采煤机采区定位定姿技术

崔 宇

（大同煤矿集团地煤公司马口煤矿综采队， 山西 大同 037001）

引言

高效安全生产一直是煤炭企业追求的目标，机械化、自动化是煤矿机械发展的方向。采煤机、液压支架、刮板输送机是综采工作面最重要的三种设备，简称“三机”，其中以采煤机为主导，三者互相配合实现煤炭的开采，它们的工作效率直接决定了煤矿生产的效率[1]。采煤机在工作时沿刮板输送机的轨道进行往复式割煤，液压支架对顶板进行支护，目前大多数煤矿生产中是由人工手动控制三种设备联动，实现煤炭开采的机械化，但离自动化生产还有一段距离。采煤机的位置和姿态能直接反映出液压支架与刮板输送机的工作状态，可以为三机联动提供数据基础，因此采煤机采区的实时定位定姿监测是实现自动化生产的关键技术，是实现综采工作面自动化、少人化生产的基础。

1 采煤机定位定姿技术

从20世纪80年代以来，为了实现采煤机采区的定位定姿，众多科研人员提出了多种方法，主要有以下几种。

1.1 基于红外的采煤机定位技术

采煤机在运行过程中，由安装在采煤机上的红外发射装置发射脉冲信号，液压支架上安装红外接收装置，根据接收到的脉冲信号，定位出采煤机相对液压支架的位置。这种方法定位精度不高，容易受到粉尘等遮挡物影响导致信号无法接收，另外液压支架在实际生产中移动频繁，不能实时对采煤机位置进行准确监测[2]。

1.2 基于超声波的采煤机定位技术

使用超声波测距传感器定位采煤机的工作位置，原理与使用红外传感器的采煤机定位技术基本一致，区别在于超声波可以穿透粉尘，镜头不需要清洗。超声波定位的精度也不高，只能作为辅助定位，使用具有局限性。

1.3 基于轨道里程的采煤机定位技术

这种方法是利用传感器采集采煤机行走齿轮的转动圈数信息，通过转动圈数乘以齿轮分度圆周长计算出采煤机在管板输送机轨道上的行走距离，与液压支架的架间距进行对比，确定采煤机的实际位置。该方法只能用来定位采煤机沿刮板输送机轨道方向的一维位置，且受齿轮计数误差的影响，不能满足采煤机精确定位定姿的要求。

1.4 基于无线传感器网络的采煤机定位技术

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是分布式智能化网络系统，在综采工作面布置大量具有通信和计算能力的无线传感器，通过无线信号监测采煤机与液压支架间的位置关系，解算出采煤机的实际位置。这种方法成本低，定位精度较高，但是由于工作区域环境复杂，液压支架频繁移动，容易出现信号衰减或无信号情况，在监测的实时性上还需进一步提高[3]。

1.5 基于惯性导航的采煤机定位技术

惯性导航技术是一种自主式导航技术，通过安装在采煤机上的陀螺仪及加速度计，测量采煤机的实时角加速度和线性加速度，解算出采煤机的运动状态信息，再经过坐标变换得到采煤机的实时位置。这种方法不需外加信号，定位精度高，可以得到采煤机的三维位置信息，但在长时间工作后由于累积误差使精度变差，需要采用综合导航技术进行修正[4]。

2 捷联惯导与无线传感器网络组合定位定姿原理

各种采煤机定位定姿方法都有各自的优缺点，将捷联惯导与无线传感器网络技术结合起来，组成组合定位定姿系统，可以克服单系统的缺点，取长补短，以更好满足自动化生产的要求。

2.1 采煤机姿态表达

采煤机的姿态主要是靠俯仰角、横滚角和偏航角表示的，如图1所示。

图1 采煤机姿态角

图1-1表示采煤机在工作面方向上与当地水平面夹角即采煤机的俯仰角，图1-2表示采煤机在工作面推进方向上与当地水平面的夹角即采煤机的横滚角，图1-3表示采煤机沿工作面方向上与正北方向的夹角即采煤机的偏航角。

