采煤机捷联惯导定位方法研究.pdf

第 4 2 卷 第 3期 2 0 1 6年 3月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo1 ． 4 2 NO ． 3 M a r ．2 0 l 6 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 3 0 0 5 2 ～ 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ．2 01 6 ． 0 3 ． 01 2 张金尧 ， 李威 ， 杨海 ， 等． 采煤机捷联惯导定位方法研究[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 3 5 2 5 5 ． 采煤机捷联惯导定位方法研究 张金尧 ， 李威 ， 杨海， 司卓印， 应葆华 中国矿业 大学 机 电工 程学 院 ， 江苏 徐 州 2 2 1 1 1 6 摘 要 针 对综 采 工作 面采 煤机 定位精度 较低 的 问题 ， 提 出了一种基 于 R o d r i g u e s 参 数 法 的采 煤机 捷联 惯 导定位 方 法 。该 方法运 用捷联 惯 导的三 轴加速 度计 和三 轴 陀螺仪 输 出采 煤机 的加速 度 和 角速 度 信 息 ， 采 用 无冗余度的 R o d r i g u e s 参数法对其进行位姿解算。仿真结果表明 ， 在采煤机斜切进刀过程中， 采煤机 最大定 位 误差 为 0 ． 2 9 1 4 m， 姿 态误 差最 大值为 0 ． 6 0 2 2。 ， 满足 采煤机 的定位精 度要 求 。 关键 词 采煤机 定位 ；捷 联惯 导 ；Ro d r i g u e s参 数 法 中图分类 号 TD 4 2 1 ． 6 文 献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 6 - 0 3 - 0 7 1 5 2 0 网络 出 版地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k e ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 0 3 0 7 ． 1 5 2 0 ． 0 l 2 ． h t ml S t u d y o f s he a r e r p o s i t i o n i n g me t h o d us i n g s t r a p d o wn i ne r t i a l n a v i ga t i o n s y s t e m ZHANG J i n y a o ，L I W e i ， YANG Ha i ， S I Z h u o y i n ， YI NG Ba o h u a Sc hoo l of M e c ha t r on i c Eng i n e e r i n g，Ch i na U n i v e r s i t y o f M i ni n g a nd Te c hn o l o g y，Xu z ho u 22 1 1 1 6，Chi n a Ab s t r a c t F o r p r o b l e m t h a t s h e a r e r o n f u l l y me c h a n i z e d c o a l f a c e h a s l o we r p o s i t i o n i n g a c c u r a c y，a s he a r e r po s i t i o ni n g me t ho d us i n g s t r a pd o wn i n e r t i a l n a v i g a t i o n s y s t e m ba s e d on Ro d r i gu e s p a r a me t r i c m e t ho d wa s pr op os e d． Th e t r i a x i a l a e c e l e r o m e t e r a n d s us pe nd e d gy r os c o pe i n t h e SI NS we r e u s e d t o ou t pu t i nf o r m a t i o n of a c c e