液压支架姿态角度测量系统.pdf

第 4 3卷 第 5期 2 O 1 7年 5月 工矿 自 动 化 I nd us t r y a nd M i n e Aut o ma t i o n Vo 1 ． 43 NO ． 5 M a y 2 O1 7 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 0 5 0 0 4 0 0 6 DOI 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 5 ． 0 1 0 张坤 ， 廉 自生． 液压支架姿态角度测量 系统E J ； ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 5 4 0 4 5 ． 液压文架姿态角度测量系统 张坤 。 ， 廉 自生 1 ． 太原 理工 大学 机 械工 程学 院 ，山西 太原0 3 0 0 2 4 ； 2 ． 煤 矿综 采 装备 山西 省重 点实 验室 ，山西 太原0 3 0 0 2 4 摘 要 针 对采 用单 一 角度 传 感 器实现 综采 工作 面液压 支架姿 态 角度 监 测 时测量 结果 不准确 的 问题 ， 提 出 了一 种基 于倾 角传 感 器和 陀螺 仪 的 液 压 支架姿 态 角度 测 量 系统 。该 系统 采 用 S VT6 2 6 T 型 倾 角传 感 器和 ML 7 1 0 0型 三轴 陀螺仪 测量 倾 角和轴 向偏 转 角度 ， 并 以俯仰 角为例 ， 用卡 尔曼滤 波对 2种传 感 器测量 的 角度 进行数据融合 。Ma t l a b仿真及实验结果表 明， 该 系统有效解决 了倾角传感器 因顶梁变加速运动导致的测量 误 差和 陀螺仪 因长 时间测 量导 致 的漂移 和误 差 累积 问题 ， 提 高 了顶 梁姿 态角度 测 量精度 。 关键 词 液 压 支架 ；姿 态角度 ； 数 据 融合 ； 倾 角传 感 器 ；陀螺仪 中图分类 号 T D3 5 5 ． 4 文献标 志码 A 网络 出版时 间 2 0 1 7 0 4 2 5 1 7 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 ． TP ． 2 0 1 7 0 4 2 5 ． 1 7 5 7 ． 0 1 0 ． h t ml At t i t u de a ng l e me a s u r i n g s y s t e m o f hy d r a u l i c s up p o r t ZH ANG Kun 一． LI AN Zi s he n g ， 1． Col l e ge o f M e c ha n i c a l Eng i ne e r i n g，Ta i y ua n U n i v e r s i t y o f Te c hn ol o gy，Ta i y ua n 03 0 0 2 4，Chi n a； 2． Sha nx i K e y La b or a t or y of Fu l l y M e c ha ni z e d Co a l M i ni ng Eq ui p me nt ，Ta i yu a n 03 0 0 2 4，Chi n a Ab s t r a c t I n v i e w o f pr o bl e m t ha t m e a s u r i ng r e s ul t i s i na c c u r a t e whi l e us i ng s i n gl e a ng l e s e ns o r t o r e a l i z e a t t i t u de a ng l e m e a s u r e me nt o f hy d r a u l i c s up po r t o n f ul l y m e c ha ni z e d c o a l mi n i ng f a c e，a n a t t i t ud e a ngl e me a s u r i ng s y s t e m of hyd r a ul i c s u pp or t b a s e d o n t i l t s e ns o r a nd gy r os c o p e wa s pr o po s e d．