江一夫，李四海，謝 波，嚴(yán)恭敏，雷孟宇，

(1. 西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，西安 710029；2. 西安航天精密機(jī)電研究所，西安710100；3. 西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安710054)

采煤機(jī)精確自主定位導(dǎo)航技術(shù)是實(shí)現(xiàn)長壁綜采工作面自動(dòng)化生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。煤礦安全規(guī)程規(guī)定，綜合機(jī)械化采煤時(shí)，工作面煤壁、刮板輸送機(jī)和支架必須保持直線，底板和頂板必須保持平整，即“三直兩平兩暢通”中的“三直兩平”。當(dāng)前即使國內(nèi)自動(dòng)化程度最高的綜采工作面，推進(jìn)2～3 刀后也需要依賴人工調(diào)整支架，平直度問題嚴(yán)重制約著綜采自動(dòng)化水平[1]。國外長壁自動(dòng)化指導(dǎo)委員會(huì)（Longwall Automation Steering Committee, LASC）研制的綜采工作面自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)趨于成熟[2]，其對(duì)工作面平直度的檢測誤差小于10 cm，是目前行業(yè)內(nèi)最為主流的采煤機(jī)位置測量解決方案。而我國在煤礦井下裝備自主導(dǎo)航方面的研究起步較晚，總體來說尚處于落后局面。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由于其導(dǎo)航信息的連續(xù)性、自主性和高可靠性，是目前井下拒止環(huán)境中一種不可替代的位置測量方式。鑒于慣性導(dǎo)航定位誤差具有隨時(shí)間發(fā)散的特性，其與編碼器組合航位推算成為一種簡單易用的誤差抑制方式[3]。文獻(xiàn)[4]對(duì)航位推算算法進(jìn)行了誤差分析，認(rèn)為慣導(dǎo)三維定位精度與慣導(dǎo)初始對(duì)準(zhǔn)誤差及其相對(duì)采煤機(jī)的安裝偏角誤差有關(guān)。為了消除這些誤差的影響，文獻(xiàn)[3]基于航位推算軌跡與實(shí)際軌跡的相似性，提出了兩點(diǎn)法偏差角校準(zhǔn)算法。但這種方法需要井下具有全工作面的精確GPS-RTK 信息，且慣導(dǎo)每次斷電后初始對(duì)準(zhǔn)都需要重新校準(zhǔn)，不符合實(shí)際采煤工況。文獻(xiàn)[5]提出了卡爾曼濾波動(dòng)態(tài)零速修正算法來解決該問題，但事實(shí)上航位推算本質(zhì)上就利用了動(dòng)態(tài)零速修正的非完整約束條件，且動(dòng)態(tài)零速修正中航向誤差和航向安裝角誤差在采煤機(jī)近似直線運(yùn)動(dòng)中幾乎不可觀測，反而會(huì)由于卡爾曼濾波系統(tǒng)模型不準(zhǔn)確、振動(dòng)量測噪聲大等問題，難以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)軌跡的精確刻畫。

文獻(xiàn)[6]提出了全站儀和超寬帶（Ultra Wide-band, UWB）組合的方式，但全站儀和UWB 信號(hào)都易受粉塵和非視距傳播的影響而出現(xiàn)定位無效的情況，且基站需要跟隨工作面的推進(jìn)而移動(dòng)，影響采煤作業(yè)效率。文獻(xiàn)[7]提出了回環(huán)路徑識(shí)別算法，認(rèn)為采煤機(jī)在回環(huán)點(diǎn)的跟機(jī)移架距離近似為1 m，以此作為量測對(duì)位置誤差進(jìn)行修正。但由于機(jī)械滑動(dòng)和實(shí)際運(yùn)行調(diào)整，真實(shí)推進(jìn)量會(huì)偏離1 m，文獻(xiàn)[8][9]因此采用激光雷達(dá)輔助來測量采煤機(jī)的移架距離，增加自動(dòng)調(diào)直系統(tǒng)的長時(shí)間可靠性，但這無疑都增加了系統(tǒng)的硬件成本。

