基于捷聯慣導的采煤機定位定姿技術實驗研究

楊 海,李 威,羅成名,范孟豹,應葆華

(中國礦業大學機電工程學院,江蘇徐州 221116)

基于捷聯慣導的采煤機定位定姿技術實驗研究

楊 海,李 威,羅成名,范孟豹,應葆華

(中國礦業大學機電工程學院,江蘇徐州 221116)

針對煤礦井下“三機”自動化中的采煤機定位精度較低的問題,根據采煤機工作環境惡劣、空間封閉、干擾較多的特點,提出了一種基于捷聯慣性導航(SINS)的采煤機位姿定位方法。該方法利用捷聯慣性導航系統中的三軸加速度計和三軸陀螺儀實時測量采煤機的加速度和角速度信息,并根據四元數捷聯慣導位姿解算方法解算出采煤機的實時位置和姿態信息,得到精確的采煤機運動軌跡,實現對采煤機的實時體定位。對定位平臺進行仿真和利用綜采工作面“三機”實驗裝置搭建采煤機捷聯慣導定位實驗平臺進行實驗,結果表明,采煤機捷聯慣導定位系統能夠準確跟蹤基準軌跡,采煤機沿工作面方向運行20 m,位置姿態跟蹤誤差分別為0.5 m和0.7°,滿足煤礦采煤機定位精度要求,該系統能夠實現采煤機的實時精確定位。

采礦機群;采煤機跟蹤;捷聯慣導;定位定姿;精度分析

煤炭是我國重要的基礎能源和原料,以煤為主的能源結構在相當長時間內不會改變,隨著國民經濟的發展,煤炭的需求量越來越大,伴隨的煤礦安全事故也在不斷增多。煤炭資源安全高效開發利用技術成為了國內外學者研究的熱點領域[1]。最有效的解決方案之一是實現煤礦生產裝備機械化及自動化,從而實現井下無人或少人開采,其中對采礦“三機”的信息感知技術是實現采礦“三機”自動化的關鍵技術。

井下工作面采礦“三機”主要包括采煤機、刮板輸送機和液壓支架,它們相互配合,承擔著破煤、運煤以及支護等任務。在綜采工作面中,采煤機緊靠煤層,其機身騎在刮板輸送機的中部槽上,在牽引裝置的帶動下,沿刮板輸送機的中部槽往復移動,進行割煤操作;刮板輸送機沿煤層走向安放,并通過推移千斤頂與液壓支架相連,由液壓支架負責推移;液壓支架及時支護采煤機采空過后的頂板。要實現采礦“三機”的自動化運行就必須對由采煤機、刮板輸送機和液壓支架組成的采礦“三機”進行聯動[2]。然而液壓支架的動作、刮板輸送機的動作與采煤機的位置、牽引速度和牽引方向之間存在相互約束的關系,并且在采煤機自主調高過程中,采煤機的三維姿態影響滾筒的截割高度。為了實現采礦“三機”的聯動,對采煤機的空間位置及姿態進行準確檢測,即對采煤機進行空間動態定位具有重要意義。

國內外學者們對采煤機的動態定位開展了系統深入的實驗與工程應用研究。綜采工作面采煤機常規定位方法主要有紅外對射法[3]、超聲波反射法[4]、齒輪計數法[5]以及無線傳感器網絡法等[6-7]。其中紅外對射法是通過紅外對射信號進行定位,但在紅外節點分布區間存在固有定位盲區;超聲波反射法則利用超聲波反射回波進行采煤機跟蹤,隨著工作面長度增加,信號失信嚴重;而齒輪計數法是通過對采煤機行走部齒輪進行計數,存在累積誤差,無線傳感器網絡是通過無線節點間信號傳輸的時間實現定位,在煤礦惡劣環境下干擾較大加上井下無線信道建模還不完整對無線傳輸在井下的誤差沒有完全的分析,實際應用比較困難,同時上述4種方法均不能進行采煤機姿態測量。為了實現采煤機位置及姿態檢測,有學者提出了采煤機慣性導航定位方法[8]。捷聯慣性導航系統(strapdown inertial navigation system,SINS)是指將陀螺儀和加速度計直接固定在運載體上,利用陀螺儀和加速度計等慣性敏感器件對運行載體三軸角速度和三軸加速度信息進行實時測量,結合運行載體初始慣性信息,通過高速積分獲得運動載體的姿態、速度及位置等導航信息[9-10]。