Th e s y s t e m 收稿 日期 2 0 1 6 1 2 2 1 ； 修回 日期 2 0 1 7 0 3 1 7 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 国家 自然科学基金项 目 U1 6 1 0 2 5 1 。 作者简介 张坤 1 9 9 2 一 ， 男 ， 山东烟台人 ， 硕 士研究 生， 研究方 向为液压支架姿态监测 ， E ma i l 5 4 0 4 7 7 2 2 9 q q ． C O 1T I 。 不敏感等优点， 可满足工业现场实际应用要求， 对保 障运输 系统 的安 全运 行具 有重 要意 义 。 参 考 文献 [1] 朱荣涛 ． 皮带运输机皮带撕裂 原因探析及 防治 E J 3 ． 江 西煤炭科 技 ， 2 0 1 4 3 9 8 9 9 ． [ 2] 李彦 隆． 井 下皮 带运 输机 皮带 撕 裂原 因分 析及 对 策 [ J ] ． 机械管理开发 ， 2 0 1 5 ， 3 0 5 9 8 9 9 ． [ 3] 许 伟． 基于金属磁记忆法 的钢绳芯胶带故障检测 系统 研 究[ D] ． 太 原 太原理工大学 ， 2 0 1 0 ． [ 4] 吉增超 ， 陆振洋． 钢丝绳 芯输送 带检测 技术 及其发 展 状况E J ] ． 机 电技术 ， 2 0 1 1 ， 3 4 4 1 6 8 1 7 0 ． [5 ] 张文明 ， 卢金龙． 变光 照环境下 皮带撕 裂视 觉检测 方 法研究E J ] ． 光学技术 ， 2 0 1 6 ， 4 2 2 1 0 8 1 1 3 ． [ 6] [7 ] [ 8] [9] E l o ] E 1 1 ] [ 1 2 ] 季晓华 ． 基 于 x射 线 的钢丝 绳芯 无损 探伤 系统 研究 E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 O 1 4 ， 4 0 8 l 1 0 1 1 2 ． 殷 勇辉 ， 范忠明 ， 梁骁 ， 等． 钢绳芯 输送带 接头 实时监 测系统设计 [ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 0 9 ， 3 7 7 9 0 9 2 ． 焦晋杰 ， 牛昱 光． x光 成像 的钢绳 芯输送 带接 头距 离 检测方法[ J ] ． 机械工程 与 自动化 ， 2 0 1 2 5 1 3 3 1 3 4 ． 樊荣 ， 张荣华 ， 方崇全 ， 等． 强力输 送带 接头 抽动检 测 算法研究 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 2 3 0 3 3 ． 廖斌． 基于特征点的图像 配准技 术研究 [ D ] ． 长沙 国 防科学技术 大学 ， 2 0 0 8 ． 佘影． 基于角点匹配的强力输送带接 头识别算 法[ J ] ． 煤 炭 工 程 ， 2 O 1 6， 4 8 3 1 1 6 - 1 1 8 ． 杨小 冈 ， 曹菲 ， 缪栋 ， 等． 基于相 似度 比较 的图像 灰度 匹配算 法 研 究 [ J ] ． 系 统 工 程 与 电 子 技 术 ， 2 0 0 5 ， 2 7 5 9 1 8 92 1． 2 0 1 7年 第 5期 张坤 等 液压 支 架姿 态 角度 测 量 系统 4 1 us e s SVT6 2 6T t y pe t i l t s e n s o r a n d M L71 00 t y p e t h r e e a xi s g yr o s c o pe t O me a s ur e i nc l i na t i on a n gl e a nd a xi a l d e f l e c t i on a n gl e ，a nd da t a of t h e t wo k i nds of s e ns o r a r e f u s e d by Ka l m a n f i l t e r t a ki ng p i t c h an gl e a s a n e x a mp l e ．