悬臂式掘进机导航技术现状及其发展方向.pdf

第 4 3卷 第 8期 2 0 1 7年 8月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i ne Au t oma t i on Vo 1 ． 4 3 NO ． 8 Au g ． 2 0 1 7 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 0 8 0 0 3 7 0 7 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 7 ． 0 8 ． 0 0 8 悬臂式掘进机导航技术现状及其发展方向 田 原 ， 1 ． 中国煤 炭科 工集 团太 原研 究 院有 限公 司 ，山西 太 原0 3 0 0 0 6 ； 2 ． 山西 天地 煤机 装备 有 限公 司 ，山西 太 原0 3 0 0 0 6 摘要 阐述 了悬臂 式掘进 机 导航 定位 问题 ， 并 分析 了其特 殊性 ， 给 出 了其数 学描 述 ； 详 细分析 了掘 进机 光 电 导航 和位 姿检 测技 术 现状 、 掘进 机惯 性 导航 技 术现 状 、 基 于 多信 息 融合 的掘进 机 导航 定 位技 术现 状 ， 并 进 行 了比较 与评 价 。得 出结论 光 电导航 装备技 术成 熟 、 精 度 高 ， 但 在 煤 矿 井 下应 用 存在 较 严 重 的 环境 适 应 性 问题 ； 惯性 导航技 术 环境 适应 性 强 、 姿 态检 测精度 较 高 ， 但 长 时定位 精 度差 ； 将 光 电导航技 术 和惯 性 导航 技 术 相 结合 的 多信 息 多传 感 器融合 的 导航 技 术 可能是 解 决 悬臂 式掘 进 机 空 间位 姿检 测 问题 的较 优 途 径 ， 实现 信 息融合的关键在 于解决多信息多传感器带来的测量基准统一 问题 ， 且需要鲁棒性更强的融合算法。 关 键词 悬臂 式掘 进机 ；导航 定位 ；空 间位姿 ；惯性 导航 ； 光 电导航 中图分类 号 T D6 3 2 ． 2 文 献标 志码 A 网络 出版时 间 2 0 1 7 - 0 7 2 7 0 9 5 7 网络 出版地址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 7 0 7 2 7 ． 0 9 5 7 ． 0 0 8 ． h t ml Pr e s e n t s i t ua t i o n a nd d e v e l o p me nt d i r e c t i o n o f n a v i g a t i o n t e c h no l o gy o f bo o m t y p e r o a dh e a d e r TI AN Yu a n ， 1． CCTEG Ta i yua n Re s e a r c h I ns t i t u t e，Ta i yu a n 0 3 00 0 6，Chi n a； 2 ． S h a n x i Ti a n d i Co a l M i n i n g M a c h i n e r y Co ． ，Lt d ． ，Ta i y u a n 0 3 0 0 0 6 ，Ch i n a Ab s t r a c t Pr ob l e ms of na vi ga t i on a n d po s i t i on i n g o f bo om t yp e r o a d he a d e r a n d i t s p a r t i c ul a r i t y a n d m a t he ma t i c a l de s c r i pt i on w e r e de s c r i be d．