采煤機采區定位定姿技術

崔 宇

（大同煤礦集團地煤公司馬口煤礦綜采隊， 山西 大同 037001）

引言

高效安全生產一直是煤炭企業追求的目標，機械化、自動化是煤礦機械發展的方向。采煤機、液壓支架、刮板輸送機是綜采工作面最重要的三種設備，簡稱“三機”，其中以采煤機為主導，三者互相配合實現煤炭的開采，它們的工作效率直接決定了煤礦生產的效率[1]。采煤機在工作時沿刮板輸送機的軌道進行往復式割煤，液壓支架對頂板進行支護，目前大多數煤礦生產中是由人工手動控制三種設備聯動，實現煤炭開采的機械化，但離自動化生產還有一段距離。采煤機的位置和姿態能直接反映出液壓支架與刮板輸送機的工作狀態，可以為三機聯動提供數據基礎，因此采煤機采區的實時定位定姿監測是實現自動化生產的關鍵技術，是實現綜采工作面自動化、少人化生產的基礎。

1 采煤機定位定姿技術

從20世紀80年代以來，為了實現采煤機采區的定位定姿，眾多科研人員提出了多種方法，主要有以下幾種。

1.1 基于紅外的采煤機定位技術

采煤機在運行過程中，由安裝在采煤機上的紅外發射裝置發射脈沖信號，液壓支架上安裝紅外接收裝置，根據接收到的脈沖信號，定位出采煤機相對液壓支架的位置。這種方法定位精度不高，容易受到粉塵等遮擋物影響導致信號無法接收，另外液壓支架在實際生產中移動頻繁，不能實時對采煤機位置進行準確監測[2]。

1.2 基于超聲波的采煤機定位技術

使用超聲波測距傳感器定位采煤機的工作位置，原理與使用紅外傳感器的采煤機定位技術基本一致，區別在于超聲波可以穿透粉塵，鏡頭不需要清洗。超聲波定位的精度也不高，只能作為輔助定位，使用具有局限性。

1.3 基于軌道里程的采煤機定位技術

這種方法是利用傳感器采集采煤機行走齒輪的轉動圈數信息，通過轉動圈數乘以齒輪分度圓周長計算出采煤機在管板輸送機軌道上的行走距離，與液壓支架的架間距進行對比，確定采煤機的實際位置。該方法只能用來定位采煤機沿刮板輸送機軌道方向的一維位置，且受齒輪計數誤差的影響，不能滿足采煤機精確定位定姿的要求。

1.4 基于無線傳感器網絡的采煤機定位技術

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）是分布式智能化網絡系統，在綜采工作面布置大量具有通信和計算能力的無線傳感器，通過無線信號監測采煤機與液壓支架間的位置關系，解算出采煤機的實際位置。這種方法成本低，定位精度較高，但是由于工作區域環境復雜，液壓支架頻繁移動，容易出現信號衰減或無信號情況，在監測的實時性上還需進一步提高[3]。

1.5 基于慣性導航的采煤機定位技術

慣性導航技術是一種自主式導航技術，通過安裝在采煤機上的陀螺儀及加速度計，測量采煤機的實時角加速度和線性加速度，解算出采煤機的運動狀態信息，再經過坐標變換得到采煤機的實時位置。這種方法不需外加信號，定位精度高，可以得到采煤機的三維位置信息，但在長時間工作后由于累積誤差使精度變差，需要采用綜合導航技術進行修正[4]。

2 捷聯慣導與無線傳感器網絡組合定位定姿原理

各種采煤機定位定姿方法都有各自的優缺點，將捷聯慣導與無線傳感器網絡技術結合起來，組成組合定位定姿系統，可以克服單系統的缺點，取長補短，以更好滿足自動化生產的要求。

2.1 采煤機姿態表達

采煤機的姿態主要是靠俯仰角、橫滾角和偏航角表示的，如圖1所示。

圖1 采煤機姿態角

圖1-1表示采煤機在工作面方向上與當地水平面夾角即采煤機的俯仰角，圖1-2表示采煤機在工作面推進方向上與當地水平面的夾角即采煤機的橫滾角，圖1-3表示采煤機沿工作面方向上與正北方向的夾角即采煤機的偏航角。

