楊 海,李 威,羅成名,范孟豹,應(yīng)葆華

(中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江蘇徐州 221116)

基于捷聯(lián)慣導(dǎo)的采煤機(jī)定位定姿技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究

楊 海,李 威,羅成名,范孟豹,應(yīng)葆華

(中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江蘇徐州 221116)

針對煤礦井下“三機(jī)”自動化中的采煤機(jī)定位精度較低的問題,根據(jù)采煤機(jī)工作環(huán)境惡劣、空間封閉、干擾較多的特點(diǎn),提出了一種基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航(SINS)的采煤機(jī)位姿定位方法。該方法利用捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的三軸加速度計和三軸陀螺儀實(shí)時測量采煤機(jī)的加速度和角速度信息,并根據(jù)四元數(shù)捷聯(lián)慣導(dǎo)位姿解算方法解算出采煤機(jī)的實(shí)時位置和姿態(tài)信息,得到精確的采煤機(jī)運(yùn)動軌跡,實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)的實(shí)時體定位。對定位平臺進(jìn)行仿真和利用綜采工作面“三機(jī)”實(shí)驗(yàn)裝置搭建采煤機(jī)捷聯(lián)慣導(dǎo)定位實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,采煤機(jī)捷聯(lián)慣導(dǎo)定位系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確跟蹤基準(zhǔn)軌跡,采煤機(jī)沿工作面方向運(yùn)行20 m,位置姿態(tài)跟蹤誤差分別為0.5 m和0.7°,滿足煤礦采煤機(jī)定位精度要求,該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)采煤機(jī)的實(shí)時精確定位。

采礦機(jī)群;采煤機(jī)跟蹤;捷聯(lián)慣導(dǎo);定位定姿;精度分析

煤炭是我國重要的基礎(chǔ)能源和原料,以煤為主的能源結(jié)構(gòu)在相當(dāng)長時間內(nèi)不會改變,隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,煤炭的需求量越來越大,伴隨的煤礦安全事故也在不斷增多。煤炭資源安全高效開發(fā)利用技術(shù)成為了國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域[1]。最有效的解決方案之一是實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)裝備機(jī)械化及自動化,從而實(shí)現(xiàn)井下無人或少人開采,其中對采礦“三機(jī)”的信息感知技術(shù)是實(shí)現(xiàn)采礦“三機(jī)”自動化的關(guān)鍵技術(shù)。

井下工作面采礦“三機(jī)”主要包括采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架,它們相互配合,承擔(dān)著破煤、運(yùn)煤以及支護(hù)等任務(wù)。在綜采工作面中,采煤機(jī)緊靠煤層,其機(jī)身騎在刮板輸送機(jī)的中部槽上,在牽引裝置的帶動下,沿刮板輸送機(jī)的中部槽往復(fù)移動,進(jìn)行割煤操作;刮板輸送機(jī)沿煤層走向安放,并通過推移千斤頂與液壓支架相連,由液壓支架負(fù)責(zé)推移;液壓支架及時支護(hù)采煤機(jī)采空過后的頂板。要實(shí)現(xiàn)采礦“三機(jī)”的自動化運(yùn)行就必須對由采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架組成的采礦“三機(jī)”進(jìn)行聯(lián)動[2]。然而液壓支架的動作、刮板輸送機(jī)的動作與采煤機(jī)的位置、牽引速度和牽引方向之間存在相互約束的關(guān)系,并且在采煤機(jī)自主調(diào)高過程中,采煤機(jī)的三維姿態(tài)影響滾筒的截割高度。為了實(shí)現(xiàn)采礦“三機(jī)”的聯(lián)動,對采煤機(jī)的空間位置及姿態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確檢測,即對采煤機(jī)進(jìn)行空間動態(tài)定位具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者們對采煤機(jī)的動態(tài)定位開展了系統(tǒng)深入的實(shí)驗(yàn)與工程應(yīng)用研究。綜采工作面采煤機(jī)常規(guī)定位方法主要有紅外對射法[3]、超聲波反射法[4]、齒輪計數(shù)法[5]以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)法等[6-7]。其中紅外對射法是通過紅外對射信號進(jìn)行定位,但在紅外節(jié)點(diǎn)分布區(qū)間存在固有定位盲區(qū);超聲波反射法則利用超聲波反射回波進(jìn)行采煤機(jī)跟蹤,隨著工作面長度增加,信號失信嚴(yán)重;而齒輪計數(shù)法是通過對采煤機(jī)行走部齒輪進(jìn)行計數(shù),存在累積誤差,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過無線節(jié)點(diǎn)間信號傳輸?shù)臅r間實(shí)現(xiàn)定位,在煤礦惡劣環(huán)境下干擾較大加上井下無線信道建模還不完整對無線傳輸在井下的誤差沒有完全的分析,實(shí)際應(yīng)用比較困難,同時上述4種方法均不能進(jìn)行采煤機(jī)姿態(tài)測量。為了實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)位置及姿態(tài)檢測,有學(xué)者提出了采煤機(jī)慣性導(dǎo)航定位方法[8]。捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(strapdown inertial navigation system,SINS)是指將陀螺儀和加速度計直接固定在運(yùn)載體上,利用陀螺儀和加速度計等慣性敏感器件對運(yùn)行載體三軸角速度和三軸加速度信息進(jìn)行實(shí)時測量,結(jié)合運(yùn)行載體初始慣性信息,通過高速積分獲得運(yùn)動載體的姿態(tài)、速度及位置等導(dǎo)航信息[9-10]。