St a t us of t e c hno l og y o f e l e c t r o o pt i c a l na vi g a t i on a n d p os i t i o ni n g a nd p os e de t e c t i o n，t e c hno l o gy o f i ne r t i a l na vi ga t i on，a nd na v i g a t i o n a nd po s i t i o ni ng t e c hn o l o g y b a s e d o n m u l t i i n f o r m a t i o n f us i o n we r e a na l y z e d i n d e t a i l s ． Th e c onc l us i o ns we r e o b t a i ne d t h e t e c hn ol o g y o f e l e c t r o o p t i c a l n a v i g a t i o n i s ma t u r e a n d h a s h i g h p r e c i s i o n，b u t t h e r e a r e s e r i o u s e n v i r o n me n t a l a d a p t a b i l i t y pr o bl e ms i n c oa l m i n e a p pl i c a t i on；t h e i n e r t i a l n a vi ga t i on t e c hno l o gy ha s s t r o ng a d a pt a bi l i t y，hi g h a c c ur a c y o f p os e de t e c t i o n， b ut h a s po o r pr e c i s i on o f l o ng t e r m p os i t i o ni n g； t he t e c hn ol o gy b a s e d o n f us i o ns of m u l t i i nf or ma t i on a nd m ul t i s e ns o r， wh i c h c o m b i ni n g e l e c t r o o pt i c a l na vi g a t i on a nd i ne r t i a l n a v i ga t i o n， ma y be t h e be t t e r wa y t o s o l ve t he p r ob l e m of s p a t i a l p os i t i o n a nd p os e d e t e c t i on of bo o m t y pe r o a d he a d e r ， t he ke y t o r e a l i z a t i o n o f i nf or ma t i on f u s i on i s t o s o l v e me a s ur i ng be nc hma r ki n g i s s ue s br o ug ht f r o m mul t i i n f o r m a t i on a n d m u l t i s e ns or ．a nd mor e r o bus t f us i on a l go r i t hm i S n e e d e d． 收稿 日期 2 0 1 7 - 0 4 1 8 ； 修回 日期 2 0 1 7 0 6 1 2 ； 责任编辑 胡娴。 基金项 目 中国煤炭科工集 团有 限公 司科技项 目 2 0 1 6 MS 0 1 6 。 作者简介 田原 1 9 7 6 一 ， 男 ， 山西忻州人 ， 副研究员 ， 博士 ， 主要研究方 向为煤机装备 自动化 ， Ema i l 3 3 2 3 1 4 9 5 q q ． c o rn。 引用格式 田原 ． 悬臂式掘进机导航技术现状及其发展方 向[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 8 3 7 4 3 ． T I AN Yu a n ．P r e s e n t s i t u a t i o n a n d d e v e l o p me n t d i r e c t i o n o f n a v i g a t i o n t e c h n o l o g y o f b o o m t y p e r o a d h e a d e r J ] ． I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n， 2 0 1 7， 4 3 8 3 7 4 3 ． 