何佐英

摘? 要：煤礦井下綜采工作面的自動(dòng)化和智能化是實(shí)現(xiàn)礦井無人化、安全高效開采的關(guān)鍵步驟，也是發(fā)展數(shù)字礦山、提高礦井機(jī)電裝備信息化和自動(dòng)化水平的重要組成部分。由于實(shí)際施工作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，采煤機(jī)常規(guī)定位定姿技術(shù)經(jīng)常受到外界因素的影響，其精度往往偏低。所以，綜采工作面上采煤機(jī)的定位技術(shù)還需要進(jìn)一步研究。該文對采煤機(jī)的定位定姿技術(shù)進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)探究了綜采工作面中，以捷聯(lián)慣導(dǎo)為基礎(chǔ)的采煤機(jī)定位定姿技術(shù)，并通過仿真模擬驗(yàn)證了此技術(shù)的可靠性。

關(guān)鍵詞：采煤機(jī);定位;定姿;捷聯(lián)慣導(dǎo);仿真

中圖分類號：TD42? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 采煤機(jī)常規(guī)定位定姿技術(shù)

1.1 基于紅外的采煤機(jī)定位技術(shù)

利用紅外傳感器對采煤機(jī)進(jìn)行定位，通常會在采煤機(jī)上安裝紅外發(fā)射裝置以發(fā)出脈沖信號，讓液壓支架上的紅外接收裝置接收，從而分析計(jì)算獲取采煤機(jī)的具體位置。實(shí)踐表明，由于粉塵等外物對紅外信號存在一定的遮擋與影響，接收裝置接收到的信號通常不夠準(zhǔn)確，甚至可能出現(xiàn)無法接收信號的情況。并且，在實(shí)際運(yùn)用過程中，液壓支架存在較為頻繁的移動(dòng)現(xiàn)象，很難保證實(shí)時(shí)定位的準(zhǔn)確性。因此，利用紅外傳感器對采煤機(jī)進(jìn)行定位，其精度通常相對偏低。

1.2 基于超聲波的采煤機(jī)定位技術(shù)

利用超聲波對采煤機(jī)進(jìn)行定位其技術(shù)原理基本與利用紅外傳感器對采煤機(jī)進(jìn)行定位差不多。超聲波定位技術(shù)和紅外定位技術(shù)的不同之處主要在于超聲波在粉塵中具有一定的穿透性，同時(shí)，利用超聲波對采煤機(jī)進(jìn)行定位不用對鏡頭進(jìn)行清洗。然而事實(shí)上，這種以超聲波為基礎(chǔ)的采煤機(jī)定位技術(shù)其精度通常也比較低，所以，利用超聲波對采煤機(jī)進(jìn)行定位存在一定的局限性，在實(shí)際運(yùn)用的過程中，該技術(shù)一般只可以用于輔助定位。

1.3 基于軌道里程的采煤機(jī)定位技術(shù)

通過對軌道里程的分析來實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的定位，其主要原理在于通過借助傳感器對采煤機(jī)行走齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)進(jìn)行采集，再根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的相關(guān)信息和齒輪分度圓的實(shí)際周長聯(lián)合計(jì)算，便可以得到采煤機(jī)的實(shí)際行走距離。最后，將計(jì)算得到的距離信息和液壓支架的架間距相比較，便能夠獲取采煤機(jī)的具體位置。由于軌道里程分析定位的方法只能在刮板輸送機(jī)軌道方向上使用，所以，基于軌道里程的采煤機(jī)定位技術(shù)只能獲得一維的位置信息。并且，齒輪計(jì)數(shù)通常具有一定的誤差，所以這種方法很難滿足綜采工作面上采煤機(jī)精準(zhǔn)定位的需求。

1.4 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的采煤機(jī)定位技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于一種分布式的智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對采煤機(jī)進(jìn)行定位，需要在綜采工作面上安裝較多數(shù)量的無線傳感器。這些無線傳感器通常具有較強(qiáng)的通信性能和計(jì)算能力，再結(jié)合采煤機(jī)和液壓支架之間位置關(guān)系的監(jiān)測情況，便可以求解出采煤機(jī)的具體定位。利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對采煤機(jī)進(jìn)行定位不僅成本投入少，而且定位的精度較高。因此，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對采煤機(jī)進(jìn)行定位受到了很多工程管理者的青睞。但是，由于在實(shí)際施工過程中，作業(yè)環(huán)境通常比較復(fù)雜，液壓支架依然存在較為頻繁的移動(dòng)現(xiàn)象。所以，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對采煤機(jī)進(jìn)行定位還是容易發(fā)生信號降低甚至無信號的現(xiàn)象?；谝陨戏治觯梢钥闯鰺o線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測性能還有待進(jìn)一步提升。