Th e M a t l a b s i mu l a t i o n a n d e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e s y s t e m c a n e f f e c t i v e l y s o l v e t h e pr o bl e m s of t he me a s ur e m e n t e r r or c a us e d by a c c e l e r a t i o n o f t h e t o p b e a m a nd t he dr i f t a nd e r r Or a c c u m u l a t i o n of t h e g yr o s c o pe c a u s e d b y l on g t i m e m e a s u r e m e nt ， a n d i m p r ov e s t h e a t t i t ud e me a s u r i n g ac cur acy． Ke y wo r ds hy d r a u l i c s u pp o r t；a t t i t ud e a ng l e；d a t a f us i o n；t i l t s e n s o r；gy r o s c op e 0 引言 液压支架作为煤矿综采工作面的关键设备 ， 其 姿态信息的采集尤为重要。在综采工作面 ， 底板起 伏不平 ， 底座会出现横 向和纵向的倾角 ， 并且液压支 架在升架 、 推溜、 降架 、 移架等过程 中与工作面 围岩 存在耦合作用关 系。为适应采场 围岩变化 ， 液压支 架顶梁会 出现“ 俯” 、 “ 仰” 状态 ， 且姿态会相应发生变 化 ， 尤其是推进到周期来压步距或产生冲击地压等 灾害事故时， 液压支架姿态变化更加剧烈 。如果液 压支架姿态变 化异 常， 会 对其 自身机构 造成 一定 损 坏 。 近 年 来 ， 随 着ME MS Mi c r o - E l e c t r o Me c h a n i c a l S y s t e m， 微机 电系统 技术 的快 速 发 展 ， 倾角传感器和陀螺仪这 2种 ME MS传感器由于具 有体积小、 性能佳、 稳定性高等优点 ， 在低成本姿态 监测中得到了广泛应用。倾角传感器在静止和匀速 运动状态下 ， 测量角度准确， 但是其极易受其他加速 度的影响。如果液压支架升架 、 降架 时发生变加速 运 动 ， 则 倾角 传感 器 感 知 的是 惯 性加 速度 和运 动 加 速度的叠加值 ， 由于运动加速度 的影响， 使得倾角测 量不准确。而陀螺仪具 有 良好 的动态特性 ， 不受加 速 度影 响 ， 可 以弥补 倾 角 传 感 器 受运 动加 速 度 影 响 的不足。但是陀螺仪易受 噪声 、 振 动及温度变化等 因素干扰而产生随机漂移误差 ， 再加上传感器本身 存在 常值 漂 移误差 ， 随着 时问 的推 移 ， 偏 转 角度存 在 一 定 的累积计算误差 ， 单一的陀螺仪无法保证长时 间姿态角度测量 的准确性 。综上所述 ， 陀螺仪和倾 角传感器都 存在 一定 的优 点， 且 在特 性上 具有 互 补性 。 典型的传感器数据融合算法包括互补滤波算法 和卡尔曼滤 波算法 。互 补滤波算 法数据融合精 度 低 ， 响应 速度 较慢 ， 而 卡尔曼 滤 波算 法采 用状 态方 程 来描述系统输入与输 出的关系 ， 可有效 降低噪声干 扰， 提高滤波精度 。本文提出了一种基于倾角传感 器和 陀螺 仪 的液压 支 架 姿 态 角 度 测 量 系 统 ， 结 合 了 倾角传感器的静态特性和陀螺仪 的动态特性， 并采 用卡尔曼滤波器实现多传感器数据融合 ， 提高了姿 态角 度测 量精 度 。 