捷联惯导技术是依靠安装在采煤机上的惯性传感器，测量采煤机的加速度并进行两次积分运算，从而得到采煤机的位置状态。由于传感器与采煤机固连，通过积分运算直接得到的采煤机信息是在载体坐标系下的位置信息，为了整个综采工作面信息统一，还需进行坐标系变换将采煤机的位置信息由载体坐标系变换到当地基准坐标系下。坐标系变换如图2所示。

图2 坐标系变化示意图

其中OXbYbZb是载体坐标系，OXoYoZo是当地基准坐标系，载体坐标系经过三次旋转后与基准坐标系重合，三次旋转的角度就是采煤机的俯仰角θ、横滚角γ和偏航角ψ。三次旋转的变换矩阵分别为：

从载体坐标系变换到基准坐标系的公式为：

采煤机上任意点的位置，可以通过式（4）转换到基准坐标系中。

2.2 捷联惯导系统（SINS）原理

捷联惯导系统原理如图3所示。固连在采煤机上的陀螺仪、加速度计轴线与采煤机各轴线高度重合，实时测量出的角加速度参数和加速度参数通过数学运算，解算出姿态角信息，并与初始姿态信息进行比对，可以得到采煤机的实时姿态及位置信息。

图3 捷联惯导原理图

2.3 基于无线传感器网络的定位系统（WSN）原理

无线传感器网络采用新型的UWB（超宽带）技术，与传统的红外、超声波、WIFI等无线信号相比，多径分辨率高，定位精度好，信号衰减少。无线传感器网络中已知的位置节点称作锚节点，固连在液压支架上，待定位节点称作移动节点，固连在采煤机机身上。采煤机机身上的无线网络传感器以一定频率向周围发射无线信号，通过液压支架接收信号，进行耦合，在无线信号域和位置空间域内进行对偶映射，来解算采煤机的实时位置。无线网络传感器的布置如下页图4所示。

2.4 捷联惯导与无线传感器网络组合定位定姿系统

单独采用捷联惯导导航技术，可以在短期内实现采煤机的快速精确定位定姿，但在长期运行中，受到积分累积误差的影响，定位结果会产生发散；单独使用无线传感器网络定位技术，不会产生累积误差，但会受到锚节点偏移等情况的干扰，产生误差。因此考虑将两种系统进行组合同时对采煤机进行定位定姿，系统原理如图5所示。

图4 无线网络传感器布置图

图5 组合系统定位定姿原理

采煤机的定姿由捷联惯导系统完成，实时更新，定位由捷联惯导系统和无线传感器网络系统共同完成，采用基于信赖度的组合定位算法对结果进行校正，输出可信的位置信息。

3 基于信赖度的组合定位算法

定义阈值σ1和σ2（σ1＜σ2），当采用无线传感器网络定位后，当前时刻与前一时刻的结果差值ΔPWSN（位置增量）小于等于σ1时，认为结果可信；当σ1＜ΔPWSN≤σ2时，认为结果存在一定误差，此时需要与捷联惯导的定位数据组合进行校正；当ΔPWSN＞σ2时，此时认为结果完全不可信，使用捷联惯导定位结果作为输出值。定义信赖度因子μ∈[0，1]，该因子的计算公式为：

捷联惯导系统随之时间的累积误差逐渐增大，运行时间超过τ秒后，累积误差无法接受，需要重新进行对准，此时认为结果完全不可信，定义信赖度因子η∈[0，1]，其计算公式为：

根据对两种系统的分析，组合系统的定位算法为：

4 结语

综采工作面的自动化生产离不开采煤机精确定位定姿技术的支持，基于捷联惯性导航和无线传感器网络的组合采煤机定位定姿系统，克服了单系统的缺点，增加了系统冗余度，有较好的应用前景。