3 8 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 Ke y wo r ds b o om t yp e r o a dh e a d e r； na v i g a t i on a nd p o s i t i o ni ng； s p a t i a l p o s i t i on a n d p os e；i n e r t i a l n a v i ga t i o n；e l e c t r o op t i c a l n a v i ga t i o n 0 引言 为 实现 掘 进 工 作 面安 全 高 效作 业 ， 掘 进 机 自动 化 、 无 人 化是 一个 重要 的发 展方 向 ， 而掘进 机 自动导 航定 位技 术是 实 现 掘进 机 自动 化 、 无 人 化 的 关键 技 术 。近 十余年 来 ， 国 内相关 企 业 和 科 研 机 构 一 直致 力 于掘进 机 自动 导航 定 位 技 术 的研 究 ， 但 由于 相关 技术 基 础薄 弱 ， 在 自动 定 位 导航 技 术 方 面 仍 未 有 实 质性 突破 ， 这 一 问题 已经成 为 制 约 中 国采 掘 机 械实 现 快速 、 安 全 、 高 效作 业 的瓶颈 之一 。 本 质上 ， 与地 面 、 天 空 、 海 上导 航 可 以利 用 卫 星 辅 助完 成导 航定 位 相 比， 作业 场合 在 地 下 受 限空 间 中的掘 进机 导航 定 位 技 术属 于室 内导 航 定 位 领 域 ， 但 与 一 般 室 内 导 航 定 位 技 术 如 无 线 局 域 网 Wi r e l e s s L o c a l Ar e a Ne t wo r k s ，WL AN 、 射 频标 签Ra d i o Fr e q u e n c y I d e n t i f i c a t i o n ， RF I D 、 Z i g b e e 、 蓝 牙 B l u e t o o t h ， B T 、 超宽 带无 线 电 Ul t r a Wi d e B a n d ，UWB 、 地 磁 场 、 红 外 定 位 、 光 跟 踪 定 位 、 机器 视觉 定位 、 超 声 波定 位 等 不 同 ， 掘 进 机 的运 动 方式 更复 杂 ， 不 确定 性更 高 ， 作业 环境 也更 恶劣 。 文献E l i 探讨 了掘进机 自动导向和定位技术 ， 分 析 和 比较 了包括 惯性 导航 、 全 站仪 、 电子 罗盘 和视 觉 检测 等 的原 理 和 特 点 ， 得 出结 论 ① 基 于 惯 性 导 航 和 电子 罗盘 的导 航 技术 可实 现 自主 导 航 ， 其 他 方 法 则需 要 给定 参 考 坐 标 系 。② 以 倾 角 仪作 为俯 仰 角 和横滚角检测传感器的装备技术更适合于水平巷道 导 向 。③ 不 同导 向技 术 采用 了不 同 的参 照 系 ， 以巷 道指 向激 光 为参 照系 的方法 更 易于 与煤矿 现有 导航 方式 相结 合 。 文献E 2 ] 估计 了采用惯性导航技术 、 超宽带测量 技术 、 i G P S测 量技 术 和空 间交会 测 量技 术进 行 掘进 机位 姿检 测 的精度 ， 得 出结 论 惯 性 导航技 术 实 时性 强 ， 但 测 量精 度下 降较 快 ， 在无标 定 信号 条件 下持续 测 量精 度 低 ； 超 宽 带测量 系 统组成 较 为简 单 ， 但 测量 精度容易受周围环境影响； i G P S测量技术精度高 ， 但 需要 对其 进行 适 应性 改进 ， 以适 应 煤巷 测量 环境 ； 空间交汇测量技术可 以根据煤巷测量 环境进行改 进 ， 灵活性较好 ， 但测量系统可靠性差 ， 技术风险大 。 