煤矿掘进机机身位姿感知及定向方法研究_明凯迅.pdf

江西煤炭科技2023年第1期摘要：本文对煤矿掘进机机身位姿感知及定向技术和方法进行了详细研究，通过对比，采用惯性导航法对掘进机位姿进行测量，并对惯性导航原理及掘进机行走智能控制进行了分析与设计，建立了掘进机行走机构、行走过程及行走轨迹模型。关键词：掘进机；位姿；感知定向；惯性导航；智能控制中图分类号：TD6 3+2.2文献标识码：A文章编号：1 0 0 6-2 5 7 2（2 0 2 3）0 1-0 1 8 2-0 3Study on Frame Pose Perception and Orientation of RoadheaderMing Kaixun(Safety Monitoring Dept.,Dongqu Colliery,Shanxi Coking Coal Group.,Gujiao,Shanxi 030200)Abstract:The paper makes a detailed study on the frame pose perception and orientation technology of coal mine roadheader,including measuring the roadheader pose by the inertial navigation method,analyzing the principle of inertial navigation andintelligent control of roadheader walking,and establishing the walking mechanism,process and track model of roadheader.Key words:roadheader;pose;perception orientation;inertial navigation；intelligent control煤矿掘进机机身位姿感知及定向方法研究明凯迅（山西焦煤集团有限责任公司东曲矿安监处，山西古交0 3 0 2 0 0）目前煤矿悬臂式掘进机的工作效率及智能化控制程度随着自动化及计算机技术的发展而不断提高，其中掘进机的自主定向、智能行走控制已成为该领域的主要研究方向。由于井下巷道掘进工作环境十分恶劣，大量悬浮粉尘及狭窄昏暗的视野使得司机通过目测及手动纠正行走方向的难度大大提高，时常会发生行走方向偏移、超挖及欠挖等情况，导致巷道掘进的效率及质量降低。掘进机机身位姿测量及定位是实现掘进机自主定向截割的重要前提。为实现掘进机及工作面的无人化控制目标，拟通过对掘进机位姿测量算法研究，选取精度更高的惯性导航位姿测量法对掘进机的位姿进行实时监测，提出了一种基于捷联惯性导航的掘进机行走过程控制方案，并建立了掘进机行走及掘进过程模型，保证掘进机在行走过程中按照既定巷道中心路线行走，使掘进机在行进过程中的位姿时刻保持正确，有效提高巷道截割面的完整度。1悬臂式掘进机定向方法研究掘进机自动定向截割的原理是通过姿态测量算法实时纠正掘进机行走方向，保证掘进机沿既定巷道中心线行走并截割，在此过程中除需对巷道中心线及掘进机行走过程进行合理建模外还需要实现掘进机的精确行走指向。通过对多种定向方法的研究比较后提出了一种基于陀螺仪及加速度计的惯性导航法1-3。1.1激光掘进定向法激光定向法的原理是通过激光定向仪在巷道截割面所形成的激光指向点完成行走及截割动作，并通过激光测距仪实现方向及距离的测量，原理如图1所示。图1激光掘进定向原理激光定向法可有效解决掘进机行走导向及位姿测量问题，使掘进机保持既定路线行走，但定向激光点需由人工测量判断选择，且定向激光在恶劣巷道环境中发散严重，其准直度会随距离不断降低，导致定向及位姿测量误差较大。