几何布局对掘进机位姿检测精度的影响分析

为实现综掘工作面悬臂式掘进机位姿无人化、高精度检测,提出了一种基于超宽带测距技术的掘进机位姿检测系统,推导了基于该系统的掘进机定位坐标及机身姿态角计算方法,通过Matlab仿真分析了基站布局间距、角度对定位精度的影响及机身定位点间距对姿态角检测精度的影响。仿真结果表明:随着基站至掘进机机身定位点的测量距离增大,系统定位精度降低;基站布局间距越大,系统定位精度越高;基站布局角度在yoz平面呈60°时系统定位精度优于基站布局角度呈0°及90°时;基站至掘进机机身定位点的测量距离对姿态角检测精度没有显著影响;机身定位点间距越小,系统姿态角检测精度越高。     

掘进机全站仪与捷联惯导组合定位方法

针对基于全站仪的掘进机定位方法因井下粉尘过大等导致光路被遮挡而无法进行定位、基于捷联惯导的掘进机定位方法累计误差随时间推移逐渐增大的问题,提出一种掘进机全站仪与捷联惯导组合定位方法。首先,采用全站仪测量掘进机位置参数,采用捷联惯导测量掘进机位姿参数并进行解算;然后,将捷联惯导测量的掘进机所在位置经纬度转换为西安80坐标系下的坐标值,实现与全站仪测量坐标系的统一;最后,采用卡尔曼滤波方法将全站仪与捷联惯导测量数据进行融合,获取掘进机位姿数据。试验结果表明该方法具有较高的定位精度:x方向的定位误差最大值为0.029 1m,最小值为0.010 0m,平均值为0.019 93m;y方向的定位误差最大值为0.029 5m,最小值为0.011 0m,平均值为0.018 26m。     

巷道掘进机智能化技术研究现状及展望

基于巷道掘进机智能化的目标是结合智能感知技术与自适应作业实现巷道断面自动精确成形,从智能感知和自适应作业2个方面阐述了巷道掘进机智能化关键技术构架,其中智能感知包括位姿感知、成形感知、状态感知,自适应作业包括自适应纠偏、自适应截割、自适应诊断。总结了掘进机位姿检测与纠偏、巷道断面自动成形与自适应截割、掘进机安全运行保障等技术的研究现状:捷联惯导/UWB组合定位技术在井下受限空间中具有较强的适用性,目前掘进机俯仰位姿纠偏及定向行走等均已实现,但仍存在行走控制误差大、纠偏控制准确性差等问题;将大面积煤矸石带避开的截割方法为自适应截割提供了一种新的思路,但是煤矸石带位置的确定及该种方法在实践中的应用效果有待进一步研究;在故障对象确定、故障原因清晰的情况下,常用故障诊断方法具有一定适用性,但由于掘进机故障原因复杂多样,故障间相互影响,难以进行准确有效的故障诊断。指出研究检测精度高、干涉少、跟随适用性优的导航定位方法,实现掘进机机体位姿偏差动态补偿、煤岩特性与最佳截割参数匹配建模及掘进机全状态监测等是巷道掘进机智能化技术突破方向。     

基于捷联惯导和里程计的井下机器人定位方法研究

针对现有煤矿井下移动机器人定位方法存在定位难、精度低的问题,提出了一种基于捷联惯导和里程计的井下机器人定位方法。该方法利用卡尔曼滤波对捷联惯导进行初始对准,以此确定定位的初始坐标,得到初始姿态转换矩阵;利用捷联惯导独立完成机器人位置解算,同时利用里程计输出的速度信息与捷联惯导输出的实时姿态转换矩阵进行航位推算解算,再次得到机器人的位置信息;为了减少累积误差对捷联惯导的影响,使用里程计和捷联惯导构成航位推算系统,采用Sage-Husa自适应滤波设计组合定位算法,选择误差作为系统状态,经过滤波计算和校正,可获得机器人的精确位置信息。实验结果表明,该方法可实现机器人实时定位,有效减少捷联惯导累积误差的影响;定位精度较高,机器人在Y向运动4.3m,Z向运动0.25m后,Y向定位误差为0.25m,Z向定位误差为0.005m。     

