采煤機煤巖自動識別裝置和方法

采煤機煤巖自動識別裝置和方法
【專利摘要】本發明公開一種采煤機煤巖自動識別的裝置與方法，該裝置包括接收天線、接收衰減模塊、接收混頻模塊、頻率可調脈沖發生模塊、AD轉換模塊、FPGA模塊、DA轉換模塊、發射混頻模塊、輸出衰減模塊、發射天線、振動傳感器、ARM模塊、扭矩傳感器以及人機交互模塊；所述方法包括人機交互步驟、數據采集步驟、數據濾波計算步驟、煤巖分界面識別步驟、數據傳輸步驟。該裝置利用多種識別手段，集預見性識別與即時性識別與一體，使二者相互補充，相互印證，提高了識別的精度和效率。
【專利說明】采煤機煤巖自動識別裝置和方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及采煤機自動控制領域，具體而言涉及一種采煤機煤巖自動識別裝置以 及基于該裝置的煤巖自動識別方法。

【背景技術】
[0002] 在采煤領域，提高識別煤層和巖石層分界面的準確度對于準確地掌握割煤力度、 保證煤質、準確計算回收率以及節約煤資源具有重要意義。傳統的通過人工打眼方法進行 煤巖識別，存在勞動強度大，生產效率低的弊端，已逐漸被通過物探手段進行的自動識別所 取代。目前研究熱點之一是如何通過煤巖分界面傳感機理來提高煤巖識別準確度，進而對 采煤機滾筒進行調高以保證割煤的準確度。
[0003] 煤巖分界面傳感機理，主要是通過獲取某些物理量在煤層和巖石層上具有不同的 反饋參數，然后利用計算機進行分析以對煤層和巖石層做出區分。比如通過獲取高頻射頻 電波在煤層和巖石層產生不同的反射，或者利用震動傳感器獲取在煤層和巖石層產生的不 同頻率的震動，或者利用扭矩傳感器獲取采煤機滾筒在接觸煤層和巖石層所輸出的不同扭 矩等。其中，通過電波反射可以提前判斷煤巖分界面，從而可以提前調整采煤機滾筒的高 度，但是因為煤巖層的復雜性，有時存在識別不準等情況，而通過振動和扭矩進行識別，屬 于即時識別，雖然準確度較高，但是沒有給采煤機控制系統或操作人員留出調整的時間余 量，只有在采煤機已經接觸到巖石層才會做出反饋，缺乏有效的預見性，使識別失去部分意 義。現有的采煤機的煤巖識別裝置也主要是通過獲取一兩種物理量進行煤巖識別，不能將 有效的預見性與即時的準確性相結合，或者有的只是進行識別，而不能與采煤機控制系統 進行有效結合，無法實現識別與采煤的自動一體化。


【發明內容】

[0004] 本發明的一個目的是提供一種采煤機煤巖自動識別裝置，該裝置利用多種識別手 段，集預見性識別與即時性識別與一體，使二者相互補充，相互印證，提高了識別的精度和 效率。
[0005] 為實現上述發明目的，本發明采取以下技術方案： 一種采煤機煤巖自動識別裝置，包括接收天線（1)和發射天線（10)，其特征在于：接收 天線（1)與接收衰減模塊（2)相連，接收衰減模塊（2)與接收混頻模塊（3)相連，接收混頻模 塊（3 )分別與頻率可調脈沖發生模塊（4)和AD轉換模塊（5 )相連，AD轉換模塊（5 )與FPGA 模塊（6 )相連，FPGA模塊（6 )分別與ARM模塊（12 )和DA轉換模塊（7 )相連，ARM模塊（12 ) 分別與振動傳感器（11 )、扭矩傳感器（13)和人機交互模塊（14)相連，DA轉換模塊（7)與發 射混頻模塊（8)相連，發射混頻模塊（8)分別與頻率可調脈沖發生模塊（4)和輸出衰減模塊 (9)相連，輸出衰減模塊（9)與發射天線（10)相連。
[0006] 優選的，所述FPGA模塊（6)采用xilinx公司Virtex-V系列FPGA，FF665管腳封 裝，采用XC5VSX50T芯片；所述AD轉換模塊（5)采用National Semiconductor公司的單通 道CMOS型ADC081000芯片；所述DA轉換模塊（7)采用ADI公司的AD9736轉換器；所述ARM 模塊（12)米用 Samsung Exynos 4412 芯片，基于 ARM Cortex_A9 內核，ARMv7 指令集。
