本文是一篇工程硕士论文，本文立足作者工作岗位，结合太重煤机有限公司智能采煤机技术研究方向，重点针对采煤机自主防碰撞与自适应调节控制展开研究。
1 绪论
1.1 研究背景与意义
煤炭是国民经济发展的支柱产业，是我国能源安全的“压舱石”和“稳定器”[1]。2022年我国煤炭产量达45.0亿吨，占国内能源消费总量56.8%。我国能源赋存特征是“富煤、贫油、少气”，决定了今后相当一段时期我国能源消费结构体系仍然需要依靠煤炭资源作为其重要的支撑[2]。《能源生产和消费革命战略（2016—2030）》指出：2050年，一次能源结构体系中煤炭资源占比将维持在50%左右[3]。我国历年煤炭产量与能源消费结构占比图如图1-1所示。
智能采矿装备与智能技术是为煤炭安全高效绿色开发提供了至关重要的保障。为持续推动全国煤矿智能化建设，国家相关部委先后出台了系列煤矿智能化顶层设计政策与实施措施，从顶层推动煤矿向智能化发展，明确阶段性目标及相关建设的主要任务[4]。随后国家又先后发布了有关煤矿用机器人、能源创新计划、智能化建设指南及验收考核办法等相关政策对煤炭自动化开采和智能化开采设定了目标和发展方向[5]。根据国家相关政策，山西省先后颁布了适应山西煤矿智能化建设评定与验收的相关标准与法规，出台了系列地方煤矿智能化标准，为推进山西省煤炭智能化技术与煤炭产业转型制定了可依据的参考标准[6]。煤炭行业作为中国重要的传统能源资源行业，智能化升级传统煤炭行业带动国内经济和社会智能化发展，为中国经济发展带来新机遇。煤矿智能化当前处于从起步到加速的拐点阶段。截至2022年底，全国已建成智能化煤矿572处，建成1019余处智能化采掘工作面，产能释放近19.36亿吨，全国累计投资接近1000亿元，带动相关上游原材料、基础元器件相关产业发展，推动下游煤矿企业开采技术升级，极大促进煤矿智能化发展与进步[7]，智能化工作面覆盖从薄、中厚、厚、特厚煤层的一次采全高及综放等多种地质条件，开采与掘进等重要环节实现了全面智能化。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 采煤机智能化技术国内外研究现状
西方发达国家从20世纪60年代就开始研究智能开采技术，尤其是英国、美国、加拿大、澳大利亚等国家，自动化控制当时已经成为采煤机的一个主要发展领域[12]。
英国在采煤机自动化领域走在前列。1963年，英国比弗考特机械公司开发了部分自动化长壁采煤设备。1976年，远程操作长壁工作面项目在英国East Mildlands煤田的Newstead煤矿试验，英国煤炭技术研究所、英国安德森采煤机公司等研发了自动垂直导航系统（MIDAS，Machine Information Display and Automation System）并应用于该项目，该系统监控22个采煤机参数，如油位、油温、油的流量、油压和水的流量等，数据可传到地面煤矿控制室内的电脑，并用于确定采煤机作业效率的趋势[13]。1980年，英国杰弗里•戴蒙德（BJD）公司研发采煤机机载微机系统，具备传感监测、指示故障及与工作面其它设备通信等功能[14]。
1985年，德国艾柯夫（Eickhoff）公司使用微机系统作为滚筒采煤机控制核心。随后，艾柯夫公司又陆续研发出微机控制系统的电牵引双滚筒采煤机，配置有多个传感器及子控制单元，采煤机数据均可传输至地面[15]。1996年，艾柯夫采煤机配置传感器基础上，实现了基本自动化，并增加了记忆截割模式。2005年，研发了采煤机EiControl系统，配置行程、位置、倾角等多种传感器及机载摄像仪等，使采煤机具有参数化、多工艺段等功能[16]。随后相继开发了基于多种传感器的EiControlSB系统和EiControlPlus系统，采煤机智能化技术发展更多的集中在机电一体化方面，主要体现在软件、传感器、高级数据和通信等方面，同时配置有机载摄像监控系统、一维雷达检测单元、高光谱红外传感器等高级感知元件，用来实现远程监控、防碰撞探测、煤岩界面等高级功能。2015年，艾柯夫公司在俄罗斯投入一套自动化薄煤层综采系统，配套德国玛珂的液压支架电液控系统，调试运行后近乎“无人工作面”[17]。
2 采煤机防撞雷达模块设计
2.1 现行采煤机防碰撞主要技术路径及存在问题
煤矿井下综采工作面智能化水平的高低在一定程度上决定工作面自动化运行的水平，鉴于采煤机与液压支架的物理空间位置关系，在智能化工作面中，自动运行过程中的采煤机与液压支架由于工作面环境恶劣、传感器检测精度或可靠性等因素无法满足要求，不可避免发生自动化运行过程中采煤机与液压支架护帮、伸缩梁等障碍物发生碰撞事故[52]。为此，在国家出台的相关煤矿智能化建设指南及建设评定办法中，已将防碰撞功能列出作为评审得分项，该项智能化防撞功能已成为综采工作面智能化建设领域研究的热点之一[53]。
