煤矿综掘工作面掘进机组合定位导航技术研究_孟凡旗.pdf

2023 年 2 月Feb.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.01.028煤矿综掘工作面掘进机组合定位导航技术研究孟凡旗（晋能控股集团高山煤业有限公司,山西 大同 037000）摘要 针对煤矿井下综掘工作面掘进机导航系统存在的定位精度不高、灵活性差的问题，提出基于捷联惯导、里程计相结合的组合导航定位系统。重点介绍了以三轴陀螺仪、三轴加速度计、里程计以及 STM32 微控制器为核心的组合定位导航硬件、软件设计方案，经卡尔曼滤波输出组合定位导航信息，并完成系统试验测试。测试结果表明，该组合定位导航方案在满足掘进机导航定位设计要求的同时，提升了定位导航精度，增强了系统的灵活性，有助于提升掘进机的工作效率和安全系数。关键词 组合定位导航；捷联惯导；里程计；STM32 微控制器；掘进机中图分类号TD632.2文献标识码B文章编号1672-9943（2023）01-0090-030引言掘进机是煤矿井下综掘工作面的关键采掘设备，承担煤岩截割、转运等重要工作。目前，掘进机以人工操作、远程控制为主，利用激光指向仪确认掘进方向。掘进机在浓粉尘、大水雾恶劣环境中运行时，掘进机司机需频繁启停测量掘进机方向，导致掘进效率低下。因此，实现掘进机自主导航定位是提高掘进效率、实现综掘工作面智能化、少人化的关键技术之一。掘进机导航技术的发展面临的核心问题是环境恶劣、运动方式特殊、工况特殊、定位难度大。目前，掘进机导航技术主要有光电导航及位姿监测，如基于全站仪、激光指向仪的导航与定位；惯性导航技术，即利用陀螺仪监测掘进机角速率、偏航角、姿态角，利用误差补偿技术对测量偏差进行补偿和修正；组合导航技术，即将光电导航、惯性导航技术进行有机融合，实现掘进机更精度的导航定位13。本文基于捷联惯导与里程计技术提出的掘进机组合定位导航技术方案，重点对基于组合定位导航方案的硬件、软件方案进行设计阐述，通过试验测试验证上述功能的适用性和正确性，达到提升掘进机导航定位精度、满足煤矿井下综掘工作面掘进机的定位需求，对提升掘进机的工作效率和安全系数具有重要意义。1系统设计煤矿综掘工作面掘进机组合式定位导航系统设计原理如图 1 所示。该系统以捷联惯性导航系统为核心，结合里程计数据实现掘进机组合导航。该系统原理是：由三轴陀螺仪采集并计算掘进机的角加速度；由三轴加速度计计算掘进机的线加速度；由捷联惯导提供掘进机的位置、速度、姿态信息；将上述 3 部分信息作为惯性导航信息观测量输入值卡尔曼滤波器。同时利用里程计采样数据、姿态矩阵计算出的掘进机速度的差值作为观测量输入至卡尔曼滤波器进行补偿，最终得到较为精确的掘进机导航结果。图 1掘进机组合定位导航系统设计原理2硬件设计掘进机组合定位导航硬件设计中的核心硬件电气元件由三轴加速度计、三轴陀螺仪、高精度模数转换器、核心控制器、电源以及里程计等组成。硬件设计原理如图 2 所示。图 2掘进机组合定位导航系统硬件设计原理光纤陀螺仪基于萨格奈克效应感测掘进机相惯性数据采样三轴加速度计三轴陀螺仪里程计数据采样里程计速度解算惯导解算位置速度姿态惯性导航信息线加速度角加速度误差反馈组合导航信息卡尔曼滤波m 系速度n 系速度姿态矩阵里程计STM32H745ARMSTM32F410ARM高精度模数转换器电源系统X 轴加速度计Y 轴加速度计Z 轴加速度计X 轴陀螺仪Y 轴陀螺仪Z 轴陀螺仪能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.1902023 年 2 月Feb.,2023孟凡旗煤矿综掘工作面掘进机组合定位导航技术研究对于惯性空间的角速度，采用 VG910 系列产品具有量程宽、响应快、灵敏度高、稳定性好、测量精度高的特点。该光纤陀螺仪带宽为 01 kHz，工作电压为 DC5V 供电，全温功耗小于 5 W，支持 RS422 串行电气接口。