1 液 压 支架 姿态 监测模 型 在综 采 工作 面 ， 液压 支 架 的姿态 监 测 主 要包 括 姿 态 角度测 量 和支架 高 度测 量 。姿态 角度 是影 响液 压支架稳定性的重要 因素 ， 支架高度是决定采煤机 运行 过 程 中是否 能安 全通 过 的主要 因素 。 姿 态角 度测 量 主要通 过在 顶梁 、 掩 护梁 、 后连 杆 和底座安放角度传感 器来实现 。在各类液压 支架 中 ， 两柱 掩护 式 液压支 架较 为 常见 ， 如 图 1 所 示 。在 支架顶梁处安装倾角传感器和陀螺仪可对顶梁纵 向 俯仰角 、 横向横滚角 、 偏航 角进行测量 ， 在掩护梁和 后连 杆处 安装 单 轴倾 角传 感器 可对 其俯 仰 角进行 测 量 ， 在底 座处 安装 双 轴 倾 角 传感 器 可 对 其 俯 仰 角 和 横滚角进行测量。上述传感器在实现姿态角度测量 的 同时 ， 也 为 支架 高度 测 量 提 供 了角度 支持 。本 文 以顶 梁姿 态角 度测 量 系统 为研究 对 象 。 1 一 支架 顶 梁 ；2 一 掩 护 梁 ；3 一后 连杆 ；4一底 座 图 1 两柱掩护式液压支 架 2顶梁 姿态 角度 测量 系统 硬件 设计 姿态角度测量系统 由倾角传感器 、 陀螺仪等组 成 ， 如图 2所示 ， 陀螺仪和倾角传感器数据信号通过 串 口送 人 S T M3 2微 控 制 器 中， 通 过 卡 尔 曼 滤 波 器 对二者数据进行融合 ， 不断递归运算 ， 获得准确 的姿 态 角 度 信 息 ， 然后 通 过 输 出 串 口转 R S 4 8 5接 口 ， 上 4 2 工矿 自动 化 2 0 1 7年 第 4 3卷 传到上位机进行处理和显示。 电源模块 倾角传感器 S VT6 26 T 陀螺仪 M L71 O O I 卡尔曼滤波I l 垫 塑 壁 鱼 l 阿 l 输出 上位机 工 R48 5 图 2顶 梁 姿 态 角 度 测 量 系 统 系统使用 S VT6 2 6 T型倾 角传感器 ， 传感 器类 型 是两轴 加 速度 计 。利 用地 球 重 力 原 理 ， 当倾 角 单 元倾 斜 时 ， 在相应 的摆锤 上会 产生 重力 的分 量 ， 相应 的 电容 量会 变化 ， 通 过对 电容 量 进 行 放 大 、 滤 波 、 转 换之后得出倾 角 a 。其输 出量是数字量 ， 分辨率是 0 ． 0 0 1 。 ， 精 度是 0 ． 0 5 。 ， 温度 漂移 是 0 ． 0 0 8 。 ／ ℃ ， 可 以 忽略不 计 。倾 角传 感器 测量 原理 如 图 3所 示 。 图 3倾 角 传 感 器 测 量 原 理 系统采用的陀螺仪是 ML 7 1 0 0型三轴陀螺仪， 该 陀螺仪 可 测 的最 快 转 速 为 3 0 0 。 ／ s 。基 于 陀 螺 仪 原理 ， 采用陀螺实时输 出的角速率信号 ， 经过高速微 处 理器对 角 速度进 行 积分 运算 ， 得 出轴 向偏 转角 度 。 该陀螺仪的分辨率是 0 ． 1 。 ／ s ， 温度漂移0 ． 2 ／ s ， 接 口是 R S 4 8 5 。陀螺仪 测量 原理 如 图 4 所 示 。 7 】 ， 图 4陀螺仪测量原理 3卡尔曼 滤 波 3 ． 1 卡 尔 曼滤波 原理 系统采用的是双轴倾角传感器和三轴 陀螺仪 ， 可 以对液压 支 架顶 梁 俯 仰 角 、 横 滚 角 和 偏 航 角进 行 测量 。这里 以俯仰角为例 ， 用卡尔曼滤波对 2种传 感 器 测量 的角 度进 行数 据融 合 。卡尔 曼滤 波过 程分 为 时间更 新 过程 和观 测更新 过 程 2 个 部 分 。首先 根 据 k时刻的状态值 和噪声方差 ， 通过 时间更新方程 预测 出 k 1时刻 的状 态 ， 从 时 间推 进 的角 度 出发 ， 时 间 由 k推进 至 k 4 - 1时刻 ， 实 现 了卡尔 曼滤 波时 间 更新 过程 ， 得 出来 的是 系统 的先 验估 计 ； 观测 更新 方 程则将系统 的观测值 即实际传感器测量值作为滤波 器 的输入 加到 先验 估 计 中 ， 得 到 系 统 的后 验 估 计 即 滤波器的输出， 实现了对状态更新过程的修正。 