悬臂式掘进机惯性定位技术研究与试验*

田原

(1. 中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006；2. 山西天地煤机装备有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

煤矿巷道尤其是主巷道对巷道成型精度有较高的要求，标准《煤炭井巷工程质量验收规范》GB 50213—2010中规定“基础掘进断面规格的允许偏差为-25 mm～+150 mm”[1]。掘进机作为巷道成型的主要装备，其定位精度对巷道成型精度有直接影响，考虑到掘进机装配和控制精度、恶劣工况等因素，通常在截割作业的执行环节会产生较大偏差，故掘进机定位检测精度必须达到厘米级，姿态和航向检测精度达到角分级，才有可能达到规范要求的巷道断面边界精度[2]。

近十余年来，掘进机导航定位技术以光电技术为主[3-9]，其优点是在一定范围内定位精度高。由于掘进工作面应用时存在一定的环境适应性问题，如低能见度、防护困难等，而惯性导航技术却具有很好的环境适应性，又不依赖外部信息的自主检测能力，故近年来惯性导航技术用于掘进机导航的研究成为了热点，但惯性导航技术存在长时定位精度差的问题(纯惯导系统定位偏差超过1 852 m/h)，因此，研究工作的重点集中在基于惯性器件的组合导航技术方面[10-14]，以弥补这一不足。从组合方式来看，主要是惯性技术与机器视觉、超声波测距、激光扫描等技术的组合，虽然在一定程度上弥补了惯性技术长时定位精度差的不足，但带入了机器视觉和激光扫描等光电技术，环境适应性的问题仍然未能解决。超声波测距被用于检测掘进机机身与巷道侧壁之间的距离，巷道侧壁的不规则对其检测结果的可靠性有较大影响。

零速修正技术利用惯性器件误差模型进行自动修正，可以提高定位精度，在车载惯性导航技术中有较广泛的应用[15-18]，它在提高定位精度的同时保留了惯性器件环境适应性强的优点。为了验证惯性导航技术用于掘进机定位导航时的定位精度，了解掘进机不同工况对惯性导航系统定位精度的影响，本文从分析掘进作业方式和掘进机运动特点入手，建立了掘进机惯性导航系统，完成了掘进机惯性导航工业性试验。

1 掘进机运动特点分析

零速修正即利用载体停车时惯性系统的速度输出作为系统速度误差的观测量，进而对其他各项误差实现校正。文献表明，零速修正通过停车点的速度测量，可以对时间相关的误差源充分修正[15-18]。由于惯性系统的定位偏差随运行时间延长而增加，故零速修正法应用的特点是，两次修正之间的间隔时间越短，定位精度越高。

对掘进机而言，其运动方式大致可分为连续行进、连续截割、短距频繁进退和长时间静置4种。机位调动时需要掘进机进行连续较长距离的移动，移动速度约为6～10 m/min，其间需要不时停车以整理电缆；截割作业时则是短距间断行进模式，截割时处于停车状态，一个断面截割完成后，短距前进后再停车截割；截割作业期间，为了修整断面边界，掘进机按照短距频繁进退模式运动；掘进机完成2～3个断面截割循环后，需要后撤5～10 m，让出支护操作空间，按照“探-掘-支-锚-运”的掘进工作面作业工艺，掘进机大部分时间处于静置状态。掘进机的工作节拍能接受数分钟甚至数十秒的停车间隔，这为掘进机惯性导航系统通过较频繁的零速修正提高其定位精度到“厘米”级提供了可能。如图1所示，掘进机各种运动模式可互相转换，在连续行进期间可进行多次零速修正以保证惯性导航系统的定位精度，多次修正后，通过惯性导航系统初始化消除累积误差。截割作业和短距频繁进退模式下也可采用上述方式保持定位精度和消除累积误差。

图1 掘进机运动模式及定位误差修正方式

2 掘进机惯性定位系统组成

掘进机惯性导航系统设备主要由惯性导航系统、掘进机机载控制/显示模块、掘进机行走系统等部分组成，如图2所示。惯性导航系统由加速度计、陀螺仪和导航计算模块组成，实时检测掘进机的空间位置及航姿参数。掘进机机载控制/显示模块实时显示导航参数和图形化导航界面，除显示导航参数外，掘进机机载控制/显示模块完成惯性导航系统的初始化参数输入，并可将惯性导航系统输出的导航数据用于掘进机运动和截割控制。掘进机行走系统为惯性导航系统提供掘进机停车信号，以便惯性导航系统完成周期性零速修正。

