應(yīng)葆華,李 威,羅成名,楊 海

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

?

一種采煤機(jī)組合定位系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)研究*

應(yīng)葆華,李 威*,羅成名,楊 海

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

綜采工作面采煤機(jī)定位定姿技術(shù),是液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化和采煤機(jī)記憶截割的基礎(chǔ)。采用捷聯(lián)慣導(dǎo)監(jiān)測采煤機(jī)姿態(tài)、速度及位置等運(yùn)動(dòng)參量,結(jié)合無線錨節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)間幾何位置與局域信號(hào)對(duì)偶映射,建立了捷聯(lián)慣導(dǎo)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)耦合模型,采用C#+MATLAB+SQL交互式軟件構(gòu)建了采煤機(jī)組合定位系統(tǒng),在采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)“三機(jī)”平臺(tái)上進(jìn)行采煤機(jī)定位定姿性能研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:捷聯(lián)慣導(dǎo)能夠有效地對(duì)采煤機(jī)姿態(tài)角度進(jìn)行監(jiān)測,但是長航時(shí)下采煤機(jī)位置存在累計(jì)誤差,通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)位置對(duì)捷聯(lián)慣導(dǎo)的位置進(jìn)行周期性校正,組合定位系統(tǒng)下采煤機(jī)X和Y軸平均定位誤差為0.118 m和0.268 m,能夠得到采煤機(jī)實(shí)時(shí)可靠的位置和姿態(tài)。

采煤機(jī);位姿檢測;誤差校正;捷聯(lián)慣導(dǎo);無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

綜采工作面是礦井生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,其中由采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架組成的采礦“三機(jī)”承擔(dān)著綜采工作面破煤、運(yùn)煤和支護(hù)等任務(wù)[1]。要使得礦井生產(chǎn)安全高效,提高煤礦產(chǎn)量,就必須實(shí)現(xiàn)采礦三機(jī)的自動(dòng)化運(yùn)行[2]。三機(jī)自動(dòng)化運(yùn)行,是煤炭高效安全開采的關(guān)鍵,需要解決設(shè)備協(xié)同運(yùn)行等諸多問題,而其中主要技術(shù)難題之一就是采煤機(jī)在綜采工作面的定位[3]。采煤機(jī)精確的位置監(jiān)測是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)與液壓支架之間三機(jī)聯(lián)動(dòng)的重要保證,也是采煤機(jī)記憶截割技術(shù)的基礎(chǔ)。

綜采工作面采煤機(jī)常規(guī)定位方法有齒輪計(jì)數(shù)法[4]、紅外對(duì)射法[5]以及超聲波反射法[6],但是存在累計(jì)誤差、無法連續(xù)監(jiān)測等缺點(diǎn)。捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)SINS(Strapdown Inertial Navigation System)在工作時(shí)不依賴外界信息,也不向外界輻射能量,不易受到干擾破壞,是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng),具有數(shù)據(jù)更新率高、數(shù)據(jù)全面以及短時(shí)定位精度高等優(yōu)點(diǎn)[7]。但是捷聯(lián)慣導(dǎo)在長時(shí)間運(yùn)行下由于累計(jì)誤差導(dǎo)致定位精度嚴(yán)重下降,因此需要尋求外部定位方法對(duì)其位置結(jié)果進(jìn)行校正。GPS數(shù)據(jù)穩(wěn)定、定位精度高能夠很好的對(duì)SINS進(jìn)行校準(zhǔn),但是在煤礦井下由于GPS信號(hào)不能到達(dá)而無法使用[8]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)作為集分布式、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)的定位系統(tǒng),在短距離定位領(lǐng)域表現(xiàn)出很大的潛力。目前在煤礦巷道中,基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的人員定位技術(shù)是煤礦安全開采技術(shù)中的重要組成部分,但是單純采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無法提供測量目標(biāo)的姿態(tài)[9-10]。因此,有必要結(jié)合SINS與WSN的優(yōu)缺點(diǎn),進(jìn)行SINS/WSN組合定位技術(shù)下的采煤機(jī)定位定姿研究。