3 ． 2 卡 尔曼滤 波器设 计 卡尔曼滤波器用于估计线性离散时间过程 的状 态 变量 ， 顶梁 倾角 测量 可 以近似 为线 性 系统 。首先 ， 建 立状 态预 测方 程 和观测 方程 X 1 一 A X 是 C W 志 1 Z 尼 一 HX 忌 V 是 2 式 中 k为 离 散 时 间 ； X k 为 k 时 刻 的 状 态 量 ； X k 1 为 k 1时刻 的状 态量 ； z 尼 为 k时刻 的观 测量 ； w 忌 和 V k 分 别 为 系统 过 程 噪声 和 观 测 噪 声 ； A， c， H 分别表示状态转移矩阵、 噪声驱动矩阵 、 观测 矩 阵 。 对 ME MS陀 螺仪 误差 进行 分析 ， 陀螺 仪 的随机 漂 移误 差 由量化 噪声 、 角度 随机 游走误 差 、 零偏 不 稳 定 性 、 速率 随机 游走 误差 和速 率斜坡 5种特征 组 成 ， 采 用 Al l e n方 差分 析 MEMS陀螺仪 误 差 和噪 声 ， 得 出其 随机漂 移误 差 主 要 表 现 为角 度 随机 游 走误 差 、 零 偏不 稳定 性 和 速率 随机 游 走 误 差 。 因此 ， 建 立 误 差 模 型如下 6 0一 ￡ J 志 一 b 一 训 尼 3 式 中 ∞为真实 角速 度 ； 走 为 k时刻 陀螺 仪 的输 出 角速度 ； 6 忌 为陀螺仪在 k时刻 的速率随机游走误 差； 叫 忌 为陀螺仪在 k时刻的角度随机游走误差 。 顶梁俯 仰 角 和俯 仰 角 速 度 存 在 积分 关 系 ， 角度 模 型如下 志 1一 k “ 4 式 中 和 O k 1 分 别 为 k时 刻 和 k 1时 刻 的 俯 仰 角 ； t 为采 样 时间 。 根据 式 1 一式 4 ， 以 0和 b为状 态 量 建 立 离 散 化 的状 态 方程 和观 测方程 [ ] 抖 一 [ 一 ]_ ] [ ] [ ] u c 忌 [ 一 0 ] ㈤ L ．J z ㈤ [ 1 。 蛆 ㈤ 式 中 ⋯0 1 X k - 1 ； [ 一 ] 一 A ； [ 。 ] 一 B ， 为 控制 量 系数 矩 阵 ； U k 为 控 制 量 ， 即 陀 螺 仪 在 k 时刻的输出角速率 ； T 为采样周期 ； “T J J 是 为倾角传 感 器在 k时刻 的随机 游走 误差 。 2 0 1 7年第 5期 张坤等 液压支架姿 态角度测量 系统 4 3 z 忌 为倾角传感器 的测量值 ， 与 k时刻的角度 真实值 0有关 ， 而与陀螺仪速率 随机游走误差 b无 关 ， 因此 H一厂 1 0 ] 。 建立好状态方程和观测方程后 ， 要使用卡尔曼 滤波器 ， 就要满足 2个假设 假 设 1 f E [ w 志 ]一 0 I E [ V 忌 ] 一0 _{E W k Wr ]一 碰 6 l E [-V k V J ] 一鼢 【 E[ w 是 V ] 一0 假设 2 f E [-X O 一 。 ． 【E [ o 一 。 o 一／ z o P o ] 式中 EE W k ] 表示系统过程噪声均值 ； E[ - V k ] 表 示系统量测噪声 均值 ； EE W k ] 表示过程噪 声方 差 ； E I v k V J ]表 示 量 测 噪 声 方 差 ； E[ W k V ] 表示 过 程 噪声 和量 测 噪声 的协方 差 ； Q 为 过 程 噪 声 协 方 差 ； R 为 观 测 噪 声 协 方 差 ； 一 1 ； f O ； 为状态初始值 ； P 0 为协方差初始值。 角度测量过程的过程噪声和量测噪声可以看作 白噪声 。在满足上述约束条件后 ， 就可以使用卡尔 曼滤波器对系统的状态变量和输出变量进行最优估 计 ， 根据卡尔曼滤波理论和式 5 得卡尔曼滤波算法 流程 ， 如 图 5所示 。 