不同慣導間距對采煤機定位精度的影響研究

王 興

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦， 山西 呂梁 033602）

引言

采煤機是礦井開采的關鍵設備之一，采煤機與刮板輸送機、液壓支架統稱為礦井綜采“三機”，其中采煤機主要組成包括行走部、截割部、電控系統、液壓系統及輔助裝置等，對應采煤機的工作原理是：對于行走部，行走部包含內外牽引兩部分，內牽引控制采煤機的運動速度，外牽引可直接驅使采煤機移動；對于截割部，截割部包含左、右截割部兩部分，可實現采煤機割煤、落煤、裝煤等作業工序的完成；對于電控系統，組成部分有牽引變頻器、高壓開關、電流互感器、變壓器、機載控制器等，主要控制采煤機的各種運行動作，同時，可對采煤機的運行和故障狀態進行監測；對于液壓系統，包含截割滾筒調高系統、牽引制動系統、破碎調高系統等，實際開采時，電機驅動泵站吸取液壓油，通過液壓管路、各閥組為調高油缸、制動器提供充足的液壓動力；對于輔助裝置，有擋煤板、底托架、拖纜裝置、噴霧系統、照明系統、潤滑系統等[1]。

此外，采煤機定位方法有超聲波定位法、紅外定位法、齒輪計數定位法、無線傳感器網絡定位法和慣導定位法等，為保證采煤機快速準確定位，完成截割、智能調高和調速等工序[2]，本文采用多慣導冗余定位法，分析不同慣導間距對采煤機定位精度的影響，進而提高采煤機的定位精度，保證煤礦開采的高產高效。

1 采煤機多慣導冗余定位的原理

采煤機慣導定位是實現井下綜采自動化的關鍵技術，為克服井下不能接收無線電信號及同時滿足采煤機定位精度的提升需求和慣導冗余結構的可靠性，多數采用的是多套慣導系統冗余結構技術，以組合慣導與軸碼器定位為前提，以慣導間距為約束條件，提出多慣導冗余采煤機定位的技術[3]。采煤機多慣導冗余定位的原理是：采煤機坐標系到導航坐標系的方向余弦矩陣可依據三套慣導輸出的姿態角計算取得，采煤機坐標系中的速度可采用軸編碼器計算取得，接著將采煤機坐標系中的速度利用方向余弦矩陣導入導航坐標系中，并積累至三套慣導的初始位置，獲得導航坐標系中三套慣導的位置。將此位置信息作為狀態量，慣導間距引入卡爾曼濾波器，經此獲得三套慣導的位置，其中卡爾曼濾波是線性系統狀態方程，通過測量輸入輸出的數據，從而獲得系統狀態最優的算法[4]。本文通過引入卡爾曼濾波器，并應用到多慣導冗余算法的慣導間距中，從而保證獲得的位置輸出更加精確。采煤機多慣導冗余定位原理的示意圖如圖1 所示。

圖1 采煤機多慣導冗余定位原理

2 不同慣導間距對采煤機定位精度的影響

為研究不同慣導間距對采煤機定位精度的影響，本文采用的采煤機設計具體參數是：運行速度為6 m/min，航向角與俯仰角都是0°，模擬時間1 000 s，且慣導間距離r12=r13，依據以上的參數設計，三套慣導都在采煤機平面坐標系XbObYb內，研究慣導間距從0.1 m 增加至1 m，且每個變化梯度為0.1 m，對采煤機定位精度的影響變化。采煤機慣導安裝的間距變化示意圖如圖2 所示。

圖2 采煤機不同慣導間安裝距離的變化示意圖

對于多慣導冗余算法處理前，由于單一慣導與軸編碼器組合的采煤機，其導航位算法與三套慣導間距無關，因此本質上就是一套慣導，精度不會發生變化。本文通過多慣導冗余算法處理前后，得到不同慣導間距離對采煤機慣導定位精度的影響曲線圖，如圖3 所示。

圖3 慣導間距對多慣導冗余算法定位精度的影響曲線

由圖3 可知，對比多慣導冗余算法處理前后的誤差，三套慣導得到的采煤機定位精度都有所提升，其中，慣導1（采煤機）的球概率誤差處理前后分別是0.49 m 和0.31～0.36 m，平均減小34.69%；慣導2的球概率誤差處理前后分別是0.51m 和0.34～0.35 m，平均減小32.02%；慣導3 的球概率誤差處理前后分別是0.47 m 和0.29～0.34 m，平均減小30.40%。此外，經多慣導冗余算法處理后，隨著慣導間距的增大，慣導1（采煤機）、慣導3 的球概率誤差是先減小再增大，在慣導間距是0.2 m 時，球概率誤差出現最小值；在間距增加至0.3 m 后，球概率誤差逐漸趨于穩定。由此對比可知，在慣導間距為0.2 m 時，采煤機的定位精度達到最高。同樣，多慣導冗余算法處理后，隨著慣導間距的增大，慣導2 在0.3 m 之前的球概率誤差是逐漸增大的，在間距增加至0.3 m 后，同樣趨于穩定。

對比不同慣導之間的距離，得到估計三角形所在平面法向量平均偏移角度，其變化曲線如圖4 所示。

圖4 不同慣導間距時估計三角形所在平面法向量平均偏移角度

由圖4 可知，在慣導間距是0.2 m 時，平均偏移角度最小，因此，取得平均偏移角度最小值時慣導間距與取得最小精度值保持一致，但是還存在不同點，就是在慣導間距是0.3 m 位置后，平均偏移角度存在起伏波動，而三套慣導的定位精度基本不變，這可能是因為估計三角形所在平面法向量偏移和估計三角形位置的偏移共同作用的結果。

3 結論

1）經多慣導冗余算法處理后，三套慣導得到的采煤機定位精度都有所提升。

隨著慣導間距的增大，慣導1（采煤機）、慣導3的球概率誤差是先減小再增大；在慣導間距是0.2 m時，球概率誤差最小；而慣導2 在0.3 m 之前的球概率誤差是逐漸增大的，但三套慣導都在間距增加至0.3 m 后，誤差趨于穩定。

2）在慣導間距是0.2 m 時，估計三角形所在平面法向量平均偏移角度最小，同取得最小精度值保持一致。

3）慣導間距是0.2 m 時，采煤機的定位精度最高。