捷聯慣導技術是依靠安裝在采煤機上的慣性傳感器，測量采煤機的加速度并進行兩次積分運算，從而得到采煤機的位置狀態。由于傳感器與采煤機固連，通過積分運算直接得到的采煤機信息是在載體坐標系下的位置信息，為了整個綜采工作面信息統一，還需進行坐標系變換將采煤機的位置信息由載體坐標系變換到當地基準坐標系下。坐標系變換如圖2所示。

圖2 坐標系變化示意圖

其中OXbYbZb是載體坐標系，OXoYoZo是當地基準坐標系，載體坐標系經過三次旋轉后與基準坐標系重合，三次旋轉的角度就是采煤機的俯仰角θ、橫滾角γ和偏航角ψ。三次旋轉的變換矩陣分別為：

從載體坐標系變換到基準坐標系的公式為：

采煤機上任意點的位置，可以通過式（4）轉換到基準坐標系中。

2.2 捷聯慣導系統（SINS）原理

捷聯慣導系統原理如圖3所示。固連在采煤機上的陀螺儀、加速度計軸線與采煤機各軸線高度重合，實時測量出的角加速度參數和加速度參數通過數學運算，解算出姿態角信息，并與初始姿態信息進行比對，可以得到采煤機的實時姿態及位置信息。

圖3 捷聯慣導原理圖

2.3 基于無線傳感器網絡的定位系統（WSN）原理

無線傳感器網絡采用新型的UWB（超寬帶）技術，與傳統的紅外、超聲波、WIFI等無線信號相比，多徑分辨率高，定位精度好，信號衰減少。無線傳感器網絡中已知的位置節點稱作錨節點，固連在液壓支架上，待定位節點稱作移動節點，固連在采煤機機身上。采煤機機身上的無線網絡傳感器以一定頻率向周圍發射無線信號，通過液壓支架接收信號，進行耦合，在無線信號域和位置空間域內進行對偶映射，來解算采煤機的實時位置。無線網絡傳感器的布置如下頁圖4所示。

2.4 捷聯慣導與無線傳感器網絡組合定位定姿系統

單獨采用捷聯慣導導航技術，可以在短期內實現采煤機的快速精確定位定姿，但在長期運行中，受到積分累積誤差的影響，定位結果會產生發散；單獨使用無線傳感器網絡定位技術，不會產生累積誤差，但會受到錨節點偏移等情況的干擾，產生誤差。因此考慮將兩種系統進行組合同時對采煤機進行定位定姿，系統原理如圖5所示。

圖4 無線網絡傳感器布置圖

圖5 組合系統定位定姿原理

采煤機的定姿由捷聯慣導系統完成，實時更新，定位由捷聯慣導系統和無線傳感器網絡系統共同完成，采用基于信賴度的組合定位算法對結果進行校正，輸出可信的位置信息。

3 基于信賴度的組合定位算法

定義閾值σ1和σ2（σ1＜σ2），當采用無線傳感器網絡定位后，當前時刻與前一時刻的結果差值ΔPWSN（位置增量）小于等于σ1時，認為結果可信；當σ1＜ΔPWSN≤σ2時，認為結果存在一定誤差，此時需要與捷聯慣導的定位數據組合進行校正；當ΔPWSN＞σ2時，此時認為結果完全不可信，使用捷聯慣導定位結果作為輸出值。定義信賴度因子μ∈[0，1]，該因子的計算公式為：

捷聯慣導系統隨之時間的累積誤差逐漸增大，運行時間超過τ秒后，累積誤差無法接受，需要重新進行對準，此時認為結果完全不可信，定義信賴度因子η∈[0，1]，其計算公式為：

根據對兩種系統的分析，組合系統的定位算法為：

4 結語

綜采工作面的自動化生產離不開采煤機精確定位定姿技術的支持，基于捷聯慣性導航和無線傳感器網絡的組合采煤機定位定姿系統，克服了單系統的缺點，增加了系統冗余度，有較好的應用前景。