張斌等[11]提出了基于陀螺儀和里程計的無人工作面采煤機(jī)自主定位系統(tǒng),并在模擬實(shí)驗(yàn)中取得了較好的定位效果,然而里程計存在固有累積誤差制約定位精度提高的問題。樊啟高等[12]利用捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)建立了采煤機(jī)的位置定位模型,并對采煤機(jī)的截割路徑進(jìn)行了慣性導(dǎo)航仿真。呂振等[13]基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航進(jìn)行了井下移動目標(biāo)精確定位系統(tǒng)的研究,并且對傳感器的誤差進(jìn)行了分析。

綜上所述,目前基于慣性導(dǎo)航的采煤機(jī)空間定位研究主要集中在理論建模及算法仿真階段,筆者擬提出基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的采煤機(jī)定位定姿實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建方案,經(jīng)過系統(tǒng)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比,以期驗(yàn)證捷聯(lián)慣導(dǎo)對于采煤機(jī)定位的適用性,從而實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)實(shí)時位姿信息輸出,為綜采工作面“三機(jī)”協(xié)同自動化提供實(shí)踐支持。

1 采煤機(jī)定位模型

采煤機(jī)在工作面的主要任務(wù)就是落煤及裝煤,即通過滾筒截割煤壁并將煤裝入刮板輸送機(jī),然后通過回采巷道轉(zhuǎn)載機(jī)和帶式輸送機(jī)將煤運(yùn)出工作面。采煤機(jī)沿工作面走向割煤,同時液壓支架根據(jù)采煤機(jī)的位置實(shí)時推移刮板輸送機(jī)。在采煤機(jī)完成一刀的割煤后,進(jìn)入下一刀的截割時需要進(jìn)行斜切進(jìn)刀?，F(xiàn)在主要的斜切進(jìn)刀方式有中部斜切進(jìn)刀和端部斜切進(jìn)刀兩種進(jìn)刀方式。端部斜切進(jìn)刀是從端部按照一個截深距離斜切進(jìn)入煤壁,并沿工作面方向行走,待完全進(jìn)入時再回割三角煤,然后進(jìn)入下一截割循環(huán)的割煤操作[14]。

采煤機(jī)在工作面工作時不僅有沿工作面走向的位置變化和沿刮板機(jī)推移方向的位置變化,以及隨煤層賦存條件的高度變化,還有根據(jù)煤層走向的工作面布置傾角和斜切進(jìn)刀時的采煤機(jī)姿態(tài)變化。綜合考慮采煤機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)可以看出采煤機(jī)在工作時具有三維的位置變化以及三維的姿態(tài)變化。只有準(zhǔn)確測量出采煤機(jī)的位置姿態(tài)信息才能更好的實(shí)現(xiàn)采礦“三機(jī)”的自動協(xié)作功能(圖1)。

將捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置固定安裝在采煤機(jī)的機(jī)身上,慣性導(dǎo)航裝置中的三軸加速度計實(shí)時測量采煤機(jī)的空間加速度信號,三軸陀螺儀實(shí)時輸出采煤機(jī)的姿態(tài)信息。只有實(shí)時獲取了采煤機(jī)的加速度信息和姿態(tài)信息才能夠?qū)Σ擅簷C(jī)的動態(tài)位置信息進(jìn)行實(shí)時的解算。

