基于超宽带TSOA定位原理的掘进机定位误差分析

为了研究掘进机的定位误差,基于超宽带测距技术,根据波达时间和(Time Sum of Arrival,TSOA)定位原理,采用了间接法解算出定位点的坐标值。仿真分析了定位点在空间的分布,对三个坐标轴的定位误差进行分析,得出的结论为：①定位点在空间的分布呈不规则球形,Y轴的误差小于X轴和Z轴|②在10～100m的范围内,随着定位点距离的增大,定位点的均方根误差也随着增大,均方根误差可控制在4.5cm以内|③三轴的方均根误差在10～100m的范围内,随着测量距离的增大而增大。其中Y轴的均方根误差最小,X轴和Y轴持平,误差控制在4.5cm以内。为掘进机的位姿检测提供了基础。     

面向掘进机的超宽带位姿协同检测方法

为符合安全高效生产对掘进机作业的要求,提出了一种面向掘进机的超宽带位姿协同检测方法。依据TDOA(波达时间差)定位原理及P440模块的测距信息建立定位模型,利用协同定位算法得到定位点坐标的最终估计值。对比Chan算法与协同算法的定位点仿真分布,并分析协同算法的三轴定位精度。建立了空间全断面定位误差场,得出协同算法的空间定位精度变化规律。对机身定位点进行布局设计,解算得到掘进机的姿态角。结果表明:在90 m范围内,协同算法的Y轴定位误差基本上可以保持2 mm,而X轴、Z轴定位误差由0. 4至4 cm呈线性增加。随测量距离的增大,在巷道X-Y断面上,定位误差呈线性增加;在巷道X-Z断面上,定位误差的随机性增加。姿态角误差均由0. 2°至1. 5°呈线性增加,满足掘进机位姿检测精度的需求。     

基于TSOA定位原理混合算法的掘进机位姿检测方法

为实现掘进机的位姿检测,提出了一种面向掘进机的混合算法的位姿检测方法。基于超宽带(Ultra-wideband)测距和(Time Summation of Arrival,TSOA)定位原理,系统地推导了混合算法的计算过程,将间接法得到的定位点初始坐标代入Taylor级数展开法,循环迭代,通过混合算法得到了掘进机的坐标值,将坐标值代入姿态角解算公式得到了掘进机的姿态角。实际实验中需要其他测量方式的标定才可验证真值,且任何测量方式均有误差,因此基于MATLAB进行仿真分析研究规律。绘制了混合算法程序流程图,仿真对比了间接法和混合算法在15 m和90 m的定位点空间分布状态、三轴误差,以及2种算法在10～100 m的测量范围内定位点均方根误差和三轴均方根误差变化情况,分析了混合算法在15 m和90 m的姿态角精度,仿真结果表明:混合算法的定位性能优于间接法,精度高于间接法,姿态角误差可控制在0. 008°以下。搭建了掘进机位姿检测系统实验平台,在模拟巷道中进行了实验验证,完整地采集了UWB测距的相关数据,在MATLAB中通过曲线拟合绘制了误差随距离变化的曲线图,得到了误差随测量距离变化的规律,实验结果表明:在3～94 m测量范围内,X轴误差可控制在4 cm以内,Y轴误差可达到毫米级,Z轴误差随测量距离增大而增大。为实现综掘装备的自主导控提供了理论基础。     

矿井掘进机自主定位仿真模拟及应用研究

为解决井下巷道断面掘进质量,提出了掘进机自主定位系统指导综掘。从理论上阐述了掘进机定位系统组成和定位原理,模拟分析了掘进机自主定位误差情况、姿态角分布规律和校准效果,应用表明在自主定位下掘进掘进的巷道断面质量好,实现了快速、精准作业,为矿井实现高产高效奠定了理论基础。     

基于超宽带技术的掘进机自主定位定向方法研究

针对煤矿井下综掘工作面的实际工况,提出了一种基于超宽带定位技术的悬臂式掘进机自主定位定向方法,建立了该方法的数学计算模型及误差随距离分布模型,并验证了该方法的可行性。分析结果表明：在满足煤炭巷道成型标准的情况下,该系统的自主探测范围可达400 m左右。为了进一步提高自主测量范围,提出了一种定位基站自主标定方法,可实现掘进机巡航参数的跟随性测量,减少综掘人员的井下作业时间。该项研究可有效防止因偏掘引起的巷道错位,实时提供掘进机位置状态及位姿参数,为实现掘进机自主巡航奠定基础,满足深部危险煤层开采的无人化需求。     

