基于Chan算法的掘进机定位误差分析

为了研究掘进机的定位误差,利用Chan定位算法解算出其机身定位点的坐标估计值。仿真了定位点的空间分布,然后分别对3个坐标轴方向的定位误差进行分析,得出了误差分布规律,为掘进机的位姿参数检测建立了测量基础。     

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。     

悬臂式掘进机位姿检测方法研究现状

从悬臂式掘进机位姿检测原理出发,介绍了分别基于扇面激光、室内GPS(iGPS)、全站仪、机器视觉、超宽带(UWB)和惯导的掘进机位姿检测方法。基于扇面激光的掘进机位姿检测方法具有计算简单、掘进机机身航向角及X轴(垂直两帮煤壁方向)坐标测量精度高的优点,但无法检测掘进机机身Y轴(掘进方向)、Z轴(垂直地面方向)坐标;基于iGPS的掘进机位姿检测方法能实现全参数位姿测量,检测精度高,但有效测量距离小;基于全站仪的掘进机位姿检测方法能实现全参数位姿测量,但标定、移站复杂;基于机器视觉的掘进机位姿检测方法具有掘进机截割头位置及掘进机机身姿态测量精度高、X轴和Z轴坐标测量精度高的优点,但无法检测掘进机机身Y轴坐标;基于UWB的掘进机位姿检测方法具有自主移站便利、Y轴坐标测量精度高的优点,但Z轴坐标误差较大;基于惯导的掘进机位姿检测方法具有姿态角测量精度较高、测量过程独立非接触的优点,但三轴坐标测量存在累计误差。为满足有效测量距离大于100m、三轴定位误差小于10cm、姿态角误差小于1°的实际应用要求,需要进一步研究机器视觉、UWB、惯导相结合的掘进机位姿组合检测方法,以实现掘进机全自主、全参数、非接触位姿检测。     

截割头载荷对掘进机机身偏向角的影响规律分析

为研究悬臂式掘进机截割过程中截割头载荷对机身偏向角的影响规律,建立了掘进机机身偏向角动力学模型,根据模型求解的输入问题,提出了一种截割头载荷计算方法,并通过仿真计算得到截割头载荷与驱动油缸压力及悬臂截割位置之间的关系。对掘进机截割过程中机身偏向角的变化进行了仿真分析,得到了不同工况下和不同悬臂截割位置时截割头载荷对掘进机机身偏向角的影响规律:横向截割工况下,机身偏向角随截割头载荷的增大而增大,且在悬臂水平摆角为14°时达到最大值;纵向截割工况下,机身偏向角随截割头载荷的增大而减小,且悬臂垂直摆角越大,机身偏向角越小。     

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iGPS的掘进机单站多点分时机身位姿测量方法

为实现掘进机机身位姿的高精度自主测量,提出了基于iGPS的掘进机单站多点分时机身位姿测量方法,并对其可行性进行分析,研究了其测量误差分布规律。分析了目前各种掘进机机身位姿测量方法及iGPS的应用方式,推导出掘进机的位姿计算参数。系统阐述了此测量方法的组成及工作原理,依据其工作原理及掘进机工作特点,建立接收器位置坐标的解算模型,通过Matlab进行仿真,得出了在不同测量距离下接收器各个轴向坐标测量误差的变化规律,结果表明：接收器各个轴向坐标测量误差随着测距的不断增大而增大,且y轴方向的测量误差增长速率大于x,z轴方向;随着测量次数的增多,测量误差有所减小,当测距为40 m,测量次数为200时,y轴方向的最大测量误差为0.070 m。将仿真结果与国家煤矿井巷工程验收标准值进行对比得出,应用此方法测量得出的最大测量误差值小于国家标准的规定值,能够满足掘进机的位姿测量要求。     

基于Chan算法的掘进机超宽带位姿检测基站布局分析

针对综掘工作面的矿工面临一系列危险这一突出问题,结合工程实际与计算机仿真技术,提出了一种基于Chan算法的掘进机超宽带位姿检测方法。设计了5种基本的基站布局方式并进行定位精度仿真分析,最后选取环形布局方式分析了基站布局间距对定位精度的影响。     

基于捷联惯导的悬臂式掘进机位姿解算算法研究

针对煤矿井下高煤尘、光线暗的恶劣环境中掘进机无法实现动态位姿检测的问题，提出了基于捷联惯导的悬臂式掘进机位姿检测方法并对其解算算法做了对比研究。捷联惯导是通过三轴陀螺仪和三轴加速度计实时测得掘进机的角速度和加速度，根据位姿解算算法动态输出掘进机的姿态和位置信息。位姿解算算法很大程度决定着姿态和位置的精度，因此结合掘进机实际掘进工艺的特点，围绕位姿解算算法的适用性和优劣性，对比了四元数和等效旋转矢量两种位姿解算算法，分析了姿态解算误差的影响因素。在有噪声正弦运动和模拟掘进机行走运动两种情况下进行仿真并搭建了利用小车循迹代替掘进机掘进的实验平台进行实验，结果表明，两种算法均能满足掘进机姿态角的解算精度要求，四元数法的姿态解算精度高于等效旋转矢量法|位置的解算误差较大且呈发散状态，这有待于进一步研究。     

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。