采煤机多惯导冗余定位精度提升方法研究
发布时间：2021-08-10 10:04
采煤机定位技术作为长壁综采工作面智能化开采的关键技术之一,对实现综采工作面液压支架、刮板机、采煤机的“三机”协同工作,以及采煤机截割滚筒的自动调高,刮板机的自动调直至关重要。惯性导航系统（简称惯导,Inertial Navigation System,INS）和轴编码器组合的定位方式是实现采煤机定位的有效方法,但惯性器件的漂移会造成惯导长时间运行的累积误差。在煤矿井下环境中,单一惯导定位精度难以大幅度提升。因此,在现有技术条件下立足惯导本身,在不借助外界信息辅助的情况下进一步提高采煤机惯导定位精度,具有重要的意义。针对此问题,本文进行了多惯导冗余的采煤机定位精度提升方法研究。主要完成了如下工作,并得出了相关结论:1.以惯导与轴编码器组合的采煤机定位技术为基础建立了采煤机多惯导冗余定位模型,以三套惯导的位置信息为状态量,以三套惯导之间的距离为量测量,通过扩展卡尔曼滤波（Extended Kalman Filter,EKF）,对采煤机的位置进行估计,再根据三套惯导的估计位置提出了三套惯导安装于采煤机坐标系坐标轴上时的姿态角解算方法。多惯导冗余定位算法的参量分析表明航向角、俯仰角、惯导之间的...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：105 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
综采工作面示意图(a)及综采三机示意图(b)
）。该系统具有可以接受的定位精度，但其以下几点需要关注：1.定位的有效距离大约为21英尺（6.4m）；2.在不平的地面上激光扫描仪的激光束很容易扫描不到目标靶；3.MCS随着采煤机的推进不能实现自动的跟进；4.激光扫描仪的透镜需要经常清理。（5）基于超声波的采煤机导航与定位1993年，美国矿务局的Strickland等人，测试了超声波测距传感器应用于煤矿井下定位的性能[40]。实验中所使用的装置由24个Polaroid超声波测距传感器按15°的间隔安装在直径为27英寸的玻璃纤维环上，并与一个数据收集和存储的微型计算机相连（如图1-2所示），该环安装在连续采煤机的顶部。这些传感器发送超声波脉冲并解算反射波，并将各种障碍物的角坐标传递给处理计算机。该系统结构简单、坚固、相对廉价、对附近人员无害，有很少的移动部件，并且没有需要清洗的镜头。并且该系统可以透过粉尘和烟雾，因为可以直接集成在采煤机上所以不需要工人一直陪伴着这套系统的使用。该系统的问题有：不同表面的反射特性不同，精度的降低。例如，一些表面会吸收声音的能量而不是将其反射回来，这会导致这些表面的测出值比实际值要远。图1-2安装在玻璃纤维环上的超声波测距传感器Figure1-2Ultrasonicdistancemeasuredsenorinstalledonglassfiberring
1绪论51997年Reid提出使用GroundProbingRadar（GPR）实现露天采煤的侧边导航[41]。该方法是利用煤柱的煤壁返回的强回声测出采煤机机道和前一采煤机机道之间煤层的厚度。该系统使用时发现，天线必须挨近煤壁或是贴上煤壁。为了防止天线受到损坏，测量过程中采煤机不能运动，无法实现连续测量。不过鉴于其较高的测量精度，可作为一种辅助定位的手段。2010年张连昆[42]等提出一种基于超声波的采煤机位置检测系统，如图1-3a所示。超声波发射装置安装在工作面端头桥式转载机的小桥上，以采煤机为超声波检测对象反射超声波,如图1-3b所示。由于非视距问题的存在，该技术具有一定的局限性，并且其定位精度比较低，很难满足工作面自动化的要求[43]。(a)(b)图1-3超声波系统的安装示意(a)俯视图(b)正视图Figure1-3Ultrasonicdistancemeasuredsysteminstallationschematicdiagram(a)Planview(b)Frontview（6）基于惯性的采煤机导航与定位采煤机的惯导定位一般采用的是捷联惯导，基本原理是将陀螺仪以及加速度计固连在采煤机机身上，测量采煤机相对于惯性坐标系的旋转角速度和加速度矢量，然后根据初始时刻载体的位置、速度及姿态，计算以后任一时刻采煤机相对于惯性坐标系的姿态角、速度和位置。对加速度进行一次积分得到采煤机的速度，进行二次积分得到采煤机的位置。经过坐标的变换可以将姿态、速度和位置变换到需要的参考坐标系[44-48]。上世纪80年代起，美国的USBM在煤矿远程控制和自动化方面做出了开拓性的试验，其中煤矿惯性技术测试是重要研究内容，但由于其该系统获得的精度不高，并没有在煤矿展开应用[49-51]。之后为了确定最适合采煤机的定位技术，国立职业安全与健康研究所（NIOSH）的研究人员测试了许多传感器，最终选择了?