應(yīng)該注意到的是，上述定位方法及其誤差分析都是相對(duì)地理坐標(biāo)系而言的，但實(shí)際采煤作業(yè)關(guān)注的是長壁工作面軌跡的平直度，而非精確的地理坐標(biāo)?；诖耍瑥暮轿煌扑丬壽E和真實(shí)軌跡的關(guān)系出發(fā)，提出一種相對(duì)測量方法，可以避開慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)誤差和安裝偏角的影響，工作面三維軌跡的測量精度僅僅取決于導(dǎo)航階段的航向和姿態(tài)保持精度，即將航姿測量誤差維持在初始對(duì)準(zhǔn)誤差的能力，其理論定位精度可到厘米級(jí)。

1 航位推算誤差分析

定義b系(Oxbyb zb)為慣性測量坐標(biāo)系，xb、yb和zb軸分別與慣性測量組合本體右前上重合；定義m系Oxm ym zm為采煤機(jī)坐標(biāo)系，ym軸沿采煤機(jī)編碼器表征的虛擬縱軸指向前，xm軸位于采煤機(jī)橫截面垂直于ym軸指向右，zm軸與xm、ym軸構(gòu)成右手正交坐標(biāo)系；定義n系(Oxn yn zn)為導(dǎo)航坐標(biāo)系，其與東北天地理坐標(biāo)系重合。令表示采煤機(jī)坐標(biāo)系到慣性測量坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，αθ為俯仰安裝偏角，αψ為航向安裝偏角，表示慣性測量坐標(biāo)系到導(dǎo)航坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，ΔSi表示編碼器第i個(gè)采樣周期的里程增量，表示第i個(gè)采樣周期的地理系三維位移增量，則有：

從式(1)可以看出，航位推算實(shí)質(zhì)上已經(jīng)利用了采煤機(jī)的非完整約束，即側(cè)向和法向速度為零的量測信息。式(1)描述了測量采煤機(jī)三維地理軌跡的基本原理，慣性測量和編碼器輸出頻率越高，軌跡刻畫得越精細(xì)。

令φU表示慣性測量航向誤差，δαψ表示航向安裝偏角誤差，δαθ表示俯仰安裝偏角誤差，同時(shí)忽略編碼器刻度因子誤差，可以由式(1)計(jì)算得到每周期位置增量誤差模型。

認(rèn)為慣性測量航向誤差φU，安裝偏角誤差δαψ和δαθ在一段時(shí)間內(nèi)近似為常值，對(duì)式(2)積分可以得到位置誤差模型。

可見φU+δαψ僅產(chǎn)生水平位置誤差，且垂直于采煤機(jī)水平位移方向，由于工作面近似直線，因此φU+δαψ產(chǎn)生垂直于工作面的定位誤差，且誤差大小與位移的大小成正比。δαθ僅產(chǎn)生高度誤差，且誤差大小與行駛里程相關(guān)。具體可用圖1 表示。

圖中O為采煤機(jī)起始位置，航位推算在該點(diǎn)無誤差，當(dāng)采煤機(jī)沿工作面行駛到A點(diǎn)時(shí)，航位推算顯示位置為A′。則圖中表示真實(shí)位移矢量表示航位推算位移矢量在水平面的投影，在水平面的投影，誤差角φU+δαψ產(chǎn)生的水平位置誤差與水平位移矢量垂直，為在鉛垂面的投影，表示在鉛垂面的投影，誤差角δαθ產(chǎn)生的高度誤差為

實(shí)際工作時(shí)，采煤機(jī)在刮板運(yùn)輸機(jī)上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)采煤機(jī)由前進(jìn)轉(zhuǎn)為后退時(shí)，其位移矢量ΔSn和里程ΔS也由正轉(zhuǎn)為負(fù)，當(dāng)采煤機(jī)回到原點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的定位誤差也變?yōu)榱?，因此無法利用原點(diǎn)重合信息對(duì)初始對(duì)準(zhǔn)誤差和安裝角誤差進(jìn)行標(biāo)定。文獻(xiàn)2 因此提出采用GNSS-RTK 對(duì)航向安裝角和俯仰安裝角進(jìn)行精確標(biāo)定的方法，但井下拒止環(huán)境沒有精確的GNSS-RTK 條件，何況每次慣導(dǎo)上電重新尋北，尋北誤差φU都是變化的，即便采用等效零偏漂移為0.003 °/h 的高精度光學(xué)陀螺，在北緯40 °地區(qū)的理論初始對(duì)準(zhǔn)航向誤差最大可達(dá)0.05 °，長度為300 m 的工作面，其水平定位誤差可以達(dá)到δD=300 ×0.05×π180 =0.2618m ，難以達(dá)到厘米級(jí)定位精度。