本 文 首 先 阐述 了悬 臂式 掘 进 机 导 航定 位 问题 ， 分 析 了其 特殊性 ， 给 出 了掘 进 机 导 航 定 位 问 题 的数 学 描述 ； 对 近年 来 主 流 的掘 进 机 导 航 定 位 方 法 按 照 光电原理 、 惯性原理和多信息融合原理进行 了分类 ， 并列 出了一些 有 代 表性 的工 作 ； 对 光 电导 航 技 术 和 惯性 导航 技术 用 于掘进 机 导航定 位 时的优 缺 点进行 了 比较说 明 ； 最后 就 掘 进机 导 航 定 位 技 术 的 发 展方 向提 出了看法 。 1悬臂 式掘 进机 导航 问题 提 出及其 特殊 性分 析 悬 臂式 掘进 机利用 其 悬臂 回转 和俯 仰动 作控 制 末端截割部进行煤 岩切割 ， 截割过程 中依靠机身与 巷 道底 板 问的摩 擦力 与截 割部 所受 侧 向截割 阻力 相 平衡 ， 以保持 机 身 相 对底 板 静 止 。侧 向截 割 阻力 大 于机身 与巷 道底 板 间 的摩 擦 力 时 ， 机 身 就 会 发 生 侧 滑 和偏 转 ， 截 割 出 的断 面 轮 廓 形状 与位 置 就 可 能 与 设 计参 数不 同 ， 从 而 改变巷 道走 向。 传 统 掘进 工 艺 中 ， 由悬挂 在 掘 进 机后 方 巷 道 顶 板 上 的激光 指 向仪 投 射 出 经过 方 向标 定 的 激 光 束 ， 在 巷道 断 面上形 成 光斑 ， 掘进 机 司机 以这 一 光 斑 为 基 准进 行断 面测 量 、 截 割 和巷道 掘进 ， 即可保 证巷 道 走 向与 设计 方 向一 致 。为实 现 这 一 目标 ， 掘 进 机 司 机 需要 在截 割过 程 中多次 停机 测量 。 截 割 过 程 中产 生 的大量 粉 尘 、 噪声 和存 在 的极 大安全 隐 患均对 掘 进 机 自动化 提 出 了迫 切 的要 求 ， 其 中掘进 机 自动 导航 技 术 成 为关 键 技 术 之 一 j ， 通 过 掘进 机 自动导 航技 术可 实现 掘进 机 的远程 控 制及 掘进 机 断 面监视 和 自动截 割 。 因为掘 进机 作业 过程 中机 身存 在偏 转 和横 向侧 滑 、 纵 向打 滑 、 俯 仰 、 横 滚等 工 况 ， 而 掘进 机 的每 一个 姿态 和 位置参 数 改 变都 会 影 响 断面 的位 置 和 形 态 ， 从 而改 变巷 道形 态和走 向 ， 所 以 ， 需 要对 掘进 机进 行 实 时 的 、 动 态 的三 维 定 位 和 三维 姿 态 检 测 。这 是 掘 进 机导 航 问题 的特 殊性 之一 ， 因 为地 面无 人 驾 驶 车 辆 的导 航或 室 内导 航 仅需 要 进 行 二 维 定 位 ， 盾 构 和 连 续采 煤机 仅需 要 进 行 静态 的 三维 姿 态 ， 采 煤 机 仅 需要 三 维定 位 。 掘 进 机 导航 问题 的 特殊 性 之 二 由于 掘 进机 通 过 悬臂末 端 的截 割部 截割 巷道 断 面并控 制 断面 轮廓 的位置和精度， 机身位置和姿态偏差会被放 大后反 映到截割部的空间位置偏差 ， 再者 ， 煤矿巷道尤其是 主巷 道使 用 时间 一 般 长达 数 年 甚 至 数 十 年 ， 所 以对 巷 道成 型精 度有 较高 要求 。GB 5 0 2 1 3 2 0 1 0 煤炭 井 巷工 程质 量验 收 规范 第 7 ． 2 ． 5节 中规定 ， 井 巷掘 2 0 1 7年 第 8期 田原 悬臂 式掘进 机 导航技 术现 状 及其发 展 方 向 3 9 进坡度偏差不得超过士1 ％ o ， 第 7 ． 2 ． 6节中规定 ， 基 础 掘进 断 面规格 的允许 偏 差为 一2 5 ～ 1 5 0 mm[ 4 ] 。 这一偏差要求指的是最终成型偏差 ， 包含检测偏差 和执行偏差等部分 。考虑到掘进机装 配精度 、 恶劣 工况等因素 ， 通常在执行环 节会产生较 大偏 差 ， 因 此 ， 掘进机导航定位精度要求 比一般的室内定位要 求更高 ， 掘进机定位检测精度通常要达到厘米级 ， 姿 态和航向检测精度达到角分级 。 掘进机导航 问题 的特殊性之三 掘进机用于巷 道掘进 ， 随截割对象不 同， 可分为煤巷、 半煤岩巷和 岩巷等， 掘进速度受截割对象和巷道地质条件影 响， 快则每天推进 1 0 0 m 以上 ， 慢则每天推进 3 ～5 m， 巷 道 总长度 短则 数米 、 数 十 米 ， 长 则 数 百 米 、 数 千 米 不 等 ， 因此 ， 相对地面车辆 、 船舶 、 飞行器等移动装备的 导航 特点而言 ， 掘进 机导航属 于一 种长时短距 导航 。 