懸臂式掘進機慣性測量系統的改進與試驗

張國喜

（山西蘭花科技創業股份有限公司大陽煤礦分公司，山西 晉城 048000）

近十年中，我國煤炭工業發生了由“粗放式”向“精細化”的轉變，但隨著采深的日益增加，部分老礦井的采深已經突破1 000 m，其危險系數大、工作環境惡劣等不利條件日益嚴峻。因此，對綜掘工作面的無人作業技術的研究迫在眉睫。懸臂式掘進機是巷道挖掘的重要設備，如何提高懸臂式掘進機的控制精度、檢測位姿狀態是實現采掘設備自動化、智能化、無人化的前提，也對提高企業生產效率、保障員工安全有重要意義。

1 懸臂式掘進機的位姿及慣性導航技術

目前，懸臂式掘進機在煤礦井下作業時，光電技術是最為常見的自動導航定位技術之一[2-3]。掘進機司機以礦用激光指示燈投射在截割斷面上的光束為基準，操作掘進機按照截割曲線示意圖連續擺動完成工作，見圖1。光電技術雖然具有技術成熟、定位精準、成本較低等優點，但也存在環境適應性差、光源易受灰塵（水霧）等影響的缺點。為了更好地指導懸臂式掘進機進行截割作業，慣性導航技術應運而生。

圖1 光電技術下懸臂式掘進機井下截割工作

1.1 掘進機位姿

懸臂式掘進機在巷道內進行截割工作時出現的各種位置變化、姿態調整稱之為掘進機的位姿。而如何實現懸臂式掘進機位姿的精準測量是綜掘工作面實現無人化生產的關鍵。在礦井掘進過程中，將從俯視、側視、后視三個角度對掘進機進行觀察，從而設定路線操作掘進機進行挖掘、行走，見圖2。

圖2 掘進機位姿視圖

1.2 掘進機慣性導航技術

慣性測量技術由于其精度高、檢測速度快被廣泛用于井下掘進機位姿的檢測和導航。該技術主要包括陀螺儀、加速度計、里程計、導航計算模塊等慣性測量元件，是通過計算來實時確定掘進機位姿、自主式推算的導航系統。圖3（a）中慣性測量系統通常由3 組速率陀螺和加速度計正交安裝組成，每組加速度計在前、陀螺儀在后，分別安裝在六面體上，再通過減振器或直接與掘進機固定連接。其中，陀螺儀用于測量掘進機三向運動的角速度ωbib=（ωbxib，ωbyib，ωbzib），加速度計則通過動態測量掘進機各方向上的力fb=（fbx，fby，fbz）計算出運動加速度ab=(abx，aby，abz)，確定掘進機的實時位姿。

圖3 懸臂式掘進機慣性導航技術

圖3（b）中“控制/顯示”系統用于掘進機慣性導航技術的初始化參數輸入 ，然后傳輸給導航計算機系統，根據掘進機行走狀態實時顯示導航參數和界面，最后將計算所得的數據傳遞于懸臂式掘進機實現自主式的運動和截割控制。

2 零速修正技術的車載慣性導航系統

由于懸臂式掘進機在作業過程中存在低速、長時、移動距離短的特點，且對精度要求較高，達到厘米級。傳統慣性導航技術在用于巷道掘進時仍在多方面面臨較大挑戰。

為了更好地改善掘進機導航系統的精度問題，盧志勇等人提出了零速修正技術。該技術通過利用慣性系統部件誤差模型進行自動校正，在保留慣性部件較強環境適應性優點的同時，實現了車載定位精度的提高，在掘進機慣性導航系統中有良好的應用前景。

2.1 零速修正技術導航原理

零速修正技術是一種誤差補償的校正技術，其提高系統精度的原理在于該技術可以有效消除慣性導航系統由于長時間作業而累積的誤差。當懸臂式掘進機停車時，此時系統速度誤差的觀測量將以車體的慣性系統速度輸出作為參照源，對掘進機導航系統的定位參數進行補償校準。參考相關文獻發現，利用停車點的速度作為測量依據，還可以對噪聲及時間因素引起的相關誤差源得到修正。

