基于SINS 的采煤機(jī)動(dòng)態(tài)定姿技術(shù)的應(yīng)用研究

王 娟

（山西省陽泉市大陽泉煤炭有限公司， 山西 陽泉 045000）

引言

作為煤礦井下“三機(jī)”設(shè)備的核心，采煤機(jī)不僅需要完成割煤和落煤作業(yè)，而且需要作為綜采設(shè)備聯(lián)動(dòng)的關(guān)鍵點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)井下綜采設(shè)備的自動(dòng)化聯(lián)動(dòng)提供定位參考。傳統(tǒng)的采用紅外線定位方案只能根據(jù)所接受到的紅外線信號的強(qiáng)度來判斷采煤機(jī)的位置，但由于井下工作環(huán)境惡劣、粉塵量大，對紅外線的傳輸存在著較大的干擾，因此導(dǎo)致傳輸中存在一定的偏位和干擾，定位誤差較大，無法滿足聯(lián)合控制的精度需要。齒輪計(jì)數(shù)法雖然受外界干擾較小，但通過行走齒輪計(jì)數(shù)累積誤差較大，采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)間越長其定位誤差就越大，需要頻繁地修正，將嚴(yán)重降低井下的綜采作業(yè)的效率[1]。因此本文提出了利用SINS（捷聯(lián)慣性導(dǎo)航）的定位方案，在采煤機(jī)的本體上設(shè)置一個(gè)三軸陀螺儀機(jī)、一個(gè)加速度傳感器，通過對采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)的角速度和加速度的監(jiān)測，并結(jié)合采煤機(jī)的初始位置信息即可實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)動(dòng)態(tài)位置姿態(tài)的精確跟蹤測量，為實(shí)現(xiàn)井下綜采作業(yè)的自動(dòng)化無人化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 SINS 定位原理

采煤機(jī)在井下進(jìn)行工作時(shí)，一方面進(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，一方面由搖臂控制截割機(jī)構(gòu)進(jìn)行截割運(yùn)動(dòng)，因此采煤機(jī)在煤礦井下巷道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)是空間三維運(yùn)動(dòng)，其定位也需要進(jìn)行三維空間定位，在實(shí)際應(yīng)用中將三軸陀螺儀及一個(gè)加速度傳感器設(shè)置到采煤機(jī)的機(jī)身上，當(dāng)采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)該陀螺儀和加速度傳感器直接對采煤機(jī)在運(yùn)行方向上的加速度和角速度進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測。為了適應(yīng)采煤機(jī)在井下工作時(shí)的震蕩、沖擊及井下溫度、濕度、粉塵濃度的變化，所使用的測量傳感器必須將所測量的數(shù)據(jù)信息快速、穩(wěn)定地傳輸給控制中心，由控制中心根據(jù)所設(shè)定的邏輯定位算法對采煤機(jī)工作時(shí)的位置數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，再結(jié)合采煤機(jī)工作初期的定位和姿態(tài)信息即可分析出采煤機(jī)現(xiàn)在的位置和姿態(tài)信息狀態(tài)，基于SINS 的采煤機(jī)的動(dòng)態(tài)位姿定位系統(tǒng)的工作原理如圖1 所示。

圖1 基于SINS 的采煤機(jī)定位原理

2 SINS 定位姿態(tài)解算原理

由于在該系統(tǒng)中所測量的是采煤機(jī)的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，而SINS 定位是以地圖的空間地理坐標(biāo)區(qū)域來定位采煤機(jī)的位置和姿態(tài)的，因此需要對采煤機(jī)監(jiān)測信息進(jìn)行定位坐標(biāo)和數(shù)據(jù)的解算。由于SINS 定位所采用的慣性坐標(biāo)系一般為i系，首先需要進(jìn)行采煤機(jī)相對于地球轉(zhuǎn)速vei的計(jì)算，因此由哥氏方程可將采煤機(jī)的慣性速度轉(zhuǎn)換為地速表示[2]。

對式（1）求導(dǎo)可采煤機(jī)工作時(shí)的加速度可表示為[3]：

同時(shí)由采煤機(jī)的3 個(gè)方向上的加速度傳感器可求得采煤機(jī)慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)中的裝置比力的測量值：

式中：g 為采煤機(jī)的引力矢量；

將式（2）（3）聯(lián)立可得：

式中：ωie×ve為采煤機(jī)在地球自轉(zhuǎn)速度作用下引起的加速度；ωie[ωie×r]為采煤機(jī)質(zhì)量引力和向心加速度構(gòu)成的實(shí)際重力矢量。