行业内对掘进机导航技术有多种提法， 包括掘 进机 导航 定位 技术 、 掘进 机空 间位 姿 检 测 技术 和掘 进机 定 向掘进 技术 等 。一方 面 ， 宏 观来 看 ， 掘进机 按 照预设方向和位置开拓完成一条巷道 ， 为了完成这 条巷道， 掘进机必须具备或人工或 自动的导航定位 能力 ， 知道 自己此 时的位 置和偏 离 预定 轨迹 的情 况 ， 以及 下一 时刻需 要 到 达 的 位 置 ， 这 与通 常意 义 上 的 导航定 位 内涵 吻合 。另一 方 面 ， 从微 观来 看 ， 掘进 机 按 照 预设 方 向 和 位 置 开 拓 完 成 一 条 巷 道 ， 是 通 过 一 个个断面截割累积而成 的， 一条巷道 的设计参数 不仅有巷道的走 向， 还有断面轮廓形状参数和位置 参数 ， 断面截割成型不仅与掘进机的位置有关 ， 也与 掘 进机 的 姿 态 有 关 ， 只 有 按 照 断 面 设 计 参 数 完 成 每一个断面的截割 ， 才能保证最终形成的巷道符合 设 计要 求 ， 因 此 ， 必 须 对 掘 进 机 的 空 间 位 姿 进 行 检 测 。本质 上看 ， 掘 进 机 导航 定 位 技 术 和 掘 进机 位 姿 检测技术具有相同 目标 ， 但内涵不同， 即位姿检测着 眼于断面成型控制， 而导航定位着眼于巷道走 向控 制 。掘进 机定 向掘进技 术 与掘进 机导 航定 位技 术着 眼点类似 ， 都是从巷道走向控制角度提 出的， 定 向掘 进狭义上讲是为了完成一条直线型巷道 ， 广义上讲 也包 含 曲线 型巷道 ， 二 者 的含 义 都 是 按 照 预设 方 向 和路径完成巷道掘进。所 以， 研究掘进机导航定位 技术就要研究掘进机空 间位置和姿态 ， 即空间位姿 检测 技术 ， 研究 掘进 机 定 向掘 进 技 术 也要 研 究 掘 进 机空 间位 姿检 测技 术 。 2掘进 机导 航 问题 的数 学描 述 掘进机导航参数包括巷道基准坐标系中定义 的 机身姿态和机身位置 ， 掘进机机身位置和姿态指 的 是 在设 计巷 道 中可 以完整 描述 掘进 机 位置 和姿 态所 需 的参 数 。按照 刚体 运 动 学 定 义 ， 刚体 的 运 动 具 有 6个 运动 自由度 ， 则 问题 可 描述 如 下 在 以 指 向激 光 即巷 道 轴线 为纵 轴 Z ， 水 平且 垂直 于巷 道 轴 线方 向 为横 轴 X ， 二者 所在 平 面 的法线 为竖 轴 y ， 激 光 出 口为原点 O 的理论巷道坐标系下 图 1 ， 求解掘进 机的空间位置及其前后 、 上下、 左右轴线向量的空间 姿态。为求解方便 ， 可以在 掘进机机身上建立以机 身上某点为原点 0 0 ， 机身前后轴线方 向为纵轴 Z 0 ， 左右轴线方向为横轴 x。 ， 上 下轴线方向为竖轴 yo 的机身坐标系。则问题可简化为求解机身坐标系在 巷道 坐 标 系下 的位置 和姿 态【 1 ] 。 图 1 掘进 机导航问题的数学描述 Fi g．1 Th e ma t he ma t i c a l de s c r i p t i o n of t h e pr obl e m of r oa d he a de r na v i g a t i o n 通过坐标转换 ， 机身 坐标 系中的任一点可通过 4个步骤依次转换到大地坐标系中， 即绕 x轴旋转 ， 绕 y轴 旋转 ， 绕 Z轴旋 转 ， 最 后平 移 至坐 标为 z， y ， 的点 ， 这 一过 程可 表示 为 F x ] - X 。 ] ] I y I R 3 3 I y o I I t I 1 L Z、v L Z。 ． J J 式 中 R 。 。 表示 旋转 矩 阵 ， 具 有 单 位 正 交 特 性 ， 因此 包 含 3个 独 立 变 量 ， 分 别 是 偏 航 角 、 俯 仰 角 和 横 滚 角 ； ￡ ， t ， t 表示 平 移 矩 阵 ， 包 含 3个 独立 变 量 ， 对 应 3个平 移量 ， 与 3个 独立 旋转 变量 一起 ， 表 示掘 进 机机 身在 巷道 坐标 系 中的位 姿参 数 。 