[0007] 本發明的另一個目的是提供一種基于上述裝置的煤巖自動識別方法，通過以下步 驟實現： (a) 在人機交互模塊（14)設定操作參數并保存； (b) 經ARM模塊（12)控制FPGA模塊（6)并經過DA轉換模塊（7)和發射混頻模塊（8) 由發射天線（10)向采煤機滾筒前進方向的煤層和/或巖層發射高頻射頻信號； (c) 通過接收天線（1)和接收衰減模塊（2)采集反射的回波信號，并由接收混頻模塊 (3)進行下混頻，得到中頻信號，由頻率可調脈沖發生模塊（4)對中頻信號進行采樣，采樣 頻率不低于lGsps，所采集數據存儲在FPGA模塊（6)的存儲器內，并將數據傳送給ARM模 塊，同時由ARM模塊（12)采集震動傳感器（11)和扭矩傳感器（13)的信號，再由ARM模塊 (12)通過小波變換和粒子濾波算法實現數據濾波，消除采煤機震動和回波方向變化產生的 干擾，利用小波變換的調焦功能和頻率域一時間域雙重局部性來壓制噪聲； (d) 由ARM模塊（12)判斷濾波后的數據中的信號突變點，記錄下突變點的時間信息，由 ARM模塊（12)根據高頻射頻信號在工作物質中的傳播速度確定煤層和/或巖層的厚度，并 應用卡爾曼濾波技術和粒子濾波技術預測下一個采樣點的分界面信息； (e) ARM模塊（12)將工作物質厚度信息經通信口傳送給采煤機伺服控制系統，并由采 煤機伺服控制系統對搖臂進行位置控制。
[0008] 本發明的有益效果是，首次提出通過采用無線電波、振動和扭矩傳感器等手段相 結合來進行煤巖分界面的預見性識別與即時識別。本發明將采煤機前滾筒的運動看作是對 煤巖分解面的實時跟蹤過程，實時獲取煤巖分界面采樣點數據，通過擴展卡爾曼濾波技術 和粒子濾波技術消除由于采煤機震動、發射的回波方向變化產生的觀測數據的干擾，以提 高煤巖識別的精度，即便回波識別產生個別誤差使采煤機截割到巖層時，也可以通過振動 傳感器和扭矩傳感器即時感知并控制采煤機進行修正，避免現有識別裝置的弊端。同時采 用小波變換、粒子濾波和擴展卡爾曼濾波進行數據處理，可大大提高識別的精度，真正實現 綜采工作面采煤機割煤自動化，實現頂底煤順利開采，提高工作面回采率計算準確性。本發 明克服了以往綜采工作面回采過程中，依靠采煤機司機個人能力判斷割煤的高度和深度并 經常造成一定厚度頂底煤不能采出的弊端，避免了浪費煤炭資源，提高了經濟效益。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 圖1是本發明煤巖自動識別裝置結構示意圖。
[0010] 圖2是本發明工作原理示意框圖。

【具體實施方式】
[0011] 如圖1所示，本采煤機煤巖自動識別裝置中，接收天線1與接收衰減模塊2相連， 接收衰減模塊2與接收混頻模塊3相連，接收混頻模塊3分別與頻率可調脈沖發生模塊4 和AD轉換模塊5相連，AD轉換模塊5與FPGA模塊6相連，FPGA模塊6分別與ARM模塊12 和DA轉換模塊7相連，ARM模塊12分別與振動傳感器11、扭矩傳感器13和人機交互模塊 14相連，DA轉換模塊7與發射混頻模塊8相連，發射混頻模塊8分別與頻率可調脈沖發生 模塊4和輸出衰減模塊9相連，輸出衰減模塊9與發射天線10相連。
[0012] FPGA模塊可采用xi 1 inx公司的Virtex-V系列的FPGA，FF665管腳封裝，選 XC5VSX50T。采用XC5VSX系列的芯片的主要技術指標：基于65nm加工工藝，1. 2V內核供 電；6輸入查找表，最高330000 logic cells ;550MHz DCM時鐘管理；獨有的系統監控功能 協助管理系統可靠性；稀疏人字形架構的管腳分布減少同時開關噪聲高達7倍。
[0013] AD轉換模塊可選用National Semiconductor公司的單通道、低功耗CMOS型 ADC081000作為AD轉換芯片，其指標如下：最大采樣速率1. 7GSPS，典型值1 GSPS，精度 8Bits ;信噪比SNR=46. 3dB 01GSPS ;無雜散動態范圍SFDR=53dB @ 1GSPS ;微分非線性DNL =±0.15LSB;總諧波失真 THD=-53dB 01GSPS;有效位數 EN0B = 7.25Bits @ 1GSPS; + 1. 9V電源供電，1GSPS典型功耗1. 8W，靜態模式3. 5mW ;;輸入信號動態范圍：最大870mVpp ; 輸入模擬信號帶寬(全功率帶寬）FPBW=lGHz (_3dB)。