1 l玲 捌 玲 斛 l l斛 1 斛 1 l 妙 斛1 【 z n 1 一 H k l l纠 z 砷 e k l lk a e k a 1 H抖 l ID r T [ H P k l lk HT R ] 一 ’ 二二工二 抖 1 1 [ ， _ 顾斛 1 硼 斛1 f 纠 图 5 卡尔曼滤 波算 法流程 1 状 态一 步预 测 x 忌1 l 志 一 愚I 是 B U 是 8 2 一 步预测 协 方差 阵 P k 1 1 一A P 忌l k A Q 9 式中 X k l k 为 k时刻的最优角度值， X k 1 l k 是根据X k I k 预测得到的当前俯仰角信息， 伴随 着初步状态预测方程更新 ， 其协方差方程也随之更 新， P k l k 是 k时刻的协方差， P 忌 1 l k 是由 P k l 忌 预测得到的当前协方差 。 式 8 和式 9 属 于 时 间 更新 方 程 ， 两式 是 对 系 统 的预测 ， 结合 过程 噪声 协方 差 ， 为下 一 时刻状 态值 提供先验估计 ， 同时为观测更新方程及时推送 当前 状态值和协方差值。结合 k 1时刻通过倾角传感 器测得的俯仰角值和时间更新系统及 时推送的预测 值 ， 可以算出最优俯仰角度估计 ， 即 X k 1 I k 1 。 3 状态 更新 X k 1 f k 1 一X k 1 f 尼 K k 1 f- z k 1 一 日x 愚 1 I 是 ] 1 0 4 滤波 增益 矩阵 K 忌 1 一P 忌 1 I k H _r [ HP 忌 1 l 忌 H R] - 1 1 1 5 协方差阵更新 P k 1 l k 1 一 E I K k 1 H] P 五 1 l k 1 2 式 中 K k 1 为 k 1时刻的增益矩阵； I为二阶单 位 矩 阵 。 式 1 O 一式 1 2 是 观 测 更 新 方程 的核 心 公 式 ， 是整个递归计算 的后验估计 ， 也是下一 时刻 的先验 估计 ， 通过不断更新误差协方差 Q和R 的值 ， 反复 运算 ， 直到 找到 各个 时刻 的最 优俯 仰角 值 。 3 ． 3 卡 尔曼滤 波 器参 数 设定 通过 Ma t l a b对实测原始数 据进行 仿真分 析， 将设 计 的 卡 尔曼 滤 波 器 加 入 到 系 统 中进 行 测 试 之 前 ， 需对 卡尔 曼滤 波器 参数 进行 有效 设定 。 设计 的样机采样频率为 1 0 Hz ， 从 而确定 采样 广 】 O． ]] 广 0． ]] 周期 T s 一0 ． 1 ， AI ． 1 ， B l l 。除了模 L0 l J L 0 J 型参 数 ， 还 需要 知 道 系统 的过 程 噪 声 统 计 特 性 和观 测 噪 声统计 特 性 。其 中 ， 过 程 噪声 统 计 特 性 是 根据 经验 获得 的 ， 观测 噪 声协 方 差 矩 阵可 以在 静 态 条件 下通 过实 验获 得 。Q和 R 的取值 会影 响滤 波效 果 和 响应速度 R取值越大 ， 收敛和响应越慢 ； Q取值越 小 ， 抑制噪声的能力越强 ， 但收敛和响应越慢。为了 获得很好的性能 ， 必须调整滤波器 的参数 ， 在系统的 软 件处 理程 序 中 ， 优 化 后 的卡 尔 曼 滤 波 的 过程 噪声 r 一 0 ] 协方 差Q l ～ 。 l ， 观测 噪声 协方 差R E 1 ] 。 L U - I 设置完上述参数后 ， 还要设置初始值 。初始值 xo 和 P 。 可以随意设置 ， x0 会随着卡尔曼滤波算法 不断迭代计算后 趋于收敛 ， 但是 P 。不可 以设 置为 0 ， 否则卡尔曼滤波算法会认为 x 0是系统最优 的而 不能收敛 。各项参数初始值设定见表 1 。 4 4 工矿 自动化 2 0 1 7 年 第 4 3卷 表 1 卡尔曼滤波器参数初始 值设 置 4仿 真及 实 验分 析 4 ． 1 M a t l a b仿 真 运用 Ma t l a b仿真 软 件 ， 结 合 上 述 参 数 设 置 ， 编 写相应的卡尔曼滤波算法程序 ， 将倾角传感器和陀 螺仪 测量 的角度 进行 数 据 融 合 ， 得 出最 优 俯 仰 角 并 输 出 。 卡 尔曼 滤 波前 后 效 果 如 图 6 所 示 。从 0开 始 ， 观 测 角 度 值 明 显 存 在 振 荡 ， 最 大 振 荡 幅 度 达 到 2 ． 9 5 3 。 。但是 经卡 尔曼 滤波 后 ， 滤波 效 果 明显 ， 卡 尔 曼 滤波 后 的角度 值 刚开始 存 在细 微 振荡 ，最 大振 荡 幅度达 到 0 ． 