l e r a t i on a nd a ng ul a r v e l o c i t y o f t he s he a r e r ，a nd Ro d r i gu e s pa r a m e t r i c me t ho d wi t h no r e du nd a n c y wa s a pp l i e d t o c a l c u l a t e t he po s i t i o n a n d a t t i t u de d a t a ． The s i mul a t i on r e s u l t s h ows t h a t i n t he pr o c e s s o f b e v e l i n g f e e d，t he ma x i m u m po s i t i o ni ng e r r or i s 0． 2 91 4 m a n d t he m a x i m u m e r r o r o f a t t i t u d e a ng l e i s 0． 6 0 2 2。 ，i t m e e t s t he r e q ui r e m e n t s o f p os i t i on i n g a c c ur a c y o f s he a r e r ． Ke y wor d s s he a r e r po s i t i oni ng；s t r a p do wn i n e r t i a l na v i ga t i o n s y s t e m ；Ro dr i g ue s pa r a m e t r i c me t h od 0 引言 煤炭 是我 国 的主要能 源 ， 其 需求量 高 ， 但 事故 频 发 ， 实现综 采 工作 面 的无 人 化 和少 人 化 是提 高 煤 炭 开采效率和安全性 的必要保 障。其中， 实现综采工 作 面“ 三 机” 自动化 、 智能化 是关 键技术 之一 ， 而采 煤 机定位技术又是首先需要解决的问题_ 1 ] 。现有的采 煤 机定位 技术 有齿 轮 计 数法 、 红 外 对 射 法 以及 超 声 波反射 法和无 线传感 器 网络法 等l 2 ] 。齿轮计 数法 只 能 确定 沿工 作面方 向行 走 的距 离 ， 而 无 法 确定 垂 直 于工作面的位移 ， 且存在 累积误差。红外对射法是 把红 外接 收装 置安 装 在液 压 支 架 上 ， 根据 采煤 机 发 来 的广角 信号 的强 度 来判 断 采 煤 机 的位 置 ， 其 只能 定性 ， 不 能定量 。超声 波 反 射 法 和无 线 传 感器 网络 法都存在信号在井下衰减太快的问题 ， 具体实施困 难 。上述 4种方法定位精度都较低 ， 且易受环境影 响 。捷联 惯导 直接 安 装 在采 煤 机 上 ， 不 需 要 接 收外 部 信息 ， 直接采 集 采煤 机 的三 轴加 速 度 和 三 轴角 速 度 信息 ， 通过 解算算 法求解 采 煤机 的速度 、 位 置和姿 态_ 3 ] 。捷 联惯 导不 依 赖 于外 部 环 境 ， 适 用 于 煤矿 井 收稿 日期 2 0 1 5 - 1 卜2 3 ； 修回 日期 2 0 1 6 - 0 1 0 6 ； 责任编辑 胡娴。 基金项 目 国家高技术研究发展计划 8 6 3计划 资助项 目 2 0 1 3 AA0 6 A4 1 1 ； 江苏省“ 3 3 3工程” 科研资助项 目 B R A2 o l 5 3 o o ； 江 苏省研究 生培 养创新T程 KY1 X 一 1 3 7 4 ； 江苏省高校优势学科建设工程资助项 目。 作者 简介 张金尧 1 9 9 2 一 ， 男 ， 四 川广 元人 ， 硕士 研究 生 ， 研 究 方 向为 采煤 机 定位 和惯 性导 航 ， E ma i l 5 0 2 3 0 0 5 2 3 q q ． C O F I1 。通 信作 者 李威 1 9 6 4 一 ， 男 ， 江苏徐 州人 ， 教授 ， 博士研究 生导师 ， 研究方 向为机电系统智 能控制及检测应用 ， E ma i l c me e c u mt 5 1 2 y a h o o ． c o rn。 2 0 1 6年 第 3期 张金 尧 等 采煤机 捷联 惯 导定 位方 法研 究 5 3 下 的复 杂环 境 。 传统 的捷联惯导解算算法有欧拉角法、 方 向余 弦矩 阵 法 和 四元 数 法 ] 。