采煤机动态精准定位方法研究
发布时间：2019-11-30 00:46
【摘要】：采煤机自主导航定位技术是实现智能化无人(或少人)长壁综采工作面的关键技术之一,其对采煤机滚筒的自动调高和刮板运输机的自动调直具有重要意义。惯性导航系统(INS)与里程计相融合的组合定位方法的研究表明此方法对于长壁综采工作面采煤机自主导航的可行性,但是其定位精度还不能满足工作面采煤机动态精准定位的需求。因此需要深入研究惯性导航系统和里程计相融合的组合定位误差产生原因及消除方法。本文依据大量模拟采煤机运行轨迹所测得的定位数据,分析得出在定位装置初始化时便引入了安装偏差和初始对准偏差这两种确定性偏差,其对定位精度产生了近似线性影响,必须最大限度予以消除。在此基础上,建立了采煤机定位误差模型,研究了确定性偏差对定位精度的影响规律,并获得了确定性偏差补偿方法。试验表明此方法可以将确定性偏差有效消减,补偿之后在北、东、天三个方向的最大定位误差分别减小为0.22m、0.18m和0.12m,球概率误差减小为0.11m。通过模拟采煤机四次截割运行轨迹的定位试验,获得其误差还受姿态角的漂移影响,且航向角的漂移远大于俯仰角的漂移,导致了在东北方向的定位精度远低于天方向的定位精度。通过仿真试验,发现累积性的航向角漂移对定位精度的影响呈现非线性化,而且误差增长率随时间的增加而增大,当漂移变大时,变化率的增长更为明显,致使定位轨迹与实际轨迹发生了形状变化。为减小这些影响,根据采煤机的运行特点,建立了利用工作面推进距离作为非完整约束条件的闭合路径最优估计误差补偿模型与方法,并进行试验研究。试验表明第二次、第三次和第四次截割运行北方向误差分别由约束前的0.43m、0.95m和1.03m降低为0.49m、0.52m和0.76m,东方向误差分别由0.37m、1.46m和1.40m降低为0.29m、0.65m和0.81m,球概率误差分别由0.24m、0.72m和0.67m降低为0.22m、0.35m和0.39m。东北方向定位精度提升了近50%,显示出了对工作面推进方向良好的约束效果,降低了惯性导航系统航向角漂移对工作面推进方向上定位精度的影响,在多次截割完成后仍可保持较高精度,提升了采煤机定位装置的定位精度。
【图文】：
Research Organization)的 Reid 将惯导技术在露天采煤机开展应用研究。研究者首先对 INS 进行了 4.5 小时长时间的漂移实验，发现东方向与北方向的位置误差大致在 0.5m 左右，高度方向的误差在 1m 左右。相对于航向信息来说，姿态角信息很稳定，其变化不像位置信息那样受振动太大的影响。由于纯惯性系统漂移的原因，定位精度不能满足定位要求，根据 INS 航向精度的稳定性，Reid 提出了一种将 INS 的航向信息与外部传感器的测距信息相结合的思路，以达到更高定位精度，这种方式避免了加速度计输出值两次积分带来的累积误差，同时也摆脱了使用零速矫正的弊端。2001 年，Reid 及其研究团队将惯性导航技术在长壁工作面进行了应用实验研究[45-48]。ACARP（Australian Coal Association Research Program）启动了一项为期三年的“Landmark”计划，旨在提高长壁工作面的自动化水平。到 2003 年，其开发的采煤机位置实时测量显示系统已初步完成，并安装在采煤机上进行井下测试。INS 的稳定定位技术通常依赖外部位置和速度信息，此系统中将里程计的速度信息引入用以矫正纯惯导系统下速度误差，进而提高位置精度。图 1.1 为长壁采煤机位姿测量系统及内部联系图。
图 1.3 采煤机定位定姿装置Fig 1.3 Shearer positioning and attitude device1.3.2 定位误差分析优化（Positioning ErrorAnalysis and Optimization）由于惯性导航技术的自主性和可靠性使得此技术在恶劣的煤矿井下应用成为可能，但是惯性导航的漂移误差随时间的增长而加大，因此实现惯导技术在采煤机定位中的完美应用首先需要对其误差进行补偿。现有的惯性导航误差补偿方法主要有：利用 GIS 技术的地图匹配算法[57]、基于最优估计理论滤波算法[58]、运动学模型辅助惯导的误差减小方法[59-61]。利用 GIS 技术的地图匹配算法是在采煤机运动轨道上开发与定位有关的轨道地图数据库，将已知的采煤机运动路线的数学特征与地图数据库中的轨道特征相比较，从而确定采煤机位置和运动轨迹，，并校正惯性导航的误差，实现地图匹配。基于最优估计理论的估计算法是利用惯性导航系统的误差方程，以最小误差滤波的方法为基础，对惯性导航的姿态信息、速度信息、位置信息进行最优估计，
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD421.6
【图文】：
Research Organization)的 Reid 将惯导技术在露天采煤机开展应用研究。研究者首先对 INS 进行了 4.5 小时长时间的漂移实验，发现东方向与北方向的位置误差大致在 0.5m 左右，高度方向的误差在 1m 左右。相对于航向信息来说，姿态角信息很稳定，其变化不像位置信息那样受振动太大的影响。由于纯惯性系统漂移的原因，定位精度不能满足定位要求，根据 INS 航向精度的稳定性，Reid 提出了一种将 INS 的航向信息与外部传感器的测距信息相结合的思路，以达到更高定位精度，这种方式避免了加速度计输出值两次积分带来的累积误差，同时也摆脱了使用零速矫正的弊端。2001 年，Reid 及其研究团队将惯性导航技术在长壁工作面进行了应用实验研究[45-48]。ACARP（Australian Coal Association Research Program）启动了一项为期三年的“Landmark”计划，旨在提高长壁工作面的自动化水平。到 2003 年，其开发的采煤机位置实时测量显示系统已初步完成，并安装在采煤机上进行井下测试。INS 的稳定定位技术通常依赖外部位置和速度信息，此系统中将里程计的速度信息引入用以矫正纯惯导系统下速度误差，进而提高位置精度。图 1.1 为长壁采煤机位姿测量系统及内部联系图。
图 1.3 采煤机定位定姿装置Fig 1.3 Shearer positioning and attitude device1.3.2 定位误差分析优化（Positioning ErrorAnalysis and Optimization）由于惯性导航技术的自主性和可靠性使得此技术在恶劣的煤矿井下应用成为可能，但是惯性导航的漂移误差随时间的增长而加大，因此实现惯导技术在采煤机定位中的完美应用首先需要对其误差进行补偿。现有的惯性导航误差补偿方法主要有：利用 GIS 技术的地图匹配算法[57]、基于最优估计理论滤波算法[58]、运动学模型辅助惯导的误差减小方法[59-61]。利用 GIS 技术的地图匹配算法是在采煤机运动轨道上开发与定位有关的轨道地图数据库，将已知的采煤机运动路线的数学特征与地图数据库中的轨道特征相比较，从而确定采煤机位置和运动轨迹，，并校正惯性导航的误差，实现地图匹配。基于最优估计理论的估计算法是利用惯性导航系统的误差方程，以最小误差滤波的方法为基础，对惯性导航的姿态信息、速度信息、位置信息进行最优估计，
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD421.6
【参考文献】
相关期刊论文 前10条
1 Ralston Jonathon C.;Reid David C.;Dunn Mark T.;Hainsworth David W.;;Longwall automation: Delivering enabling technology to achieve safer and more productive underground mining[J];International Journal of Mining Science and Technology;2015年06期
2 张智U
本文编号：2567688
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