7 6 3 。 ，5 0 I T I S 后 角 度值 接 近 俯 仰 角 的真 实值 。 基 磐 图 6 卡尔曼滤波前后俯仰角度值 卡 尔曼滤 波前 后 角度误 差 如 图 7所示 。在角 度 值为 0时 ， 测 量值 受 到 测 量 噪声 的影 响很 大 出现 振 荡 ， 误差为 1 0 ． 8 6 7 2 。 ， 对 于传感 器来说 ， 误差非 常 大 ， 实际传感器误差不可能这么大 ， 但是经卡尔曼滤 波 器 滤 波 之 后 ， 输 出 的误 差 起 始 振 荡 幅 度 变 小 ， 1 5 0 I n s 之后 ， 位 置偏 差基 本上 接 近于 0 ， 说 明通 过卡 尔曼 滤 波降低 了噪声 干扰 。 时间／ ms 图 7卡尔曼滤波前后角度误差 4 ． 2 实验 平 台搭 建及数 据分 析 液 压 支 架 顶 梁俯 仰 角 测 量 实 验 平 台如 图 8所 示 。在液压 支架样机顶梁安 装倾角传感器 和陀螺 仪 ， 两 者轴 线 与 顶 梁轴 线 重 合， 2个 传感 器 通 过 R S 4 8 5集 线器 和 R S 4 8 5 转 US B接 口将 数 据 上传 到 上位 机 ， 通 过 Ma t l a b对原始 数 据进行 处 理和分 析 。 图 8液 压 支 架 顶 梁 俯 仰 角 测 量 实验 平 台 首 先 ， 将 支 架 顶梁 固定 在 2 1 ． 6 3 。 ， 采 样 时 间 为 1 0 0 r o s 。在 此期 间 ， 用铁 锤对 顶 梁 施 加 机 械 冲击 载 荷模 拟综 采工 作 面 噪 声 ， 测 试 曲线 如 图 9所 示 。在 静止 状态 下 ， 陀螺 仪受 噪声 影 响很大 ， 在连 续施 加机 械 冲击 载荷 时 ， 偏 差逐 渐 累积 变大 ， 使俯 仰 角测量 存 在一定 的累积计算 误差 ， 最 大角 度误 差为 0 ． 2 8 。 。 在施加机械冲击载荷时刻 ， 倾角传感器测量角度 明 显误离真实角度 ， 最 大角度误差为 0 ． 1 1 。 。而经卡 尔 曼滤 波后俯 仰 角 累 积误 差不 明显 ， 最 大角 度 偏 差 降到 0 ． 0 9 。 ， 对抗 载荷 冲击 能力 增强 。 摆 晷 塞 图 9 静止状态下卡尔曼滤 波对 噪声的抑制效果测试 曲线 通过 行车 拉动 支架 顶梁 使俯 仰 角从 0变加 速 降 到 一5 O 。 左 右 ， 测 试 曲线 如 图 1 0 所 示 。 在 动 态 工 况 图 1 O 运动状态下卡尔曼滤波对 噪声 的抑制效果 测试 曲线 一 一 。 ／ 制 姬 2 0 1 7年第 5期 张坤等 液压 支架姿态角度 测量 系统 4 5 下 ， 卡 尔曼 滤波 后 的俯 仰 角 角度 比单 纯 利 用 倾 角传 感 器 和 陀螺仪 测量 的角 度更 平滑 ， 在 4 3 ms时 ， 倾 角 传感器受运动加速度影响 ， 测量角度超过 5 0 。 ， 几乎 达到 6 0 。 ， 经卡尔曼滤波后角度更接近真实值 。 5 结 语 介绍了液压支架姿态监测模型和顶梁姿态角度 测量 系统硬件设计 ， 详细 阐述 了卡尔曼滤波原理及 卡尔曼滤波器的设计。通过 Ma t l a b仿真 比较卡尔 曼滤波前后顶梁俯仰角测量值及其偏差 ， 表 明卡尔 曼滤波可降低 噪声干扰。通过搭建实验平台， 分析 了静 止状 态 和运 动状态 下 卡尔曼 滤 波对 噪声 的抑 制 效果 。实 验结 果表 明 ， 通 过 卡尔 曼 滤 波 可 有 效解 决 倾角传感器在变加速运动时测量不准的问题和累积 误 差 问题 ， 减小 了顶 梁 姿态 角度 测量误 差 。 