2 基于捷聯(lián)慣導(dǎo)的采煤機(jī)定位定姿技術(shù)

各種采煤機(jī)定位定姿方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，將捷聯(lián)慣導(dǎo)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合起來，組成組合定位定姿系統(tǒng)，可以克服單系統(tǒng)的缺點(diǎn)，取長補(bǔ)短，以更好滿足自動(dòng)化生產(chǎn)的要求 。

2.1 采煤機(jī)慣性導(dǎo)航姿態(tài)解算

捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)是以數(shù)字平臺為基礎(chǔ)來確定采煤機(jī)的位置和姿態(tài)的。該系統(tǒng)的關(guān)鍵在于其能夠?qū)Σ擅簷C(jī)的位置信息和姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷地更新和求解，這也是決定定位定姿精度的主要原因之一。采煤機(jī)慣性導(dǎo)航姿態(tài)解算的典型算法是利用四元數(shù)理論來建立定位定姿的模型，然后通過此模型進(jìn)行不斷地更新和求解，從而得到采煤機(jī)位置和姿態(tài)的實(shí)時(shí)參數(shù)。采煤機(jī)進(jìn)行姿態(tài)更新的求解方程為：

式中，Q（t）是姿態(tài)四元數(shù);ωb

ib=[ωx? ωy? ωz]T是利用陀螺儀測量得到的采煤機(jī)的角速度，ωie是地球自轉(zhuǎn)的角速度;h是海拔高度;vx、vy、vz分別是沿東向、北向以及天向3個(gè)方向的速度分量;L是地球緯度; （ωb

nb）q是向量ωb

nb四元數(shù)的形式;RM和RN分別是地球子午圈曲率半徑和卯酉圈曲率半徑。

2.2 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)仿真

該次仿真需要采煤機(jī)在工作面x方向移動(dòng)20 m，在工作面推移y方向前移0.8 m。并且，在工作面x方向8 m～12 m位置需要斜切進(jìn)刀。

通過仿真計(jì)算，慣性導(dǎo)航裝置可以模擬獲取采煤機(jī)運(yùn)行過程中的三維姿態(tài)與三軸加速度，筆者觀察仿真圖，其展現(xiàn)了仿真計(jì)算時(shí)三軸姿態(tài)數(shù)據(jù)與三軸加速度采樣點(diǎn)的收集情況。

基于速度和位置微分方程求解可以得到捷聯(lián)慣導(dǎo)仿真的加速度和姿態(tài)數(shù)據(jù)，從而可以解算得出采煤機(jī)的實(shí)時(shí)速度與位置，并繪制出三維位置軌跡。仿真求解得到的采煤機(jī)的三維位置軌跡。通過和設(shè)定軌跡比較發(fā)現(xiàn)，采煤機(jī)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)定位定姿獲取的仿真軌跡和原設(shè)定值基本吻合。

3 結(jié)語

一方面，采煤機(jī)在實(shí)際運(yùn)用過程中所處的具體位置和姿態(tài)一般能夠把液壓支架與刮板輸送機(jī)的工作狀態(tài)直接反映出來。同時(shí)，綜采工作面采煤機(jī)定位技術(shù)還能為三機(jī)聯(lián)動(dòng)提供需要的數(shù)據(jù)支持。由此不難看出，對采區(qū)中的采煤機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，時(shí)刻掌握采煤機(jī)的實(shí)際位置和姿態(tài)不但是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的關(guān)鍵所在，而且是落實(shí)綜采工作面自動(dòng)化作業(yè)和少人化生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。通過和設(shè)定軌跡比較發(fā)現(xiàn)，采煤機(jī)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)定位定姿獲取的仿真軌跡和原設(shè)定值基本吻合。因此，此定位定姿技術(shù)具有較強(qiáng)的可靠性。

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