張斌等[11]提出了基于陀螺儀和里程計的無人工作面采煤機自主定位系統,并在模擬實驗中取得了較好的定位效果,然而里程計存在固有累積誤差制約定位精度提高的問題。樊啟高等[12]利用捷聯慣性導航系統建立了采煤機的位置定位模型,并對采煤機的截割路徑進行了慣性導航仿真。呂振等[13]基于捷聯慣性導航進行了井下移動目標精確定位系統的研究,并且對傳感器的誤差進行了分析。

綜上所述,目前基于慣性導航的采煤機空間定位研究主要集中在理論建模及算法仿真階段,筆者擬提出基于捷聯慣性導航的采煤機定位定姿實驗系統構建方案,經過系統仿真和實驗結果的對比,以期驗證捷聯慣導對于采煤機定位的適用性,從而實現采煤機實時位姿信息輸出,為綜采工作面“三機”協同自動化提供實踐支持。

1 采煤機定位模型

采煤機在工作面的主要任務就是落煤及裝煤,即通過滾筒截割煤壁并將煤裝入刮板輸送機,然后通過回采巷道轉載機和帶式輸送機將煤運出工作面。采煤機沿工作面走向割煤,同時液壓支架根據采煤機的位置實時推移刮板輸送機。在采煤機完成一刀的割煤后,進入下一刀的截割時需要進行斜切進刀。現在主要的斜切進刀方式有中部斜切進刀和端部斜切進刀兩種進刀方式。端部斜切進刀是從端部按照一個截深距離斜切進入煤壁,并沿工作面方向行走,待完全進入時再回割三角煤,然后進入下一截割循環的割煤操作[14]。

采煤機在工作面工作時不僅有沿工作面走向的位置變化和沿刮板機推移方向的位置變化,以及隨煤層賦存條件的高度變化,還有根據煤層走向的工作面布置傾角和斜切進刀時的采煤機姿態變化。綜合考慮采煤機的運動狀態可以看出采煤機在工作時具有三維的位置變化以及三維的姿態變化。只有準確測量出采煤機的位置姿態信息才能更好的實現采礦“三機”的自動協作功能(圖1)。

將捷聯慣性導航裝置固定安裝在采煤機的機身上,慣性導航裝置中的三軸加速度計實時測量采煤機的空間加速度信號,三軸陀螺儀實時輸出采煤機的姿態信息。只有實時獲取了采煤機的加速度信息和姿態信息才能夠對采煤機的動態位置信息進行實時的解算。

圖1 煤礦綜采工作面“三機”工作示意Fig.1 Schematic diagram of the three machines on the coal face

1.1 采煤機慣性導航姿態解算

由于捷聯慣導系統是采用數字平臺,對系統姿態和位置數據的更新解算是捷聯慣導系統的核心,是影響其精度的主要因素之一。在采煤機的慣性導航系統位置姿態更新算法中,比較經典的是利用四元數理論建立采煤機的位置姿態四元數模型,并通過該模型對系統的位置、姿態進行更新解算[15]。

采煤機與捷聯慣導固聯的坐標系為載體坐標系(b系),取地理坐標系(g系)為導航坐標系(n系),并規定xn,yn,zn的指向依次為東、北、天。設采煤機的航向角為Ψ,俯仰角為θ,橫滾角為γ。利用采煤機的姿態角并利用三角函數可以構成采煤機的姿態變換矩陣,采煤機姿態更新主要是根據實時計算出的姿態變換矩陣。另外采煤機上的慣性元件(陀螺儀和加速度計)的輸出是以地心慣性坐標系(i系)為參考基準的,且與地球固連的為地球坐標系(e系)。

捷聯慣導系統數字算法以遞推迭代的形式表示,即采用系統微分方程組描述形式,將采煤機過去前一時刻的導航信息和最近時刻的慣性器件的采樣值作為輸入,通過對微分方程逐次遞推計算出當前時刻的導航信息。