圖1 煤礦綜采工作面“三機(jī)”工作示意Fig.1 Schematic diagram of the three machines on the coal face

1.1 采煤機(jī)慣性導(dǎo)航姿態(tài)解算

由于捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)是采用數(shù)字平臺,對系統(tǒng)姿態(tài)和位置數(shù)據(jù)的更新解算是捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的核心,是影響其精度的主要因素之一。在采煤機(jī)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)位置姿態(tài)更新算法中,比較經(jīng)典的是利用四元數(shù)理論建立采煤機(jī)的位置姿態(tài)四元數(shù)模型,并通過該模型對系統(tǒng)的位置、姿態(tài)進(jìn)行更新解算[15]。

采煤機(jī)與捷聯(lián)慣導(dǎo)固聯(lián)的坐標(biāo)系為載體坐標(biāo)系(b系),取地理坐標(biāo)系(g系)為導(dǎo)航坐標(biāo)系(n系),并規(guī)定xn,yn,zn的指向依次為東、北、天。設(shè)采煤機(jī)的航向角為Ψ,俯仰角為θ,橫滾角為γ。利用采煤機(jī)的姿態(tài)角并利用三角函數(shù)可以構(gòu)成采煤機(jī)的姿態(tài)變換矩陣,采煤機(jī)姿態(tài)更新主要是根據(jù)實(shí)時計算出的姿態(tài)變換矩陣。另外采煤機(jī)上的慣性元件(陀螺儀和加速度計)的輸出是以地心慣性坐標(biāo)系(i系)為參考基準(zhǔn)的,且與地球固連的為地球坐標(biāo)系(e系)。

捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)數(shù)字算法以遞推迭代的形式表示,即采用系統(tǒng)微分方程組描述形式,將采煤機(jī)過去前一時刻的導(dǎo)航信息和最近時刻的慣性器件的采樣值作為輸入,通過對微分方程逐次遞推計算出當(dāng)前時刻的導(dǎo)航信息。

采煤機(jī)姿態(tài)更新的四元數(shù)微分方程[16-17]為式中,Q(t)為描述采煤機(jī)姿態(tài)的姿態(tài)四元數(shù);為陀螺儀測量的采煤機(jī)角速度;ωie為地球自轉(zhuǎn)角速率;h為工作面采煤機(jī)所在的海拔高度;vx,vy和vz分別為采煤機(jī)捷聯(lián)慣導(dǎo)在導(dǎo)航坐標(biāo)系下的東向、北向和天向的速度分量;L為采煤機(jī)所處在地球上的緯度;為向量表示為四元數(shù)的形式;RM,RN分別為采煤機(jī)所在地點(diǎn)地球子午圈和卯酉圈曲率半徑。

通過四元數(shù)運(yùn)算規(guī)則直接利用姿態(tài)四元數(shù)將采煤機(jī)載體坐標(biāo)系上的矢量變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中,求出姿態(tài)矩陣。根據(jù)姿態(tài)角描述的姿態(tài)矩陣,可以提取出采煤機(jī)的實(shí)時姿態(tài)角。

1.2 采煤機(jī)慣性導(dǎo)航位置解算

采煤機(jī)速度更新的微分方程[16-17]為

式中,f=[fxfyfz]T為加速度計測量的比力;g為采煤機(jī)所在位置重力加速度的大小。

采煤機(jī)位置更新微分方程為

通過對式(3)積分即可以得到采煤機(jī)所在位置的緯度、經(jīng)度和高度。

2 面向采煤機(jī)空間定位的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)

根據(jù)采煤機(jī)的捷聯(lián)慣導(dǎo)四元數(shù)導(dǎo)航方程模型,分別對采用捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的采煤機(jī)位姿定位系統(tǒng)進(jìn)行仿真和平臺實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2.1 采煤機(jī)動態(tài)定位仿真實(shí)驗(yàn)

根據(jù)采煤機(jī)割煤工藝,對仿真中的采煤機(jī)做直線割煤運(yùn)動,并且執(zhí)行一個斜切進(jìn)刀的步驟,即在運(yùn)動路徑上產(chǎn)生一個折線運(yùn)動軌跡。采煤機(jī)運(yùn)行路線示意如圖2所示。在采煤機(jī)定位仿真平臺中,采煤機(jī)沿x方向即沿工作面方向運(yùn)行20 m,沿y方向即工作面推移方向前進(jìn)0.8 m,即采煤機(jī)截割煤壁的截深為0.8 m。其中采煤機(jī)在工作面x方向8～12 m的位置進(jìn)行斜切進(jìn)刀。

