基于惯性导航和里程仪的煤矿采掘设备定位.pdf

第 4 4卷 第 5 期 2018年 5 月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 5 May 2018 文章编号671-251X 201805-0052-06 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2018010042 基 于 惯 性 导 航 和 里 程 仪 的 煤 矿I掘 设 备 定 位 张守祥S 李森 宋来亮3 1.山东工商学院信息与电子工程学院，山 东 烟 台 264005; 2.北京天地玛珂电液控制系统有限公司， 北 京 100013 2. Beijing Tiandi-Marco Electro-Hydraulic Control System Co. , Ltd., Beijing 100013, China; 3. School of Instrumentation Science and Opto-electronics Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China Abstract Research and application of inertial navigation technology in coal mines at home and abroad was analyzed, and the point was proposed that inertial-level strapdown fiber inertial navigation technology is suitable for positioning of coal mining equipment. Inertial navigation and odometer are combined to per co-location and navigation, and mileage ination is used to correct inertial navigation measurement data to improve precision of positioning and navigation. of dynamic initial alignment of inertial navigation, specific of inertialnavigation and odometercoordinate positioning, and Kalman filter equation used for error estimation, correction and compensation were given. Experimental results show that the maximum error of straightness measurement of working surface is 90 mm, the average error is 60 mm, and height measurement error is 20 mm after adopting the inertial navigation and odometer coordinate positioning technology, which meets accuracy require of straightness measurement of working face. Key words coal mining equipment; inertial navigation； odometer; coordinated positioning； integrated 收稿日期 2018-01-15;修回日期 2018-03-10;责任编辑 胡娴。 基金项目 国家重点研发计划项目（ 2017YFC0804300。 作者筒介 张守祥（ 1964 ），男，山东济南人， 教授， 博 士，研究方向为煤炭开采智能化，E-mail haIlgsx 。 引用格式 张守祥，李 森，宋 来 亮 . 基 于 惯 性 导 航 和 里 程 仪 的 煤 矿 采 掘 设 备 定 位 工 矿 自 动 化，2018,4452-57. ZHANG ShouxiangLI Sen, SONG Lailiang. Positioning of coal mining equipments based on inertial navigation and odometer[J]. Industry and Mine Automation,2018,445 ； 52-57. 2 0 1 8 年 第 5 期 张 守 祥 等 基 于 惯 性 导 航 和 里 程 仪 的 煤 矿 采 掘 设 备 定 位 53 navigation; fiber optic gyro; straightness measurement 〇 引言 为了提高煤炭生产效率， 安全生产规范要求综 采工作面达到“ 三平一直” ， 关键指标是支架任意两 点的直线度偏差不能超过100 mm。现有的工作面 直线度测量技术如视觉测量、 行程测量等存在视觉 盲区、 测量数据只反映相邻支架位移偏差等局限， 需 要一种定位导航技术来测量综采工作面移动设备的 运动轨迹， 达到通过自动控制使其按设定路线运行 的目的。在煤矿井下， 无法使用G PS和北斗卫星导 航技术， 因此， 应用惯性导航定位技术实现煤炭开采 装备的精确定位。本文分析了适用于煤矿采掘设备 的惯性导航技术的原理， 介绍了国内外煤矿惯性导 航技术的应用情况， 提出基于惯性导航和里程仪的 煤矿采掘设备定位技术， 利用里程仪的测量信息对 惯性导航系统进行校正， 以提高定位导航精度。 1惯性导航技术选择 惯性导航的核心器件是陀螺仪和加速度计， 加 速 度 计 一 般 采 用 微 机 电 系 统 （ Micro-Electro- MechanicalSystem， MEMS技术， 而更为关键的陀 螺仪则需要从技术性能和成本上进行比较和选择。 缓慢运动的采掘设备不利于惯性加速度参数的 测量， 如采煤机的行走速度为5〜1 5 m/min， 我国煤 矿大部分长壁工作面长度为100〜300 m， 从工作面 的一端到另一端需10〜6 0 min， 要求陀螺仪零点漂 移不能超过0.01 /h。另外， 采掘设备生产时与煤 岩相互作用产生的振动也需要考虑， 有时振动加速 度会超过100 / 1]以为重力加速度。 目前激光陀螺仪零点漂移精度可达0. 