1.2全站仪掘进定向法全站仪由测角子系统、测距子系统、工业计算机、通讯存储装置及辅助棱镜等部分组成，可实现对掘进机偏角、位移、滚动及俯仰角等位姿参数的测量，计算机内部算法通过采集得到的位姿参数实时矫正掘进机在行走过程中的位姿，其测量原理如图2所示。1 8 2江西煤炭科技2023年第1期图2全站仪位姿检测及定向原理全站仪测量法能够较准确获取掘进机位姿信息，但在位姿纠正上存在一定滞后，无法实现对掘进机的实时行走偏向纠正及定位。1.3惯性导航定向法惯性导航法的基本原理是利用惯性传感器测量出检测对象在导航坐标系中的加速度及角速度参数4，建立三维导航坐标系，通过输入上述两种参数计算得到姿态矩阵后，即可通过位姿解算方法得到所需的掘进机姿态角、位移速度、目标位置等位姿信息。相比于传统位姿测量法，惯性导航所采用的测量单元集成化程度更高，多为微型化器件，测量系统体积小、功耗低，可靠性更高，测量范围更大，也更易于实现智能化控制。同时惯性测量系统无需借助激光等辅助条件实现测量及定向，其测量精度只由惯性测量单元的器件精度决定，抗干扰性能优良，误差较小。因此决定采用惯性导航法对掘进机位姿进行定向及测量，通过建立导航坐标系并优化位姿解算法得到更为准确的掘进机位姿信息。2惯性导航法姿态测量及过程控制设计2.1惯性导航法位姿测量原理采用捷联式惯性导航系统对掘进机位姿进行测量，其中位姿测量单元作为系统的核心部分，主要由三轴陀螺仪和三个单轴的加速度计两种惯性传感器组成。在掘进机运行状态下，陀螺仪可测得其在三维导航坐标系下三轴方向的角速度参数，同时三个单轴加速度计可测得三个坐标轴方向的掘进机线加速度。其中角速度参数用于计算得到掘进机的偏向角、俯仰角及滚动角等姿态角，掘进机线加速度通过解算和积分即可得到掘进机的实时行走速度及位置，从而得到位姿调整纠偏所需的偏向位移X（掘进机机身中线与巷道中心线的位移偏差量），其测量原理如图3所示。2.2掘进机位姿导航坐标系建立通过上节对惯性导航定向法的位姿测量原理分析可知，准确描述及测量掘进机位姿的前提是针对巷道及掘进机机身建立相应的测量导航坐标系，通过导航坐标系中的掘进机机身位置、偏角等信息实现掘进机姿态的调整，使其始终沿巷道设计中心线无偏向行走。设巷道坐标系为OXYZ，其中原点O位于巷道入口处横截面的底板中心处，X轴与巷道中心线重合，方向为掘进机行走方向，Z轴与巷道底部垂直且指向顶板，Y轴方向由右手关系确定。掘进机机身坐标系的x轴与机身中心线重合，方向指向行走方向，y轴指向掘进机左侧，z轴由右手关系确定。导航坐标系建立完成后，即可通过机身坐标系X轴与巷道坐标系X轴的距离差值及不同投影面的夹角确定偏向位移X及各姿态角，从而确定掘进机在巷道中的位姿。测量坐标系如图4所示。图4掘进机测量导航坐标系2.3掘进机机身位姿测量定位系统架构掘进机机身位姿测量定位系统由地面监控及现场定位测量两部分组成，二者采用工业以太环网实现通信。地面监控部分主要由上位机组成的图3捷联式惯性导航系统测量原理图5掘进机机身位姿测量及定位系统结构1 8 3江西煤炭科技2023年第1期善的电机保护功能，包括短路保护、过压保护、缺相保护、温升保护等。保护的参数可通过P L C进行设置，适应不同参数的电机。6结语采用变频控制技术对综采工作面乳化液泵站进行技术改造，可以达到节能降耗、动力匹配、软启动和保护功能完善的效果。本次乳化液泵站变频技术改造表明，变频技术改造后乳化液加压泵直接电能节省可达到2 0%以上，可延长设备寿命，提升系统安全性能。参考文献：1 刘金虎，刘闯，蒋金虎.变频器技术在综采工作面乳化液泵站探索及应用J.徐州：煤炭科技，2 0 2 0，4 1（5）：1 0 0-1 0 1.2 吕志清.