基于TOF相机的非合作矩形目标三维位姿测量方法

针对目前空间非合作矩形目标位姿测量过程中提取像素级特征点误差大、距离测量值不稳定等导致的测量精度不高的问题,提出一种基于TOF（Time-of-Flight）相机的非合作矩形目标三维位姿测量方法。首先对灰度图像进行修正的FAST特征点提取,然后分别计算提取出的特征点在相机坐标系和目标坐标系下的三维坐标,最后检测矩形目标亚像素级角点并融合30帧距离信息后再计算姿态角。实验结果表明,对于1m距离范围内边长为50mm的非合作矩形目标,Z轴、X轴、Y轴方向位置测量的绝对误差平均值分别为2.65mm、1.28mm、0.60mm。姿态角γ测量的绝对误差平均值降为0.52°。相对于传统的基于点云配准的位姿测量方法,姿态角测量的绝对误差降低了48.0%,显著地提高了非合作目标三维位姿测量的精度和稳定性,具有广泛的应用前景。     

悬臂式掘进机机身位姿误差消除策略的研究

基于悬臂式掘进机机身位姿检测系统,提出了一种悬臂式掘进机机身位姿误差消除策略:根据悬臂式掘进机机身位姿检测系统所采集的数据,判断各方向位姿误差的大小;当误差较大时,通过控制履带、前铲板与后支撑对悬臂式掘进机整体进行调整,减小机身各方向误差;当误差减小到截割臂的控制补偿范围,根据当前位姿误差设定截割轮廓的正确位置并进行自动截割;解算出各方向剩余位姿误差的补偿量,根据补偿量在自动刷帮过程中控制截割断面的边界位置。该策略对实现自动定向掘进和掘进远程控制具有一定的参考价值。     

基于激光靶向跟踪的悬臂式掘进机位姿测量系统研究

掘进机位姿准确快速测量是煤矿巷道智能掘进的前提和基础。目前悬臂式掘进机位姿测量存在非绝对位姿测量、测量精度低、布置复杂或仅能测量少数位姿参数等问题,无法满足智能掘进需要。针对上述问题,在基于激光靶向跟踪的悬臂式掘进机位姿测量方法的基础上,设计了一种基于激光靶向跟踪的悬臂式掘进机位姿测量系统。该系统由激光跟踪装置和激光标靶组成,激光跟踪装置安装在巷道后方,发射激光到安装在悬臂式掘进机机身上的激光标靶上并跟踪激光标靶移动,通过求解激光跟踪装置、激光标靶、掘进机和巷道等坐标系间的转换矩阵即可测得掘进方向位置、偏距、高度、偏向角、俯仰角和翻滚角6个绝对位姿参数,实现了悬臂式掘进机在巷道大地坐标系中绝对位姿的全参数实时测量。分析了该系统的误差影响因素,仿真得到了其误差分布规律：随着掘进距离增加,掘进机姿态测量误差在一定范围内变化,偏距和高度测量误差呈线性增加趋势;在5～80 m测量范围内,掘进机偏向角、俯仰角和翻滚角测量误差分别小于1.4,1,0.03°,掘进方向位置测量误差小于5 mm,偏距和高度测量误差均小于20 mm。利用履带式机器人底盘搭建了位姿测量实验系统,开展了其在模拟巷道中的位姿测...     

悬臂式掘进机巷道位姿监测系统设计

实现煤矿井下巷道的无人化自动掘进,需要实时掌握掘进机的空间姿态参数.结合巷道和掘进机本身特点,设计了一种基于图像识别的掘进机位姿监测系统.掘进机空间姿态发生变化时,双十字激光在2个激光标靶上的图像出现中心点偏移和角度偏转,对其进行数字图像处理得到精确的特征点、特征光线参数,即可求出掘进机位姿参数.基于Matlab软件GUI模块开发的监测软件具有图形用户界面,通过对标靶的图像识别,实时显示掘进机位姿参数,方便用户使用.模拟环境下的试验测试结果表明,在测量范围＜40 m时,位移误差＜5 mm.该系统测量精度高,实时性强,能够满足测量需求,实现煤矿并下掘进过程中的位姿监测.     

采煤机捷联惯导定位方法研究

针对综采工作面采煤机定位精度较低的问题,提出了一种基于Rodrigues参数法的采煤机捷联惯导定位方法。该方法运用捷联惯导的三轴加速度计和三轴陀螺仪输出采煤机的加速度和角速度信息,采用无冗余度的Rodrigues参数法对其进行位姿解算。仿真结果表明,在采煤机斜切进刀过程中,采煤机最大定位误差为0.291 4m,姿态误差最大值为0.602 2°,满足采煤机的定位精度要求。     