欧 拉 角 法 涉 及 到 大 量 的 三角 运算 ， 计 算 量 大 ， 不 适 用 于 实 时 性 要 求 高 的 场 合 。方 向余 弦矩 阵 法 的 约束 条 件 比较 多 ， 其 计 算 效 率难以保证。而 四元数法存在一个冗余约束 ， 为非 最小 实 现 。经典 Ro d r i g u e s 参 数 法 由于 存 在 等效 旋 转角为 1 8 0。 时出现奇异值的现象 ， 故不适用于飞行 器 、 航 天 器 、 船 舶 等 的 姿 态 解 算 。但 采 煤 机 在 运 行 时 ， 其航 向角 、 俯 仰 角 、 横 滚 角 均远 小 于 1 8 0。 ， 不 会 出现奇 异值 的 问 题 ， 且 R o d r i g u e s参 数 法 计 算 更 为 简单 ， 没有冗余度 ， 占用 内存 和储存 空间少 ， 具有较 好的实用价值。故本文采用 R o d r i g u e s 参数法进行 采 煤机 姿态 解算 。 1 采 煤机 姿态 解 算模 型 1 ． 1 采 煤机 的 R o d r i g u e s 参数 描 述 刚体 绕单 位矢 量 n旋 转 o ／ 角 ， 则 定 义 为描 述 其 转 动 的 Ro d r i g u e s 参 数 ] 一a t a n 要 1 对 于 采 煤 机 ， 导 航 坐 标 系 选 取 地 理 坐 标 系 0一 X y Z ， 其 中 X ， y ， Z 三 轴 分 别 指 向东 向 、 北 向 、 天 向 。载体 坐标 系 0 ， _ X y Z 原 点 位 于 采煤 机 的质心 ， X 轴 指 向采煤 机 的前 进 方 向 ， y 轴 指 向采 煤 机 的垂直 推进 方 向 ， Z 轴 指 向上 ， 如 图 1所示 。 ▲Z n X、 Xb y n y b 图 1呆 煤 机 定 位 坐 标 系 设 采 煤机 的姿 态 角 为航 向角 、 俯仰 角 0 、 横 滚 角 y 。初始 时刻 ， 载 体坐 标 系与 导 航 坐标 系 重 合 ， 经 3 次旋转后 ， 分别绕 z轴旋转 ， 绕 x 轴旋转 y， 绕 y轴 旋 转 0 ， 如 图 2所示 。 载体 坐标 系绕 3轴旋 转 的 Ro d r i g u e s 参 数 为 1一 O 0 t an詈 ， 2 一 t a n 号 0 0 ， 3一 O t an O 2 将 3次 旋转 的 等效旋 转 矢量合 成 ， 形成 1 次 旋 X l 图 2采煤机姿态角 转 的 R o d r i g u e s 参数 一 ‘ z‘ 。 一 匡 ]一 『 t a n 专 一 t a n 等 t a n 导 t an 导 t a n 等 t a n 号 t an 等 t a n 导 t a n 专 1 一 t an 等 t a n 导 t a n 3 式 中 ， z ， 分别 为 的 3 个 元 素 。 设采煤机的角速度为 ∞， 则其 刚体姿态运动学 微分方程 的 R o d r i g u e s 参数描述为 一 l o J a , X o ∞ 4 根据 R o d r i g u e s 参数微分方程 ， 对其积分 ， 实现 其姿态更新。设 t时刻采煤机 的姿 态为 ， 则 h时刻 的姿态 为 ￡ f * 丝 p 5 式 中 p为[ ， ] 时段 内捷联惯导 的输出角增量 ， 为 p的模 ； *表示 R o d r i g u e s 参数乘法。 1 ． 2 采煤 机姿 态解 算 Ro d r i g u e s 参 数 包含 采煤 机 的 3 个 姿 态 角信 息 ， 根 据 得 出采煤 机 载 体 坐标 系 b系 到 导 航 坐 标 系 n系 之 间 的姿 态转 换矩 阵 为_ 5 r r T z T s] 三 船T 2 3 l一 LT 3 1 T3 2 T3 3 J ‘ r 1 ； 一 i ； 2 z --{O 。 2 s z ] l 2 {O 1 {O 2 1 一 一 2 {O 2 {O s --{O 1 I L 2 一 z 2 z 1 ～ 一 j 6 式 中 一 ， 为 模 的平方 。 ～ 一 ／／ 一 一 一 5 4 工矿 自动 化 2 0 1 6年 第 4 2卷 由采煤 机 的姿 态 转 换 矩 阵 ， 得 到 采 煤 机 的 三轴姿态角 a rc t a n ～c t a n - a r n c 一 a r c s in ly ⋯ctan 一 一 a rc ta n ～ 7 1 ． 