图2 掘进机惯性导航系统组成

3 试验及数据分析

为了验证零速修正方法在掘进工况下的有效性，搭载PHINS SURFACE惯性导航系统的掘进机在鄂尔多斯某煤矿进行了工业性试验并进行了标定试验。试验中，通过零速修正算法提高系统定位精度，零速信号由掘进机行走系统提供，修正间隔约为60 s，修正时间约为20 s。利用全站仪测定惯性导航系统的位置，作为惯性导航系统定位精度评价的参考基准，其中，全站仪的方位测量基准为正北方向，以掘进机初始位置为位置基准，全站仪测量时间与惯性导航系统测量时间严格对准。

试验初始化阶段，全站仪测量惯性导航系统空间位置，将其输入惯性导航系统作为初始位置，将巷道设计方位角输入惯性导航系统作为其导航界面上显示的掘进机的方位控制基准。

如图3所示，掘进机行进路径由“1”到“5”，全长约80 m。图4为惯性导航系统输出定位参数与全站仪测定值对比，采用相对起始点的方式表示，图中“TS纬距X+”表示全站仪测量的惯性导航系统在北向上前进的距离，“Northing+”表示惯性导航系统输出的北向前进距离，“TS经距Y+”表示全站仪测量的惯性导航系统在东向上前进的距离，“Easting+”表示惯性导航系统输出的东向前进距离。

图3 行走路线

(a) 北向位移对比

(b) 东向位移对比

试验中，前9组数据严格按照60 s间隔进行零速修正，第9组与第10组数据测量间隔远大于60 s(小范围连续运动超过10 min)，此外，前9组数据对应掘进机空载行进(即轨迹“1”和“2”，方位角接近正北，大约为181°0′6″)，后2组数据对应掘进机截割工况(轨迹“5”)。

表1中的数据为以出发位置为基准的相对定位精度对比，从4个多小时的试验过程中可以看出惯性导航系统的定位偏差累积情况：北向定位偏差累积为0.508 m，东向定位偏差则超过5.9 m，这是因为第9和第10个测量点之间修正间隔远超过60 s(小范围连续运动超过10 min)，造成较大的定位偏差，前9组数据测量期间北向定位偏差累积为0.249 m，东向定位偏差累积为0.49 m。

表1 以出发位置为基准的相对定位精度对比 m

表2中的数据为每一测量点相对上一测量点的定位精度对比，数据表明惯性导航系统在60 s修正间隔时的定位偏差(第9、第10除外)，可以看出11个测量点相对上一测量点的北向和东向平均定位偏差是0.050 8 m和-0.592 9 m，其标准差分别为0.071 0 m和1.687 4 m，前9个测量点的北向和东向平均定位偏差是0.031 1 m和-0.061 3 m，其标准差分别是0.062 4 m和0.064 0 m，第11测量点相对第10测量点的东向和北向定位偏差分别是-0.054 m和0.093 m，数据表明：受振动影响，截割工况的定位偏差高于空载行进的定位偏差。

表2 相对上一测量点的定位精度对比 m

4 结论

本文将PHINS 惯性导航系统用于掘进机自动定位，利用零速修正法提高其定位精度并完成工业性试验，试验结果表明：

1) 零速修正间隔为60 s时，北向定位偏差均值约0.031 1 m，东向定位偏差均值约0.061 3 m。

2) 零速修正间隔为60 s时，在约2 h试验期间，掘进机行进约42 m，北向定位偏差累积约为0.249 m，东向定位偏差累积约为0.49 m。

3) 试验期间，修正间隔远大于60 s(小范围连续运动超过10 min)时，东向定位偏差超过5 m，北向定位偏差超过0.15 m，表明修正时间间隔延长时，零速修正算法对提高惯性导航系统定位精度的有效性明显降低。

4) 受振动影响，截割工况的定位偏差高于空载行进的定位偏差。

试验结果证明，60 s零速修正间隔在短时间内可以满足掘进机自动截割对定位精度的要求，而长时定位精度若要满足自动截割要求，还需要进一步改进零速修正算法或融合其他定位方法。