[0014] DA轉換模塊可使數據回放要求輸出信號帶寬達到500MHz。根據奈奎斯特采樣定 理，DAC的轉換速率應該不低于lOOOMsps。DAC可以采用ADI公司的AD9736,這款數摸轉換 器轉換精度達到了 14比特，轉換速度達到1200Msps。
[0015] 模擬儀器公司的AD9736的主要特點如下：高轉換速率，高分辨率：1200MspS， 14bit ;低功耗：1. lW@1200Msps ;高速數據接口 ：（DDR)LVDS，具有100歐內部端接；噪聲性 能優良：SFDR > 60 dBc to fOUT = 300 MHz& fdac = lOOOMsps ;MD > 81 dBc to fOUT = 300 MHz& fdac = lOOOMsps ;低信號失真：DNL = ± 0· 8 LSB ;INL = ± 1· 3 LSB ARM模塊主要負責觸摸屏控制及人機界面互動數據處理。考慮到部分數學運算特別是 小波計算要在ARM中實現，ARM需要選用較新內核產品。擬選用Samsung Exynos 4412芯 片，基于ARM Cortex-A9內核，ARMv7指令集，為四核處理器，主頻1. 4GHz-l. 6GHz，128/64位 內部總線結構，32/32KB的數據/指令一級緩存，1024KB的二級緩存，可以實現2000DMIPS (每秒2億指令集）的高性能運算能力。Exynos 4412采用32nm低功率制程，運算能力和功 耗比45nm的Exynos 4210提升25%和降低40%左右。運行Linux或android系統。另外 有ARM內核的單片LPC2368作為配置，控制輔助芯片，運行UcosII操作系統。
[0016] PLL倍頻模塊可采用芯片：ADF4350,輸出頻率范圍：137. 5MHz?4400MHz ;可編程 輸出功率；三線串行接口；混頻模塊可采用芯片：HMC557 ;頻率范圍：2. 5?7GHz ;寬中頻： DC?3GHz ;轉換損失：7dB ;本振/射頻隔離：大于40dB 可調衰減器可采用芯片：HMC624LP4/624LP4E ;可調衰減范圍0. 5dB?31. 5dB ;低插 損：2. 2dB@3. 5GHz ;單 3V 或 5V 供電 如圖2所示，采煤機煤巖自動識別的方法，包括如下步驟： (a)在人機交互模塊（14)設定操作參數并保存； 人機交互步驟，實現用戶界面要實現以下功能：（1)參數設置：可以實時修改設置系統 測試參數；（2)參數保存和加載：設置好的參數可以保存，下次使用可以直接加載；（3)對于 實時變化的數據采用圖形顯示方式顯示；（4)啟動/停止：實現啟動或停止功能；（5)系統 信息檢測：檢測當前系統的基本信息，如：時間、存儲容量、軟件信息、硬件信息等。
[0017] (b)經ARM模塊（12)控制FPGA模塊（6)并經過DA轉換模塊（7)和發射混頻模塊 (8)由發射天線（10)向采煤機滾筒前進方向的煤層和/或巖層發射高頻射頻信號； (c)通過接收天線（1)和接收衰減模塊（2)采集反射的回波信號，并由接收混頻模塊 (3)進行下混頻，得到中頻信號，由頻率可調脈沖發生模塊（4)對中頻信號進行采樣，采樣 頻率不低于lGsps，所采集數據存儲在FPGA模塊（6)的存儲器內，并將數據傳送給ARM模 塊，同時由ARM模塊（12)采集震動傳感器（11)和扭矩傳感器（13)的信號，再由ARM模塊 (12)通過小波變換和粒子濾波算法實現數據濾波，消除采煤機震動和回波方向變化產生的 干擾，利用小波變換的調焦功能和頻率域一時間域雙重局部性來壓制噪聲； (d) 由ARM模塊（12)判斷濾波后的數據中的信號突變點，記錄下突變點的時間信息，由 ARM模塊（12)根據高頻射頻信號在工作物質中的傳播速度確定煤層和/或巖層的厚度，并 應用卡爾曼濾波技術和粒子濾波技術預測下一個采樣點的分界面信息； (e) ARM模塊（12)將工作物質厚度信息經通信口傳送給采煤機伺服控制系統，并由采 煤機伺服控制系統對搖臂進行位置控制。