3悬臂式掘进机导航技术研究现状 掘 进机 导 航 技 术从 原 理 上 可 划分 为 3类 一 类 是 基于 光 电原理 的 导航 技术 ， 一类 是 基 于惯 性 元 件 的导航技术 ， 一类是基 于多信息 融合 的导航技 术。 从另一个角度看 ， 导航技术本质上是基准传递的过 程 ， 从 导航 基 准上 可划 分为 2类 一类 是 以激 光指 向 4 0 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 仪及其指向为基准 的导航技术， 如各种光电导航技 术 ； 另一类 是 以地理 信 息为基 准 的导航 技 术 ， 如 利用 罗盘 或惯 性元 件 的导航 技术 。 3 ． 1 掘 进机 光 电导航 和位 姿检 测技 术研 究现 状 3 ． 1 ． 1 基 于全站 仪 的掘进 机位 姿检 测 光 电原 理 是 应用 较 广 泛 的一 类 导 航 原理 ， 利用 光信号传递基准 ， 利用光电传感器检测光信号 ， 如基 于全站仪 的掘进机位姿检测系统由固定在掘进装备 后方巷道侧壁上的全站仪和全站仪后方 固定的一个 棱镜 ， 以及 掘进装备机身上 的若干个棱镜 组成 ， 如 图 2所示 。全站仪 通 过检测 后 方棱镜 位 置确定 自身 基准 ， 这一基准与巷道设计基准一致 ， 通过检测机身 上 若 干个棱 镜 的空 间位 置计算 机 身 的空 间位 置 和姿 态 [ 。由 于全站 仪 同 一 时 问只 能 测 一 个 棱 镜 的 位 置 ， 所 以无 法用 于动 态检测 。 卜一 后 视 定 位 棱 镜 ；2 ～ 全 站 仪 ；3一 目标 棱 镜 ； 4 ～工业计算机 ； 5 一全站仪供 电与通信装置 图 2 基 于全站仪的掘进机位姿检测 系统 Fi g ． 2 Pos i t i on a n d p os e m e as ur e me nt s y s t e m o f r o a dhe a de r ba s e d on t ot a l s t a t i o n 3 ． 1 ． 2 基 于 线结构 光 的掘进 机 位姿 检测 专利 “ 掘 进机机 身 位姿参 数 测量 系统 及其 方法 ” 中提 出 了基 于 结构光 激 光指 向仪 的掘 进机 导航 定位 技 术 _ 7 ] ， 基 于线 结 构 光 的掘 进 机 位姿 检 测 系 统 由结 构光激光指向仪、 两轴倾角仪 、 安装在机身上的 2 列 光 敏 元件及 数 据 采 集 处 理 装 置 组 成 ， 如 图 3所 示 。 掘 进机 后方 巷道 顶板 上 同定 的结 构光激 光 指 向仪 发 出的结构光投影在机身上的光敏元件 上， 不 同位 置 的光敏元件输 出不 同信号 ， 从而计算机身偏转角和 偏 移 量 。 2 4 I l 一结构光激光指 向仪 ；2 ～两轴倾角仪 ； 3 一光敏元件 ； 4 数据采集处理装置 图 3 基于线结构光 的掘进 机位 姿检测系统 F i g ． 3 Po s i t i o n a n d p o s e me a s u r e me n t s y s t e m o f r o a d h e a d e r ba s e d on l i ne s t r uc t u r e d l i ght 3 ． 1 ． 3 基 于机器 视觉 的掘 进机 空 间位姿 检测 基 于机 器视觉 的掘进 机空 间位 置检 测系 统 由激 光指向仪 、 摄像机、 图像处理系统及 光靶等组成 。 摄像机与激光指 向仪刚性连接并固定在掘进机后方 巷道顶板上 ， 光靶 固定在机身上， 如图 4所示 。摄像 机 采集 光靶 的 图像 ， 图像 处 理 系统 解 算 光 靶 空 间 位 置 和姿 态 ， 从 而 获得 机 身 在 指 向激 光基 准 下 的空 间 位 置 和姿态 。 激 像处理系 控机 光靶 身 图 4基于机器视觉 的掘进机空间位姿检测系统 Fi g ．4 Spa t i a l p os i t i on a nd p os e m e a s ur e me nt s y s t e m of r o a dhe a d e r b as e d on ma c h i n e vi s i on 3 ． 1 ． 