2 采煤機(jī)三維軌跡的相對(duì)測量方法

2.1 相對(duì)定位的基本原理

從圖1 中可以看出，航位推算軌跡與真實(shí)軌跡具有軌跡相似性，通過一定角度的旋轉(zhuǎn)，兩者能夠重合?？紤]到工作面的平直度測量并不需要地理系坐標(biāo)，而只需要軌跡點(diǎn)偏離目標(biāo)工作面的坐標(biāo)，如圖[2]所示，定義df系(Oxdf ydf zdf)為目標(biāo)工作面坐標(biāo)系，xdf軸由起始目標(biāo)工作面的機(jī)頭指向機(jī)尾，ydf軸垂直于xdf軸及其水平面投影構(gòu)成的平面，指向煤層，zdf軸與xdf、ydf軸構(gòu)成右手正交坐標(biāo)系。若采煤機(jī)第一刀走過起始目標(biāo)工作面的首尾兩個(gè)端點(diǎn)，可以獲得兩個(gè)端點(diǎn)的航位推算坐標(biāo)。定義rf系(Oxrf yrf zrf)為相對(duì)工作面坐標(biāo)系，xrf軸為兩個(gè)航位推算坐標(biāo)的連線，yrf軸垂直于xrf軸及其在水平面投影構(gòu)成的平面，zrf軸與xrf、yrf軸構(gòu)成右手正交坐標(biāo)系。圖中J為真實(shí)軌跡上的一點(diǎn)，J′為航位推算軌跡上的一點(diǎn)，K為J在Oxdf ydf平面的投影，K′為J′在Oxrf yrf平面的投影，L為J在Oydf zdf平面的投影，L′為J′在Oyrf zrf平面的投影。從圖中可以看出，相對(duì)工作面坐標(biāo)系及其航位推算軌跡相當(dāng)于目標(biāo)工作面坐標(biāo)系及其真實(shí)軌跡整體旋轉(zhuǎn)了一定角度，航位推算軌跡點(diǎn)在相對(duì)工作面坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)與真實(shí)軌跡點(diǎn)在目標(biāo)工作面坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)是一致的，實(shí)際采煤機(jī)軌跡各位置點(diǎn)偏離目標(biāo)工作面的偏移量能夠準(zhǔn)確測量。

圖1 航位推算位置誤差示意圖Fig.1 Positioning error diagram of dead-reckoning

圖2 采煤工作面平直度的相對(duì)測量原理Fig.2 Relative measurement principle of coal mining face flatness and straightness

因此，雖然慣性導(dǎo)航初始對(duì)準(zhǔn)航向誤差較大，其相對(duì)采煤機(jī)的安裝偏角無法井下標(biāo)校，但是采煤機(jī)軌跡目標(biāo)工作面的定位坐標(biāo)能夠得到測量，測量精度取決于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的航姿保持精度。假設(shè)陀螺等效零偏漂移為0.003 °/h，采煤機(jī)1 h 走完300 m 工作面，考慮到慣性導(dǎo)航誤差的舒拉振蕩周期和地球振蕩周期，其航向保持誤差不大于0.003 °，產(chǎn)生的定位誤差δD=300 ×0.003×π180 =0.0157m 。

2.2 相對(duì)定位坐標(biāo)計(jì)算方法

采煤機(jī)相對(duì)定位方法首先在于確定目標(biāo)工作面的兩個(gè)端點(diǎn)，其可以根據(jù)支架到煤壁的距離測定，也可簡單認(rèn)定采煤機(jī)在機(jī)頭和機(jī)尾的位置為目標(biāo)工作面兩個(gè)端點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)采煤機(jī)經(jīng)過這兩個(gè)端點(diǎn)，不考慮慣性測量與采煤機(jī)直接的安裝偏角和尋北誤差，此時(shí)航位推算得到的采煤機(jī)地理系坐標(biāo)為：

由此測量得到的采煤機(jī)軌跡相對(duì)真實(shí)軌跡旋轉(zhuǎn)了一定角度。這里將航向安裝偏角和俯仰安裝偏角當(dāng)作小量處理，因此要求安裝時(shí)慣性測量坐標(biāo)系與采煤機(jī)坐標(biāo)系近似一致。如圖3 所示，以采煤機(jī)經(jīng)過兩個(gè)端點(diǎn)時(shí)測量坐標(biāo)的連線建立相對(duì)工作面坐標(biāo)系。

