基于捷联惯导系统的采煤机定位技术

针对煤矿井下“三机”自动化中的采煤机定位精度较低的问题,根据采煤机工作环境恶劣、空间封闭、干扰较多的特点,提出了一种基于捷联惯性导航的采煤机位姿定位方法。该方法主要利用了捷联惯性导航系统中的三轴加速度计和三轴陀螺仪实时测量采煤机的加速度和角速度信息,根据四元数捷联惯导位姿解算方法解算出采煤机的实时位置和姿态信息,得到精确的采煤机的运动轨迹,实现对采煤机的实时体定位。目前基于惯性导航的采煤机空间定位研究主要集中在理论建模及算法仿真阶段,创新点在基于捷联惯性导航的采煤机定位定姿实验系统构建方案,经过系统仿真和实验结果的对比,以期验证捷联惯导对于采煤机定位的适用性,从而实现采煤机实时位姿信息输出,为综采工作面“三机”协同自动化提供实践支持。对定位平台进行仿真和利用综采工作面“三机”实验装置搭建采煤机捷联惯导定位实验平台进行实验。结果表明,采煤机捷联惯导定位系统能够准确跟踪基准轨迹,满足煤矿采煤机定位精度要求,该系统能够实现采煤机的实时精确定位。     

基于捷联惯导的采煤机姿态解算算法研究

针对无人工作面采煤机无法利用GPS辅助定位的现实,借鉴捷联惯导定位方法具有自主性和实时性强的特点,提出了基于捷联惯导技术的采煤机位置和运行姿态检测方法,并对采煤机捷联惯导系统的姿态算法进行研究,确定适合采煤机工矿的捷联算法。在分析捷联惯导原理的基础上推导出采煤机的捷联矩阵,进而分析了采煤机姿态的解算算法。为了找出适用于采煤机强干扰工况的捷联惯导姿态算法,用MATLAB仿真了一般情况、圆锥运动和陀螺输出有干扰三种情况下的算法的优劣性,结果表明,四阶龙格库塔法适合作为采煤机姿态解算方法。     

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。     

采煤机惯性导航定位动态零速修正技术

基于捷联惯性导航与轴编码器组合的采煤机惯性导航定位是综采工作面可行的采煤机定位技术。惯性导航提供姿态角参数,轴编码器提供速度参数,采煤机惯性导航定位利用航位推算算法解算出东北天坐标系下的位置坐标。为了进一步提高定位精度,在消除确定性偏差的基础上,根据惯性导航姿态误差方程,以东、北、天3个方向的平台失准角为状态量构建状态方程,根据动态零速修正技术的非完整约束条件,以采煤机坐标系横向和垂直方向速度值为观测量构建量测方程,建立卡尔曼滤波模型,并进行移动平台模拟采煤机运行试验验证。在试验条件下,第3刀导航东、北方向最大误差分别由0.639 7,0.856 7 m减小为0.456 4,0.594 2 m。第4刀导航东、北方向最大误差分别由0.644 4,0.910 6 m减小为0.466 5,0.603 0 m。东、北方向定位精度提升了30%。     

基于SINS/轴编码器组合的采煤机定位方法与试验研究

为提高采煤机三维惯性定位精度,介绍了一种基于捷联惯性导航系统(SINS)与轴编码器组合的采煤机定位方法,构建了采煤机定位方程。利用捷联惯性导航系统测出采煤机的实时姿态,轴编码器测出采煤机的位移增量,根据采煤机的实时姿态,将采煤机坐标系下的位移增量变换到导航坐标系下累加得到采煤机位置。该方法不仅能自主实时确定采煤机的三维位置,并且可有效减小纯惯性导航中的累积误差。同时,通过井上试验和井下试验验证了该定位方法的可行性,评价了该定位方法的定位精度。     

“惯导+里程计”的采煤机定位方法研究

针对煤矿井下综采工作面采煤机受环境影响定位效果较差的问题,提出了一种"惯导+里程计"的综采工作面采煤机定位方法。该方法将惯导测量的位移与里程计航位推算的位移之差作为量测值,应用闭环卡尔曼滤波建立组合定位模型,实时修正系统误差,测量采煤机的姿态与位置。在仿真实验与煤矿井下综采工作面进行了试验验证,结果表明:工作面推进方向测量误差小于3cm,高度方向测量误差小于2cm,分析了误差产生的原因,验证了"惯导+里程计"采煤机定位方法的精度与稳定性。     

一种采用捷联惯导的采煤机动态定位方法

针对采煤机定位是三维体定位的情况,运用捷联惯导系统中三轴加速度计和陀螺仪对采煤机的实时线性加速度和实时角速度进行测量,得到采煤机在载体坐标系下的加速度和角速度。由于在载体坐标系下不能直接进行定位计算,故进行坐标变换,构建了采煤机在惯性坐标系中的导航方程,通过对加速度和角速度进行积分运算,获得采煤机位置和姿态数据。最后,...     

