基于捷联惯导的采煤机定位定姿技术实验研究

杨 海,李 威,罗成名,范孟豹,应葆华

(中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州 221116)

基于捷联惯导的采煤机定位定姿技术实验研究

杨 海,李 威,罗成名,范孟豹,应葆华

(中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州 221116)

针对煤矿井下“三机”自动化中的采煤机定位精度较低的问题,根据采煤机工作环境恶劣、空间封闭、干扰较多的特点,提出了一种基于捷联惯性导航(SINS)的采煤机位姿定位方法。该方法利用捷联惯性导航系统中的三轴加速度计和三轴陀螺仪实时测量采煤机的加速度和角速度信息,并根据四元数捷联惯导位姿解算方法解算出采煤机的实时位置和姿态信息,得到精确的采煤机运动轨迹,实现对采煤机的实时体定位。对定位平台进行仿真和利用综采工作面“三机”实验装置搭建采煤机捷联惯导定位实验平台进行实验,结果表明,采煤机捷联惯导定位系统能够准确跟踪基准轨迹,采煤机沿工作面方向运行20 m,位置姿态跟踪误差分别为0.5 m和0.7°,满足煤矿采煤机定位精度要求,该系统能够实现采煤机的实时精确定位。

采矿机群;采煤机跟踪;捷联惯导;定位定姿;精度分析

煤炭是我国重要的基础能源和原料,以煤为主的能源结构在相当长时间内不会改变,随着国民经济的发展,煤炭的需求量越来越大,伴随的煤矿安全事故也在不断增多。煤炭资源安全高效开发利用技术成为了国内外学者研究的热点领域[1]。最有效的解决方案之一是实现煤矿生产装备机械化及自动化,从而实现井下无人或少人开采,其中对采矿“三机”的信息感知技术是实现采矿“三机”自动化的关键技术。

井下工作面采矿“三机”主要包括采煤机、刮板输送机和液压支架,它们相互配合,承担着破煤、运煤以及支护等任务。在综采工作面中,采煤机紧靠煤层,其机身骑在刮板输送机的中部槽上,在牵引装置的带动下,沿刮板输送机的中部槽往复移动,进行割煤操作;刮板输送机沿煤层走向安放,并通过推移千斤顶与液压支架相连,由液压支架负责推移;液压支架及时支护采煤机采空过后的顶板。要实现采矿“三机”的自动化运行就必须对由采煤机、刮板输送机和液压支架组成的采矿“三机”进行联动[2]。然而液压支架的动作、刮板输送机的动作与采煤机的位置、牵引速度和牵引方向之间存在相互约束的关系,并且在采煤机自主调高过程中,采煤机的三维姿态影响滚筒的截割高度。为了实现采矿“三机”的联动,对采煤机的空间位置及姿态进行准确检测,即对采煤机进行空间动态定位具有重要意义。

国内外学者们对采煤机的动态定位开展了系统深入的实验与工程应用研究。综采工作面采煤机常规定位方法主要有红外对射法[3]、超声波反射法[4]、齿轮计数法[5]以及无线传感器网络法等[6-7]。其中红外对射法是通过红外对射信号进行定位,但在红外节点分布区间存在固有定位盲区;超声波反射法则利用超声波反射回波进行采煤机跟踪,随着工作面长度增加,信号失信严重;而齿轮计数法是通过对采煤机行走部齿轮进行计数,存在累积误差,无线传感器网络是通过无线节点间信号传输的时间实现定位,在煤矿恶劣环境下干扰较大加上井下无线信道建模还不完整对无线传输在井下的误差没有完全的分析,实际应用比较困难,同时上述4种方法均不能进行采煤机姿态测量。为了实现采煤机位置及姿态检测,有学者提出了采煤机惯性导航定位方法[8]。捷联惯性导航系统(strapdown inertial navigation system,SINS)是指将陀螺仪和加速度计直接固定在运载体上,利用陀螺仪和加速度计等惯性敏感器件对运行载体三轴角速度和三轴加速度信息进行实时测量,结合运行载体初始惯性信息,通过高速积分获得运动载体的姿态、速度及位置等导航信息[9-10]。