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国煤炭工业协会发布《2017煤炭行业发展年度报告》[J]. 煤矿开采. 2018(02)
[2]采煤机惯性导航定位动态零速修正技术[J]. 王世佳,王世博,张博渊,葛世荣. 煤炭学报. 2018(02)
[3]双主惯导对子惯导的高精度传递对准方法[J]. 刘为任,宋高玲,孙伟强,刘超,王宁. 中国惯性技术学报. 2016(05)
[4]基于地平仪的惯性-天文组合导航[J]. 王献忠,张肖,张丽敏. 导航定位学报. 2016(03)
[5]鲁棒性地形匹配/惯性组合导航算法[J]. 程传奇,郝向阳,张振杰,马智刚. 中国惯性技术学报. 2016(02)
[6]基于SINS/轴编码器组合的采煤机定位方法与试验研究[J]. 李昂,郝尚清,王世博,葛兆亮,葛世荣. 煤炭科学技术. 2016(04)
[7]采煤机惯性导航安装偏差对定位误差的影响[J]. 郝尚清,李昂,王世博,葛兆亮,张智喆,葛世荣. 煤炭学报. 2015(08)
[8]综采工作面“三机”控制中设备定位及任务协调研究[J]. 樊启高,李威. 机械工程学报. 2015(09)
[9]基于等式约束卡尔曼的双MIMU行人导航方案[J]. 李佳璇,周广涛,刘晓旭,关劲,程正生. 压电与声光. 2015(02)
[10]一种双惯导组合导航方法[J]. 刘为任,王宁,刘国彬,年海涛,艾光彬. 中国惯性技术学报. 2014(01)
博士论文
[1]捷联惯导系统误差抑制及补偿方法研究[D]. 李久顺.哈尔滨工程大学 2018
[2]微惯性测量系统关键技术研究[D]. 杨金显.哈尔滨工程大学 2008
硕士论文
[1]水下SINS/TAN组合导航系统的地形适配性研究[D]. 周月华.东南大学 2018
[2]采煤机动态精准定位方法研究[D]. 张博渊.中国矿业大学 2017
[3]采煤机采区绝对定位定姿技术研究[D]. 李昂.中国矿业大学 2015
[4]采煤机运行姿态及位置监测的研究[D]. 安美珍.煤炭科学研究总院 2009
本文编号：3333859
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：105 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
综采工作面示意图(a)及综采三机示意图(b)
）。该系统具有可以接受的定位精度，但其以下几点需要关注：1.定位的有效距离大约为21英尺（6.4m）；2.在不平的地面上激光扫描仪的激光束很容易扫描不到目标靶；3.MCS随着采煤机的推进不能实现自动的跟进；4.激光扫描仪的透镜需要经常清理。（5）基于超声波的采煤机导航与定位1993年，美国矿务局的Strickland等人，测试了超声波测距传感器应用于煤矿井下定位的性能[40]。实验中所使用的装置由24个Polaroid超声波测距传感器按15°的间隔安装在直径为27英寸的玻璃纤维环上，并与一个数据收集和存储的微型计算机相连（如图1-2所示），该环安装在连续采煤机的顶部。这些传感器发送超声波脉冲并解算反射波，并将各种障碍物的角坐标传递给处理计算机。该系统结构简单、坚固、相对廉价、对附近人员无害，有很少的移动部件，并且没有需要清洗的镜头。并且该系统可以透过粉尘和烟雾，因为可以直接集成在采煤机上所以不需要工人一直陪伴着这套系统的使用。该系统的问题有：不同表面的反射特性不同，精度的降低。例如，一些表面会吸收声音的能量而不是将其反射回来，这会导致这些表面的测出值比实际值要远。图1-2安装在玻璃纤维环上的超声波测距传感器Figure1-2Ultrasonicdistancemeasuredsenorinstalledonglassfiberring