4 基 于双 十 字 激 光 和 图像 处 理 技 术 的 掘进 机 位 姿检 测 杜雨馨 等 提 出基 于双 十字激 光 和 图像 处 理 技 术 的掘进 机位 姿 检测 方 法 ， 如 图 5所 示 。 以双 十 字 激 光器 与激 光标靶 为信 息来 源 ， 通 过 对 标 靶 上 十 字 光线 成像 特 征 的分 析 ， 建 立 了掘 进 机 位 姿 空 间 解 算 模 型 。该 方 法也属 于 利用 机器 视觉 技术 检测 掘进 机 空 间位 姿参 数 的一种 应 用 ， 利用 机 身 与 十字 激 光 面 的空 间关 系 ， 使用 空 间矩 阵变换 方法 ， 得 到机 身相 对 于巷 道 的三轴 倾 角及 在 巷 道 断 面 上 的 偏 离位 移 ， 实 现 了掘进 机 机身位 姿 的 自动实 时检 测 。 十字 图 5基 于 双 十字 激 光 和 图像 处 理 技 术 的 掘进机位姿检测方法 Fi g． 5 Pos i t i o n a nd p os e me a s ur e me nt me t h od of r oa dh e a de r ba s e d on do ubl e c r os s l a s e r a nd i ma g e pr oc e s s i n g t e c h nol o gy 3 ． 1 _ 5 基 于 i GP S的 掘 进 机 单 站 多点 分 时 机 身 位 姿测 量 为 实 现掘 进 机 机 身位 姿 的高 精度 自主测 量 ， 陶 云 飞等 提 出基 于 i G P S的掘进 机单 站 多点 分 时机 身位姿测量方法 ， 如图 6所示 ， 并对其可行性进行分 2 1 7年 第 8期 田原 悬臂式 掘进 机 导航技 术现 状 及其 发展 方 向 4 J 析 ． f i J f 究 J 其测 量 误 蓐 分 规 律 ， 借 用 窜 【 人 】 ； I S定 位技 术 的概 念 ， 通 过 旋 转 粥 面 激 光检 测 掘 进 机 机 身 I 的接 收器 相对 巷道 f 1 1 某 一基 准点 之 的 卡 H 对 位置 和 角度 ， 从 t t - 算 掘 进 机 机 身在 巷道 巾 的 川 位 置 和 姿念 。多点 分时 t检 测干 通过 多次 检测 以捉 高检 测 精度 的特 点 表明这 一 方法 更适用 于 静态榆 测 m 非实 时检 测 。 h -2 披 收 器 ；，l 尉 ㈨ 澈 比 发 站 0 | I 动 旋 转 技 ；“掘 进 机 罔 6 琏 I i ； P S的掘进机 站 多点分时机 吩位姿测 方法 Fi g ．6 Po s i t i on l n【 }p os e n 1 a s u r e me nt me t ho d of s i n gl e s t a t i on．muhi p oi nl} 1 I 1 d t i me s ha r i n g f o r r oa dh c a de r b od y b as t 、 d o n i GPS 3 ． 1 ． 6 培于空 M 交 、 J 洲 t 技 术 的悬 臂 式 掘 进 机 位 姿 自主 洲 蛀 吴森等 ⋯提 ⋯ r琏丁 空 问 交 汇 测 址 技 术的 悬 臂式 掘 进机 位姿 测 法 ， 如 罔 7所 示 。悬 臂 式掘 进机 搭载 激 光发射 并发 射 旋转 激 光甲 ，在 其后 方安装 位置 同 定 的激 光接 收 器 。 通 过 激 光平 而 获收 激光 发射 器 十 1 { 埘 ] ] 自身 的 方 位 ． 从 I 得 到 悬 惜式 掘进 机相 埘 丁 ⋯激 光接 收器 确定 的 巷道 坐标 系的他 姿状 态 。 楚 于 交 测 髓技 术 的 悬 臂 式 掘 进 机 化 瓷 r 1上测 方法 Fi g ．7 P os i t i o n H n d p os e me a s l l r e men t me t ho d of b o o n t yp e r o a dh e a 1 e t ha s e d nil s p ac e i nt cr s ec l i o n I ] I C H S I I F 、 I l l 、 n t t e c hno l ogy 3 ． 1 ． 