采煤機姿態更新的四元數微分方程[16-17]為式中,Q(t)為描述采煤機姿態的姿態四元數;為陀螺儀測量的采煤機角速度;ωie為地球自轉角速率;h為工作面采煤機所在的海拔高度;vx,vy和vz分別為采煤機捷聯慣導在導航坐標系下的東向、北向和天向的速度分量;L為采煤機所處在地球上的緯度;為向量表示為四元數的形式;RM,RN分別為采煤機所在地點地球子午圈和卯酉圈曲率半徑。

通過四元數運算規則直接利用姿態四元數將采煤機載體坐標系上的矢量變換到導航坐標系中,求出姿態矩陣。根據姿態角描述的姿態矩陣,可以提取出采煤機的實時姿態角。

1.2 采煤機慣性導航位置解算

采煤機速度更新的微分方程[16-17]為

式中,f=[fxfyfz]T為加速度計測量的比力;g為采煤機所在位置重力加速度的大小。

采煤機位置更新微分方程為

通過對式(3)積分即可以得到采煤機所在位置的緯度、經度和高度。

2 面向采煤機空間定位的慣性導航系統仿真與實驗

根據采煤機的捷聯慣導四元數導航方程模型,分別對采用捷聯慣性導航的采煤機位姿定位系統進行仿真和平臺實驗驗證。

2.1 采煤機動態定位仿真實驗

根據采煤機割煤工藝,對仿真中的采煤機做直線割煤運動,并且執行一個斜切進刀的步驟,即在運動路徑上產生一個折線運動軌跡。采煤機運行路線示意如圖2所示。在采煤機定位仿真平臺中,采煤機沿x方向即沿工作面方向運行20 m,沿y方向即工作面推移方向前進0.8 m,即采煤機截割煤壁的截深為0.8 m。其中采煤機在工作面x方向8～12 m的位置進行斜切進刀。

圖2 采煤機運行路線示意Fig.2 Schematic diagram of the shearer running route

設定采煤機初始位置為坐標原點,在仿真過程中模擬加速度計和陀螺儀的數據輸出并疊加上相應的噪聲,其中噪聲是根據采煤機定位實驗裝置運行實際測量得到。實時采樣加速度和姿態信息,并且利用捷聯慣導四元數解算模型實時計算出采煤機的位置和速度信息,并與設定的參考軌跡對比,得到采煤機捷聯慣導系統的定位誤差。仿真參數具體如下:仿真初始位置x0=(0 0 0)m;初始速度v0=(0.5 0 0)m/ s;初始加速度a0=(0 0 0)m/s2;初始姿態角Ψ=0°, θ=0°,γ=0°;地球自轉角速度ω=7.291 158×10-5rad/s;重力加速度g=9.780 49 m/s2;地球半徑RM= 6 367 850.5 m,RN=6 389 233.4 m;初始緯度L0=π/ 4;初始經度λ0=π/4;初仿真測試2 000個采樣點,采樣時間為0.01 s。

在仿真過程中慣性導航裝置模擬接收到的三維姿態數據和三軸加速度數據如圖3所示。

圖3 采煤機定位仿真過程中三軸姿態和三軸加速度數據Fig.3 Three-direction attitude and three-direction acceleration data of the shearer with simulation

利用采煤機速度、位置解算微分方程對捷聯慣導仿真的加速度和姿態數據進行速度和位置解算。解算后的采煤機三維位置軌跡如圖4所示。

圖4 采煤機定位仿真過程中SINS導航軌跡Fig.4 SINS positioning trajectory of the shearer with simulation

從圖4可以看出,采煤機INS定位軌跡能夠準確跟蹤基準軌跡。采煤機的姿態誤差信息和位置誤差信息,如圖5所示。

由圖5可以看出,姿態誤差中的航向角誤差在斜切進刀開始和結束階段均出現了一個較大的波動,這是由于采煤機在水平方向斜切進刀時,航向角突變所致。采煤機位置跟蹤誤差在x方向為0.5 m,在y方向為0.1 m以及在z方向為0.3 m,主要是由于3個方向上存在加速度誤差,在積分運算中累積所致。通過對采煤機捷聯慣導定位平臺的仿真測試表明,采煤機定位系統在2 000個采樣點內運行20 m的位置定位精度為0.58 m,姿態定位精度為0.7°滿足工作面采煤機定位精度要求。