3采 煤机位 置解 算 根据捷联惯导解算模型 ] ， 得到采煤机速度更 新的微分方程为 V“一 f 一 2 ∞ ∞ V“ g “ 8 式 中 ， 为 比力 向量 ， 即捷联 惯 导 的加 速度 计 输 出 ， 通 过姿 态转换 矩 阵把其从 载体 坐标 系转换 到导航 坐 标系； ∞ 为地球 自转角速度在导航 坐标系的投影 ； c on ．为采煤机移动速度 V “引起 的相对于导航坐标系 的转动角速度； g “ 为重力加速度在导航坐标系下的 投影 。 采 煤机 位置更 新 的微 分方 程为 RM h z RN C OS L 9 式 中 L， ， h分 别为采 煤机 所在位 置 的纬 度 、 经度 和 高度 ； ， ， 分别为采煤机在导航坐标 系下各方 向的速度分量 ； RM， R 分别为当地子午圈半径和卯 酉 圈半径 。 对式 9 积分 即可得到采煤机所在位置 的纬 度 、 经度 和 高度 。 2采煤机斜 切进 刀仿 真 2 ． 1 采煤 机斜切 轨 迹描述 采煤机割煤时通常采用斜切进刀法 ， 斜切进刀 法 又分为 端部斜 切 式 进 刀法 和 中部斜 切 式 进 刀 法 ， 本文以中部斜切式进刀法为例进行仿真。整个仿真 过程 分 为空载 和割煤 2个 阶段 。设空 载行 走速度 为 1 m／ s ， 割煤行走速度为 0 ． 5 m／ s ； 空载直行 ， 在 1 s 内 ， 速度从 0加速 到 1 m／ s ， 匀 速行 走 6 s ； 从 第 7 s 开始减 速， 准 备 斜 切 进 刀 割 煤 ， 8 S时 速 度 降 为 0 ． 5 m／ s ， 开始斜 切 进 刀沿 方 向前 进 3 m， Y方 向 前 进 0 ． 6 m， 1 4 S 后 直行 割 煤 。斜 切 进 刀 时 航 向角 为 l 1 ． 3 0 9 9 。 由于捷 联 惯导 在 高度 通 道具 有 发 散性 ， 所 以仿 真 时根 据采煤 机 的运 动 特性 ， 限定 采 煤 机在 高 度 方 向的速 度最 大值为 0 ． 0 5 m／ s 。 2 ． 2 仿 真 结果 与分析 在仿真过程中模拟加速度计和陀螺仪的数据输 出 ， 并 叠加上 相应 的噪声 ， 采 样 时 间为 0 ． 0 1 S 。 图 3 和 图 4分别 为采煤 机 的捷 联惯 导定位 轨迹 和定 位误 差 。从图 3可看到， 采煤机捷联惯 导定位轨迹 能够 较好 地跟踪 基准 轨 迹 。从 图 4可 知 ， z， Y， z方 向最 大定位误差分别为 0 ． 2 5 0 8 ， 0 ． 0 4 1 7 ， 0 ． 0 1 5 4 IT I ， 总 体定位误差最大值为 0 ． 2 9 1 4 m。 专 一 0 一 l 图 3 采煤机捷联惯导定位 轨迹 目1 ．O F 0 卜 ＼＼ 一 一1 ．0 L 一 0 4 0 0 8 0 0 1 2 0 0 1 6 0 0 2 0 0 0 采样点数 a z方向位置误差 g 0 ． 1 r 囊 匕二 O 4 0 0 8 t x 1 2 { 1 l 6 0 0 2 0 0 0 采样点数 b Y方向位置误差 0 『 j 11】 j O 卜 一 一O ．5 L 一 0 40 0 8O 0 I 20 0 1 60 0 2 00 0 采样 点数 c z方 向位 置 误 差 图 4 采煤机定位位置误差 采煤机姿态角误差如图 5 所示。从图 5可看出， 采煤机姿态角在航向角、 俯仰角 、 横滚角 3 个方向的 误差最大值分别为 0 ． 6 0 2 2 ， 0 ． 0 3 1 9 ， 0 ． 1 5 4 2 。 ， 采煤 机的姿态角具有很稳定的定位精度 。综合采煤机的 位 置误 差和 姿 态 角 误 差 可 知 ， 基 于 R o d r i g u e s算 法 的采煤机捷联惯导定位能够满足井下采煤机定位精 度要求 。 第 4 2卷 第 3期 2 0 l 6年 3月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i n e Aut o ma t i on Vo 1 ． 4 2 NO ． 3 M a r ．2 0 1 6 文 章 编号 1 6 7 1 2 5 l X 2 0 1 6 0 3 0 0 5 5 0 5 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 l x ． 2 0 1 6 ． 0 3 ． 0 1 3 孟永政， 李晓斌． 