断面上,定位误差呈线性增加;在巷道X-Z断面上,定位误差的随机性增加。姿态角误差均由0. 2°至1. 5°呈线性增加,满足掘进机位姿检测精度的需求。

关键词：掘进机 TDOA Chan算法泰勒展开精度分析位姿检测

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面向掘进机的超宽带位姿检测系统精度分析

仪器仪表学报 2017年第8期38卷 1978-1987页

作者：符世琛李一鸣宗凯张敏骏吴淼中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院北京100083

为实现悬臂式掘进机的无人化作业,提出了一种基于超宽带(UWB)测距技术的位姿检测方法;通过分析悬臂式掘进机工况环境及局域定位技术原理,设计了UWB位姿检测系统,该系统利用4个搭载UWB模块的移动基站机器人对机身节点进行测距,经过解算... 详细信息

为实现悬臂式掘进机的无人化作业,提出了一种基于超宽带(UWB)测距技术的位姿检测方法;通过分析悬臂式掘进机工况环境及局域定位技术原理,设计了UWB位姿检测系统,该系统利用4个搭载UWB模块的移动基站机器人对机身节点进行测距,经过解算测距信息得到掘进机位姿参数;并开展了狭长封闭巷道中的UWB测距精度验证实验,仿真分析了基于直接解析法和基于Caffery算法的系统位姿精度。研究表明UWB模块在狭长封闭巷道中的测距精度可达2 cm,系统三轴定位精度在10~95 m的狭长封闭空间中从4 mm^3 cm呈线性增加,系统航向角、俯仰角、横滚角精度从0.2°~1.5°呈线性增加,满足悬臂式掘进机位姿检测精度要求,为掘进机自主巡航的实现提供了基础。

关键词：悬臂式掘进机狭长封闭巷道超宽带位姿检测精度分析

基于多感知方式组合测量的采煤机位姿检测系统研究

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煤炭科学技术 2021年第11期49卷 218-224页

作者：张子悦符世琛刘超李永泽兰玉吴淼中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院北京100083

近年来我国煤矿井下瓦斯爆炸、透水等安全事故频发,严重威胁矿工生命安全。为实现煤矿井下综采工作面采煤机位姿无人化、高精度检测,改善矿工的工作环境,提高煤矿机械化、自动化程度,对比了现有的检测综采工作面上采煤机实时位姿的技术... 详细信息

近年来我国煤矿井下瓦斯爆炸、透水等安全事故频发,严重威胁矿工生命安全。为实现煤矿井下综采工作面采煤机位姿无人化、高精度检测,改善矿工的工作环境,提高煤矿机械化、自动化程度,对比了现有的检测综采工作面上采煤机实时位姿的技术方法,提出了一种基于多感知方式组合测量的采煤机位姿检测系统,该系统采用全站仪和UWB(Ultra Wide-band)定位系统组合测量采煤机的空间位置坐标,采用倾角传感器和寻北仪组合测量采煤机的姿态角(航向角、横滚角、俯仰角);建立了系统的三维模型,将全站仪安装在区段运输平巷与运输上山的交点处,将UWB固定基站群安装至综采工作面与区段运输平巷交点的转载机处。为实现UWB移动基站移站时的自主标定,液压支架顶端和底端分别安装UWB模块,将UWB定位节点安装至采煤机机身,将倾角传感器和寻北仪安装至采煤机机身。推导了全站仪与UWB固定基站群的坐标的测量方法,UWB定位系统基于TOA(Time of Arrival)定位模型的CT(Caffery-Taylor)算法以及全站仪坐标系与UWB固定基站群坐标系间的坐标变换矩阵。详细介绍了采煤机倾角传感器和寻北仪的系统结构和工作原理,分析了该系统在实际应用中的受限因素,并简要提出了相应的改善方案。该系统理论上可实现采煤机在综采工作面中的实时位姿检测,为系统仿真分析和试验平台搭建提供了理论参考。

关键词：采煤机组合测量位姿检测全站仪 UWB系统倾角传感器寻北仪

基于小波包能量流和LTSA的垮落煤岩特征提取

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煤炭学报 2018年第B6期43卷 331-337页

作者：李一鸣符世琛周俊莹宗凯李瑞吴淼中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院北京100083

针对综放工作面垮落煤岩识别的技术问题,采集了放煤过程中垮落煤岩冲击液压支架后尾梁的振动信号,并提出了一种基于小波包能量流和LTSA的特征提取方法。该方法首先利用小波包变换把振动信号分解成一系列的时频子空间;为了观察原信号能... 详细信息

针对综放工作面垮落煤岩识别的技术问题,采集了放煤过程中垮落煤岩冲击液压支架后尾梁的振动信号,并提出了一种基于小波包能量流和LTSA的特征提取方法。该方法首先利用小波包变换把振动信号分解成一系列的时频子空间;为了观察原信号能量在各层时频子空间的分布特征,计算了小波包分解每一层各个时频子空间的能量,构成了一个小波包能量矩阵,称为小波包能量流;然后利用局部切空间排列(Local Tangent Space Alignment,LTSA)挖掘小波包能量流的低维流形。为了验证小波包能量流低维流形的有效性,把该特征向量输入BP神经网络来识别垮落煤岩。结果表明:基于小波包能量流和LTSA提取的特征向量可以准确简约地表征垮落煤岩,BP神经网络的识别率达到100%。

关键词：垮落煤岩识别小波包能量流 LTSA BP神经网络

基于超宽带技术的掘进机自主定位定向方法研究

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煤炭学报 2015年第11期40卷 2603-2610页

作者：符世琛李一鸣杨健健贾文浩陶云飞宗凯张敏骏吴淼中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院北京100083

针对煤矿井下综掘工作面的实际工况,提出了一种基于超宽带定位技术的悬臂式掘进机自主定位定向方法,建立了该方法的数学计算模型及误差随距离分布模型,并验证了该方法的可行性。分析结果表明:在满足煤炭巷道成型标准的情况下,该系统的... 详细信息

针对煤矿井下综掘工作面的实际工况,提出了一种基于超宽带定位技术的悬臂式掘进机自主定位定向方法,建立了该方法的数学计算模型及误差随距离分布模型,并验证了该方法的可行性。分析结果表明:在满足煤炭巷道成型标准的情况下,该系统的自主探测范围可达400 m左右。为了进一步提高自主测量范围,提出了一种定位基站自主标定方法,可实现掘进机巡航参数的跟随性测量,减少综掘人员的井下作业时间。该项研究可有效防止因偏掘引起的巷道错位,实时提供掘进机位置状态及位姿参数,为实现掘进机自主巡航奠定基础,满足深部危险煤层开采的无人化需求。

关键词：超宽带掘进机自主巡航定位定向