1 組合定位模型

本文主要針對(duì)SINS采煤機(jī)定位系統(tǒng)定位誤差隨時(shí)間累積的問題,提出了一種利用WSN的SINS補(bǔ)償校準(zhǔn)方法。該方法主要包括三部分,首先,利用SINS實(shí)時(shí)測量得到的加速度和角速度信息解算出采煤機(jī)的位置和姿態(tài)信息;其次,根據(jù)WSN測量得到的TOA數(shù)據(jù)解算出采煤機(jī)位置信息;最后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,在確定時(shí)間點(diǎn)上由WSN系統(tǒng)對(duì)SINS系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)位置補(bǔ)償校準(zhǔn),其余時(shí)刻直接輸出校正后的SINS解算數(shù)據(jù)。該方法能夠很好的補(bǔ)償采煤機(jī)SINS定位漂移誤差,定位精度高,穩(wěn)定性好。

圖1 SINS/WSN采煤機(jī)組合定位系統(tǒng)框圖

1.1 SINS定位解算

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)微分方程組的描述形式,將采煤機(jī)過去前一時(shí)刻的導(dǎo)航信息和最近時(shí)刻的慣性器件的采樣值作為輸入,通過對(duì)微分方程逐次遞推計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻的導(dǎo)航信息。

采煤機(jī)姿態(tài)更新的四元數(shù)微分方程為[11]

(1)

采煤機(jī)速度更新的微分方程為:

(2)

采煤機(jī)位置更新微分方程為

(3)

1.2 WSN定位解算

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種分布式定位方法,通過移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與其通信范圍內(nèi)錨節(jié)點(diǎn)間的無線通信來實(shí)時(shí)采集無線信號(hào),并進(jìn)行無線節(jié)點(diǎn)信號(hào)域與定位子空間域的對(duì)偶映射。利用無線測距信號(hào)進(jìn)行位置解算,得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置信息。同時(shí)以采煤機(jī)沿工作面運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閤軸,采空區(qū)方向?yàn)閥軸,液壓支架支護(hù)高度為z軸,建立綜采工作面采煤機(jī)坐標(biāo)系。

錨節(jié)點(diǎn)集SNs={SN1,SN2,SN3,…,SNn},其對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)分別為(xi,yi,zi),(i=1,2,…,n);MN為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)(x0,y0,z0);v為采煤機(jī)的牽引速度;h為在采煤機(jī)鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下錨節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)間的縱向距離;dH為兩錨節(jié)點(diǎn)的中心間距。

則移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)間的距離可以表示為:

(4)

式寫成2范數(shù)的形式為:

ri=‖ai-x0‖,i=1,2,…,n

(5)

令移動(dòng)目標(biāo)通信范圍內(nèi)有n個(gè)錨節(jié)點(diǎn),在采用TOA測距方式測距計(jì)算時(shí)可得到n個(gè)波達(dá)時(shí)間,分別為t=[t1,t2,…,tn,]T,i=1,2,…,n,而實(shí)際測量過程中總是存在一個(gè)誤差εi。

(6)

(7)

采用最小二乘方法可以得到[12]

X=(ATA)-1ATB

(8)

其中

A=2[x2-x1,y2-y1,z2-z1;…;xn-x1,yn-y1,zn-z1]

X=[x,y,z]T

2 定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室綜采工作面“三機(jī)”實(shí)體設(shè)備、SINS系統(tǒng)以及WSN定位系統(tǒng)搭建采煤機(jī)組合導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。如圖2所示,平臺(tái)主要包括采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架、“三機(jī)”控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、SINS系統(tǒng)、WSN定位標(biāo)簽、WSN定位傳感器以及定位主機(jī)。其中,SINS系統(tǒng)和WSN定位標(biāo)簽安裝在采煤機(jī)機(jī)身上,WSN定位傳感器固定在液壓支架下方。

