王 興

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦， 山西 呂梁 033602）

引言

采煤機(jī)是礦井開采的關(guān)鍵設(shè)備之一，采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)、液壓支架統(tǒng)稱為礦井綜采“三機(jī)”，其中采煤機(jī)主要組成包括行走部、截割部、電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及輔助裝置等，對應(yīng)采煤機(jī)的工作原理是：對于行走部，行走部包含內(nèi)外牽引兩部分，內(nèi)牽引控制采煤機(jī)的運動速度，外牽引可直接驅(qū)使采煤機(jī)移動；對于截割部，截割部包含左、右截割部兩部分，可實現(xiàn)采煤機(jī)割煤、落煤、裝煤等作業(yè)工序的完成；對于電控系統(tǒng)，組成部分有牽引變頻器、高壓開關(guān)、電流互感器、變壓器、機(jī)載控制器等，主要控制采煤機(jī)的各種運行動作，同時，可對采煤機(jī)的運行和故障狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測；對于液壓系統(tǒng)，包含截割滾筒調(diào)高系統(tǒng)、牽引制動系統(tǒng)、破碎調(diào)高系統(tǒng)等，實際開采時，電機(jī)驅(qū)動泵站吸取液壓油，通過液壓管路、各閥組為調(diào)高油缸、制動器提供充足的液壓動力；對于輔助裝置，有擋煤板、底托架、拖纜裝置、噴霧系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等[1]。

此外，采煤機(jī)定位方法有超聲波定位法、紅外定位法、齒輪計數(shù)定位法、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位法和慣導(dǎo)定位法等，為保證采煤機(jī)快速準(zhǔn)確定位，完成截割、智能調(diào)高和調(diào)速等工序[2]，本文采用多慣導(dǎo)冗余定位法，分析不同慣導(dǎo)間距對采煤機(jī)定位精度的影響，進(jìn)而提高采煤機(jī)的定位精度，保證煤礦開采的高產(chǎn)高效。

1 采煤機(jī)多慣導(dǎo)冗余定位的原理

采煤機(jī)慣導(dǎo)定位是實現(xiàn)井下綜采自動化的關(guān)鍵技術(shù)，為克服井下不能接收無線電信號及同時滿足采煤機(jī)定位精度的提升需求和慣導(dǎo)冗余結(jié)構(gòu)的可靠性，多數(shù)采用的是多套慣導(dǎo)系統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)技術(shù)，以組合慣導(dǎo)與軸碼器定位為前提，以慣導(dǎo)間距為約束條件，提出多慣導(dǎo)冗余采煤機(jī)定位的技術(shù)[3]。采煤機(jī)多慣導(dǎo)冗余定位的原理是：采煤機(jī)坐標(biāo)系到導(dǎo)航坐標(biāo)系的方向余弦矩陣可依據(jù)三套慣導(dǎo)輸出的姿態(tài)角計算取得，采煤機(jī)坐標(biāo)系中的速度可采用軸編碼器計算取得，接著將采煤機(jī)坐標(biāo)系中的速度利用方向余弦矩陣導(dǎo)入導(dǎo)航坐標(biāo)系中，并積累至三套慣導(dǎo)的初始位置，獲得導(dǎo)航坐標(biāo)系中三套慣導(dǎo)的位置。將此位置信息作為狀態(tài)量，慣導(dǎo)間距引入卡爾曼濾波器，經(jīng)此獲得三套慣導(dǎo)的位置，其中卡爾曼濾波是線性系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過測量輸入輸出的數(shù)據(jù)，從而獲得系統(tǒng)狀態(tài)最優(yōu)的算法[4]。本文通過引入卡爾曼濾波器，并應(yīng)用到多慣導(dǎo)冗余算法的慣導(dǎo)間距中，從而保證獲得的位置輸出更加精確。采煤機(jī)多慣導(dǎo)冗余定位原理的示意圖如圖1 所示。