张斌等[11]提出了基于陀螺仪和里程计的无人工作面采煤机自主定位系统,并在模拟实验中取得了较好的定位效果,然而里程计存在固有累积误差制约定位精度提高的问题。樊启高等[12]利用捷联惯性导航系统建立了采煤机的位置定位模型,并对采煤机的截割路径进行了惯性导航仿真。吕振等[13]基于捷联惯性导航进行了井下移动目标精确定位系统的研究,并且对传感器的误差进行了分析。

综上所述,目前基于惯性导航的采煤机空间定位研究主要集中在理论建模及算法仿真阶段,笔者拟提出基于捷联惯性导航的采煤机定位定姿实验系统构建方案,经过系统仿真和实验结果的对比,以期验证捷联惯导对于采煤机定位的适用性,从而实现采煤机实时位姿信息输出,为综采工作面“三机”协同自动化提供实践支持。

1 采煤机定位模型

采煤机在工作面的主要任务就是落煤及装煤,即通过滚筒截割煤壁并将煤装入刮板输送机,然后通过回采巷道转载机和带式输送机将煤运出工作面。采煤机沿工作面走向割煤,同时液压支架根据采煤机的位置实时推移刮板输送机。在采煤机完成一刀的割煤后,进入下一刀的截割时需要进行斜切进刀。现在主要的斜切进刀方式有中部斜切进刀和端部斜切进刀两种进刀方式。端部斜切进刀是从端部按照一个截深距离斜切进入煤壁,并沿工作面方向行走,待完全进入时再回割三角煤,然后进入下一截割循环的割煤操作[14]。

采煤机在工作面工作时不仅有沿工作面走向的位置变化和沿刮板机推移方向的位置变化,以及随煤层赋存条件的高度变化,还有根据煤层走向的工作面布置倾角和斜切进刀时的采煤机姿态变化。综合考虑采煤机的运动状态可以看出采煤机在工作时具有三维的位置变化以及三维的姿态变化。只有准确测量出采煤机的位置姿态信息才能更好的实现采矿“三机”的自动协作功能(图1)。

将捷联惯性导航装置固定安装在采煤机的机身上,惯性导航装置中的三轴加速度计实时测量采煤机的空间加速度信号,三轴陀螺仪实时输出采煤机的姿态信息。只有实时获取了采煤机的加速度信息和姿态信息才能够对采煤机的动态位置信息进行实时的解算。

图1 煤矿综采工作面“三机”工作示意Fig.1 Schematic diagram of the three machines on the coal face

1.1 采煤机惯性导航姿态解算

由于捷联惯导系统是采用数字平台,对系统姿态和位置数据的更新解算是捷联惯导系统的核心,是影响其精度的主要因素之一。在采煤机的惯性导航系统位置姿态更新算法中,比较经典的是利用四元数理论建立采煤机的位置姿态四元数模型,并通过该模型对系统的位置、姿态进行更新解算[15]。

采煤机与捷联惯导固联的坐标系为载体坐标系(b系),取地理坐标系(g系)为导航坐标系(n系),并规定xn,yn,zn的指向依次为东、北、天。设采煤机的航向角为Ψ,俯仰角为θ,横滚角为γ。利用采煤机的姿态角并利用三角函数可以构成采煤机的姿态变换矩阵,采煤机姿态更新主要是根据实时计算出的姿态变换矩阵。另外采煤机上的惯性元件(陀螺仪和加速度计)的输出是以地心惯性坐标系(i系)为参考基准的,且与地球固连的为地球坐标系(e系)。

捷联惯导系统数字算法以递推迭代的形式表示,即采用系统微分方程组描述形式,将采煤机过去前一时刻的导航信息和最近时刻的惯性器件的采样值作为输入,通过对微分方程逐次递推计算出当前时刻的导航信息。

采煤机姿态更新的四元数微分方程[16-17]为式中,Q(t)为描述采煤机姿态的姿态四元数;为陀螺仪测量的采煤机角速度;ωie为地球自转角速率;h为工作面采煤机所在的海拔高度;vx,vy和vz分别为采煤机捷联惯导在导航坐标系下的东向、北向和天向的速度分量;L为采煤机所处在地球上的纬度;为向量表示为四元数的形式;RM,RN分别为采煤机所在地点地球子午圈和卯酉圈曲率半径。