圖2 三機(jī)平臺(tái)上SINS/WSN采煤機(jī)組合定位實(shí)驗(yàn)

本文采用基于六自由度慣性測量單元的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng),其中慣性測量單元包括三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)。陀螺儀和加速度計(jì)輸出的數(shù)據(jù)通過無線藍(lán)牙模塊傳給定位主機(jī),波特率為115 200bit/s。WSN系統(tǒng)由一個(gè)移動(dòng)標(biāo)簽和4個(gè)傳感器組成,其中4個(gè)傳感器實(shí)時(shí)接收移動(dòng)標(biāo)簽發(fā)射的無線信號(hào),并解算出標(biāo)簽與各個(gè)傳感器間的距離信息,WSN傳感器通過網(wǎng)線與路由器連接,將數(shù)據(jù)上傳至局域網(wǎng)中的主機(jī)。

C#結(jié)合了VB,C++,JAVA等編程語言的優(yōu)點(diǎn),能高效的進(jìn)行界面、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫等方面的開發(fā),同時(shí)具有高效的數(shù)據(jù)訪問和設(shè)備操作能力,但是在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)沒有優(yōu)勢[13]。MATLAB具有強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力,可實(shí)現(xiàn)數(shù)值分析、優(yōu)化、統(tǒng)計(jì)、偏微分方程數(shù)值解、信號(hào)處理等若干領(lǐng)域的數(shù)學(xué)計(jì)算,但是MATLAB在圖形界面開發(fā)功能上略顯不足,程序的運(yùn)行速度也不令人滿意。因此使用C#和MATLAB混合編程將兩者的優(yōu)勢互補(bǔ),提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

圖3 SINS/WSN組合定位系統(tǒng)軟件流程圖

本文采用C#+MATLAB+SQL的設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件,構(gòu)建一個(gè)采煤機(jī)位姿實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng),具備數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)處理、存儲(chǔ)和查詢的基本功能,能實(shí)時(shí)監(jiān)測采煤機(jī)的位置及姿態(tài)。具體內(nèi)容包括:

①利用MATLAB設(shè)計(jì)SINS姿態(tài)和位置解算子程序、WSN定位解算子程序,并編譯成DLL文件(動(dòng)態(tài)鏈接庫)供主界面調(diào)用。

②利用C#設(shè)計(jì)上位機(jī)圖形界面,構(gòu)建數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng),實(shí)時(shí)采集SINS系統(tǒng)及WSN系統(tǒng)輸出信息,通過調(diào)用MATLAB子程序?qū)崟r(shí)解算采煤機(jī)位姿信息,并在Chart控件顯示動(dòng)態(tài)曲線圖,同時(shí)將位姿信息存入SQL數(shù)據(jù)庫中,供查詢與分析使用。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

結(jié)合采煤機(jī)組合定位實(shí)驗(yàn)平臺(tái),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(dòng),并調(diào)節(jié)采煤機(jī)搖臂上升下降模擬截割煤壁操作。捷聯(lián)慣導(dǎo)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)均能對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行三維定位,但是在本實(shí)驗(yàn)的三機(jī)定位系統(tǒng)中,由于刮板輸送機(jī)是布置在平整的地面使得采煤機(jī)Z軸坐標(biāo)固定已知,因此定位實(shí)驗(yàn)中只研究采煤機(jī)X和Y軸方向的實(shí)時(shí)位置,而不討論Z軸的位置變化。

采煤機(jī)三維姿態(tài)角度動(dòng)態(tài)測試如圖4所示。捷聯(lián)慣導(dǎo)經(jīng)初始對(duì)準(zhǔn),其初始橫滾角、俯仰角、偏航角分別為0.015 1rad、-0.011 5rad、0.010 6rad。在采煤機(jī)運(yùn)行過程中,橫滾角、俯仰角和偏航角的最大值分別為0.025rad,0.005rad和0.049rad,而其最小值分別為0.008rad,-0.017rad和0.009rad。表1是采煤機(jī)在采樣點(diǎn)時(shí)刻三維姿態(tài)角度的測量誤差,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采煤機(jī)橫滾角和俯仰角在測量過程中變化較小,但是偏航角則有一定的增加,因此三軸陀螺儀能夠?qū)Σ擅簷C(jī)姿態(tài)角度進(jìn)行有效監(jiān)測。