圖1 采煤機(jī)多慣導(dǎo)冗余定位原理

2 不同慣導(dǎo)間距對采煤機(jī)定位精度的影響

為研究不同慣導(dǎo)間距對采煤機(jī)定位精度的影響，本文采用的采煤機(jī)設(shè)計具體參數(shù)是：運行速度為6 m/min，航向角與俯仰角都是0°，模擬時間1 000 s，且慣導(dǎo)間距離r12=r13，依據(jù)以上的參數(shù)設(shè)計，三套慣導(dǎo)都在采煤機(jī)平面坐標(biāo)系XbObYb內(nèi)，研究慣導(dǎo)間距從0.1 m 增加至1 m，且每個變化梯度為0.1 m，對采煤機(jī)定位精度的影響變化。采煤機(jī)慣導(dǎo)安裝的間距變化示意圖如圖2 所示。

圖2 采煤機(jī)不同慣導(dǎo)間安裝距離的變化示意圖

對于多慣導(dǎo)冗余算法處理前，由于單一慣導(dǎo)與軸編碼器組合的采煤機(jī)，其導(dǎo)航位算法與三套慣導(dǎo)間距無關(guān)，因此本質(zhì)上就是一套慣導(dǎo)，精度不會發(fā)生變化。本文通過多慣導(dǎo)冗余算法處理前后，得到不同慣導(dǎo)間距離對采煤機(jī)慣導(dǎo)定位精度的影響曲線圖，如圖3 所示。

圖3 慣導(dǎo)間距對多慣導(dǎo)冗余算法定位精度的影響曲線

由圖3 可知，對比多慣導(dǎo)冗余算法處理前后的誤差，三套慣導(dǎo)得到的采煤機(jī)定位精度都有所提升，其中，慣導(dǎo)1（采煤機(jī)）的球概率誤差處理前后分別是0.49 m 和0.31～0.36 m，平均減小34.69%；慣導(dǎo)2的球概率誤差處理前后分別是0.51m 和0.34～0.35 m，平均減小32.02%；慣導(dǎo)3 的球概率誤差處理前后分別是0.47 m 和0.29～0.34 m，平均減小30.40%。此外，經(jīng)多慣導(dǎo)冗余算法處理后，隨著慣導(dǎo)間距的增大，慣導(dǎo)1（采煤機(jī)）、慣導(dǎo)3 的球概率誤差是先減小再增大，在慣導(dǎo)間距是0.2 m 時，球概率誤差出現(xiàn)最小值；在間距增加至0.3 m 后，球概率誤差逐漸趨于穩(wěn)定。由此對比可知，在慣導(dǎo)間距為0.2 m 時，采煤機(jī)的定位精度達(dá)到最高。同樣，多慣導(dǎo)冗余算法處理后，隨著慣導(dǎo)間距的增大，慣導(dǎo)2 在0.3 m 之前的球概率誤差是逐漸增大的，在間距增加至0.3 m 后，同樣趨于穩(wěn)定。

對比不同慣導(dǎo)之間的距離，得到估計三角形所在平面法向量平均偏移角度，其變化曲線如圖4 所示。

圖4 不同慣導(dǎo)間距時估計三角形所在平面法向量平均偏移角度

由圖4 可知，在慣導(dǎo)間距是0.2 m 時，平均偏移角度最小，因此，取得平均偏移角度最小值時慣導(dǎo)間距與取得最小精度值保持一致，但是還存在不同點，就是在慣導(dǎo)間距是0.3 m 位置后，平均偏移角度存在起伏波動，而三套慣導(dǎo)的定位精度基本不變，這可能是因為估計三角形所在平面法向量偏移和估計三角形位置的偏移共同作用的結(jié)果。

3 結(jié)論

1）經(jīng)多慣導(dǎo)冗余算法處理后，三套慣導(dǎo)得到的采煤機(jī)定位精度都有所提升。

隨著慣導(dǎo)間距的增大，慣導(dǎo)1（采煤機(jī)）、慣導(dǎo)3的球概率誤差是先減小再增大；在慣導(dǎo)間距是0.2 m時，球概率誤差最??；而慣導(dǎo)2 在0.3 m 之前的球概率誤差是逐漸增大的，但三套慣導(dǎo)都在間距增加至0.3 m 后，誤差趨于穩(wěn)定。

2）在慣導(dǎo)間距是0.2 m 時，估計三角形所在平面法向量平均偏移角度最小，同取得最小精度值保持一致。

3）慣導(dǎo)間距是0.2 m 時，采煤機(jī)的定位精度最高。