零速修正技術的計算方式多種，使用方法最多的方法是二次曲線擬合法。該方法簡單高效，可以在掘進機較短的停車間隔內精準高效地擬合出慣性導航系統速度誤差曲線，再經過積分得到位置的誤差曲線，最后與慣性導航系統的位置輸出求和，計算得修正位置，表達式為：

式中：V為停車時速度觀測值；a為系數；t為停車時刻。

3 工業性試驗

為了驗證零速修正技術在懸臂式掘進機截割作業下的準確性和適用性，本次工業性試驗將在山西蘭花科技創業股份有限公司大陽煤礦分公司（以下簡稱大陽煤礦）進行，掘進設備為EBZ-160懸臂式掘進機。

3.1 掘進機截割工藝

2017年7月，根據大陽煤礦采掘計劃，開采的四采區為3號煤層，為本井田第一層可采煤層，上下空間均無采空區分布。截割頭由巷道一側底部進刀深度400～600 mm，然后在巷道內水平擺動截割，周邊留煤200～300 mm，每水平截割一次抬高400～600 mm，按照截割曲線示意圖連續擺動至初步成形，截割完一個循環后，修整周邊達到設計要求，循環進尺為0.9 m。

3.2 試驗過程

本次試驗總設計時長為12.5h，分別對大陽煤礦EBZ-160掘進機在零速修正技術使用前和使用后兩種結果進行對比，試驗內容包括空載和切割兩種工況。掘進機啟動時，行走系統將為零速修正技術提供零速信號，修正間隔設定在1.0～1.5 min；掘進機慣導系統的精準度的評測基準由全站儀測定的慣性導航位置決定；兩種方案的對比由掘進機誤差的位置偏差量決定，為提高試驗精確性，選取北向偏差與東向偏移量為共同參考目標。

3.3 試驗結果

圖4（a）、（b）分別為掘進機慣導系統使用零速修正法前后，多向偏移誤差隨時間變化的示意圖。兩次試驗中，共分四階段進行。第一階段為掘進機啟動后的前1h，此時為掘進機空載運動。可以看出零速修正技術未介入時，掘進機每時間間隔的偏移誤差介于+0.1～-0.2 m之間； 零速修正技術介入后，偏移誤差穩定在+0.1～-0.1 m之間，起到了一定的校正效果。第二階段為1～4h，此時掘進機進入截割作業，分析認為受震動影響，未進行零速修正的掘進機慣道系統出現較大偏移，最大偏移量達到0.37 m；零速修正后的掘進機偏移雖較空載運動時誤差略有增加，但仍可控制在±0.15 m之內，說明該技術對截割作業的作用更明顯。第三階段4～5.5h，為掘進機空載運動，控制效果與第一階段結果相近。第四階段5.5～6.25h，為掘進機第二次截割作業，慣導系統未進行零速修正時，東向偏移上升明顯，總體誤差量在±0.2 m；零速修正技術介入時，誤差偏移回歸在±0.1 m之間。

圖4 慣導系統偏差趨勢

4 結語

1）通過對懸臂式掘進機位姿及慣性導航技術的特點分析，慣導技術雖具有結構簡單、測量精度高、范圍廣的特點，但在低速、長時、短距離的井下作業時，存在精度差問題。加之懸臂式掘進機在作業中會出現側滑、橫擺、甩尾等情況，也會對懸臂式掘進機位姿測量產生誤差。

2）零速修正技術是一種誤差補償的校正技術，可以有效消除慣性導航系統由于長時間作業而累積的誤差。

3）根據大陽煤礦EBZ-160懸臂式掘進機的工業性試驗，零速修正技術可將掘進機空載運動時的偏移誤差控制在±0.1 m以內；截割作業時的偏移誤差控制在0.15 m以內，較傳統慣導系統的精確性提升明顯。