基于三激光束标靶的煤矿井下长距离视觉定位方法

煤矿井下掘进装备长距离动态定位是巷道掘进智能化发展面临的首要难题,准确、可靠的位姿测量与估计对提高掘进效率具有重要意义。由于煤矿环境中存在振动噪声、磁干扰、静电干扰等因素,传统测量方法的稳定性和准确性难以保证。与其他定位方法相比,视觉测量方法以其无接触、无累积误差的优点备受关注。针对井下视觉定位面临的精度和稳定性难题,提出基于多激光束的煤矿井下长距离视觉定位方法,采用矿用激光指向仪构建了三激光束标靶解决低照度、高粉尘和复杂背景的干扰问题。以悬臂式掘进机为应用对象,构建了基于三激光束标靶的掘进机机身位姿单目视觉测量系统,提出基于颜色分量的峰值聚类约束的激光束标靶图像分割方法,利用Hessian矩阵求解激光束粗略中心线像素点的法线方向,结合泰勒展开实现三激光束中心线的亚像素级特征提取和定位;构建了三点三线(3P3L)掘进机机身位姿测量模型,并建立了测量模型的最小二乘法损失函数,结合最小化重投影误差实现非迭代全局最优解估计,获得了掘进机机身位姿的最优解,并对测量模型主要参数的误差分布进行了数值仿真研究。最后,搭建基于三激光束标靶的掘进机机身定位系统平台并进行实验评估,结果表明,该方法可满足煤...     

掘进机截齿定位的数学模型及其工装设计

为便于掘进机截割头的制造及检验,建立了掘进机截齿定位数学模型,并运用"两点法"将对截齿空间角度定位参数检验转化为截齿轴线两点在机床全局坐标系下坐标值的检验。设计了一种截齿角度空间定位机构,介绍了该空间定位机构的结构组成及工作原理以及定位方法,对提高截齿定位装焊精度、减小人为因素造成的定位误差具有重要指导意义。     

横摆截割工况掘进机履带接地比压分布规律

考虑到掘进机接地比压决定了掘进机通过性和工作稳定性,是确定掘进机与地面附着力矩的基础,研究了掘进机横摆截割工况下接地比压分布情况。首先对掘进机横摆工况进行分析,确定掘进机与巷道底板接触部件与载荷构成。使用SolidWorks建模确定不同工况下掘进机重心坐标,使用Cftool拟合工具对已有数据进行拟合,得到掘进机重心坐标随横摆角和纵向角度的拟合曲线(曲面)。推导考虑不同截割部横纵向角度、巷道倾角以及后支撑载荷情况下掘进机履带接地比压分布公式。以国产EBZ300型掘进机为研究对象进行实例数值计算。研究结果表明:实例中接地比压最大值为0.312 MPa,超过了EBZ300掘进机说明书中计算的平均接地比压0.198 MPa,验证了通常使用的平均接地比压计算方法无法真实体现接地比压分布情况;截割部横摆导致重心偏移,使得偏重一侧履带的接地比压大于另一侧。得到了不同参数影响下掘进机两侧履带接地比压分布规律。依据相似比例制作掘进机模型机,通过模型机进行截割部横摆角和纵摆角变化对履带接地比压分布影响的实验验证。实验测得这两种工况下掘进机履带接地比压分布情况和计算结果规律基本一致,误差不超过20%。通过实验验证了本文理论计算方法的可行性和有效性。     

悬臂式掘进机电控系统的自动化升级研究与设计

文章通过对EBZ260型悬臂式掘进机电控系统进行硬件系统和软件系统的升级设计,实现了掘进机全遥控操作、截割头定位及截割断面监视、截割电机恒功率工值,自动截割等功能。对自动化升级设计的悬臂式掘进机进行模拟试验,确定升级设计后悬臂式掘进机升级后能够有效提高矿井工作面掘进自动化水平,降低人工作业误差,提高巷道断面掘进质量,为矿井安全高效生产奠定基础。     

iGPS的单站多点分时测量系统对掘进机偏向位移精度研究

为解决目前掘进机定位过程中存在自动化程度低、测量介质易被遮挡等问题,提出了一种基于i GPS的掘进机单站多点分时测量系统,并应用此系统对掘进机偏向位移精度进行研究。根据实际工况,构建单站多点分时测量系统,建立掘进机偏向位移与测量参数的数学模型,根据随机误差建模理论推导出误差传递方程,研究在不同发射站间距、不同测量距离情况下偏向位移误差的变化规律,通过高精度测试系统进行试验验证。     