圖4 捷聯(lián)慣導(dǎo)下采煤機(jī)實(shí)時(shí)姿態(tài)

表1 捷聯(lián)慣導(dǎo)下采煤機(jī)姿態(tài)誤差 單位:rad

圖5所示為采用純捷聯(lián)慣導(dǎo)定位時(shí)采煤機(jī)位置。采煤機(jī)在Y軸方向受到了刮板輸送機(jī)的約束,只沿截割方向的X軸運(yùn)行。從圖5可以看出,隨著采煤機(jī)長時(shí)間運(yùn)行,捷聯(lián)慣導(dǎo)對(duì)于位置測量具有累計(jì)誤差。

圖6為單純采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量下的采煤機(jī)實(shí)時(shí)位置。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是根據(jù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與通信范圍內(nèi)錨節(jié)點(diǎn)的無線信號(hào)進(jìn)行位置解算的,因此其為一種分布式定位方法而不具有累計(jì)誤差。從圖中可以看出,在X軸和Y軸方向,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)均能對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行有效的跟蹤測量。但是,由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)解算頻率的限制,只能輸出稀疏的位置值,因此無法對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)的定位跟蹤。

圖5 純捷聯(lián)慣導(dǎo)下采煤機(jī)實(shí)時(shí)位置

圖6 純無線傳感器網(wǎng)絡(luò)下采煤機(jī)位置

圖7 SISN/WSN組合定位下采煤機(jī)實(shí)時(shí)位置

圖7為SINS/WSN組合定位下采煤機(jī)實(shí)時(shí)位置,定位校正周期為5s,即每隔5s利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)解算的位置結(jié)果對(duì)捷聯(lián)慣導(dǎo)下的位置進(jìn)行校正。從圖7中可以看出,采用捷聯(lián)慣導(dǎo)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組合,不僅能有效解決了捷聯(lián)慣導(dǎo)長時(shí)間測量下的位置累計(jì)誤差,同時(shí)彌補(bǔ)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無法進(jìn)行實(shí)時(shí)測量的缺陷,從而形成優(yōu)勢互補(bǔ)與劣勢互堵,提高了采煤機(jī)組合定位系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。

表2為不同定位方法下采煤機(jī)位置誤差,純SINS下采煤機(jī)X和Y軸平均位置誤差為40.1m和72.3m,運(yùn)行到第6個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)X和Y軸累計(jì)誤差高達(dá)97.11m和166.50m;而組合定位系統(tǒng)下采煤機(jī)X和Y軸平均定位誤差為0.118m和0.268m,不僅消除了純SINS下的累計(jì)誤差,而且有效提高了采煤機(jī)在X軸和Y軸的定位精度。

表2 不同定位方法下采煤機(jī)位置誤差(單位:m)

4 結(jié)論

捷聯(lián)慣導(dǎo)長航時(shí)運(yùn)行下其位置輸出具有累積誤差,而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無法提供采煤機(jī)姿態(tài)信息,因此提出了一種SINS/WSN下采煤機(jī)組合定位定姿方法,通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)位置對(duì)捷聯(lián)慣導(dǎo)的位置進(jìn)行周期性校正。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:單純采用捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)能夠獲得采煤機(jī)的實(shí)時(shí)三維姿態(tài)和位置數(shù)據(jù),但是其位置隨著時(shí)間而發(fā)生嚴(yán)重漂移;其次,單純采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)Σ擅簷C(jī)進(jìn)行有效的位置跟蹤,但是其無法獲得采煤機(jī)三維姿態(tài)值以及連續(xù)的位置;最后,采用SINS/WSN組合定位,能夠?qū)Σ擅簷C(jī)進(jìn)行位姿同步跟蹤。

[1] 孫繼平.煤礦物聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2011,36(1):167-171.