参 考文献 [ 1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] HU H S，LEE U ，S HI M H ，e t a 1 ． De v e l o p me n t o f a n u nma nn e d c oa l mi ni ng r o bot a n d a t e l e o pe r a t i o n s y s t e m [C] ／ ／ 1 l t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n Con t r o l ，Aut o ma t i o n a n d Sys t e ms，201 1 ． W ANG J i n h u a ． De v e l o p me n t a n d p r o s p e c t o n f u l l y me c h a n i z e d mi n i n g i n C h i n e s e c o a l mi n e s[ J] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Co a l S c i e n c eTe c h n o l o g y ． 2 0 1 4 ， 1 3 2 5 3 2 6 0 ． 陈冬方 ， 李首滨． 基 于液压 支架倾 角 的采 煤高度 测量 方法 E J ] ． 煤炭 学报 ， 2 0 1 6 ， 4 1 3 7 8 8 7 9 3 ． ZHANG Xi n ，Z ENG Qi n g l i a n g ，ZHAN J i a n wu，e t a 1 ． The de s i g n of f ou r ba r l i nka ge o f l a r g e i nc l i ne d a n g l e h y d r a u l i c s u p p o r t [c ] ／ ／ I n t e r n a t i o n a 1 Co nf e r e nc e o n En gi ne e r i ng Compu t a t i o n，20 09 ． 陆庭锴 ， 马鹏宇 ， 冯卓 照 ， 等． 液 压支 架姿 态动态 监测 与控制 系统设 计 [ J ] ． 煤炭 科 学 技术 ， 2 0 1 4 ， 4 2 增刊 1 i 69 17 O． 王洪伟 ， 董志峰． 两柱 掩护式 液压支 架机 构运动 学分 析E J ] ． 机 械传 动 ， 2 0 1 5 4 1 2 5 1 2 8 ． ZHANG Y K，XI AO L J ． Re s e a r c h o n d e s i g n a n d [8 ] [9 ] [ 1 O ] [ 1 1 ] E l 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] [ 1 6 ] [ 1 7 ] V 1 8 3 [ 1 9 1 [ 2 O ] s i m u l a t i on of f our - ba r l i nk a ge me c ha ni s m o f hy dr au l i c s u p p o r t b a s e d o n v i r t u a l p r o t o t y p e t e c h n o l o g y [ J ] ． App l i e d Mec ha ni c s a nd M a t e r i a l s， 2 01 2， 17 0 1 73 35 39 35 42 ． 李嫒嫒 ， 张立峰． 多传 感器 自适应加 权融合 算法 及其 应用研究[ J ] ． 自动 化与仪器仪表 ， 2 0 0 8 2 1 0 1 3 ． 邓睿 ， 戴 丽莉． 基 于卡 尔曼滤 波的数据 融合 在无 线传 感器网络 中的研究 [ J ] ． 连 云港 师范高 等专 科学 校学 报 ， 2 0 0 9 ， 2 6 1 1 0 0 1 0 2 ． 冯智 勇 ， 曾瀚 ， 张力 ， 等． 基 于陀螺 仪及 加速 度计信 号 融合 的姿态角度测量[ J ] ． 西南师 范大学学报 自然科 学版 ， 2 0 1 1 ， 3 6 4 1 3 7 - 1 4 1 ． 曲春 晓 ， 陈伟． 卡尔曼 滤波 在飞行 器姿态 获取 系统 中 的实 现[ J ] ． 交通信息与安全 ， 2 0 1 1 ， 2 9 6 1 3 9 1 4 2 ． 张杰． 基于 ME MS陀螺仪 和加 速度