掘进机远程控制技术及监测系统研究与应用

综合应用自动化、智能化和信息化等高新技术研制开发了适合煤矿综掘工作面地质与环境条件的掘进机远程控制技术及监测系统,实现了掘进机工作过程的定向、定位和定形的自动化远程控制.实现了掘进机位姿参数在线自动检测、自动定向掘进、断面自动截割成形和截割臂摆速自适应控制,首次在我国井下煤巷掘进工况中实现悬臂式掘进机机身位姿误差的绝对法测量,避免了相对法测量过程中误差积累的问题,保证了高精度定向掘进;在井下实现了远程监控、无线遥控和视频监控,实现了在多尘、振动条件下掘进机工况多角度可视化一键式遥控;在井下环网或地面任何网络接入点,实现了掘进机运行状态参数包括位姿参数等信息的实时监测与显示,并具有远程故障诊断和报警等功能.     

基于激光靶向跟踪的掘进机位姿测量方法

为了通过单点布站实现掘进机所有位姿参数的自动测量,在分析现有掘进机位姿测量方法的基础上,提出基于激光跟踪云台与激光标靶组合测量的掘进机位姿测量方法。阐述了测量系统的组成、工作原理及激光标靶提取光斑坐标的方法,通过研究掘进机位姿、激光标靶位姿、激光跟踪云台位姿以及巷道坐标系之间的转换关系,建立掘进机位姿测量系统的数学模型,解算出掘进机相对于巷道坐标系的绝对位姿的数学表达式,并采用Matlab分析了掘进机各位置和姿态参数的测量误差。实验结果表明:测量距离为60 m时的翻滚角误差小于0.7°,俯仰角误差小于0.7°,方向角误差小于0.2°,X轴误差小于10 mm,Y轴误差小于40 mm,Z轴误差小于30 mm,满足掘进机位姿测量的精度要求。     

基于Chan算法的掘进机超宽带位姿检测方法

为实现综掘工作面的无人化,提出了一种基于Chan定位算法的掘进机超宽带位姿检测方法。开展了超宽带模块的测距精度实验,仿真分析了位姿检测精度。结果表明,该检测方法在90 m范围内的航向角、俯仰角、横滚角误差均可达到3°以下,满足巷道成形过程中掘进机位姿检测精度的要求。     

基于掘进机位姿测量系统的自主标定方法误差分析

围绕在狭长综掘巷道中掘进机位姿激光测量系统位姿参数高精度自动测量的问题,首先系统介绍了位姿测量系统,研究了位姿测量系统测站移站后高精度自动全站仪自主标定原理。依据激光测量原理及掘进机工作特点,构建了全站仪移站后全站仪设站点坐标与定位棱镜坐标测量误差数学平差模型,并通过Matlab进行了不同标定距离、不同测量距离对悬臂式掘进机位姿参数测量误差影响规律的仿真分析。分析结果表明:掘进方向的位姿误差比较大,掘进机姿态角误差均随测量距离和标定距离的增加而增加,且测量距离对姿态角误差影响更明显;姿态角的最大测量误差为航向角,测量误差为0. 015 7°。从而验证了激光导向系统自主标定的可行性,并由此提出了一种相对最优的自主标定策略。完全满足目前煤矿综掘工作面对悬臂式掘进机位姿测量精度的要求。     

基于iGPS的悬臂式掘进机位姿测定系统研究

煤矿掘进作业中,常常会出现巷道基准轴线与掘进机位姿测量不一致的情况。为了解决掘进作业中掘进机的位姿自动测定的问题,文章结合悬臂式掘进机的结构和工作方式,提出一种iGPS的悬臂式掘进机位姿测定系统,计算出了系统产生的误差:机身位姿误差约为0.01745m,控制系统误差小于0.15m。最后,在系统造价、环境适用性和安全性能3个方面论述了系统的可行性。     

基于UWB信号的TW-TOF测距技术在狭长巷道中的精度测试实验研究

为实现综掘工作面无人化作业,提出了一种基于UWB测距技术的掘进机位姿检测方法;分析了TOA定位方法的误差模型,设计了基于UWB信号的TW-TOF测距实验。实验在3个场地进行,分别用以验证信号时延、环境变化、测距范围对系统的精度影响,为系统定位优化算法提供了理论基础。     