通过四元数运算规则直接利用姿态四元数将采煤机载体坐标系上的矢量变换到导航坐标系中,求出姿态矩阵。根据姿态角描述的姿态矩阵,可以提取出采煤机的实时姿态角。

1.2 采煤机惯性导航位置解算

采煤机速度更新的微分方程[16-17]为

式中,f=[fxfyfz]T为加速度计测量的比力;g为采煤机所在位置重力加速度的大小。

采煤机位置更新微分方程为

通过对式(3)积分即可以得到采煤机所在位置的纬度、经度和高度。

2 面向采煤机空间定位的惯性导航系统仿真与实验

根据采煤机的捷联惯导四元数导航方程模型,分别对采用捷联惯性导航的采煤机位姿定位系统进行仿真和平台实验验证。

2.1 采煤机动态定位仿真实验

根据采煤机割煤工艺,对仿真中的采煤机做直线割煤运动,并且执行一个斜切进刀的步骤,即在运动路径上产生一个折线运动轨迹。采煤机运行路线示意如图2所示。在采煤机定位仿真平台中,采煤机沿x方向即沿工作面方向运行20 m,沿y方向即工作面推移方向前进0.8 m,即采煤机截割煤壁的截深为0.8 m。其中采煤机在工作面x方向8～12 m的位置进行斜切进刀。

图2 采煤机运行路线示意Fig.2 Schematic diagram of the shearer running route

设定采煤机初始位置为坐标原点,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,其中噪声是根据采煤机定位实验装置运行实际测量得到。实时采样加速度和姿态信息,并且利用捷联惯导四元数解算模型实时计算出采煤机的位置和速度信息,并与设定的参考轨迹对比,得到采煤机捷联惯导系统的定位误差。仿真参数具体如下:仿真初始位置x0=(0 0 0)m;初始速度v0=(0.5 0 0)m/ s;初始加速度a0=(0 0 0)m/s2;初始姿态角Ψ=0°, θ=0°,γ=0°;地球自转角速度ω=7.291 158×10-5rad/s;重力加速度g=9.780 49 m/s2;地球半径RM= 6 367 850.5 m,RN=6 389 233.4 m;初始纬度L0=π/ 4;初始经度λ0=π/4;初仿真测试2 000个采样点,采样时间为0.01 s。

在仿真过程中惯性导航装置模拟接收到的三维姿态数据和三轴加速度数据如图3所示。

图3 采煤机定位仿真过程中三轴姿态和三轴加速度数据Fig.3 Three-direction attitude and three-direction acceleration data of the shearer with simulation

利用采煤机速度、位置解算微分方程对捷联惯导仿真的加速度和姿态数据进行速度和位置解算。解算后的采煤机三维位置轨迹如图4所示。

图4 采煤机定位仿真过程中SINS导航轨迹Fig.4 SINS positioning trajectory of the shearer with simulation

从图4可以看出,采煤机INS定位轨迹能够准确跟踪基准轨迹。采煤机的姿态误差信息和位置误差信息,如图5所示。

由图5可以看出,姿态误差中的航向角误差在斜切进刀开始和结束阶段均出现了一个较大的波动,这是由于采煤机在水平方向斜切进刀时,航向角突变所致。采煤机位置跟踪误差在x方向为0.5 m,在y方向为0.1 m以及在z方向为0.3 m,主要是由于3个方向上存在加速度误差,在积分运算中累积所致。通过对采煤机捷联惯导定位平台的仿真测试表明,采煤机定位系统在2 000个采样点内运行20 m的位置定位精度为0.58 m,姿态定位精度为0.7°满足工作面采煤机定位精度要求。

2.2 采煤机定位实验平台搭建

根据实验室现有的综采“三机”实体设备和捷联惯性导航模块搭建采煤机捷联惯导实验平台。如图6所示,采煤机捷联惯性导航实验平台主要包括2∶1等比例缩小的采煤机、刮板输送机、液压支架、“三机”控制驱动系统、捷联惯性导航系统以及定位主机。在开机运行状态下采煤机沿刮板输送机来回移动,并调节采煤机摇臂上升下降模拟割煤操作。液压支架实现降架、移架以及升架动作,并且与刮板机配套实现推溜操作。