石英挠性加速度计基于牛顿第二定律感测掘进机相对于惯性空间的线加速度，采用 JHF-I-H 系列产品具有抗振能力强、量程大、测量精度高的特点。该石英挠性加速度计的量程为 30 g，偏置稳定性小于 50 ug，偏置温度系数小于 50 ug/，标度因数为 1.11.4 mA/g，工作电压为 12 V。STM32F410 ARM 控制器具有卓越的动态功耗效率，具备高 RAM容量和增强型外设集，满足掘进机定位导航系统要求。STM32H745 ARM控制器采用双核三电源域架构，具备低功耗运行、防系统漏电功能；具备 125 耐温以及强大的运算能力，适应于煤矿井下恶劣苛刻环境4-5。电源系统采用本安型 DC24V 电源供电并采用 MGW302405 隔离模块进行隔离，设计 DC24V 转 DC12V、DC5V 以及DC3.3V 电路，为陀螺仪提供 5 V 电压供电，为加速度计提供 12 V供电，为 STM32F410、STM32H745 控制器提供 3.3 V电压供电。电磁式里程计基于霍尔效应感测掘进机运行速度与运行距离，由均匀分布的永磁铁和霍尔元件组成。当分布永磁铁的圆盘转动时，霍尔元件产生脉冲信号，通过采集脉冲信号计数可计算掘进机的行驶速度和行驶距离。采用HB-T 系列产品，具有精度高、寿命长、结构简单、成本低的特点。该电磁式里程计的里程计线数为1 100，电机加速比为 1001，驱动轮半径为 75 mm，工作电压为+5V，通讯接口为正交码脉冲输出。3软件设计掘进机组合定位导航系统软件设计基于 KeilARM软件平台实现。根据掘进机组合定位方案系统设计和硬件设计原理，在进行软件设计时，按照实现的功能进行模块划分并分模块实现；模块与模块之间设计接口函数，用于传输控制指令以及数据了。主要软件设计模块有初始化模块、通讯模块、逻辑处理模块、数据采集模块、数据处理模块、里程计控制模块、故障处理模块的等。4试验测试4.1试验条件为验证设计并实现的掘进机组合定位导航技术方案的定位精度以及可靠性，进行试验测试。试验室需要用到的设备有双周精密转台、四轮试验小车、激光测距仪及 RTK 测量仪。其中，双周精密转台用于传感器的标校以及静态试验测试，其位置精度为3，速率范围为 0.001400/s，速度精度为0.0003，满足方案试验要求；四轮试验小车用于模拟掘进机运行速度和里程计数据；激光测距仪作为短距离测试方案的测量基准；RTK 测量仪（RealTime Kinematic,RTK）作为长距离测试方案的测量基准。4.2试验过程试验时，利用双轴转台多个位置不同速率的转停连续采集传感器数据，以此确定传感器的标度因素和精度，并对安装误差进行补偿；然后进行重复定位试验和长距离定位试验。重复定位试验过程为：将设计的组合导航系统与四轮小车连接，利用PC 机实时采集组合导航系数的输出数据；每次行驶距离设定为 10 m，行驶角度依次偏置 5，重复 10次试验；利用激光测试仪测量四轮小车的初始、终止距离，其中起始右向设定为 X 轴，前向设定为 Y轴，忽略高度 Z 轴变化。长距离定位试验：每次行驶距离设定为 470 m，每行进 40 m对组合导航数据、RTK测量数据进行采样，共 12 个采样点。4.3试验分析4.3.1重复定位试验分析10 次重复定位试验数据统计结果如表 1 所示。由表 1 分析可知，组合定位导航方案 X 轴定位误差最大值为 0.047 m，Y 轴定位最大误差为0.085 m，误差小于设计目标。这说明该组合定位导航方案的导航定位重复性较好。表 1掘进机组合定位导航方案重复定位试验数据统计单位：m4.3.2长距离定位试验分析12 次长距离定位试验结果如图 3 所示。