圖3 相對(duì)工作面坐標(biāo)系與導(dǎo)航坐標(biāo)系的關(guān)系Fig 3 Relationship between relative face frame and navigation frame

假設(shè)經(jīng)過目標(biāo)工作面首端點(diǎn)O時(shí)的航位推算n系三維坐標(biāo)為經(jīng)過尾端點(diǎn)A′時(shí)的航位推算n系三維坐標(biāo)為則有：

由相對(duì)工作面的定義可知，xrf軸在n系的單位矢量為：

yrf軸垂直于OA′B′平面，因此yrf軸在n系的單位矢量為：

由此可以計(jì)算得到zrf軸在n系的單位矢量為：

導(dǎo)航坐標(biāo)系到相對(duì)工作面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣為：

采煤機(jī)在相對(duì)工作面坐標(biāo)系同時(shí)也是目標(biāo)工作面坐標(biāo)系的坐標(biāo)為：

至此，可以繪制出反映工作面平直度的采煤機(jī)軌跡，計(jì)算出各支架偏離初始目標(biāo)基準(zhǔn)線的距離。

軌跡坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到相對(duì)工作面坐標(biāo)系后，目標(biāo)工作面兩個(gè)端點(diǎn)被設(shè)置在同一個(gè)大地高度上，只反映了高度軌跡的形狀，不能反映工作面的真實(shí)高程變化。為了實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)調(diào)高，需要引入目標(biāo)工作面兩端巷道的相對(duì)高度差信息hΔ ，該信息具體可由震波CT等地形探測手段獲取。此時(shí)將OA′改寫為：

按照式(6)～(10)重新計(jì)算相對(duì)工作面坐標(biāo)系采煤機(jī)軌跡，既可以實(shí)現(xiàn)工作面平直度測量，又可以反映工作面真實(shí)高度變化。

2.3 斷電的處理方法

慣導(dǎo)系統(tǒng)由采煤機(jī)供電，在實(shí)際采煤時(shí)會(huì)遇到采煤機(jī)停機(jī)斷電的情況，此時(shí)慣導(dǎo)系統(tǒng)丟失可用的連續(xù)積分信息，一般而言，需要重新進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)，才能繼續(xù)開展軌跡測量。但5 min 靜止對(duì)準(zhǔn)不符合實(shí)際工況和高效開采原則，而運(yùn)動(dòng)中對(duì)準(zhǔn)需要精確的慣性測量坐標(biāo)系與采煤機(jī)坐標(biāo)系的安裝偏角ψα和θα，且不管何種對(duì)準(zhǔn)方法，都會(huì)引入了初始對(duì)準(zhǔn)誤差，使斷電前后軌跡測量不連續(xù)，相對(duì)測量方法失效。

對(duì)于采煤機(jī)斷電的問題，目前LASC 系統(tǒng)額外給慣導(dǎo)系統(tǒng)配備不間斷電源UPS，但UPS 電量有限，長時(shí)間條件下慣導(dǎo)系統(tǒng)最終還是會(huì)陷入斷電狀態(tài)。考慮到采煤機(jī)和慣導(dǎo)系統(tǒng)固聯(lián)安裝且采煤機(jī)依靠電力驅(qū)動(dòng)，采煤機(jī)斷電則慣導(dǎo)系統(tǒng)保持靜止，采煤機(jī)上電則慣導(dǎo)系統(tǒng)上電，因此可以在正常上電工作時(shí)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)導(dǎo)航信息，在遭遇斷電時(shí)，由慣導(dǎo)系統(tǒng)內(nèi)部閃存或者上位機(jī)存儲(chǔ)該信息，在重新上電后，慣導(dǎo)系統(tǒng)讀取該信息進(jìn)行接續(xù)導(dǎo)航。