图5 采煤机三轴姿态和三轴位置误差曲线Fig.5 Three-direction attitude and three-direction position error plot of the shearer

图6 采煤机捷联惯性导航实验平台Fig.6 Test platform figure inertial navigation system of the shearer

捷联惯导系统安装在采煤机机身上,实时测量采煤机的三轴加速度和姿态信息。采用基于6自由度的惯性测量单元ADIS16350的捷联惯导系统,其中惯性测量单元模块包括三轴陀螺仪和三轴加速度计。系统采用TMS320C6713 DSP为核心的信号处理系统,具有强大的数据处理能力。陀螺仪和加速度计输出的数据通过无线数据传输模块传给上位机,波特率为115 200 bit/s,采样周期为0.01 s。其技术参数如下:

(1)三轴陀螺仪:动态数字范围,有±75,±150和±300°/s档位设置,14位分辨率;

(2)三轴加速度计:±10 g测量范围,350 Hz带宽,出厂灵敏度和漂移经过校准;

(3)无线数据传输模块:TTL/RS485/RS232接口方式可选,视距可靠传输距离可达1 500 m,采用GFSK的调制方式,半双工收发一体,数据收发转换自动完成。

2.3 采煤机位姿跟踪实验

利用采煤机捷联惯导定位实验平台,对定位系统进行位姿跟踪实验。将采煤机定位实验平台开机运行,启动采煤机截割滚筒,并且在初始位置开启牵引电机使其沿刮板输送机移动。采煤机运动距离为10 m。初始位置为x0=(0 0 0)m;初始速度为v0=(0 0 0)m/s;初始姿态角为Ψ=0°,θ=0°,γ=0°;地球自转角速度ω=7.291 158×10-5rad/s;重力加速度g= 9.78 049 m/s2;地球半径RM=6 356 077.2 m,RN= 6 385 297.0 m;初始纬度L0=34.25°;初始经度λ0= 117.18°;实验采集2 000个采样点,实验时间为20 s。

利用捷联惯性导航装置测量出采煤机实时运行状态下的姿态角和加速度信息,并根据惯性导航解算模型计算出采煤机在运行过程中的位置跟踪结果。在采煤机运行过程中,在运行线路上布置参考点,当采煤机运动经过参考节点时,记录下此时惯导的输出数据,并且在解算后与设置好的基准位置相比较,计算出采煤机的定位误差,得到采煤机捷联惯导系统的定位精度。

惯性导航系统测量得到的采煤机三轴加速度信息和三轴姿态角信息如图7所示,其中测试时间为2 000个采样点。可以看出,采煤机三轴姿态信息具有很好的稳定性,然而由于截割滚筒旋转以及刮板输送机上运动产生机械振动使得三轴加速度信息具有一定的波动。对采煤机的加速度信息和姿态信息进行惯性导航位置解算,得到采煤机的位置跟踪误差,并对采煤机捷联惯导定位误差进行性能分析,分析结果和误差曲线见表1和图8。采煤机位置误差在x方向为0.29 m,在y方向为0.61 m,在z方向为0.43 m,满足井下定位需求,同时验证了捷联惯导对于采煤机定位的适用性。

图7 采煤机三轴姿态和三轴加速度测量数据Fig.7 Three-direction and three-direction acceleration attitude measurement data of the shearer