悬臂式掘进机惯性定位技术研究与试验

在巷道断面自动截割技术中,掘进机定位精度直接影响断面成型精度。分析了掘进机的运动特点,建立了掘进机惯性定位系统,将PHINS惯性导航系统用于掘进机自动定位,利用零速修正法提高其定位精度并完成工业性试验。试验结果表明,修正间隔时间为60 s时,北向定位偏差均值约0. 031 1 m,东向定位偏差均值约0. 062 4 m;在约2 h试验期间,掘进机间断行进约42 m,北向定位偏差累积约为0. 249 m,东向定位偏差累积约为0. 49 m;小范围连续运动超过10 min时,定位精度明显变差,定位偏差超过5 m。试验结果证明,60 s零速修正间隔可以满足掘进机对短时定位精度的要求,长时定位精度若要满足自动截割要求,仍需要进一步改进零速修正算法或融合其他定位方法。     

纵轴式掘进机截割头的改进

<正>某公司原截割头设计方式延续超过10年,最初主要针对全煤巷道、半煤岩巷道,截齿受力小,掘进机功率低,截齿定位的误差表现不明显,随着岩巷掘进机的逐步推广,原有截割头的诸多缺陷突显出来。为适应岩巷掘进的需求,将截割头的设计做了大幅度改进。1现状现有截割头产品只限煤巷掘进,齿座内孔误差大、齿尖定位精度差、齿座角度偏差大、喷嘴位置无     

基于空间交汇测量技术的悬臂式掘进机位姿自主测量方法

根据深部危险煤层无人化开采的需求,要实现无人环境下对悬臂式掘进机位姿的高精度测量。提出一种基于空间交汇测量技术的悬臂式掘进机自主位姿测量方法,由悬臂式掘进机搭载激光发射器并发射旋转激光平面,在其后方安装位置固定的激光接收器并通过激光平面获取激光发射器相对于其自身的方位,从而得到悬臂式掘进机相对于由激光接收器确定的巷道坐标系的位姿状态。构建悬臂式掘进机位姿测量的数学模型,运用仿真软件对该模型进行仿真并分析位姿测量精度。仿真表明：在激光发射器与激光接收器相距25 m时悬臂式掘进机定位点的最大测量误差在X轴,测量误差为0.082 3 m;姿态角的最大测量误差为横滚角,测量误差为2.018 4°。基本满足目前煤矿综掘工作面对悬臂式掘进机位姿测量精度的要求。     

基于多频连续波相位差测距的掘进机位姿识别方法

随着矿山生产过程的日趋无人/少人化,采掘装备位姿识别技术对煤矿井下安全生产和机器协同工作具有重要意义。为了解决在空间受限的复杂掘进作业环境下,电磁波频繁反射和散射会造成密集多径和大相位误差问题,采用无源宽带谐波标签生成可利用的谐波信号,建立基于非线性二次谐波反向散射的抗干扰模型,通过上、下行链路的频率分集,抑制矿井密集多径干扰;通过基于距离的几何定位方法,提出连贯发射宽带多频连续波(Coherent Sending Broadband Multifrequency Continuous-Wave,CSMCW)相位差测距算法,来解决大相位误差条件下的测距、定位和识别的准确性难题;并以掘进机为例,研究了基于CSMCW相位差测距的无源掘进机位姿识别方法。为了验证上述理论和算法的可行性,设定了长×宽×高为105 m×4 m×3 m的掘进机仿真实验场景,分别对谐波标签抗干扰性能、CSMCW相位差测距和掘进机位姿识别效果进行了仿真测试。仿真结果表明:采用无源宽带谐波标签,与传统无源标签相比可以获得更大的信干比,具有较强的顽健性,能够有效抑制纳秒级密集多径干扰;与二次相差测距算法、参差频差测距算法相比,基于谐波反向散射抗干扰模型的CSMCW测距算法具有更强的鲁棒性,在低信噪比条件下定位测距可达到厘米级的分辨率,保证了掘进机位姿姿态角的识别;信噪比(SNR)=-5 dB、测量距离为100 m时,基于提出的多频连续波相位差测距的位姿识别方法得到掘进机航向角、俯仰角、横滚角最大误差精度约为2.3°,能够满足未来的应用要求。