礦井掘進機自主定位仿真模擬及應用研究

郜 亞 男

（山西蘭花科創股份有限公司大陽煤礦分公司，山西 晉城 048000）

0 引 言

目前一些學者、專家對煤礦掘進機自主定位進行了探討、研究，例如吳淼團隊[1]利用激光指示器引導掘進機進行定向掘進研究，但這種方法只能達到一定的定向功能，不能準確實現掘進機的精確定位；文獻[2]提出了一種基于超寬帶技術的掘進機自走式定位方法，但該方法在Z 軸上的誤差不能滿足煤礦巷道工程的質量驗收規范。在文獻[3]介紹了一種基于全站儀的機身位姿參數測量系統，該系統可以使用全站儀精確測量掘進機的姿態角（偏轉角，仰角和側傾角），但沒有進行深入的研究。文獻[4]提出了基于GPS 檢測確定掘進機姿態參數的方法，但是該方法的最大測量距離僅為40m，無法遠程測量。迄今為止，雖然國內外對煤巖巷掘進機的檢測和自主定位方法進行了相關研究。但是，由于井下巷道條件復雜多變、環境惡劣，容易影響自動測量結果，導致測量精度低。煤礦綜掘工作面的實際應用效果尚未達到理想的技術水平。

在當今高精度測量功能技術基礎上，提出了一種基于仿真模擬指導巷道掘進機自主定位系統。從礦井實際條件、測量系統結構、自主定位原理等方面出發，建立了Matlab 自校準數學模型，仿真軟件根據現場測量模擬和精度分析，實現了綜掘機在掘進過程中的自主定位，為礦井快速、精準掘進巷道提供了理論指導。

1 掘進機定位系統組成

礦井掘進機的機位姿測量系統主要用于井下巷道開挖自動導向系統中，可以實現掘進機的自主定位、位姿檢測、激光定位以及全站儀的自主校準等功能[5]。其中，掘進機掘進期間激光定位示意如圖1所示。

圖1 掘進機掘進期間激光定位示意

礦井掘進機定位系統包括一個高精度自動全站儀，一個自動調平儀器平臺，一個機載測量棱鏡，一個后視棱鏡，一個臺式定位棱鏡和一臺終端控制平臺，系統各個結構共同作用實現掘進機自主定位巷道掘進功能。

2 自主定位原理

在掘進機的激光測量系統中，自動全站儀的自動校準是掘進機無人操作實現的關鍵[6]。目前，對掘進機自主定位的研究較少，沒有真正的自主無人掘進機。隨著掘進機的不斷進步，機載測量棱鏡與掘進機之間的距離不斷增大。在井下工作條件復雜的情況下，測量誤差不斷增大，最終導致導向系統失效，而自動全站儀校準必須手工完成，它不僅難以安裝，在進行校準的過程中需要很長時間，不利于煤礦的安全生產。在快速換檔過程中，通過自動調平儀平臺的快速懸掛功能，在距離自動全站儀一定距離的前巷道頂板的任何位置安裝三個自動調平儀表平臺。為方便說明，初步選擇為A，B，C 三點。自動調平儀平臺B 和C 分別安裝后視棱鏡和工位定位棱鏡，并進行自動調平操作。自動調平完成后，自動全站儀精確測量測量點的位置坐標；自動全站儀轉移到A 點自動調平儀平臺，自動調平操作。在自動調平完成后，自動全站儀確定站點后，根據激光線自動移動位置坐標，在移動的過程中快速換擋和站點自主定位、校準，這整個過程便是礦井掘進機自主定位的基本原理，詳見圖2 所示。