表1 采煤机捷联惯导定位性能分析Table 1 SINS position performance analysis of shearer

图8 采煤机定位实验过程中位置跟踪误差Fig.8 Experimental position tracking error of the shearer

3 结 论

针对煤矿井下采煤机定位环境恶劣、空间封闭以及干扰较多的问题,提出了一种在采煤机上直接固联捷联惯性导航系统的采煤机定位定姿方法。该方法利用捷联惯导系统测量的加速度和角速度信息,并结合捷联惯导四元数解算模型得到采煤机的位置和姿态信息,并在此基础上进行了系统仿真及实验研究。通过采煤机捷联惯导仿真计算,结果表明,系统在采煤机运动状态变化较大的情况下能够稳定的跟踪采煤机基准轨迹,采煤机沿工作面方向运动20 m,位置定位精度达到0.58 m,姿态定位精度稳定在0.7°范围内。最后利用搭建的综采“三机”实验平台进行采煤机捷联惯导定位实验,实验结果表明,在采煤机运行过程中,捷联惯导定位系统能够实时的对采煤机的姿态和运动轨迹进行跟踪,采煤机位置定位精度为0.80 m,满足煤矿井下采煤机定位要求,同时验证了捷联惯导对于煤矿井下采煤机定位的适用性。

从仿真和系统实验的角度上研究了捷联惯导在采煤机定位定姿系统上实现的可行性,然而由于采煤机恶劣的工作环境和复杂的干扰,再加上捷联惯导本身存在的加速度累积误差对系统的定位精度影响很大,故下一步研究内容主要是开展采煤机捷联惯导的振动误差补偿和利用外部定位技术进行数据融合方面的研究。

参考文献::

[1] 孙继平.煤矿物联网特点与关键技术研究[J].煤炭学报,2011, 36(1):167-171.

Sun Jiping.Research on characteristics and key technology in coal mine internet of things[J].Journal of China Coal Society, 2011,36(1):167-171.

[2] Wang G M,Jiao S L,Cheng G X.Fully mechanized coal mining technology for thin coal seam under complicated geological conditions[J].Energy Exploration and Exploitation,2011,29(2):169-177.

[3] 许春雨,宋 渊,宋建成,等.基于单片机的采煤机红外线位置检测装置开发[J].煤炭学报,2011,36(S1):167-171.

Xu Chunyu,Song Yuan,Song Jiancheng,et al.Development of the device to detect the position of coal mining machine by infrared ray based on MCU[J].Journal of China Coal Society,2011,36(S1): 167-171.

[4] 张连昆,谢耀社,周德华,等.基于超声波技术的采煤机位置监测系统[J].煤炭科学技术,2010,38(5):104-106.

Zhang Liankun,Xie Yaoshe,Zhou Dehua,et al.Position monitoring and measuring system of coal shearer based on ultrasonic wave technology[J].Coal Science and Technology,2010,38(5):104-106.

[5] 李 彬,李 威,程 东,等.采煤机关键参数监测方法的分析与设计[J].矿山机械,2009,37(11):1-4.

Li Bin,Li Wei,Cheng Dong,et al.Analysis and design of the monitoring method for the shearer key parameters[J].Mining&Processing Equipment,2009,37(11):1-4.

[6] 田 丰,秦 涛,刘华艳,等.煤矿井下线型无线传感器网络节点定位算法[J].煤炭学报,2010,35(10):1760-1764.

Tian Feng,Qin Tao,Liu Huayan,et al.Nodes localization algorithm for linear wireless sensor network in underground coal mine[J].Journal of China Coal Society,2010,35(10):1760-1764.

[7] 罗成名,李 威,樊启高,等.移动无线传感器网络下的采煤机定位精度[J].中南大学学报(自然科学版),2014,45(2):428-434.

Luo Chengming,Li Wei,Fan Qigao,et al.Positioning accuracy of shearer in mobile wireless sensor networks[J].Journal of Central South University(Science and Technology),2014,45(2):428-434.

[8] Fang Xinqiu,Zhao Junjie,Hu Yuan.Tests and error analysis of a self-positioning shearer operating at a manless working face[J].Mining Science and Technology,2010,20(1):53-58.

[9] 秦永元,梅春波,白 亮.捷联惯性系粗对准误差及数值问题分析[J].中国惯性技术学报,2010,18(6):648-652.

Qin Yongyuan,Mei Chunbo,Bai Liang.Error and calculation problem analysis of coarse alignment method with inertial frame for SINS [J].Journal of Chinese Inertial Technology,2010,18(6):648-652.

[10] Lai J Z,Lü P,Liu J Y,et al.Noncommutativity error analysis of strapdown inertial navigation system under the vibration in UAVs [J].International Journal of Advanced Robotic Systems,2012,9: 1-8.

