基于惯性导航和里程仪的煤矿采掘设备定位
张守祥;李森;宋来亮那片海原唱
【摘 要】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 perform co-location and navigation,and mileage information is used to correct inertial navigation measurement data to improve precision of positioning and navigation.Method of dynamic initial alignment of inertial navigation,specific method of inertial navigation and odometer coordinate 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.%分析了国内外煤矿惯性导航技术的研
究和应用情况,指出惯性级光纤捷联惯导技术适用于煤矿采掘设备定位;将惯性导航和里程仪相结合进行协同定位和导航,利用里程信息对惯性导航测量数据进行校正,以提高定位导航精度;给出了惯性导航动态初始对准方法,惯性导航与里程仪协同定位具体方法,以及用于误差估计、修正和补偿的卡尔曼滤波方程.实验结果表明,采用惯性导航与里程仪协同定位技术后,工作面直线度测量最大误差为90 mm、平均误差为60 mm,高程测量误差为20 mm,符合工作面直线度测量精度要求.
【期刊名称】《工矿自动化》
【年(卷),期】2018(044)005
【总页数】6页(P52-57)
【关键词】煤矿采掘设备;惯性导航;里程仪;协同定位;组合导航;光纤陀螺;直线度测量
【作 者】张守祥;李森;宋来亮
【作者单位】山东工商学院信息与电子工程学院,山东烟台 264005;北京天地玛珂电液控制系统有限公司,北京 100013;北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京 100191
【正文语种】中 文
【中图分类】TD632
0 引言
周扬青多高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GPS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。我心不死
1 惯性导航技术选择
innocence 艾薇儿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-M
echanical System，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5～15 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10～60 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 g[1]，g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[2-3]。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度计测量误差，按照煤矿采掘设备的定位精度要求，适合选用惯性级光纤陀螺仪。
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1 4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/((°)·h-1)标度因数速率级10～10000～1×10-2战术级0．1～101×10-5～1×10-3惯性级<0．01<5×10-6战略级<0．001<1×10-6
2 国内外煤矿惯性导航应用情况
2.1 国外应用
澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)提出了针对采煤机导航的LASC技术和CM(Continuous Miners，连续采煤机)。加拿大矿业公司研发了一种应用于矿业开采和地下空间数据挖掘的地下地理定位技术HORTA[5]，实现了矿山地下设备的粗略定位。
(1) LASC。包含高精度惯性导航和工作面矫直数据分析两项核心技术。通过对惯性导航仪记录的采煤机空间位置进行分析，确定当前工作面的直线度，对工作面直线度进行动态调整。LASC应用效果如图1所示。
图1 LASC应用效果Fig.1 LASC application effect
(2) CM。采用高精度惯性导航系统，导航信息使操作员能够准确地指导CM按设定路线推进，上位机设备采用触摸屏操作，通过图形展示采掘深度、轨道偏差、煤柱厚度、煤层厚度、CM航向角、俯仰角和横滚角等主要开采参数。CM运行过程中的偏航角显示效果如图2所示。
图2 CM偏航角显示效果Fig.2 Display effect of CM yaw angle
(3) HORTA。定位装置安装在井下观测车上，当观测车在巷道中漫游时，HORTA利用其激光陀螺仪和激光扫描仪在水平和垂直面上扫描矿山巷道断面，绘制巷道三维结构图。安装有HORTA装置的掘进机沿目标巷道自动向前推进，自动完成掘进作业。
2.2 国内应用
国内应用于综采综掘设备的惯性导航定位技术还处于研究跟踪和实验阶段，应用落后的主要因素是低精度惯性导航不能满足井下设备的定位精度要求，而高精度惯性导航系统价格昂贵。
(1) 煤矿井下电机车精确定位监测。在电机车上放置一个车载机，通过陀螺仪和加速度计采
集电机车的角加速度、线性加速度等数据，计算出电机车的位移量、速度和姿态等信息，并将这些信息以无线通信方式与设在巷道固定位置的通信节点进行交互。信息上传并在人机交互界面展示，使工作人员清晰地了解电机车的位置、速度和姿态等信息[6]。
(2) 煤矿井下人员精确定位监测。相对于航空或车用定位系统，因为人的移动速度很低，所以要求传感器测量范围较小，相对灵敏度较高。由于这种定位方式存在长时间的累积误差，所以利用固定间距的节点对定位误差进行标定[7]。
离骚 易烊千玺(3) 采掘设备定位导航。当前国内的采掘设备定位导航主要是通过经纬仪和激光制导，离不开人工操作。采用惯性陀螺仪对采煤机和掘进机进行导航的技术已经开始了研究，是未来的发展方向。
3 煤矿采掘设备惯性导航技术
3.1 惯性导航系统原理
采掘设备惯性导航系统结构如图3所示。用陀螺仪和加速度计测量采掘设备的角运动和线运动信息。根据这些信息建立数学平台，在所选定的导航坐标系中进行解算，得到采掘设备韩版城市猎人片尾曲
的速度、位置姿态和行进方向等信息[8]。惯性导航装置与设在巷道固定位置的节点进行信息交互，将数据传至上位机[9]。为了保证惯性导航装置的可靠运行，根据煤矿井下供电状况，增加了备用电池。