圖2 采煤機(jī)運(yùn)行路線示意Fig.2 Schematic diagram of the shearer running route

設(shè)定采煤機(jī)初始位置為坐標(biāo)原點(diǎn),在仿真過程中模擬加速度計和陀螺儀的數(shù)據(jù)輸出并疊加上相應(yīng)的噪聲,其中噪聲是根據(jù)采煤機(jī)定位實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行實(shí)際測量得到。實(shí)時采樣加速度和姿態(tài)信息,并且利用捷聯(lián)慣導(dǎo)四元數(shù)解算模型實(shí)時計算出采煤機(jī)的位置和速度信息,并與設(shè)定的參考軌跡對比,得到采煤機(jī)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的定位誤差。仿真參數(shù)具體如下:仿真初始位置x0=(0 0 0)m;初始速度v0=(0.5 0 0)m/ s;初始加速度a0=(0 0 0)m/s2;初始姿態(tài)角Ψ=0°, θ=0°,γ=0°;地球自轉(zhuǎn)角速度ω=7.291 158×10-5rad/s;重力加速度g=9.780 49 m/s2;地球半徑RM= 6 367 850.5 m,RN=6 389 233.4 m;初始緯度L0=π/ 4;初始經(jīng)度λ0=π/4;初仿真測試2 000個采樣點(diǎn),采樣時間為0.01 s。

在仿真過程中慣性導(dǎo)航裝置模擬接收到的三維姿態(tài)數(shù)據(jù)和三軸加速度數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 采煤機(jī)定位仿真過程中三軸姿態(tài)和三軸加速度數(shù)據(jù)Fig.3 Three-direction attitude and three-direction acceleration data of the shearer with simulation

利用采煤機(jī)速度、位置解算微分方程對捷聯(lián)慣導(dǎo)仿真的加速度和姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行速度和位置解算。解算后的采煤機(jī)三維位置軌跡如圖4所示。

圖4 采煤機(jī)定位仿真過程中SINS導(dǎo)航軌跡Fig.4 SINS positioning trajectory of the shearer with simulation

從圖4可以看出,采煤機(jī)INS定位軌跡能夠準(zhǔn)確跟蹤基準(zhǔn)軌跡。采煤機(jī)的姿態(tài)誤差信息和位置誤差信息,如圖5所示。

由圖5可以看出,姿態(tài)誤差中的航向角誤差在斜切進(jìn)刀開始和結(jié)束階段均出現(xiàn)了一個較大的波動,這是由于采煤機(jī)在水平方向斜切進(jìn)刀時,航向角突變所致。采煤機(jī)位置跟蹤誤差在x方向?yàn)?.5 m,在y方向?yàn)?.1 m以及在z方向?yàn)?.3 m,主要是由于3個方向上存在加速度誤差,在積分運(yùn)算中累積所致。通過對采煤機(jī)捷聯(lián)慣導(dǎo)定位平臺的仿真測試表明,采煤機(jī)定位系統(tǒng)在2 000個采樣點(diǎn)內(nèi)運(yùn)行20 m的位置定位精度為0.58 m,姿態(tài)定位精度為0.7°滿足工作面采煤機(jī)定位精度要求。

2.2 采煤機(jī)定位實(shí)驗(yàn)平臺搭建

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的綜采“三機(jī)”實(shí)體設(shè)備和捷聯(lián)慣性導(dǎo)航模塊搭建采煤機(jī)捷聯(lián)慣導(dǎo)實(shí)驗(yàn)平臺。如圖6所示,采煤機(jī)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)平臺主要包括2∶1等比例縮小的采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架、“三機(jī)”控制驅(qū)動系統(tǒng)、捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以及定位主機(jī)。在開機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下采煤機(jī)沿刮板輸送機(jī)來回移動,并調(diào)節(jié)采煤機(jī)搖臂上升下降模擬割煤操作。液壓支架實(shí)現(xiàn)降架、移架以及升架動作,并且與刮板機(jī)配套實(shí)現(xiàn)推溜操作。

圖5 采煤機(jī)三軸姿態(tài)和三軸位置誤差曲線Fig.5 Three-direction attitude and three-direction position error plot of the shearer

圖6 采煤機(jī)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)平臺Fig.6 Test platform figure inertial navigation system of the shearer

捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)安裝在采煤機(jī)機(jī)身上,實(shí)時測量采煤機(jī)的三軸加速度和姿態(tài)信息。采用基于6自由度的慣性測量單元ADIS16350的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng),其中慣性測量單元模塊包括三軸陀螺儀和三軸加速度計。系統(tǒng)采用TMS320C6713 DSP為核心的信號處理系統(tǒng),具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。陀螺儀和加速度計輸出的數(shù)據(jù)通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊傳給上位機(jī),波特率為115 200 bit/s,采樣周期為0.01 s。其技術(shù)參數(shù)如下:

(1)三軸陀螺儀:動態(tài)數(shù)字范圍,有±75,±150和±300°/s檔位設(shè)置,14位分辨率;

(2)三軸加速度計:±10 g測量范圍,350 Hz帶寬,出廠靈敏度和漂移經(jīng)過校準(zhǔn);

(3)無線數(shù)據(jù)傳輸模塊:TTL/RS485/RS232接口方式可選,視距可靠傳輸距離可達(dá)1 500 m,采用GFSK的調(diào)制方式,半雙工收發(fā)一體,數(shù)據(jù)收發(fā)轉(zhuǎn)換自動完成。

2.3 采煤機(jī)位姿跟蹤實(shí)驗(yàn)

利用采煤機(jī)捷聯(lián)慣導(dǎo)定位實(shí)驗(yàn)平臺,對定位系統(tǒng)進(jìn)行位姿跟蹤實(shí)驗(yàn)。將采煤機(jī)定位實(shí)驗(yàn)平臺開機(jī)運(yùn)行,啟動采煤機(jī)截割滾筒,并且在初始位置開啟牽引電機(jī)使其沿刮板輸送機(jī)移動。采煤機(jī)運(yùn)動距離為10 m。初始位置為x0=(0 0 0)m;初始速度為v0=(0 0 0)m/s;初始姿態(tài)角為Ψ=0°,θ=0°,γ=0°;地球自轉(zhuǎn)角速度ω=7.291 158×10-5rad/s;重力加速度g= 9.78 049 m/s2;地球半徑RM=6 356 077.2 m,RN= 6 385 297.0 m;初始緯度L0=34.25°;初始經(jīng)度λ0= 117.18°;實(shí)驗(yàn)采集2 000個采樣點(diǎn),實(shí)驗(yàn)時間為20 s。

利用捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置測量出采煤機(jī)實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)下的姿態(tài)角和加速度信息,并根據(jù)慣性導(dǎo)航解算模型計算出采煤機(jī)在運(yùn)行過程中的位置跟蹤結(jié)果。在采煤機(jī)運(yùn)行過程中,在運(yùn)行線路上布置參考點(diǎn),當(dāng)采煤機(jī)運(yùn)動經(jīng)過參考節(jié)點(diǎn)時,記錄下此時慣導(dǎo)的輸出數(shù)據(jù),并且在解算后與設(shè)置好的基準(zhǔn)位置相比較,計算出采煤機(jī)的定位誤差,得到采煤機(jī)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的定位精度。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測量得到的采煤機(jī)三軸加速度信息和三軸姿態(tài)角信息如圖7所示,其中測試時間為2 000個采樣點(diǎn)?？梢钥闯?采煤機(jī)三軸姿態(tài)信息具有很好的穩(wěn)定性,然而由于截割滾筒旋轉(zhuǎn)以及刮板輸送機(jī)上運(yùn)動產(chǎn)生機(jī)械振動使得三軸加速度信息具有一定的波動。對采煤機(jī)的加速度信息和姿態(tài)信息進(jìn)行慣性導(dǎo)航位置解算,得到采煤機(jī)的位置跟蹤誤差,并對采煤機(jī)捷聯(lián)慣導(dǎo)定位誤差進(jìn)行性能分析,分析結(jié)果和誤差曲線見表1和圖8。采煤機(jī)位置誤差在x方向?yàn)?.29 m,在y方向?yàn)?.61 m,在z方向?yàn)?.43 m,滿足井下定位需求,同時驗(yàn)證了捷聯(lián)慣導(dǎo)對于采煤機(jī)定位的適用性。

圖7 采煤機(jī)三軸姿態(tài)和三軸加速度測量數(shù)據(jù)Fig.7 Three-direction and three-direction acceleration attitude measurement data of the shearer

表1 采煤機(jī)捷聯(lián)慣導(dǎo)定位性能分析Table 1 SINS position performance analysis of shearer