基于 OS VR的煤调湿系统智能预测控制 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 3 5 5 5 9 ． 基于O S V R 的煤调湿系统智能预测控制 孟永 政 ， 李 晓斌 上海 应用 技术 学 院 电气 与 电子 工 程学 院 ，上海2 0 0 2 3 5 摘要 针 对现 有煤 调 湿预 测模 型 出现 的 训练 时 间长 、 模 型 失配 问题 ， 建 立 了基 于 o S VR 的煤 调 湿预 测模 型 ， 提 出了基 于 OS VR的煤 调 湿 系统智 能预 测控 制 方法 。该 方法利 用智 能优 化 算 法与预 测 函数 控 制相 结合 来实现对煤调 湿系统 出口煤湿度的精确控制。仿真和实验结果表明， 该方法具有较好的鲁棒性和较 高的控 制精 度 。 关键 词 煤调 湿 ；智能预 测控 制 ； 在 线 支持 向量 回 归 ； 预 测 函数控 制 中图分类 号 T D6 7 文献 标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 6 0 3 0 7 1 5 2 0 网络 出版 地 址 h t t p ／ ／ www． 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 O 1 6 0 3 0 7 ． 1 5 2 0 ． 0 1 3 ． h t ml 收稿 日期 2 0 1 5 1 1 2 3 ； 修回 日期 2 0 1 6 一 O l 一 2 2 ； 责任编辑 张强 。 基金项 目 上海市科研计划项 目 1 1 5 1 0 5 0 2 7 0 0 ； 上海市教委科研创新重点计划项 目 1 2 Z Z 1 8 9 ； 上海应用技术学 院博士基金资助项 目 Y J 2 O l l 2 2 ／ YJ 2 0 1 1 - 3 3 。 作 者简介 孟 永政 1 9 8 9 一 ， 男 ， 河南驻马店人 ， 硕士研究生 ， 研究方向为智能控制与优 化，E - ma i l me n g y o n g z h e n g 1 6 3 ． c o rn。 。 司 0 司 一 0 0 司 一0 3 结语 O 4 0 0 8 0 0 1 2 0 0 1 6 0 0 2 0 o 0 采样 点数 a 航向角误差 0 4 0 0 8 0 0 1 2 0 0 l 6 0 0 2 0 0 0 采样 点数 b 俯仰角误差 0 4 0 0 8 0 0 1 2 0 0 1 6 0 0 2 0 0 0 采样点数 c 横滚角误差 图 5 采煤 机姿态角误差 针对 井 下 采 煤 机 自主定 位 的 问题 ， 提 出 了一 种 基于 R o d r i g u e s 算法 的采煤 机捷联 惯导定位方法 。 该方法利用 R o d r i g u e s 参数法对采煤机斜切进刀工 作过程进行定位仿真 ， 其仿真轨迹能够较好地跟踪 基准轨迹 ， 姿态角误差最 大值 为 0 ． 6 0 2 2。 ， 位置定 位误 差最 大值 为 0 ． 2 9 1 4 m， 定 位 精 度 能够 满 足井 下采 煤机定 位要 求 。 参考文献 张世洪．我国综采 采煤 机技术 的创 新研究 [ J ] ． 煤 炭学 报 ， 2 0 1 0 ， 3 5 1 1 1 8 9 8 1 9 0 2 ． 杨海 ， 李 威 ，罗成 名 ，等．基 于捷 联惯导 的采 煤机 定 位定姿 技术 实验 研 究[ J ] ．煤炭 学报 ，2 0 1 4 ， 3 9 1 2 25 5 0 25 56 ． 樊启高 ，李 威 ，王禹桥 ，等．一种 采用捷 联惯 导 的采 煤机动态定位方法[ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 1 1 ， 3 6 1 O 1 7 5 8 1 76 1． 周江华 ， 苗育 红 ， 王明海．姿态运动的 R o d r i g u e s 参数 描述[ J ] ．宇航学报 ，2 0 0 4 ， 2 5 5 5 1 4 5 1 9 ． 王勇军 ， 秦 永元 ，杨波．四元数 、 R o d r i g u e s 参 数在 卫 星姿态解算上 的对 比研 究 [ J ] ．中 国 空 间科 学 技术 ， 2 0 0 7 ， 2 7 3 1 8 2 3 ． 秦永元．惯性导航 [ M] ．北京 科学 出版社 ， 2 0 1 4 ． ] ] ] ] ] ] 口 【 J