[0018] 為提高煤巖識別的實時性，確保煤巖識別速度與采煤機運行同步，小波變換需要 在高速FPGA內部實現；同時，煤巖識別裝置除了發送和接收高頻射頻信號外，還設有輔 助的振動傳感器和扭矩傳感器來測定米煤機截割頭截割時的受力狀況、截割電機和/或 回轉油缸的參數情況、以及截割頭受力狀況同截割電機和/或回轉油缸參數情況間的關 系，計算采煤機截割頭當前截割位置處礦巖的堅固系數f，并根據煤和軟巖f < 4,中硬巖 f彡4-8,硬巖f彡8-20 (最硬的巖石）；f彡1. 5的煤稱為軟煤，f = 1. 5-3. 0的煤稱為中 硬煤，f < 3. 0的煤稱為硬煤來輔助判別煤層和巖層。
【權利要求】
1. 一種采煤機煤巖自動識別裝置，包括接收天線（1)和發射天線（10)，其特征在于：接 收天線（1)與接收衰減模塊（2)相連，接收衰減模塊（2)與接收混頻模塊（3)相連，接收混 頻模塊（3)分別與頻率可調脈沖發生模塊（4)和AD轉換模塊（5)相連，AD轉換模塊（5)與 FPGA模塊（6 )相連，FPGA模塊（6 )分別與ARM模塊（12 )和DA轉換模塊（7 )相連，ARM模塊 (12)分別與振動傳感器（11)、扭矩傳感器（13)和人機交互模塊（14)相連，DA轉換模塊（7) 與發射混頻模塊（8)相連，發射混頻模塊（8)分別與頻率可調脈沖發生模塊（4)和輸出衰減 模塊（9)相連，輸出衰減模塊（9)與發射天線（10)相連。
2. 如權利要求1所述的采煤機煤巖自動識別裝置，其特征在于，所述FPGA模塊（6)采 用xilinx公司Virtex-V系列FPGA，FF665管腳封裝，采用XC5VSX50T芯片；所述AD轉換 模塊（5)采用National Semiconductor公司的單通道CMOS型ADC081000芯片；所述DA轉 換模塊（7)采用ADI公司的AD9736轉換器；所述ARM模塊（12)采用Samsung Exynos 4412 芯片，基于ARM Cortex-A9內核，ARMv7指令集。
3. -種基于權利要求1或2所述的米煤機煤巖自動識別裝置的煤巖自動識別方法，其 特征在于包括如下步驟： (a) 在人機交互模塊（14)設定操作參數并保存； (b) 經ARM模塊（12)控制FPGA模塊（6)并經過DA轉換模塊（7)和發射混頻模塊（8) 由發射天線（10)向采煤機滾筒前進方向的煤層和/或巖層發射高頻射頻信號； (c) 通過接收天線（1)和接收衰減模塊（2)采集反射的回波信號，并由接收混頻模塊 (3)進行下混頻，得到中頻信號，由頻率可調脈沖發生模塊（4)對中頻信號進行采樣，采樣頻 率不低于lGsps，所采集數據存儲在FPGA模塊（6)的存儲器內，并將數據傳送給ARM模塊 (12 )，同時由ARM模塊（12 )采集震動傳感器（11)和扭矩傳感器（13 )的信號，再由ARM模 塊（12)通過小波變換和粒子濾波算法實現數據濾波，消除采煤機震動和回波方向變化產生 的干擾，利用小波變換的調焦功能和頻率域一時間域雙重局部性來壓制噪聲； (d) 由ARM模塊（12)判斷濾波后的數據中的信號突變點，記錄下突變點的時間信息，由 ARM模塊（12)根據高頻射頻信號在工作物質中的傳播速度確定煤層和/或巖層的厚度，并 應用卡爾曼濾波技術和粒子濾波技術預測下一個采樣點的分界面信息； (e) ARM模塊（12)將工作物質厚度信息經通信口傳送給采煤機伺服控制系統，并由采 煤機伺服控制系統對搖臂進行位置控制。
【文檔編號】G01N23/00GK104215649SQ201410444401
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月3日 優先權日:2014年9月3日
【發明者】劉志高, 悅紅軍, 王佳偉 申請人:北京華安奧特科技有限公司