大部件对接中基于单位四元数的iGPS 测量位姿比对研究

在大尺寸飞机部件数字化对接过程中,iGPS 的应用越来越广泛。本文在研究iGPS 测量数据结构与形式的基础上,提出了基于单位四元数的iGPS 测量位姿比对算法。与目前常 用的一些位姿比对方法相比,该算法具有计算简洁明了、编程实现便捷的优点,尤其适用于大 旋转角、多点实时测量的情形。验证实验结果表明,在不同旋转角和平移量的情况下,该算法 均具有很高的转换精度,可有效适用于iGPS 的测量位姿比对。     

矿用全断面硬岩快速掘进机位姿纠偏控制系统设计

介绍矿用全断面硬岩快速掘进机及其姿态测量与控制方法.结合盾构机和悬挂掘进机姿态测量方法,提出基于激光指示仪和新型电子激光标靶的测量系统,对掘进机进行实时三维坐标测量.通过采集的俯仰角、滚动角以及水平偏航角,来推导出掘进机切口、尾部中心的坐标以及位置偏差,经过误差仿真实验表明在本测量系统下,测量精度符合施工要求.PLC根据掘进机水平和垂直偏差量对掘进机进行实时纠偏,并给出了纠偏程序实现流程和友好的人机界面设计,实现了对全断面硬岩快速掘进机姿态的准确测量与稳定控制.     

基于光学运动跟踪系统的机器人末端位姿测量与误差补偿

针对工业机器人绝对定位精度较低的问题,采用加拿大NDI公司的Optotrak Certus HD光学运动跟踪系统作为机器人位姿的测量设备,提出了一种基于再生权最小二乘法的最优剪枝极限学习机算法,通过该算法将机器人目标位姿映射到修正位姿上,实现了对机器人末端位姿补偿的效果.利用爱普生6轴机器人末端进行实验,在不同速度下完成直线轨迹运动、圆轨迹运动以及离散随机运动,对该误差补偿方法的有效性进行验证和分析.结果表明,该误差补偿方法均能提高机器人的位姿精度,其测试点在X、Y、Z三轴总方向上的绝对位置精度为0.06 mm～0.25 mm,比无补偿时的2 mm～3 mm有了1个数量级的提高;而姿态误差补偿后,其均方根误差和平均绝对误差均减小到未补偿时姿态误差的26.09%.同时,该补偿方法还可有效降低异常值的影响,具有良好的稳健性.     

基于多传感器的大口径器件自动对准策略

针对大口径器件的装配, 基于搭建的实验平台, 提出了一种多传感器反馈的分阶段自动对准策略, 实现了大口径器件的六自由度位姿对准. 对准过程中, 在机器人末端远离装配位置时, 采用视觉测量安装框架的相对位姿进行粗对准; 在机器人末端接近装配位置时, 由于安装框架尺寸大导致视觉不能获得完整的框架相对于大口径器件的位姿, 所以采用视觉采集安装框架的局部图像, 利用基于图像的控制消除绕Z轴的旋转误差和沿X、Y轴的平移误差, 采用多个激光测距传感器测量相对距离, 利用基于位置的控制消除沿Z轴的平移误差和绕X、Y轴的旋转误差, 实现大口径器件与安装框架的精对准. 采用增量式PI控制算法, 实现了对准的运动控制. 实验结果验证了所提方法的有效性.     

一种无振荡误差的车载惯导系统测姿方法

车载GPS/INS组合导航系统中的卫星信号易受环境影响出现失锁,而惯导独立工作时处于无阻尼状态,其特有的机械编排导致解算的姿态信息中存在舒勒振荡和傅科振荡误差,因此无法满足测量系统对姿态信息的高精度需求。为此,提出一种基于罗经方案的无振荡误差的车载惯导姿态确定方法,通过将加速度计测量的载体运动加速度进行低通滤波处理,引入惯性坐标系并间接地建立载体与导航坐标系之间的姿态转换矩阵,改变惯导无阻尼解算模式并实现系统无振荡性误差的姿态信息的求解。试验结果表明,论文提出的无振荡误差测姿方法具有为车载平台提供准确姿态信息的可行性与可靠性。     

基于捷联惯导系统的采煤机定位与姿态调整

针对现有采煤机定位与姿态调整方法准确性较差的问题,在地面有缓慢坡度变化的情况下,对基于捷联惯导系统的采煤机定位与姿态调整方法进行了研究。首先介绍了采煤机定位技术,即由捷联惯导系统获取采煤机运动参数信息,采用欧拉角法对数据进行处理,进而完成采煤机位姿解算及实时定位;然后以采煤机截割高度调整为例,介绍了基于捷联惯导系统的采煤机姿态调整方法,重点推导了采煤机在不同截割工况下,采煤机截割高度与机身倾角之间的关系式;最后采用采煤机模型进行采煤机定位与截割高度调整实验,结果表明基于捷联惯导系统的采煤机定位与姿态调整方法可有效提高采煤机的定位与姿态调整精度。     