2.2 采煤機定位實驗平臺搭建

根據實驗室現有的綜采“三機”實體設備和捷聯慣性導航模塊搭建采煤機捷聯慣導實驗平臺。如圖6所示,采煤機捷聯慣性導航實驗平臺主要包括2∶1等比例縮小的采煤機、刮板輸送機、液壓支架、“三機”控制驅動系統、捷聯慣性導航系統以及定位主機。在開機運行狀態下采煤機沿刮板輸送機來回移動,并調節采煤機搖臂上升下降模擬割煤操作。液壓支架實現降架、移架以及升架動作,并且與刮板機配套實現推溜操作。

圖5 采煤機三軸姿態和三軸位置誤差曲線Fig.5 Three-direction attitude and three-direction position error plot of the shearer

圖6 采煤機捷聯慣性導航實驗平臺Fig.6 Test platform figure inertial navigation system of the shearer

捷聯慣導系統安裝在采煤機機身上,實時測量采煤機的三軸加速度和姿態信息。采用基于6自由度的慣性測量單元ADIS16350的捷聯慣導系統,其中慣性測量單元模塊包括三軸陀螺儀和三軸加速度計。系統采用TMS320C6713 DSP為核心的信號處理系統,具有強大的數據處理能力。陀螺儀和加速度計輸出的數據通過無線數據傳輸模塊傳給上位機,波特率為115 200 bit/s,采樣周期為0.01 s。其技術參數如下:

(1)三軸陀螺儀:動態數字范圍,有±75,±150和±300°/s檔位設置,14位分辨率;

(2)三軸加速度計:±10 g測量范圍,350 Hz帶寬,出廠靈敏度和漂移經過校準;

(3)無線數據傳輸模塊:TTL/RS485/RS232接口方式可選,視距可靠傳輸距離可達1 500 m,采用GFSK的調制方式,半雙工收發一體,數據收發轉換自動完成。

2.3 采煤機位姿跟蹤實驗

利用采煤機捷聯慣導定位實驗平臺,對定位系統進行位姿跟蹤實驗。將采煤機定位實驗平臺開機運行,啟動采煤機截割滾筒,并且在初始位置開啟牽引電機使其沿刮板輸送機移動。采煤機運動距離為10 m。初始位置為x0=(0 0 0)m;初始速度為v0=(0 0 0)m/s;初始姿態角為Ψ=0°,θ=0°,γ=0°;地球自轉角速度ω=7.291 158×10-5rad/s;重力加速度g= 9.78 049 m/s2;地球半徑RM=6 356 077.2 m,RN= 6 385 297.0 m;初始緯度L0=34.25°;初始經度λ0= 117.18°;實驗采集2 000個采樣點,實驗時間為20 s。

利用捷聯慣性導航裝置測量出采煤機實時運行狀態下的姿態角和加速度信息,并根據慣性導航解算模型計算出采煤機在運行過程中的位置跟蹤結果。在采煤機運行過程中,在運行線路上布置參考點,當采煤機運動經過參考節點時,記錄下此時慣導的輸出數據,并且在解算后與設置好的基準位置相比較,計算出采煤機的定位誤差,得到采煤機捷聯慣導系統的定位精度。

慣性導航系統測量得到的采煤機三軸加速度信息和三軸姿態角信息如圖7所示,其中測試時間為2 000個采樣點。可以看出,采煤機三軸姿態信息具有很好的穩定性,然而由于截割滾筒旋轉以及刮板輸送機上運動產生機械振動使得三軸加速度信息具有一定的波動。對采煤機的加速度信息和姿態信息進行慣性導航位置解算,得到采煤機的位置跟蹤誤差,并對采煤機捷聯慣導定位誤差進行性能分析,分析結果和誤差曲線見表1和圖8。采煤機位置誤差在x方向為0.29 m,在y方向為0.61 m,在z方向為0.43 m,滿足井下定位需求,同時驗證了捷聯慣導對于采煤機定位的適用性。