3 基于SINS 的采煤機(jī)定姿測量系統(tǒng)的仿真分析

根據(jù)采煤機(jī)在煤礦井下工作時(shí)的實(shí)際截割路徑，設(shè)采煤機(jī)工作時(shí)首先沿著x軸的方向推進(jìn)20 m，并在從第9 m 開始到第13 m 的區(qū)段內(nèi)進(jìn)行斜切作用，然后再沿著y軸的方向推進(jìn)1 m，利用基于SINS的采煤機(jī)動(dòng)態(tài)定姿技術(shù)進(jìn)行測量，解算后的采煤機(jī)在井下綜采作業(yè)時(shí)的三維空間軌跡如圖2 所示。

圖2 采煤機(jī)SINS 定位的仿真軌跡

由圖2 可知，利用基于SINS 的采煤機(jī)動(dòng)態(tài)定姿技術(shù)，能夠準(zhǔn)確地追蹤采煤機(jī)工作時(shí)的運(yùn)行軌跡，其運(yùn)行時(shí)的位置偏差信息和姿態(tài)偏差信息如圖3 所示。

由仿真分析結(jié)果可知，在該動(dòng)態(tài)定姿技術(shù)中當(dāng)采煤機(jī)開始進(jìn)行斜切進(jìn)刀及結(jié)束時(shí)其定位精度會(huì)有一個(gè)比較顯著的波動(dòng)，這主要是因?yàn)楫?dāng)采煤機(jī)開始進(jìn)行斜切進(jìn)刀時(shí)使航向角發(fā)生了瞬間的變化導(dǎo)致。該定位方案在x軸方向上的誤差精度約為0.4 m，在y軸方向上的誤差精度約為0.29 m，在z軸方向上的誤差約為0.25 m，不同的方向上具有不同的誤差主要是由于采煤機(jī)工作時(shí)在不同方向上具有不同的加速度誤差所致。通過該仿真分析，在對采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)的兩千余個(gè)采樣點(diǎn)分析可知，其在運(yùn)行時(shí)的定位精度約為0.43 m，其姿態(tài)定位精度約為0.6°，完全能夠滿足對采煤機(jī)自動(dòng)化控制定位精度的要求。

圖3 采煤機(jī)三軸姿態(tài)和位置誤差誤差曲線

4 基于SINS 的采煤機(jī)定姿技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證

在仿真分析的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步驗(yàn)證該定姿定位技術(shù)的可靠性，本文搭建了基于“三機(jī)”平臺的采煤機(jī)SINS 定位驗(yàn)證試驗(yàn)平臺[4]，其平臺上包括了采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)及定位控制系統(tǒng)等，在進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)啟動(dòng)采煤機(jī)并調(diào)節(jié)采煤機(jī)模擬進(jìn)行截割作業(yè)，并實(shí)現(xiàn)與液壓支架、刮板輸送機(jī)的配合聯(lián)動(dòng)，試驗(yàn)平臺的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 采煤機(jī)SINS 定位系統(tǒng)試驗(yàn)平臺

在試驗(yàn)時(shí)同樣選擇兩千個(gè)采樣點(diǎn)，其實(shí)際測量的采煤機(jī)工作時(shí)的三軸的加速度變化情況和三軸的位置姿態(tài)信息的變化如圖5 所示。

圖5 采煤機(jī)三軸姿態(tài)和加速度變化曲線

由試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果可知，該定位方案在x軸方向上的誤差精度約為0.28 m，在y軸方向上的誤差精度約為0.41 m，在z軸方向上的誤差約為0.31 m，其在各軸上的誤差變化與仿真分析結(jié)果基本相符，表明了仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)也表明了該基于SINS 的采煤機(jī)的動(dòng)態(tài)定姿技術(shù)對采煤機(jī)井下位置、姿態(tài)定位的適用性。

5 結(jié)輪

1）在該定位方案下，其運(yùn)行時(shí)的定位精度約為0.43 m，其姿態(tài)定位精度約為0.6°，完全能夠滿足對采煤機(jī)自動(dòng)化控制定位精度的要求。

2）該定位方案在x軸方向上的誤差精度約為0.28 m，在y軸方向上的誤差精度約為0.41 m，在z軸方向上的誤差約為0.31 m，定位精度好，姿態(tài)追蹤穩(wěn)定性高。

3）仿真分析結(jié)果和試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果吻合度高，表明了該基于SINS 的采煤機(jī)的動(dòng)態(tài)定姿技術(shù)對采煤機(jī)井下位置、姿態(tài)定位的適用性。