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基于加速度计的顶煤运移时间测量系统

李增林 靳舒凯 刘安强 张权 员明涛 康俊瑄 杨克虎

李增林,靳舒凯,刘安强,等. 基于加速度计的顶煤运移时间测量系统[J]. 工矿自动化,2022,48(7):73-80.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022060089
引用本文: 李增林,靳舒凯,刘安强,等. 基于加速度计的顶煤运移时间测量系统[J]. 工矿自动化,2022,48(7):73-80.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022060089
LI Zenglin, JIN Shukai, LIU Anqiang, et al. Top coal migration time measurement system based on accelerometer[J]. Journal of Mine Automation,2022,48(7):73-80.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022060089
Citation: LI Zenglin, JIN Shukai, LIU Anqiang, et al. Top coal migration time measurement system based on accelerometer[J]. Journal of Mine Automation,2022,48(7):73-80.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022060089

基于加速度计的顶煤运移时间测量系统

doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022060089
基金项目: 国家自然科学基金项目(61936008,61973307)。
详细信息
    作者简介:

    李增林(1973-),男,陕西富平人,高级工程师,主要从事放顶煤开采等方面的研究工作,E-mail:603042517@qq.com

    通讯作者:

    杨克虎(1982-),男,湖北仙桃人,教授,博士,博士研究生导师,主要从事煤矿智能开采、电力电子变换器建模与控制等方面的研究工作,E-mail:ykh@cumtb.edu.cn

  • 中图分类号: TD67

Top coal migration time measurement system based on accelerometer

  • 摘要: 多轮顺序记忆放煤工艺能够改善综采工作面的顶煤采出率和含矸率,但在现场应用中需要对每一轮放煤时间进行精确测定与控制。基于顶煤运移跟踪仪的自动化放煤技术在实际应用中顶煤运移跟踪仪仅作为标志点安置于顶煤中,无法获得更多的顶煤运移信息。针对上述问题,基于顶煤运移跟踪仪,设计了一种基于加速度计的顶煤运移时间测量系统,该系统包括标签、采集器及中心计算机3个部分。标签放置于顶煤内部,放煤过程中跟随顶煤运动,通过内置的加速度计实时采集比力值数据,并调用时间测量算法,实现顶煤运移情况监测,进而确定不同放煤阶段,计算得出不同阶段的顶煤运移时间信息;当标签从放煤口放出后,与刮板输送带产生碰撞,通过射频信号将顶煤运移时间信息向外发送给采集器,通过现场总线进一步传输至中心计算机,指导综采工作面现场实现多轮顺序放煤。详细介绍了顶煤运移时间测量标签的软硬件设计,实现了比力值实时采集、无线信号传输、数据存储等功能;搭建了以3D转台为核心,Gauss-Newton方法为标定算法的标定平台,完成了加速度计的标定工作,标定后的加速度计能够准确采集顶煤运移时间测量标签的比力值;根据顶煤在放煤过程中的运移特点,提出了基于阈值的时间测量算法及基于长短期记忆(LSTM)的时间测量算法。基于阈值的时间测量算法通过引入静态阈值、最大阈值实现运动阶段的时间识别;基于LSTM的时间测量算法通过识别时域下比力值矢量和的动态变化,寻找突变点,实现运动阶段的时间识别。通过标签的自由落体实验完成了2种时间测量算法的性能测试,其中时间测量方差分别为0.000 6、0.000 2,时间测量误差分别为13.07%、5.22%,满足现场顶煤运移时间测量需求,基于LSTM的时间测量算法在顶煤运移时间测量具有明显的应用优势。

     

  • 图  1  顶煤运移时间测量系统结构

    Figure  1.  Structure of top coal migration time measurement system

    图  2  时间测量标签硬件框图

    Figure  2.  Hardware block diagram of time measurement label

    图  3  时间测量标签实物

    Figure  3.  Material object of time measurement label

    图  4  时间测量标签软件设计

    Figure  4.  Time measurement label software design

    图  5  未标定加速度计的比力值矢量和F测量曲线

    Figure  5.  Specific force vector sum F measurement curve of non-calibrated accelerometer

