基于SINS 的采煤機動態定姿技術的應用研究

王 娟

（山西省陽泉市大陽泉煤炭有限公司， 山西 陽泉 045000）

引言

作為煤礦井下“三機”設備的核心，采煤機不僅需要完成割煤和落煤作業，而且需要作為綜采設備聯動的關鍵點，為實現井下綜采設備的自動化聯動提供定位參考。傳統的采用紅外線定位方案只能根據所接受到的紅外線信號的強度來判斷采煤機的位置，但由于井下工作環境惡劣、粉塵量大，對紅外線的傳輸存在著較大的干擾，因此導致傳輸中存在一定的偏位和干擾，定位誤差較大，無法滿足聯合控制的精度需要。齒輪計數法雖然受外界干擾較小，但通過行走齒輪計數累積誤差較大，采煤機運行時間越長其定位誤差就越大，需要頻繁地修正，將嚴重降低井下的綜采作業的效率[1]。因此本文提出了利用SINS（捷聯慣性導航）的定位方案，在采煤機的本體上設置一個三軸陀螺儀機、一個加速度傳感器，通過對采煤機運行時的角速度和加速度的監測，并結合采煤機的初始位置信息即可實現對采煤機動態位置姿態的精確跟蹤測量，為實現井下綜采作業的自動化無人化奠定了堅實的基礎。

1 SINS 定位原理

采煤機在井下進行工作時，一方面進行進給運動，一方面由搖臂控制截割機構進行截割運動，因此采煤機在煤礦井下巷道內的運動是空間三維運動，其定位也需要進行三維空間定位，在實際應用中將三軸陀螺儀及一個加速度傳感器設置到采煤機的機身上，當采煤機運行時該陀螺儀和加速度傳感器直接對采煤機在運行方向上的加速度和角速度進行動態監測。為了適應采煤機在井下工作時的震蕩、沖擊及井下溫度、濕度、粉塵濃度的變化，所使用的測量傳感器必須將所測量的數據信息快速、穩定地傳輸給控制中心，由控制中心根據所設定的邏輯定位算法對采煤機工作時的位置數據和姿態數據進行分析，再結合采煤機工作初期的定位和姿態信息即可分析出采煤機現在的位置和姿態信息狀態，基于SINS 的采煤機的動態位姿定位系統的工作原理如圖1 所示。

圖1 基于SINS 的采煤機定位原理

2 SINS 定位姿態解算原理

由于在該系統中所測量的是采煤機的運動坐標系，而SINS 定位是以地圖的空間地理坐標區域來定位采煤機的位置和姿態的，因此需要對采煤機監測信息進行定位坐標和數據的解算。由于SINS 定位所采用的慣性坐標系一般為i系，首先需要進行采煤機相對于地球轉速vei的計算，因此由哥氏方程可將采煤機的慣性速度轉換為地速表示[2]。

對式（1）求導可采煤機工作時的加速度可表示為[3]：

同時由采煤機的3 個方向上的加速度傳感器可求得采煤機慣性導航定位系統中的裝置比力的測量值：

式中：g 為采煤機的引力矢量；

將式（2）（3）聯立可得：

式中：ωie×ve為采煤機在地球自轉速度作用下引起的加速度；ωie[ωie×r]為采煤機質量引力和向心加速度構成的實際重力矢量。

3 基于SINS 的采煤機定姿測量系統的仿真分析

根據采煤機在煤礦井下工作時的實際截割路徑，設采煤機工作時首先沿著x軸的方向推進20 m，并在從第9 m 開始到第13 m 的區段內進行斜切作用，然后再沿著y軸的方向推進1 m，利用基于SINS的采煤機動態定姿技術進行測量，解算后的采煤機在井下綜采作業時的三維空間軌跡如圖2 所示。

圖2 采煤機SINS 定位的仿真軌跡

由圖2 可知，利用基于SINS 的采煤機動態定姿技術，能夠準確地追蹤采煤機工作時的運行軌跡，其運行時的位置偏差信息和姿態偏差信息如圖3 所示。

由仿真分析結果可知，在該動態定姿技術中當采煤機開始進行斜切進刀及結束時其定位精度會有一個比較顯著的波動，這主要是因為當采煤機開始進行斜切進刀時使航向角發生了瞬間的變化導致。該定位方案在x軸方向上的誤差精度約為0.4 m，在y軸方向上的誤差精度約為0.29 m，在z軸方向上的誤差約為0.25 m，不同的方向上具有不同的誤差主要是由于采煤機工作時在不同方向上具有不同的加速度誤差所致。通過該仿真分析，在對采煤機運行時的兩千余個采樣點分析可知，其在運行時的定位精度約為0.43 m，其姿態定位精度約為0.6°，完全能夠滿足對采煤機自動化控制定位精度的要求。

圖3 采煤機三軸姿態和位置誤差誤差曲線

4 基于SINS 的采煤機定姿技術試驗驗證

在仿真分析的基礎上，為了進一步驗證該定姿定位技術的可靠性，本文搭建了基于“三機”平臺的采煤機SINS 定位驗證試驗平臺[4]，其平臺上包括了采煤機、液壓支架、刮板輸送機及定位控制系統等，在進行驗證時啟動采煤機并調節采煤機模擬進行截割作業，并實現與液壓支架、刮板輸送機的配合聯動，試驗平臺的結構如圖4 所示。

圖4 采煤機SINS 定位系統試驗平臺

在試驗時同樣選擇兩千個采樣點，其實際測量的采煤機工作時的三軸的加速度變化情況和三軸的位置姿態信息的變化如圖5 所示。

圖5 采煤機三軸姿態和加速度變化曲線

由試驗驗證結果可知，該定位方案在x軸方向上的誤差精度約為0.28 m，在y軸方向上的誤差精度約為0.41 m，在z軸方向上的誤差約為0.31 m，其在各軸上的誤差變化與仿真分析結果基本相符，表明了仿真分析結果的準確性，同時也表明了該基于SINS 的采煤機的動態定姿技術對采煤機井下位置、姿態定位的適用性。

5 結輪

1）在該定位方案下，其運行時的定位精度約為0.43 m，其姿態定位精度約為0.6°，完全能夠滿足對采煤機自動化控制定位精度的要求。

2）該定位方案在x軸方向上的誤差精度約為0.28 m，在y軸方向上的誤差精度約為0.41 m，在z軸方向上的誤差約為0.31 m，定位精度好，姿態追蹤穩定性高。

3）仿真分析結果和試驗驗證結果吻合度高，表明了該基于SINS 的采煤機的動態定姿技術對采煤機井下位置、姿態定位的適用性。