7 琏于 2个 州转 光 靶 和 激光 测 距 仪 的掘 进 机 位姿 检测 齐 宏亮 等 利 『 } 1 2个 旧转 激 光 光 、 2个 激光 测距 仪 及 倾 角 仪 建 r掘 进 机 位 姿 检 测 系统 ， 如 罔 8所 永 。 光 电导航 装 备技 术成 熟 、 成本 低 、 精 度高 ． 是非 煤行 业 常见 的传感 方 ， I 干 导 航 定 位技 术 ． 但 煤 矿 仆 下 ， 仔 在较 为严 重 的 环境 适 应 性 问题 ， 如低 照 度 、 低能 见度 、 空 问狭 窄 等均 影 响 了光 电 导 航技 术 的应 用 ． 其 用 前 景 与除 技 术发 展 和应用 密 不可分 。 】 7澈比 发 ；2 澈 光钯 杯 I ； 激 光 物、I I ；卜澈 比测 仪 I ； 5 激光{则 l ， 仪 l l ；6 控带 秆 l 『 【 什 8摹 于 2个 转 比靶 币 激 光 测 仪 的 掘 进 f J 【 化瓷 榆测 系统 Fi g ．8 Po s i t i on a n[ 1 p os e I l l e l I s t l r e I I l e i l {s y s t e m of r ； l 1 he a d e r b a s e 、 1 01 1 t WO r ol a r y l i g ht t I 1‘ ge l s a nd t wo l a s c t r r 1 1 l g e f i n de r s 3 ． 2掘 进机 惯 性 导航 技 术研 究现 状 惯 导航技 术很 好地 解 决 J ， 光 电导航 技 术的环 境适 心 问题 ， 惯 性 导 航 系统 是 以陀 螺 乖 “ J J l I 速 度计 为敏 感 ； } } } 件 的导航 参数 解 锋 系统 。其优 点 ① 不依 赖于任何外部信息， 有很强的环境适应性。② 能提 供实 1 4 0 ．“ 置、 速 度 、 航 向 干 姿 态 角 数 据 ， 所 ， } 的 导 航 信 息连 续性 好 。其缺 点 ① 于 导航 c J 、 过 积 分产 ， l ． 所 以 ， 定位 误 差随 时 问f 增 大 ， 长期 精度 差 。 ② 每次 使用 之前 需要 较 K的初 始 时准 时 州 。 魑 惯性 导航 的技 术 旧 内早 年 l 1 1 重 庆大 、 提 j I 1 ， 1 进 行 J 部分 理论 研 究 ． 义献 [ 1 3 ] 结 合 现 场 数 据 着 重分 析 J ， 捷 联 惯 导数 7 平 行 中姿 态 矩 阵 的解 箅 方 法 ． 介绍 r捷联 式 惯 导 系统 无 人 掘 进 机 控 制 系统 r f 1 的 软硬 件 实 现 方 式 瞍拢 联 矩 阵 的 四 几 数 解 算 方 法 。旧外 ， 澳大 利 业相 父研 究机 构 2 O n t 纪 木 即丌 始研 究将惯 性 导航 技 术用 f煤矿 J { 下移 动装 备定位 导 航 的 “ 行性 ， 已有 综采 _ I 作而 的心 用报 道 ， 掘进 T 干 1 尚无应 用报 道 。近 年来 日 内已有 f ij f 究 进行 J 璀 J 陀螺 仪 技 术的 巷道 定 r 口 J 掘 进 试验 。 ．． 惯 导航 系统 ] 作 I f I 产 生 的位 置偏差 干 角度偏 差 一 般均 随时 Iu J 延 长m 增 大 ， 其 中 ， 位 偏 蓐 I ．匕 角度 偏 筹 更 为明 。 通 常 都 需 要 进 行 校 准 。位 氍 偏 差 校 准一 股仃 零速 校正 Z e r o v e l o c i l y Up d a e 。Z UI T 、 GP S校 准 、 地 形 匹 或 f 计 校 准 等 方 法 ． 程计 校 准 多川 于轮 式 车辆 。所 埘 Z UP T． 即 以 载 体 停 车 时 的速 度 误差 作 为观测 址米 对载 体 的其 他信息 进行 修 止 ， 方法 包 括 二 次 线 拟 合 、 实 时卡 尔 曼滤 波 、 平 滑估 汁法 等 。Z UP F作 为一 种 误差 补 偿 技 术 ． 可 以有效 控制 惯性 导 航 系统 长时 间 作 的误 篪 累积 ， 提 高 系统 的精 度 。 口前 ． 实 际应 用 巾 ， 2个 Z UP I 、 点 的 fn J 隔