采煤机与液压支架的姿态监测是自动化系统中避免设备间发生碰撞，保障综采设备群协同安全运行的重要技术途径，是实现设备间交互感知的重要基础。现行智能化综采工作面中主要采用“被动式”防碰撞技术，主要依靠采煤机、液压支架安装的可检测其姿态、视觉识别等传感器，来相对应判断相互间的空间位置关系来间接实现避免相互碰撞。
2.1.1 采煤机姿态感知技术
采煤机煤矿综采“三机一架”采煤设备的主要开采机械，其自身姿态的精准感知是面向少人化无人化工作面采煤机远程控制的前提，也是实现采煤机防撞功能的必要条件。采煤机姿态信息主要有采煤机相对支架位置、姿态（机身俯仰角与横滚角、左右滚筒采高）。
2.2 毫米波雷达基本原理
2.2.1 毫米波雷达基本工作原理
如图2-8为毫米波雷达基本工作原理图，如图所示完整的毫米波雷达系统包括信号发射与接收器、射频信号前端、中频信号调理单元、数字信号处理单元和控制系统单元等组成[55]。信号收发单元主要用于雷达探测所需的发射和接收波束，并将发射信号向指定区域辐射，并接收指定区域内的目标散射回波信号；射频前端与中频信号调理单元主要用于系统产生发射信号且发射信号的频率按照调制信号的规律进行变化，实现输出线性调频连续波，并将接收到的信号与初始发射信号进行混频雷达线性调频脉冲信号进行混频，产生中频信号反馈回数字信号处理单元。数字信号处理单元主要完成初始信号产生、中频信号AD转换及相关信号处理算法等[56]。显示及控制单元主要完成对雷达系统输出的距离、速度、角度等信息进行显示及相关二次处理与运算。
3 采煤机防撞系统与自适应算法设计 ......................... 36
3.1 防撞系统硬件选型与设计 ............................. 36
3.2 采煤机调高模型与影响控制性能因素分析 .................... 42
4 采煤机防撞与控制系统软件设计 ............................. 49
4.1 开发环境简介 ................................... 49
4.2 AWR2944 发射参数配置 .......................... 50
5 实验测试与分析 ............................. 60
5.1 实验场地概况 ................................... 60
5.2 不同目标物雷达特征实验 ........................ 61
5 实验测试与分析
5.1 实验场地概况
本实验在太重煤机厂区内综采装备多机协同控制试验场进行，该试验场地主要有1台MG250/600-WD型采煤机、30套ZY6200/16/32D型掩护式液压支架、1套SGZ764/630型刮板运输机、1套BRW250/31.5型乳化液泵站、1套QJZ-4*400/1140（600）A型组合开关及配套智能化集控中心组成，以上设备组成一个综采工作面智能化控制系统，实现工作面采煤机，液压支架、刮板输送机整体协调控制，完成完全模拟综采工作面生产过程控制的功能，具体布置图如图5-1。
6 结论与展望
6.1 结论
随着煤矿智能化建设不断深入推进，采煤工作面智能化技术也随之发展，综采工作面逐步趋于少人无人，采煤机在复杂多变地质条件下作业，必须具备前方空间感知及避障能力，同时国家能源局及各个煤炭主产省份已经将采煤机具备防撞功能作为重要评审项目。本文立足作者工作岗位，结合太重煤机有限公司智能采煤机技术研究方向，重点针对采煤机自主防碰撞与自适应调节控制展开研究。本文主要的工作及成果如下：
首先，针对现行智能采煤机缺乏有效的自主障碍物感知的问题，研发了采煤机毫米波雷达检测模块，满足采煤机在智能化工作面中对液压支架护帮板、伸缩梁等障碍物距离、相对速度及角度的检测。分析当前采煤机防碰撞采用被动式防碰撞技术路径，从雷达探测模块的总体结构入手，选取微控制器AWR2944进行相关电路设计；通过雷达回波数据，分析其噪声特性，设计了卡尔曼滤波算法对噪声进行消除，提高目标数据的准确性。
其次，结合毫米雷达检测系统，搭建了采煤机防撞控制系统整体架构，完成核心控制器件与传感器选型、网络架构设计，建立了采煤机防撞控制系统硬件基础。根据采煤机摇臂结构组成特点以及运动特性，将采煤机摇臂等效为弹簧阻尼质量块模型，建立采煤机调高数学模型，基于双曲正切函数设计跟踪微分器来减少采煤机截割摇臂定位跟踪过程中的超调。基于积分终端滑模函数设计了自适应滑模控制器，实现快速精准位置控制。
最后，设计了采煤机防撞自适应控制系统通信、软件控制流程，并在太重煤机多机协同试验场地进行了不同目标物雷达特征实验、采煤机静态与动态护帮板障碍实验和伸缩梁障碍物实验，通过分析实验数据