圖2 掘進機自主移動及定位原理

3 Matlab 仿真模擬研究

為探索該系統定位誤差的分布規律，利用Matlab仿真對該方法實現的過程進行了仿真。根據以上分析和研究，掘進機自校準數學模型的初始測量參數為全站儀測量的方位角和距離，選擇校準棱鏡間距和校準距離兩個因子。采用站點誤差分布規律，選擇校準距離和測量距離，研究掘進機姿態角的誤差分布規律。假設掘進機的前進方向為X 軸，規定X 軸為正，模擬計算從X 軸20～60m 的負方向開始，其中每距離1m進行一次，在相應的影響因素下得到自主定位誤差的仿真結果。在20～60m 方向上每1m 選擇一個測量點，以及對掘進機位置誤差進行模擬計算，通過對計算結果的分析獲得相應的影響因素。其中，軸仿真與站點誤差值隨標定距離分布情況的仿真結果如圖3 所示。

圖3 軸仿真與站點誤差值隨標定距離分布情況

仿真結果表明，該自主定位方法可以檢測不同測量位置的全站儀設置站，但存在一定的測量誤差。其中，在X 軸的誤差值大于Y 軸的誤差，表明巷道方向的誤差相對較大，精度較低。各軸的誤差值隨著校準距離的增加而增大。站點誤差隨校準棱鏡間距的增大而減小，隨校準距離的增加而增大。當校準距離超過35m 的范圍時，校準棱鏡間距對現場誤差幾乎沒有影響。當校準距離為60m 時，站點誤差最大，最大值為0.19mm。自校準后，Matlab 仿真自動全站儀在掘進機上計算出的位姿誤差仿真結果如圖4 所示。

仿真結果表明，隨著測距和校準距離的增大，航向角誤差大于俯仰角和側傾角，但滿足煤礦巷道工程質量驗收規范。最大航向角是校準距離和測量距離。兩者均在60m 的情況下獲得，最大值為0.0157°；姿態角誤差隨著測量距離和校準距離的增加而增大，測量距離對姿態角誤差影響更為明顯，因此提出了一種相對優化的自主定位策略。校準距離和測量距離均較大，是60m。

當全站儀執行多個獨立校準時，可以從設置站點坐標的解決方案過程看出。從圖5 可以看出，站1 的坐標由校準點1 和2 確定，并且可以測量校準點3 和4 的坐標。然后，全站儀移動到站2，并且由于站2 的坐標通過觀察站2 到校準點3 和4 的距離和角度來校準，校準點3 和4 的坐標是當設置站2 的坐標誤差變化規律和站1 的坐標誤差變化規律相同。當校準點坐標為真時，設置站的定位精度和第一次校準的定位精度的變化是一致的。

圖4 掘進機自主定位姿態角仿真模擬結果

圖5 掘進機自主定位設站、移站、標定流程示意

4 井下應用

帶有自主定位系統的掘進機在井下半煤巖巷進行了工業性實踐。掘進機在自主定位作用下，與設計值相比，掘出的巷道兩幫誤差均值為301.6mm，單邊誤差均值為150.5mm，均小于人工操作誤差均值。機身初始位置在巷道中心線上，無明顯偏差，單邊定位精度小于30mm，回轉定位精度小于15mm，連續完成斷面截割和掃底動作，自主定位截割運行效果良好，截割的斷面完全滿足使用要求。在掘進過程中，掘進機未出現機械故障。人工操作至少需要人數為8 人，在自主定位技術下，人員數量5 人即可進行巷道掘進。實現了快速掘進，降低了工人勞動強度，提高了巷道斷面質量和生產效率。

5 結 論

1）礦井掘進機定位系統由高精度自動全站儀、自動調平儀、棱鏡和控制平臺構成，系統各個結構共同作用實現掘進機自主定位巷道掘進功能，自主定位的基本原理是自動調平儀棱鏡自動調節，全站儀測量站點位置，激光線對準站點，控制平臺控制移動、快速換擋和、校準。

2）采用Matlab 仿真軟件模擬分析了掘進機自主定位的軸誤差與站點誤差值隨標定距離分布規律、姿態角分布情況、校準效果，模擬表明自主定位對掘進機精準掘進具有明顯的優勢。

3）掘進機在自主定位系統作用下掘進半煤巖巷，掘進斷面質量好，減小了操作人員數量，實現了快速掘進，為礦井掘進效率奠定了基礎。