由图 3分析可知，与 RTK 测量仪测试数据相比，长距离定序号10.370.3780.008-0.05920.370.4010.031-0.04430.370.4170.047-0.08540.400.4180.018-0.04250.400.4170.017-0.00960.400.4120.0120.02270.450.448-0.0020.04380.450.449-0.0010.00190.450.4530.0030.000100.480.4870.0070.027激光测试仪X 轴本方案X 轴误差X 轴Y 轴9.969.969.969.979.979.999.989.989.999.96Y 轴9.9019.9169.8759.9289.96110.01210.0239.9819.9909.987Y 轴912023 年 2 月Feb.,2023（上接第 64 页）（2）阐述了断层附近顶板关键层结构 3 种运动形式分别对采场矿压的影响；与“砌体梁”结构相比，“悬臂梁”结构运动下工作面呈现较大的来压步距。此结论得到了星村煤矿 3303 综放工作面矿压实测数据的验证。（3）数值模拟结果表明，工作面距离断层越近，断层越易于活化，断层应力增量迅速增大为 45MPa；当工作面过断层 10 m后，断层应力增量迅速减小至 5 MPa；当工作面过断层 20 m 后，断层应力增量变化不大，基本在 1 MPa 上下波动。（4）采掘活动使得断层易于活化，断层滑动可诱发冲击矿压。为了降低冲击危险性，在 3303 工作面断层附近实施了包括煤体大直径钻孔卸压、顶板预裂爆破等冲击矿压防治措施。现场实践表明，防治措施取得了良好的效果，可明显降低断层区域的冲击灾害。参考文献1毛德兵，陈法兵.采动影响下断层活化规律及其诱发冲击地压的防治 J.煤矿开采，2013，18（1）：73-76.2陈法兵.采动影响下断层活化规律及其对冲击地压的影响 D .北京：煤炭科学研究总院开采设计研究分院，2012.3牟宗龙，窦林名，王绪胜，等.工作面终采线附近冲击矿压综合防治技术 J.矿业安全与环保，2010，37（1）：51-53.4李振雷，窦林名，蔡武，等.深部厚煤层断层煤柱型冲击矿压机制研究 J.岩石力学与工程学报，2013，32（2）：333-342.5李志华，窦林名，曹安业，等.采动影响下断层滑移诱发煤岩冲击机理 J.煤炭学报，2011，36（增刊 1）：68-73.6姜耀东，王涛，赵毅鑫，等.采动影响下断层活化规律的数值模拟研究 J.中国矿业大学学报，2013，42（1）：1-5.7许磊，魏世明.正断层活化诱发冲击地压危险性研究 J.煤矿安全，2015，46（5）：54-57.8郑文卿，陈瑶，袁道阳.断层摩擦系数及其演化定量研究的新途径 J.西北地震学报，2000，22（2）：160-166.9李世愚.岩石断裂力学导论 M .合肥：中国科学技术大学出版社，2010.10Ruina A L.Slip Instability and State Variable FrictionLaws J.JournalofGeophysicalResearch，1983，88（B12）：10359-10370.11钱明高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制 M .徐州：中国矿业大学出版社，2010.作者简介张文柯（1988-），男，助理研究员，硕士研究生，毕业于中国矿业大学，主要从事煤矿安全技术研究工作。收稿日期：2022-08-03位试验误差范围保持在-0.053，0.005，误差标准差小于 0.2 m，相对误差小于 0.04%L（L 为载体行驶距离），满足设计目标。图 3组合定位导航方案长距离测试结果5结论以煤矿综掘工作面掘进机为研究对象，重点介绍了掘进机组合定位导航系统硬件、软件设计思路和方法。基于捷联惯导、里程计、STM32 微控制器技术，对掘进机定位导航系统进行研究并完成试验测试。（1）设计并完成的掘进机组合定位导航系统的重复性较好，X 轴定位误差最大值为 0.047 m，Y 轴定位最大误差为 0.085 m；长距离定位试验时的误差标准差小于 0.2 m，相对误差小于 0.04%L，满足设计目标。（2）掘进机采用组合定位导航方案后，提升了掘进机的定位导航精度，有助于提高掘进机的工作效率和安全系数。参考文献1