為了實(shí)現(xiàn)接續(xù)慣性導(dǎo)航和航位推算，需要實(shí)時(shí)保存當(dāng)前時(shí)刻方向余弦矩陣和航位推算坐標(biāo)，其中方向余弦矩陣可以等價(jià)轉(zhuǎn)換為航向角、俯仰角和橫滾角保存，降低保存數(shù)據(jù)量。為了實(shí)現(xiàn)相對(duì)測量轉(zhuǎn)換，需要保存導(dǎo)航坐標(biāo)系到相對(duì)工作面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，從圖3 可以看出導(dǎo)航坐標(biāo)系經(jīng)過兩次旋轉(zhuǎn)即可轉(zhuǎn)換到相對(duì)工作面坐標(biāo)系，因此也可等價(jià)轉(zhuǎn)換為航向旋轉(zhuǎn)角和俯仰旋轉(zhuǎn)角保存?？紤]到第一刀尚未走完，采煤機(jī)就可能斷電，因此還需保存是否經(jīng)過起始端點(diǎn)標(biāo)志、起始端點(diǎn)航位推算坐標(biāo)是否經(jīng)過末尾端點(diǎn)標(biāo)志以及末尾端點(diǎn)航位推算坐標(biāo)這樣的話無論采煤機(jī)何時(shí)斷電，都可以在重新上電時(shí)實(shí)現(xiàn)連續(xù)位置測量，而不需要重新對(duì)準(zhǔn)。

2.4 相對(duì)定位方法的誤差分析

根據(jù)前文分析，采煤機(jī)三維軌跡的相對(duì)測量方法避開了初始對(duì)準(zhǔn)誤差和安裝偏角誤差的影響，定位精度主要取決于航姿保持精度。

采煤機(jī)工作面近似為直線，航向基本保持不變，按照捷聯(lián)慣導(dǎo)誤差傳播方程進(jìn)行誤差分析，慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)航向誤差導(dǎo)致的航向保持誤差和等效東向陀螺零偏導(dǎo)致的航向保持誤差相互對(duì)消，同時(shí)水平初始對(duì)準(zhǔn)誤差與水平加計(jì)零偏造成的俯仰角保持誤差相互對(duì)消。導(dǎo)航階段的俯仰保持誤差Esφ和航向保持誤差φUs可以分別表示為：

其中Eε表示等效東向陀螺零偏，Nε表示等效北向陀螺零偏，Uε表示等效天向陀螺零偏，t表示導(dǎo)航時(shí)間，L表示當(dāng)?shù)氐乩砭暥?，ieω表示地球自轉(zhuǎn)角速度，約為 15.0411 °/h，sω為舒拉角頻率，約為255.9242 °/h，ωf為傅科角頻率，ωf=ωiesinL，在緯度40L= °地區(qū)，fω約為9.6682 °/h。

式(12)中，取正余弦項(xiàng)都為最大值 1，εE=εN=0.003 ° h ，可以計(jì)算得到俯仰角保持誤差最大為0.00134 °。式(13)中，sω遠(yuǎn)大于ieω，因此忽略最后一項(xiàng)的影響，令 sin（ωiet）為最大值 1，εU=-0.003 ° h ，εN=0.003 ° h ，L= 40°，可以計(jì)算航向角的保持誤差最大為0.011 °。

注意到式(3)中，采煤機(jī)定位誤差與采煤機(jī)位移大小和里程有關(guān)，采煤機(jī)采用前進(jìn)后退的方式，而非走完一個(gè)工作面掉頭的方式，無論是位移矢量還是里程都是一正一負(fù)的方式，因此慣性測量誤差導(dǎo)致的定位誤差在一正一負(fù)的過程中也是相互對(duì)消的。最大定位誤差取決于工作面長度與航姿保持誤差的乘積，假設(shè)工作面長度為300 m，則理論最大水平定位誤差為300m ×0.011 °×180π=0.058m ，最大高程定位誤差為300m ×0.00134 °× 1 80π=0.007 m 。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用自研激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)在山西雙柳煤礦進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，由于編碼器信息采用無線傳輸給集控，再由集控下發(fā)給采煤機(jī)慣導(dǎo)，因此存在不定期延時(shí)，且分辨率相當(dāng)粗糙，許多時(shí)候達(dá)到0.5 m。慣導(dǎo)系統(tǒng)激光陀螺精度約為 0.003 °/h，加速度計(jì)精度約為50 μg。實(shí)際采煤作業(yè)時(shí)，由于安全因素和工作條件等限制，無法下井準(zhǔn)確測量實(shí)際支架的推移距離，而控制系統(tǒng)給定的推移距離可能偏移實(shí)際距離多達(dá)數(shù)十厘米，無法以之作為位置基準(zhǔn)考核慣導(dǎo)系統(tǒng)位置測量精度，因此井下實(shí)驗(yàn)采取了跑空刀的驗(yàn)證方式。采煤機(jī)從中間進(jìn)刀在固定工作面進(jìn)行了幾次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，期間由于工作面機(jī)電檢修緣故，在60架和116架附近進(jìn)行了兩次長達(dá)半小時(shí)的斷電。理論上采煤機(jī)的定位軌跡是重合的，其不重合誤差即為慣導(dǎo)系統(tǒng)的定位誤差。整個(gè)試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間6 h，其中上電工作時(shí)間約為5 h，繪制出采煤機(jī)三維/定位軌跡如圖4 所示。