一种采煤机组合定位系统及实验研究

综采工作面采煤机定位定姿技术,是液压支架跟机自动化和采煤机记忆截割的基础。采用捷联惯导监测采煤机姿态、速度及位置等运动参量,结合无线锚节点与移动节点间几何位置与局域信号对偶映射,建立了捷联惯导与无线传感器网络耦合模型,采用C＃＋MATLAB＋SQL交互式软件构建了采煤机组合定位系统,在采煤机、液压支架和刮板输送机“三机”平台上进行采煤机定位定姿性能研究。实验结果表明：捷联惯导能够有效地对采煤机姿态角度进行监测,但是长航时下采煤机位置存在累计误差,通过无线传感器网络位置对捷联惯导的位置进行周期性校正,组合定位系统下采煤机X和Y轴平均定位误差为0.118 m和0.268 m,能够得到采煤机实时可靠的位置和姿态。     

悬臂式掘进机导航技术现状及其发展方向

阐述了悬臂式掘进机导航定位问题,并分析了其特殊性,给出了其数学描述;详细分析了掘进机光电导航和位姿检测技术现状、掘进机惯性导航技术现状、基于多信息融合的掘进机导航定位技术现状,并进行了比较与评价。得出结论:光电导航装备技术成熟、精度高,但在煤矿井下应用存在较严重的环境适应性问题;惯性导航技术环境适应性强、姿态检测精度较高,但长时定位精度差;将光电导航技术和惯性导航技术相结合的多信息多传感器融合的导航技术可能是解决悬臂式掘进机空间位姿检测问题的较优途径,实现信息融合的关键在于解决多信息多传感器带来的测量基准统一问题,且需要鲁棒性更强的融合算法。     

捷联惯导互补滤波姿态融合算法设计

为了满足低成本、高性能的载体测姿需求,针对MEMS器件漂移导致载体姿态无法准确测量的问题,提出了一种基于方向余弦矩阵（DCM）更新的多轴显式互补滤波载体姿态估计算法。利用陀螺仪和辅助传感器的噪声所处频段互补的特点,运用互补滤波进行信息融合,发挥各个传感器的优点,提升系统的姿态测量精度。分别以三轴转台与实验车辆为验证平台,设计了静态与动态实验。实验结果表明,该姿态融合算法能够稳定输出高精度的姿态信息,抑制陀螺漂移导致的姿态发散,有效提高载体姿态的测量精度,满足捷联惯导系统的测姿需求。     

基于机器视觉的挂弹平台控制系统开发

针对挂弹车挂弹过程中,存在人工成本高、工作效率低、劳动强度大等问题,研发了一套基于机器视觉技术的全自动挂弹控制系统。该控制系统以全向行走小车为粗定位,以六自由度运动平台为精定位。以飞机挂架为定位基准,相机测量挂架与导弹滑块之间XY轴方向位移、绕Z轴回转角度分别作为XY轴位置输入、绕Z轴的姿态输入;激光测距传感器测量挂架与导弹滑块之间的Z轴方向位移、绕Y轴俯仰角度分别作为Z轴的位置输入、绕Y轴的姿态输入。经由工控机和单片机组成控制系统运算处理,伺服电机输出脉冲控制XY运动平台定位挂装。提出了XY运动平台回零方法,基于OpenCV库开发了视觉识别定位算法,设计了控制系统人机交互软件。结果表明,所设计的控制系统结构合理,识别精度高,为提高挂弹效率,减少飞机再次出动时间,节省人力成本提供了解决方案。     

基于单天线的MEMS-INS/GPS组合定姿方法

为了将MEMS-INS/GPS组合导航系统的定姿误差控制在一定范围内并保持较高精度,同时实现低成本测姿要求。文章提出一种新方法,即采用组合速度信息估计加速度,再利用二者实现单天线GPS姿态解算,最后将姿态信息一定间隔内反馈给惯导进行四元数更新实现捷联惯导姿态更新,进一步完成组合姿态预测滤波。通过分析仿真数据,表明单天线测姿误差不随时间累加,且俯仰角、横滚角、航向角误差分别在0.2度、0.5度、0.2度范围内。最后在动态跑车试验中,将MEMS惯导组合测姿和单天线GPS辅助组合测姿结果进行了比较。