基于航位推测的刮板输送机形态检测研究

针对煤矿综采工作面自动化中刮板输送机直线度检测困难及测量精度不高的问题,利用捷联惯导提出了一种基于中部槽结构尺寸航位推测的刮板输送机形态检测新方法。首先,选择Rodrigues参数法进行惯导姿态解算,其次采用加速度传感器测量采煤机经过刮板输送机连接间隙时产生的振动信号,建立了Butterworth滤波下的刮板输送机节数检测模型,最后在考虑刮板输送机连接间隙的情况下构建刮板输送机形态检测模型。利用采煤机和轨道模型在水平、竖直面分别搭建实验平台,实验结果表明,刮板输送机形态的跟踪误差小于14mm。该形态检测方法为刮板输送机形态的检测提供了一种新思路,并为综采工作面自动校直的实现提供了一定的理论支持。     

矿用单轨吊机车定位系统开发

针对煤矿井下单轨吊机车常用定位技术存在定位精度低和成本高的问题,提出了一种基于捷联惯性导航和射频识别(RFID)技术的组合定位系统。采用惯性测量模块采集机车加速度和姿态角数据;基于RFID技术实现机车位置校正,从而消除累积误差;基于LabVIEW软件开发了上位机,在上位机中可实时观察到机车的速度、位置、航向等信息。实验结果表明,当机车行驶50 m时,其测距误差小于3 m,满足低成本、高精度的定位需求。     

基于煤层地质模型的采煤机绝对定姿定位方法的研究

针对目前采煤机定位定姿数据无法满足综采工作面生产过程中实用性、精确性的要求,根据采煤机与工作面煤层之间的空间位置关系,提出了基于煤层地质模型的采煤机绝对定位定姿方法。首先利用工作面煤层地质数据,生成精确的煤层地质模型;然后深入研究采煤机自主导航参数解算的原理,并在此基础上对惯导系统的参考坐标系进行了调整;通过采煤机位姿数据和煤层地质数据相互融合,实现了采煤机的绝对定位定姿和对煤层地质数据感知,为采煤机滚筒实现自适应截割提供技术支撑;最后在山西某自动化工作面进行了工业性试验。     

智能采运机组自主定位原理与技术

智采工作面装备运行的2个核心问题是控制工作面开采装备在煤层中自适应截割、保持采运机组在连续推进过程中的直线度。解决这2个问题必须实时获取采煤机在工作面空间的准确定位信息。通过对比分析国内外采煤机定位系统的技术原理和硬件架构,发现开发采煤机定位误差消减算法是在井下GPS拒止环境下保证采煤机长时定位精度的关键途径。根据采煤机定位原理可知,采煤机定位误差主要来源于惯性导航安装偏差和惯性导航系统随机误差。惯性导航安装偏差是确定性误差,采用基于两点法的确定性偏差补偿算法可使定位误差减小99.12%。针对采煤机运行状态的非完整性约束特点,基于采煤机运动学模型的闭合路径优化算法和动态零速校正算法分别使采煤机定位误差降低了50%和30%。采用信息滤波模型将闭合路径优化算法和动态零速校正算法进一步融合,抑制了惯性导航系统航向角的漂移,抑制了惯性导航系统航向角的漂移。利用UWB基站群自主迁移方法实现了采煤机在工作面端头定位,采用VB-UKF算法平滑采煤机定位过程中时变的测量噪声,增加了运动轨迹的平滑性,使得IMU/UWB紧融合的定位轨迹更加精确,为惯性导航系统提供校准的基准。基于采煤机定位轨迹的刮板输送机轨迹检测方法实现了刮板输送机形状在线监测,为综采工作面弯曲度自动化检测和校直提供理论基础和试验数据。     