圖7 采煤機三軸姿態和三軸加速度測量數據Fig.7 Three-direction and three-direction acceleration attitude measurement data of the shearer

表1 采煤機捷聯慣導定位性能分析Table 1 SINS position performance analysis of shearer

圖8 采煤機定位實驗過程中位置跟蹤誤差Fig.8 Experimental position tracking error of the shearer

3 結 論

針對煤礦井下采煤機定位環境惡劣、空間封閉以及干擾較多的問題,提出了一種在采煤機上直接固聯捷聯慣性導航系統的采煤機定位定姿方法。該方法利用捷聯慣導系統測量的加速度和角速度信息,并結合捷聯慣導四元數解算模型得到采煤機的位置和姿態信息,并在此基礎上進行了系統仿真及實驗研究。通過采煤機捷聯慣導仿真計算,結果表明,系統在采煤機運動狀態變化較大的情況下能夠穩定的跟蹤采煤機基準軌跡,采煤機沿工作面方向運動20 m,位置定位精度達到0.58 m,姿態定位精度穩定在0.7°范圍內。最后利用搭建的綜采“三機”實驗平臺進行采煤機捷聯慣導定位實驗,實驗結果表明,在采煤機運行過程中,捷聯慣導定位系統能夠實時的對采煤機的姿態和運動軌跡進行跟蹤,采煤機位置定位精度為0.80 m,滿足煤礦井下采煤機定位要求,同時驗證了捷聯慣導對于煤礦井下采煤機定位的適用性。

從仿真和系統實驗的角度上研究了捷聯慣導在采煤機定位定姿系統上實現的可行性,然而由于采煤機惡劣的工作環境和復雜的干擾,再加上捷聯慣導本身存在的加速度累積誤差對系統的定位精度影響很大,故下一步研究內容主要是開展采煤機捷聯慣導的振動誤差補償和利用外部定位技術進行數據融合方面的研究。

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Experimental study on position and attitude technique for shearer using SINS measurement

YANG Hai,LI Wei,LUO Cheng-ming,FAN Meng-bao,YING Bao-hua

(School of Mechatronic Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China)

A position and attitude method for shearer cutting using SINS(strap down inertial navigation system)measurement was proposed to solve the problem of low positioning accuracy of shearer in terms of“three machines”automation in longwall coal mine due to the characteristics of poor working conditions,enclosed space and other interference.The tri-axial accelerometer and suspended gyroscope in the SINS was applied to measure the acceleration and angular velocity of shearer in real time.The position and attitude data of shearer were then calculated by the SINS solution method of position and attitude with quaternion.The accurate trajectory of shearer was obtained and the comprehensive positioning of shearer can be realized.Obtained by the simulation of positioning system and the experiment of the SINS test platform which was constructed by the“three machines”experimental equipment of mechanized mining face,the results show that the system can track the standard trajectory and the tracking error of position and attitude is 0.5 m and 0.7 deg respectively,while the shearer moves 20 m along the mining face direction.The positioning system meets the positioning accuracy requirements of mining and can be applied to precisely position the shearer in real time.

mining fleet;shearer tracking;SINS(Strap down Inertial Navigation System);positioning and orientation;accuracy analysis

TD421.6

A

0253-9993(2014)12-2550-07

2014-03-06 責任編輯:許書閣

國家高技術研究發展計劃(863)資助項目(2013AA06A411);江蘇省研究生培養創新工程資助項目(KYLX_1374);江蘇省高校優勢學科建設工程資助項目

楊 海(1988—),男,四川德陽人,博士研究生。E-mail:yanghaicumt@163.com。通訊作者:李 威(1964—),男,江蘇徐州人,教授,博士生導師,博士。Tel:0516-83590798,E-mail:cmeecumt@yahoo.com

楊 海,李 威,羅成名,等.基于捷聯慣導的采煤機定位定姿技術實驗研究[J].煤炭學報,2014,39(12):2550-2556.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.0265

Yang Hai,Li Wei,Luo Chengming,et al.Experimental study on position and attitude technique for shearer using SINS measurement[J].Journal of China Coal Society,2014,39(12):2550-2556.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.0265