[發(fā)明專利]一種基于聲陣列的采煤機精確定位系統(tǒng)及其方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010721900.0
• 申請日: 2020-07-24
• 公開（公告）號: CN111812589A
• 公開（公告）日: 2020-10-23
• 發(fā)明（設計）人: 許靜;許杰;張忠宇;趙新旭;楊寅威;王忠賓;吳百公;蘇貞;李小虎
• 申請（專利權）人: 江蘇科技大學;中國礦業(yè)大學
• 主分類號: G01S5/22
• 分類號: G01S5/22
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 徐澍

1.一種基于聲陣列的采煤機精確定位系統(tǒng)，其特征在于，包括通過通訊模塊進行相互通訊聯(lián)接于綜采工作面環(huán)網(wǎng)的綜采工作面采煤機、采煤機機載控制器、安裝在采煤機上的主動式聲發(fā)射裝置、安裝在綜采工作面進風側端頭的聲音傳感器陣列、與聲音傳感器陣列配合使用的計算處理裝置；

所述的主動式聲發(fā)射裝置與采煤機機載控制器相連，并接入到綜采工作面環(huán)網(wǎng)中；采煤機機載控制器用于每間隔一時間T給主動式聲發(fā)射裝置一個指令，控制其發(fā)出指定波形的聲音信號；

所述的聲音傳感器陣列包括3個空間分布的聲音傳感器；所述的3個聲音傳感器安裝在計算處理裝置的周邊，其空間分布位置不處于同一條直線；聲音傳感器用于接收主動式聲發(fā)射裝置所發(fā)出的聲音信號，同時接收到綜采工作面其他設備運行聲音信號以及噪聲信號；

所述計算處理裝置用于實現(xiàn)采煤機精確定位算法，該裝置包括用于數(shù)據(jù)在線分析計算的核心處理器，用于數(shù)據(jù)歸檔與參數(shù)儲存的數(shù)據(jù)存儲器，用于同步3個聲音傳感器時鐘的同步時鐘電路，用于和綜采工作面環(huán)網(wǎng)通訊的通訊模塊，用于采集并轉換3路聲音傳感器信號的信號采集模塊，供電用電源電路，本安兼隔爆型外殼。

2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于聲陣列的采煤機精確定位系統(tǒng)，其特征在于，所述的主動式聲發(fā)射裝置安裝在采煤機機身上或安裝在采煤機內(nèi)部隔爆腔體內(nèi)；安裝在采煤機機身上時，具有相應的防爆外殼和防撞擊裝置。

3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于聲陣列的采煤機精確定位系統(tǒng)，其特征在于，所述的核心處理器采用基于SoC平臺或Atom平臺的超微型計算器。

4.一種采用權利要求1至3任一項所述系統(tǒng)的基于聲陣列的采煤機精確定位方法，其特征在于，根據(jù)主動式聲發(fā)射裝置所發(fā)出的聲音信號波形到達3個空間分布于計算處理裝置周邊的聲音傳感器時間的不同，來測定并計算采煤機的精確位置，包括以下步驟：

步驟1.定義空間坐標系：坐標原點為計算處理裝置的幾何中心點，Z軸正方向為鉛直向上的方向，X軸正方向為面向煤壁向右并與Z軸呈90°夾角的方向，Y軸正方向為垂直于XOZ平面并指向煤壁的方向；

步驟2.根據(jù)計算處理裝置的幾何尺寸和3個聲音傳感器的空間布置，可獲知3個聲音傳感器的空間位置分別為(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)；

步驟3.主動式聲發(fā)射裝置發(fā)出聲音信號，控制指令由采煤機機載控制器發(fā)出，聲音信號需盡量避開綜采工作面采煤機及其他設備所發(fā)出聲音的頻率區(qū)間；根據(jù)事先獲知的綜采工作面采煤機及其他設備運行過程中所發(fā)出聲音信號和主動式聲發(fā)射裝置所發(fā)出的聲音信號特征，結合聲源分離算法，分離出聲主動式發(fā)射裝置所發(fā)出的信號波形；

步驟4.計算處理裝置啟動后持續(xù)接受3個聲音傳感器采集到的綜采工作面聲音信號，并進行分析計算；

步驟5.由于3個聲音傳感器為空間分布，所以主動式聲發(fā)射裝置到各個聲音傳感器的距離各不相同；根據(jù)3個通道分離結果，每個通道分離出的信號起始時間點距離0時刻點的時間差分別記為t1，t2，t3，聲音信號的傳播速度為常量c，其主動式聲發(fā)射裝置的空間坐標計算公式如下：

其中，

步驟6.根據(jù)步驟5所述的3個相互獨立的方程可求解出主動式聲發(fā)射裝置的幾何中心點即空間位置(xL,yL,zL)；最后根據(jù)主動式聲發(fā)射裝置的位置、幾何尺寸以及采煤機的幾何尺寸，則可確定采煤機的空間位置(xc,yc,zc)。

5.根據(jù)權利要求4所述的一種基于聲陣列的采煤機精確定位方法，其特征在于，在步驟3中所述的避開綜采工作面采煤機及其他設備所發(fā)出聲音的頻率區(qū)間，可通過如下方式實現(xiàn)：事先采集綜采工作面運行過程中的聲音信號，并利用時頻分析軟件獲取信號的時頻特征，統(tǒng)計信號中主要能量對應的頻率區(qū)間范圍：f1～f2，f3～f4，f5～f6…；合成一段獨立的聲音信號，其頻率遠離上述區(qū)間，且與綜采工作面去他聲源信號無耦合關系。

6.根據(jù)權利要求4所述的一種基于聲陣列的采煤機精確定位方法，其特征在于，在步驟3中所述的主動式聲發(fā)射裝置發(fā)出聲音信號可周期執(zhí)行，周期長度建議取值3-10秒左右；周期長度的確定因素包括：綜采工作面的長度、采煤機的牽引速度。