智能采运机组自主定位原理与技术

智采工作面装备运行的2个核心问题是控制工作面开采装备在煤层中自适应截割、保持采运机组在连续推进过程中的直线度。解决这2个问题必须实时获取采煤机在工作面空间的准确定位信息。通过对比分析国内外采煤机定位系统的技术原理和硬件架构,发现开发采煤机定位误差消减算法是在井下GPS拒止环境下保证采煤机长时定位精度的关键途径。根据采煤机定位原理可知,采煤机定位误差主要来源于惯性导航安装偏差和惯性导航系统随机误差。惯性导航安装偏差是确定性误差,采用基于两点法的确定性偏差补偿算法可使定位误差减小99.12%。针对采煤机运行状态的非完整性约束特点,基于采煤机运动学模型的闭合路径优化算法和动态零速校正算法分别使采煤机定位误差降低了50%和30%。采用信息滤波模型将闭合路径优化算法和动态零速校正算法进一步融合,抑制了惯性导航系统航向角的漂移,抑制了惯性导航系统航向角的漂移。利用UWB基站群自主迁移方法实现了采煤机在工作面端头定位,采用VB-UKF算法平滑采煤机定位过程中时变的测量噪声,增加了运动轨迹的平滑性,使得IMU/UWB紧融合的定位轨迹更加精确,为惯性导航系统提供校准的基准。基于采煤机定位轨迹的刮板输送机轨迹检测方法实现了刮板输送机形状在线监测,为综采工作面弯曲度自动化检测和校直提供理论基础和试验数据。     

矿井电牵引滚筒采煤机姿态控制电气系统设计

电牵引滚筒采煤机是煤炭物料生产的关键性设备,根据综采工作面位置的变化,滚筒采煤机会变换工作位置并且根据地质情况调整工作姿态。为了提高电牵引滚筒采煤机的快速工序响应,提升综采工作面采煤的生产效率,对电牵引滚筒采煤机的工作姿态检测、控制为一体的电气系统进行设计。以MG2×200/550-WD型采煤机为研究对象,通过仿真技术软件对设计出的姿态控制系统进行验证计算。结果显示,该系统能够对采煤机姿态信息实现监测和控制,能在实际工程现场中实践应用,提升的综采工作面的自动化控制水平。     

惯性导航初始对准偏差与安装偏差校准方法对采煤机定位精度影响

以惯性导航元件与里程计为传感元件的航位推算方法是综采工作面可行的采煤机定位方法。通过建立航位推算误差模型,分析了惯性导航元件初始对准偏差角和安装偏差角对采煤机运行过程中定位精度的影响。结合航位推算轨迹与实际轨迹的相似性,提出了基于两点法的两种偏差角校准算法,并通过试验验证了校准算法的有效性。在试验条件下,校准前后采煤机定位50%球概率误差(SEP)半径值分别为12.062 m和0.104 m。采煤机往复截割过程中一个截割循环内采煤机的定位精度保持在相同的水平。     

采煤机自主导航截割原理及关键技术

深部煤层构造较为复杂,实现采煤机无人驾驶开采更加困难。在总结采煤机结构和截割调控技术演变历程基础上,提出采煤机截割调控技术在经历了人工目测截割、机载探测截割、示教记忆截割3个发展阶段后,已经进入到自主导航截割的第4阶段,并提出了适用于深部煤层采煤机自动驾驶的导航截割理论与技术框架,包括导航地图、位姿感知、路径规划、姿态控制4项技术内涵和精细化煤层截割定位地图、精准化煤层截割导航地图、动态化煤层截割导控地图、采煤机融合定位方法、定位精度提升、智采机组全位姿参数矩阵建立、物理-虚拟模型驱动与交互、无人驾驶防冲撞路径规划、截割作业智能调高调直9项关键技术。系统阐述了采煤机自主导航截割相关核心技术基本原理:首先,构建煤层智能化开采导航地图,从精细化煤层截割定位、精准化煤层截割导航和动态化煤层截割导控3个关键步骤实现地图构建及更新;其次,通过融合定位和定位精度提升方法,完成了采煤机位姿精确感知;再次,创建智采机组全位姿参数矩阵,并结合物理-虚拟模型驱动与交互技术构建出导航截割数字孪生系统;最后,基于实时综采装备位姿状态和煤层导航地图信息,实现了无人驾驶防干涉防冲撞路径规划、截割滚筒自适应调高控制以及行走路径自动调直控制。从而实现了深部煤层采煤机智能导航截割控制,为智采工作面实现无人作业提供了新的理论技术支撑。     

采煤机姿态矫正系统研究综述

由于现阶段我国煤矿井下开采环境恶劣,且需要人工操作,为了实现采煤机在工作时能够自主对其位置、姿态等进行实时定位以及矫正,对实现采煤机井下智能化姿态矫正进行了相关讨论以及研究。首先对采煤机在工作时可能遇到的姿态进行分析,随后对国内采煤机定位技术进行了讨论,紧接着又对惯导技术的研究现状以及发展进行了论述,并对采煤机姿态矫正系统的关键性技术进行了研究讨论,然后又提出了一种基于组态软件的采煤机姿态矫正以及控制系统,分析了此矫正系统的工作原理以及组态界面实现的功能。此采煤机姿态矫正系统对未来实现采煤机智能化控制、无人化发展奠定了理论基础。