000 1/h， 但其制造工艺比较复杂、 成本高昂， 体积和质量也偏 大 ， 在一定程度上限制了其发展应用）3]。光纤陀螺 仪的零点漂移精度可达0. 001/h， 具有制造工艺简 单 、 成本低和质量小等特点， 是适合煤矿惯性导航应 用的主要技术。4 种不同精度等级的光纤陀螺仪参 数见 表 1。 惯性导航系统的误差主要源于陀螺仪漂移和加 速 计测 ， 按 矿 采 设 的 精 要 求 ， 合 选 用 陀 螺 仪 。 捷联惯导系统把惯性仪表直接固连在载体上， 用计算机来完成导航平台功能。由于惯性仪表直接 连接在载体上， 省去了机电式的导航平台， 适合在煤 炭采掘设备上应用[4]。 表表1 4种不同精度等级的光纤陀螺仪参数种不同精度等级的光纤陀螺仪参数 Table 1 Parameters of four kinds of fiber optic gyro with different precision 级 别零偏稳定性八（ ） h-”标度因数 速 率 级10〜1 0000 〜1X10〇〇4t〇〇OQ〇〇aN-lS 航向偏离度航向偏离度/m ---铖 2 涔 涔 hr 〇缉羧餓办 -150 -100 -50 0 50 100 150-150 -100 -50 0 50 100 150 tf Mf M 鋪/m 函9米竊洚益耸卡到 _邙溲 Fig. 9 Relative plane running trajectory of shearer -_ \ ■被 5 / /p y _2涔 册 i o X 1 丨9 - 丨10- -150 -100 -50 0 50 100 150-150 -100 -50 0 50 100 150 布排M鋪/m 函 1 0米竊洚tls 漭锉_ Fig. 1〇 Trajectory fluctuation of shearer 笃簦铒燁瓏描巧伞筇浮瞄 t i K,HHwB 簦 _ f *9omm, 书 is加*6omm, 簦 _貓2033,筇玲HHwBJt 簦 顺尹 V 、 E菩0、*_卸S银砘菩粮斜潘; 0 笃斋阵 賺命 i -f KS 银砘貓 iE N z 伞渔 命 i -f KS 卡 亦讲 k r H i 加 *su。 函 6 *米a s l f f .fc 簦 _3理窈昧洚梦, 函 7 *米迪诛贫籙漭卸S卡t理窈昧洚梦。 s雄,籙漭tr*_ss諷燁瓏劼掛漭锉玲 M將fls该洚雜m,函7也芻领將荀该洚 ㈣ 潘 S。 /m 1.2 度 离 o bo 偏 P4 向 航 Q 2 私 6 8 1 0 Ia/ m in 函 6 米油 | __ 费菌 _ 啓浬洚霉味洚钿练溲 S Fi c f q . 6 Original trajectory of scraper conveyor measured by inertial navigation 函 7 胗阵 资_絲漭邹啓 Im IJ 洚霉洚溲 Fig. 7 Trajectory of scraper conveyor after Kalman filtering 4a餺餺s *sHffis錄錄im諷芽画砘碎漭斗s f f 雒湘笤函 o o 驾邻。 162私 3 2 HtlM/s 私0私8 56 b鲥誧补冴驾察滑矣 M81s_ 4[n fc 薛到铒餵雄湘 Fig. 8 Ground experiment results of inertial navigation 掛竊气准 MH{ T T f 到毖漆t i l菡 h r 谢熵 s l f f .fc 熵 wffiH f e s錄 i_sss 昧洚 SA该洚，Ki 丨涔铒錄 3簦_燁瓏闫姍2 。雕產米竊洚掛锵米H 杳到岈画 沛戽S 1 1I 锱 A,K卡到菩鲥賺梦笤 函 9函一一浩却。 Table 姍 21s_ 4[n fc 辑毕 1 11 潘燁錨 2 Part of 3D data of inertial navigation B4IMH 賺/mm 1 6 3 9 4 1 1 6 3 9 4 2 1 6 3 9 4 3 1 6 3 9 U 1 6 3 9 4 5 1 6 3 9 4 6 1 6 3 9 4 7 1 6 3 9 4 8 1 6 3 9 4 9 1 6 3 9 5 0 1 6 3 9 5 1 8 1 8 9 8 2 0 8 8 2 2 5 8 2 3 3 8 2斗9 8 2 6 5 8 2 8 0 8 2 9 6 8 3 1 2 8 3 2 8 8 3斗5 4. 0 7 7 6 4. 0 8 6 3 4. 2 5 8 9 产 2 4 〇 3 4. 2 9斗一 4. 2 9 9 1 4. 2 6 2 5 产 3 0 6斗 4. 2 9 9 1 4. 5 3 6 3 4. 6 2 7 5 4. 4 6 2 7 2. 2 6 9 〇 4. 4 5 9 8 2. 2 8 7 8 4. 4 1 9 9 2. 2 9 9 3 4. 4 1 4 6 2. 3 4 8 1 4. 4 〇 7 〇 2. 4 1 2 1 4. 3 7 5 7 2. 4 8 3 1 4. 3 6 1 1 2. 5〇〇 4. 3 2 5 0 2. 5 5 7 9 4. 2 8 9 0 2. 5 6 0 4 4 . 2 8 4 5 2 . 5 5 4 8 4. 2 6 1 2 CO , 01 00 00 CO 56 hII 2 0 1 8 漱 44 _ 2 0 1 8 年 第 5 期 张 守 祥 等 基 于 惯 性 导 航 和 里 程 仪 的 煤 矿 采 掘 设 备 定 位 57 -150 -100 -50 0 50 100 150 行走里程行走里程/m 图图1 1采煤机相对高程运行轨迹采煤机相对高程运行轨迹 Fig. 11 Relative elevation trajectory of shearer 3结语 采用光纤惯性导航实现了综采工作面设备的定 位和导航， 但掘进工作面的推进速度更慢， 需要更高 精度的惯性导航设备。在矿井地下等卫星导航无法 探测的领域， 除了提高光纤陀螺仪的精度， 还需要与 矿井已有的地理坐标系统进行融合， 以提高导航精 度 ， 在不需要大幅度提高惯性导航装置技术成本的 前提下， 实现煤炭采掘设备的精确定位和自主导航。 参 考 文 献 （参 考 文 献 （References 1 *李昂 ， 郝尚清， 王世 博 ， 等 .基 于李昂 ， 郝尚清， 王世 博 ， 等 .基 于SINS/轴编码器组合轴编码器组合 的采煤机定位方法与试验研究的采煤机定位方法与试验研究[P ].煤 炭 科 学 技 术 ，煤 炭 科 学 技 术 ， 2016,44 95-100. 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