[11] 张 斌,方新秋,邹永洺,等.基于陀螺仪和里程计的无人工作面采煤机自主定位系统[J].矿山机械,2010,38(9):10-13.

Zhang Bin,Fang Xinqiu,Zou Yongming,et al.Auto-positioning system of shearer operating on manless working face based on gyroscope and odometer[J].Mining&Processing Equipment,2010,38 (9):10-13.

[12] 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,2011,36(10):1758-1761.

Fan Qigao,Li Wei,Wang Yuqiao,et al.A shearer dynamic positioning method using strap down inertial navigation[J].Journal of China Coal Society,2011,36(10):1758-1761.

[13] 吕 振,刘 丹,李春光.基于捷联惯性导航的井下人员精确定位系统[J].煤炭学报,2009,34(8):1149-1152.

Lü Zhen,Liu Dan,Li Chunguang.The precise positioning system of them ine personnel in coal pit based on strapdown inertial navigation[J].Journal of China Coal Society,2009,34(8):1149-1152.

[14] Xu Dong,Nie Baisheng,Wang Longkang.Accurate localization technology in fully mechanized coal face:The first step towards coal mining industry 4.0[J].Disaster Advances,2013,6(6):69-77.

[15] 马 韬,陈 杰,陈文颉.对偶四元数捷联惯性导航系统初始对准方法[J].北京理工大学学报,2012,32(1):56-61.

Ma Tao,Chen Jie,Chen Wenjie.Initial alignment of strap down inertial navigation system using dual quaternion[J].Transactions of Beijing Institute of Technology,2012,32(1):56-61.

[16] 秦永元.惯性导航[M].北京:科学出版社,2006:331-334.

Qin Yongyuan.Inertial navigation[M].Beijing:Science Press, 2006:331-334.

[17] 魏纪林.高动态下激光捷联惯导系统算法研究与实现[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2012.

Wei Jilin.Research and realization of laser Strapdown inertial navigation system algorithm under highly dynamic enviromment[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2012.

Experimental study on position and attitude technique for shearer using SINS measurement

YANG Hai,LI Wei,LUO Cheng-ming,FAN Meng-bao,YING Bao-hua

(School of Mechatronic Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China)

A position and attitude method for shearer cutting using SINS(strap down inertial navigation system)measurement was proposed to solve the problem of low positioning accuracy of shearer in terms of“three machines”automation in longwall coal mine due to the characteristics of poor working conditions,enclosed space and other interference.The tri-axial accelerometer and suspended gyroscope in the SINS was applied to measure the acceleration and angular velocity of shearer in real time.The position and attitude data of shearer were then calculated by the SINS solution method of position and attitude with quaternion.The accurate trajectory of shearer was obtained and the comprehensive positioning of shearer can be realized.Obtained by the simulation of positioning system and the experiment of the SINS test platform which was constructed by the“three machines”experimental equipment of mechanized mining face,the results show that the system can track the standard trajectory and the tracking error of position and attitude is 0.5 m and 0.7 deg respectively,while the shearer moves 20 m along the mining face direction.The positioning system meets the positioning accuracy requirements of mining and can be applied to precisely position the shearer in real time.

mining fleet;shearer tracking;SINS(Strap down Inertial Navigation System);positioning and orientation;accuracy analysis

TD421.6

A

0253-9993(2014)12-2550-07

2014-03-06 责任编辑:许书阁

国家高技术研究发展计划(863)资助项目(2013AA06A411);江苏省研究生培养创新工程资助项目(KYLX_1374);江苏省高校优势学科建设工程资助项目

杨 海(1988—),男,四川德阳人,博士研究生。E-mail:yanghaicumt@163.com。通讯作者:李 威(1964—),男,江苏徐州人,教授,博士生导师,博士。Tel:0516-83590798,E-mail:cmeecumt@yahoo.com

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,2014,39(12):2550-2556.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.0265

Yang Hai,Li Wei,Luo Chengming,et al.Experimental study on position and attitude technique for shearer using SINS measurement[J].Journal of China Coal Society,2014,39(12):2550-2556.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.0265