变频节能技术在乳化液泵站中的应用J.江西煤炭科技，2 0 2 0（1）：1 7 4-1 7 7.3 关鹏帅.乳化液泵站变频控制系统设计J.广州：机电工程技术，2 0 1 9，4 8（9）：1 5 7-1 5 8，1 6 1.4 常成远，王雷.乳化液泵变频自动化控制系统J.山东煤炭科技，2 0 1 3（5）：6 4-6 5.5 陈怀卫，杨传森.乳化液泵站变频器在综放工作面的应用研究J.哈尔滨：中外企业家，2 0 1 3（3）：1 8 1-1 8 2.6 徐冰，周海燕，史喜阳，等.乳化液泵站变频调速系统的设计J.常州：工矿自动化，2 0 1 2，3 8（2）：8 7-8 9.作者简介：郝建伟（1 9 8 5），男，山西忻州人，2 0 1 1年毕业于武汉理工大学机械一体化专业，大专学历，现从事煤矿生产调度工作。收稿日期：2 0 2 2-0 5-3 0编辑：许敦昂远程监控平台构成，上位机搭载位姿解算算法及人机交互界面，可实现对掘进机的远程位姿纠偏控制及位姿实时显示。现场定位测量部分的核心内容为由三轴陀螺仪及加速度计组成的位姿测量单元，对运行中掘进机的线加速度及角速度等位姿参数进行实时采集，最后通过P L C控制器汇集上传至上位机进行位姿解算。测量定位系统基本结构如图5所示。3系统应用表1测量误差实验数据对比测量误差基于惯性导航的位姿测量定位系统传统激光导航测量系统X轴行走偏移量2 3mm3 7 0mmY轴行走偏移量2 2mm3 3 0mmZ轴行走偏移量3 0 0mm8 1 3mmX轴姿态角偏移量0.1 5 3.1 7 Y轴姿态角偏移量0.1 3 2.2 3 Z轴姿态角偏移量0.1 1 2.1 2 基于所研究的掘进机位姿监测方法及其机身位姿定向系统，应用于山西焦煤集团有限责任公司东曲矿，并对系统进行了运行测试，测量数据如表1所示。实验数据表明，在掘进机行走5 0m范围内，通过该系统的行走纠偏控制可使掘进机机身在X及Y轴方向的行走偏移量测量误差维持在2 5m m以下，Z轴行走偏移量测量误差最大值为3 0 0m m；其姿态角偏移量最大测量误差存在于x轴方向，误差值为0.1 5，其他方向误差值均小于0.1 5。根据国家巷道掘进工程相关验收标准可知，掘进机行走偏移量最大测量允许误差为15 0 0m m，各姿态角最大测量允许误差为7.1 3，本系统能够完全满足符合国家标准的掘进机位姿测量及定位需求。4结语通过对煤矿掘进机机身位姿感知测量及定位方法进行的研究，提出了一种基于惯性导航的掘进机位姿测量定位方案及相应测量系统，可实现对掘进机偏向位移机姿态角的精确监测及姿态纠正。经东曲矿实际应用测试，该系统的行走及姿态角偏移量等测量误差相比于原激光定位位姿测量系统显著降低，系统测量精度及可靠性大大提高，解决了掘进机位姿测量系统测量精度及智能化程度较低的问题，可满足掘进机机身位姿精确感知及定位的需求。参考文献：1 张旭辉.煤矿悬臂式掘进机智能控制技术研究及进展J.西安：重型机械，2 0 1 8（2）：2 2-2 7.2 刘春.基于PID+Kalman的姿态角算法研究J.沈阳：仪表技术与传感器，2 0 1 8（2）：1 5 7-1 6 1.3 张旭辉.悬臂式掘进机可视化辅助截割系统研制J.北京：煤炭科学技术，2 0 1 8（1 2）：2 1-2 6.4 朱文发.基于捷联惯性技术的轨道线路状态动态检测方法研究D.上海工程技术大学，2 0 1 1：1 1-1 2.作者简介：明凯迅（1 9 6 5），男，河南滑县人，2 0 1 4年毕业于中北大学机电一体化专业，机电工程师，现从事煤矿安全管理工作，研究方向：机电管理。收稿日期：2 0 2 2-0 5-1 7编辑：许敦昂（上接1 8 1页）1 8 4