    图  6  标定平台

    Figure  6.  Calibration platform

    图  7  标定前后比力值矢量和F的测量曲线

    Figure  7.  Specific force vector sum F measurement curve before and after calibration

    图  8  放煤过程中比力值矢量和F模拟曲线

    Figure  8.  Specific force vector sum F simulating curve in the coal drawing process

    图  9  损失值变化曲线

    Figure  9.  Loss value curve

    图  10  LSTM算法识别曲线突变点

    Figure  10.  Mutation points of identification curve based on LSTM algorithm

    表  1  标定参数设置

    Table  1.   Calibration parameter setting

    参数数值
    采样次数100
    迭代步数itmax10 000
    收敛阈值ε1×10−10
    初始值[1,1,1,0,0,0,0,0,0]
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    表  2  标定前后比力值矢量和F对比

    Table  2.   Comparison of specific force vector sum F before and after calibration

    比力值矢量和 标定前标定后
    平均值/g1.016 7390.999 988
    方差0.013 1540.000 004 7
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    表  3  时间测量标签静止实验

    Table  3.   Stationary experiment of time measurement label

    标签标签
    姿势
    比力值矢量和
    平均值/g方差
    标签1 1 1.013228 4.05×10−5
    2 1.019693 1.59×10−5
    3 1.000189 3.46×10−5
    4 1.000916 2.61×10−5
    标签2 1 0.996145 2.82×10−5
    2 1.008506 2.76×10−5
    3 0.99687 1.52×10−5
    4 1.006726 1.76×10−5
    标签3 1 0.986678 2.81×10−5
    2 0.966817 1.87×10−5
    3 1.031543 2.57×10−5
    4 0.996493 4.03×10−5
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    表  4  时间测量标签自由落体实验

    Table  4.   Free-fall experiment of time measurement label g

    标签落地时比力值矢量和
    标签112.87,10.10,11.52,15.13,2.26,8.47,16.74,4.36,8.80,14.14,
    5.14,15.29,13.13,3.46,6.36,14.34,3.25,17.38,5.37,13.36
    标签213.91,8.34,16.37,2.06,2.83,19.30,13.45,13.22,15.93,5.46,
    6.23,11.71,2.29,11.97,17.03,16.92,15.00,9.41,8.18,7.30
    标签314.52,2.46,21.63,2.28,21.25,15.88,12.28,22.32,9.59,16.71,
    13.22,15.65,5.02,5.27,6.05,14.62,20.55,12.19,18.69,11.90
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    表  5  基于阈值的时间测量算法的测量结果

    Table  5.   Time measurement results of time measurement algorithm based on state threshold ms

    标签下落时间
    标签1510.9,529.9,509.0,513.0,487.9,487.9,529.9,509.0,510.9,490.0,
    487.9,552.9,532.0,553.0,510.9,513.0,490.0,490.0,487.9,472.9
    标签2515.0,515.0,463.9,509.0,467.0,529.9,509.0,509.0,551.0,490.0,
    510.9,469.0,490.0,487.9,509.0,552.0,470.9,490.0,510.9,490.0
    标签3529.9,509.0,536.0,469.0,534.0,552.0,529.9,532.0,555.0,555.0,
    509.0,532.0,487.9,467.0,509.0,551.0,529.9,509.0,533.9,509.0
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    表  6  基于LSTM的时间测量算法的时间测量结果

    Table  6.   Time measurement results of time measurement algorithm based on LSTM algorithm ms

    标签下落时间
    标签1466.4,484.7,493.6,484.7,492.1,466.7,484.7,475.7,493.7,484.7,
    475.8,466.8,475.8,475.7,493.7,484.5,493.9,484.8,484.9,484.8
    标签2475.6,493.4,494.0,457.5,448.8,448.8,440.1,457.8,457.8,457.9,
    475.5,458.0,475.7,475.7,479.1,457.7,484.6,475.8,466.5,484.9
    标签3466.4,484.7,493.6,484.7,492.1,466.7,484.7,475.7,493.7,484.7,
    475.8,466.8,475.8,475.7,493.7,484.5,493.9,484.8,484.9,484.8
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-06-23
  • 修回日期:  2022-07-12
  • 网络出版日期:  2022-08-09

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