圖8 采煤機(jī)定位實(shí)驗(yàn)過程中位置跟蹤誤差Fig.8 Experimental position tracking error of the shearer

3 結(jié) 論

針對煤礦井下采煤機(jī)定位環(huán)境惡劣、空間封閉以及干擾較多的問題,提出了一種在采煤機(jī)上直接固聯(lián)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的采煤機(jī)定位定姿方法。該方法利用捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)測量的加速度和角速度信息,并結(jié)合捷聯(lián)慣導(dǎo)四元數(shù)解算模型得到采煤機(jī)的位置和姿態(tài)信息,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了系統(tǒng)仿真及實(shí)驗(yàn)研究。通過采煤機(jī)捷聯(lián)慣導(dǎo)仿真計算,結(jié)果表明,系統(tǒng)在采煤機(jī)運(yùn)動狀態(tài)變化較大的情況下能夠穩(wěn)定的跟蹤采煤機(jī)基準(zhǔn)軌跡,采煤機(jī)沿工作面方向運(yùn)動20 m,位置定位精度達(dá)到0.58 m,姿態(tài)定位精度穩(wěn)定在0.7°范圍內(nèi)。最后利用搭建的綜采“三機(jī)”實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行采煤機(jī)捷聯(lián)慣導(dǎo)定位實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在采煤機(jī)運(yùn)行過程中,捷聯(lián)慣導(dǎo)定位系統(tǒng)能夠?qū)崟r的對采煤機(jī)的姿態(tài)和運(yùn)動軌跡進(jìn)行跟蹤,采煤機(jī)位置定位精度為0.80 m,滿足煤礦井下采煤機(jī)定位要求,同時驗(yàn)證了捷聯(lián)慣導(dǎo)對于煤礦井下采煤機(jī)定位的適用性。

從仿真和系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的角度上研究了捷聯(lián)慣導(dǎo)在采煤機(jī)定位定姿系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)的可行性,然而由于采煤機(jī)惡劣的工作環(huán)境和復(fù)雜的干擾,再加上捷聯(lián)慣導(dǎo)本身存在的加速度累積誤差對系統(tǒng)的定位精度影響很大,故下一步研究內(nèi)容主要是開展采煤機(jī)捷聯(lián)慣導(dǎo)的振動誤差補(bǔ)償和利用外部定位技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合方面的研究。

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Experimental study on position and attitude technique for shearer using SINS measurement

YANG Hai,LI Wei,LUO Cheng-ming,FAN Meng-bao,YING Bao-hua

(School of Mechatronic Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China)

A position and attitude method for shearer cutting using SINS(strap down inertial navigation system)measurement was proposed to solve the problem of low positioning accuracy of shearer in terms of“three machines”automation in longwall coal mine due to the characteristics of poor working conditions,enclosed space and other interference.The tri-axial accelerometer and suspended gyroscope in the SINS was applied to measure the acceleration and angular velocity of shearer in real time.The position and attitude data of shearer were then calculated by the SINS solution method of position and attitude with quaternion.The accurate trajectory of shearer was obtained and the comprehensive positioning of shearer can be realized.Obtained by the simulation of positioning system and the experiment of the SINS test platform which was constructed by the“three machines”experimental equipment of mechanized mining face,the results show that the system can track the standard trajectory and the tracking error of position and attitude is 0.5 m and 0.7 deg respectively,while the shearer moves 20 m along the mining face direction.The positioning system meets the positioning accuracy requirements of mining and can be applied to precisely position the shearer in real time.

mining fleet;shearer tracking;SINS(Strap down Inertial Navigation System);positioning and orientation;accuracy analysis

TD421.6

A

0253-9993(2014)12-2550-07

2014-03-06 責(zé)任編輯:許書閣

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)資助項(xiàng)目(2013AA06A411);江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程資助項(xiàng)目(KYLX_1374);江蘇省高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目

楊 海(1988—),男,四川德陽人,博士研究生。E-mail:yanghaicumt@163.com。通訊作者:李 威(1964—),男,江蘇徐州人,教授,博士生導(dǎo)師,博士。Tel:0516-83590798,E-mail:cmeecumt@yahoo.com

楊 海,李 威,羅成名,等.基于捷聯(lián)慣導(dǎo)的采煤機(jī)定位定姿技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報,2014,39(12):2550-2556.

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Yang Hai,Li Wei,Luo Chengming,et al.Experimental study on position and attitude technique for shearer using SINS measurement[J].Journal of China Coal Society,2014,39(12):2550-2556.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.0265