[2]Wang G M,Jiao S L,Cheng G X.Fully Mechanized Coal Mining Technology for Thin Coal Seam Under Complicated Geological Conditions[J].Energy Exploration and Exploitation,2011,29(2):169-177.

[3]方新秋,何杰,張斌,等.無人工作面采煤機(jī)自主定位系統(tǒng)[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào),2008,28(2):349-353.

[4]夏護(hù)國.采煤機(jī)位置監(jiān)測裝置的原理與應(yīng)用[J].礦山機(jī)械,2007,35(11):43-45.

[5]許春雨,宋淵,宋建成,等.基于單片機(jī)的采煤機(jī)紅外線位置檢測裝置開發(fā)[J].煤炭學(xué)報(bào),2011,36(S1):167-171.

[6]張連昆,謝耀社,周德華,等.基于超聲波技術(shù)的采煤機(jī)位置監(jiān)測系統(tǒng)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2010,38(5):104-106.

[7]Hoflinger F,Muller J,Zhang R,et al.A Wireless Micro Inertial Measurement Unit(IMU)[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2013,62(9):2583-2595.

[8]Li Y,Efatmaneshnik M,Dempster A G.Attitude Determination by Integration of MEMS Inertial Sensors and GPS for Autonomous Agriculture Applications[J].GPS Solutions,2012,16(1):41-52.

[9]李論,丁恩杰,郝麗娜,等.一種改進(jìn)的煤礦井下指紋定位匹配算法[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2014,27(3):389-393.

[10]崔麗珍,李蕾,員曼曼,等.基于核函數(shù)法及粒子濾波的煤礦井下定位算法研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2013,26(12):1728-1733.

[11]馬韜,陳杰,陳文頡.對(duì)偶四元數(shù)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)方法[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2012,32(1):56-61.

[12]Viani F,Rocca P,Oliveri G,et al.Localization,Tracking,and Imaging of Targets in Wireless Sensor Networks:An Invited Review[J].Radio Science,2011,46:1-12.

[13]李佳,付強(qiáng),丁寧.C#開發(fā)技術(shù)大全[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009.

Experimental Study on Combinative Positioning System for Shearer*

YINGBaohua,LIWei*,LUOChengmingandYANGHai

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

Positioning and orientation technology is the basis of hydraulic supports automation machinery-tracked and shearer memory cutting on mechanized mining face.Firstly,shearer attitude,velocity and position can be calculated by strap-down inertial navigation system(SINS).Meanwhile,the duality mapping between the local signal and geometric position is established using the anchor nodes and mobile node under Wireless Sensor Network(WSN).Then,the coupling model of SINS and WSN is built for real-time integrated positioning system of shearer using interactive software of C#+MATLAB+SQL.Experimental research of position and attitude is performed on the three-machine equipment.Results indicate that pure SINS can measure the shearer attitude effectively,while the shearer position exist the cumulative error with long-term under pure SINS.The shearer position of WSN can be used to cyclical correct the shearer position of SINS.The average position error of shearer are 0.118 m and 0.268 m in X and Y direction respectively,which means that the integrated SINS/WSN positioning system can track the position and attitude of shearer effectively.

shearer;position and attitude measurement;error correction;strap-down inertial navigation system;wireless sensor network

應(yīng)葆華(1989-),男,浙江長興縣人,中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院測試計(jì)量技術(shù)及儀器專業(yè)碩士研究生,研究方向?yàn)椴擅簷C(jī)組合定位技術(shù),yingbaohuacumt@163.com;

李 威(1964-),男,江蘇徐州人,博士,中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)智能控制及檢測應(yīng)用研究,cmeecumt512@yahoo.com。

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

2014-07-16 修改日期:2014-11-25

C:7210G;7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.02.020

TN967.2

A

1004-1699(2015)02-0260-05