圖4 采煤機(jī)空刀試驗(yàn)的三維軌跡Fig.4 Shearer 3D path in empty cutting test

為了更直觀地分析定位精度，將水平定位軌跡和高程定位軌跡分別畫出，如圖5 和圖6 所示。

圖5 采煤機(jī)空刀試驗(yàn)的水平定位軌跡Fig.5 Shearer horizontal positioning path in empty cutting test

圖5 中最大水平定位誤差為3.9 cm，圖6 中最大高程定位誤差為1.5 cm。從圖5 中可以看出，水平軌跡在75 架、90 架以及100 架等軌跡曲率變化較大的地方，呈現(xiàn)誤差變大的現(xiàn)象，且曲率變化越大誤差也越大。由于慣導(dǎo)系統(tǒng)航向保持誤差主要與導(dǎo)航時(shí)間有關(guān)系，跟軌跡形狀無關(guān)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理分析，認(rèn)為在采煤機(jī)經(jīng)過曲率變化較大軌跡段時(shí)，慣性測量坐標(biāo)系相對(duì)編碼器所表征的虛擬采煤機(jī)坐標(biāo)系的航向安裝角發(fā)生了變化，本質(zhì)上慣組與采煤機(jī)是固聯(lián)安裝，因此也可以理解為采煤機(jī)與刮板運(yùn)輸機(jī)之間存在的航向安裝間隙導(dǎo)致航向安裝角發(fā)生了變化，產(chǎn)生了額外的水平定位誤差。這種誤差在工程實(shí)際中存在一定的隨機(jī)性，為不可避免的小量誤差。而高程定位精度受軌跡曲率影響小，這也間接說明采煤機(jī)與刮板運(yùn)輸機(jī)之間的俯仰安裝間隙相對(duì)較小。即使扣除安裝間隙的影響，圖5 和圖6 仍然反映出高程定位精度整體優(yōu)于水平定位精度，這一點(diǎn)符合式(12)和式(13)中相對(duì)測量方法定位誤差理論分析結(jié)果。主要原因是俯仰角保持誤差與航向角保持誤差在捷聯(lián)慣性導(dǎo)航中呈現(xiàn)不同的傳播規(guī)律。

圖6 采煤機(jī)空刀試驗(yàn)的高程定位軌跡Fig.6 Shearer height positioning path in empty cutting test

從試驗(yàn)結(jié)果還可以看出相對(duì)測量方法能適應(yīng)采煤機(jī)斷電的情形，其在60架和116架附近并沒有因?yàn)閿嚯娭貑a(chǎn)生定位誤差放大的情形。整體而言，在高達(dá)5 h 的工作時(shí)間內(nèi)，采煤機(jī)三維軌跡的相對(duì)定位精度達(dá)到厘米級(jí)，能夠達(dá)到與國外LASC 系統(tǒng)相當(dāng)?shù)乃健?/p>

4 結(jié) 論

基于高精度慣導(dǎo)和編碼器，本文提出了一種無源自主的采煤機(jī)三維相對(duì)定位方法，解決了綜采工作面平直度精確測量問題，水平方向最大位置誤差為3.9 cm，高程方向最大位置誤差為1.5 cm。該方法簡單、可靠、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，能夠滿足工程實(shí)際中工作面直線度的智能調(diào)整，液壓支架自動(dòng)跟機(jī)移架、采煤機(jī)自適應(yīng)智能調(diào)高等的需求，有利于推進(jìn)井下綜采工作面向安全、高效、綠色、智能化、少人化方向發(fā)展。