1绪论51997年Reid提出使用GroundProbingRadar（GPR）实现露天采煤的侧边导航[41]。该方法是利用煤柱的煤壁返回的强回声测出采煤机机道和前一采煤机机道之间煤层的厚度。该系统使用时发现，天线必须挨近煤壁或是贴上煤壁。为了防止天线受到损坏，测量过程中采煤机不能运动，无法实现连续测量。不过鉴于其较高的测量精度，可作为一种辅助定位的手段。2010年张连昆[42]等提出一种基于超声波的采煤机位置检测系统，如图1-3a所示。超声波发射装置安装在工作面端头桥式转载机的小桥上，以采煤机为超声波检测对象反射超声波,如图1-3b所示。由于非视距问题的存在，该技术具有一定的局限性，并且其定位精度比较低，很难满足工作面自动化的要求[43]。(a)(b)图1-3超声波系统的安装示意(a)俯视图(b)正视图Figure1-3Ultrasonicdistancemeasuredsysteminstallationschematicdiagram(a)Planview(b)Frontview（6）基于惯性的采煤机导航与定位采煤机的惯导定位一般采用的是捷联惯导，基本原理是将陀螺仪以及加速度计固连在采煤机机身上，测量采煤机相对于惯性坐标系的旋转角速度和加速度矢量，然后根据初始时刻载体的位置、速度及姿态，计算以后任一时刻采煤机相对于惯性坐标系的姿态角、速度和位置。对加速度进行一次积分得到采煤机的速度，进行二次积分得到采煤机的位置。经过坐标的变换可以将姿态、速度和位置变换到需要的参考坐标系[44-48]。上世纪80年代起，美国的USBM在煤矿远程控制和自动化方面做出了开拓性的试验，其中煤矿惯性技术测试是重要研究内容，但由于其该系统获得的精度不高，并没有在煤矿展开应用[49-51]。之后为了确定最适合采煤机的定位技术，国立职业安全与健康研究所（NIOSH）的研究人员测试了许多传感器，最终选择了?
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国煤炭工业协会发布《2017煤炭行业发展年度报告》[J]. 煤矿开采. 2018(02)
[2]采煤机惯性导航定位动态零速修正技术[J]. 王世佳,王世博,张博渊,葛世荣. 煤炭学报. 2018(02)
[3]双主惯导对子惯导的高精度传递对准方法[J]. 刘为任,宋高玲,孙伟强,刘超,王宁. 中国惯性技术学报. 2016(05)
[4]基于地平仪的惯性-天文组合导航[J]. 王献忠,张肖,张丽敏. 导航定位学报. 2016(03)
[5]鲁棒性地形匹配/惯性组合导航算法[J]. 程传奇,郝向阳,张振杰,马智刚. 中国惯性技术学报. 2016(02)
[6]基于SINS/轴编码器组合的采煤机定位方法与试验研究[J]. 李昂,郝尚清,王世博,葛兆亮,葛世荣. 煤炭科学技术. 2016(04)
[7]采煤机惯性导航安装偏差对定位误差的影响[J]. 郝尚清,李昂,王世博,葛兆亮,张智喆,葛世荣. 煤炭学报. 2015(08)
[8]综采工作面“三机”控制中设备定位及任务协调研究[J]. 樊启高,李威. 机械工程学报. 2015(09)
[9]基于等式约束卡尔曼的双MIMU行人导航方案[J]. 李佳璇,周广涛,刘晓旭,关劲,程正生. 压电与声光. 2015(02)
[10]一种双惯导组合导航方法[J]. 刘为任,王宁,刘国彬,年海涛,艾光彬. 中国惯性技术学报. 2014(01)
博士论文
[1]捷联惯导系统误差抑制及补偿方法研究[D]. 李久顺.哈尔滨工程大学 2018
[2]微惯性测量系统关键技术研究[D]. 杨金显.哈尔滨工程大学 2008
硕士论文
[1]水下SINS/TAN组合导航系统的地形适配性研究[D]. 周月华.东南大学 2018
[2]采煤机动态精准定位方法研究[D]. 张博渊.中国矿业大学 2017
[3]采煤机采区绝对定位定姿技术研究[D]. 李昂.中国矿业大学 2015
[4]采煤机运行姿态及位置监测的研究[D]. 安美珍.煤炭科学研究总院 2009
本文编号：3333859
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