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基于IMU捷联惯导技术的巷道掘进机测姿系统研究

2024-12-27 73 上传者：管理员

摘要：为提升巷道掘进机定位导航精度和掘进施工效率、降低工人劳动强度、提高巷道成形质量，在没有卫星导航信号辅助的情况下，煤矿巷道掘进机的姿态检测是实现其智能、安全、高效、精准作业的关键。采用低成本的惯性测量单元（IMU）捷联惯导单元，通过研究悬臂式巷道掘进机测姿简化模型和测姿方法，设计悬臂式巷道掘进机测姿系统，实现巷道掘进机姿态的实时计算。模型能够快速、准确地计算出掘进机姿态角及位置结果，实现煤矿综合采掘面恶劣环境下的掘进机姿态及位置的在线监测。

关键词：
IMU捷联惯导
巷道掘进机
智能化
智能化技术
测姿
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巷道掘进机作为一种广泛使用的采掘设备具有极其重要的地位｡在煤矿井下生产过程中,掘进人员需要面临顶板冒落､瓦斯异常涌出(突出)､侧帮垮落等风险,而且高温､高粉尘及高湿度环境会给作业人员身体健康带来严重威胁｡巷道掘进机的技术发展和进步对于发展综合机械化掘进､提高掘进效率､保障矿井安全生产以及降低工人劳动强度具有重要意义[1] ｡

为推动智能化技术与煤炭产业融合发展,提升煤矿智能化水平,促进我国煤炭工业高质量发展,2020 年 2 月,由国家发展改革委､能源局､应急部､煤监局､工信部､财政部､科技部､教育部 8 部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》｡鼓励应用自动定向及导航等先进技术与装备和掘进设备精准导航和位姿监测系统,根据位置､姿态变化进行自主调整和纠偏,适应巷道断面变化及底板起伏等地质条件,使掘进工作面生产系统具有智能感知､自主决策和自动控制的功能,实现掘进装备自主定位､少人或无人化､系统高效协同运行｡其中巷道掘进机位姿参数检测是实现自动定向及导航的基础[2] ｡

1、IMU 捷联惯导工作原理

(1)惯性定位技

惯性定位技术是一种利用物体惯性这一基本属性进行位置和姿态估计的综合性技术,建立在惯性原理基础之上,不需要任何外部信息,也不向外辐射任何信息,仅依靠惯性系统本身即可在全天候､全环境下进行无源､自主､连续的三维定位和定姿｡惯性定位系统基于惯性传感器实现,主要分为平台式惯导和捷联式惯导｡平台式惯导能够隔离载体角运动干扰,系统精度高,但结构复杂成本高;而捷联式惯导直接将传感器安装在载体上,架构简单维护方便, 但于扰信息较多｡捷联式惯导在民用领域应用最为广泛[3] ｡

IMU 捷联惯导系统是一种基于惯性测量单元 (IMU)的导航系统,可以实现无需外部信息源的高精度定位和姿态测量｡

(2)悬臂式巷道掘进机作业及结构

煤矿巷道综合机械化掘进采用悬臂式掘进机进行落煤､装煤,通过输送机输煤,使用风机进行压入式通风,采用除尘风机降尘,是一种快速高效灵活的掘进方式｡其中,悬臂式掘进机是一种集截割､装运､降尘等功能为一体的大型高效联合作业机械设备,能够实现各类工况下的连续巷道掘进[4] ｡

悬臂式掘进机是巷道综掘施工的关键设备,主要由截割部､前铲板､转运部､回转台､机体部､行走部､后支撑､液压泵站部分等组成｡某纵轴悬臂式掘进机结构组成如图 1 所示｡

图1 纵轴悬臂式掘进机结构组成

2、悬臂式巷道掘进机测姿简化模型建立

载体坐标系(b 系,XbYbZb)具体到巷道掘进机设备本体,巷道掘进机回转中心为坐标原点 O,坐标系 X 轴指向掘进机前进方向,坐标系 Z 轴垂直于巷道平面向上,坐标系 Y 轴向右垂直 XOZ 平面｡在惯性导航系统位姿测量中以坐标位置替代掘进机实际运行状况,如图 2 所示｡

图2 巷道掘进机载体坐标系模型

根据悬臂式巷道掘进机的结构特点以及IMU 捷联惯导工作原理,测姿系统建立三维坐标,将悬臂式掘进机姿态的变化为三自由度的刚体定轴旋转, 定义 3 个姿态角:航向角 ψ､横滚角 γ､俯仰角 θ,描述掘进机具体的空间指向[5] ｡掘进机转动角度由载体坐标系(b 系,XbYbZb)与导航坐标系(n 系,XnYnZn) 之间的角位置关系决定,如图 3 所示｡

图3 悬臂式掘进机坐标简化模型

在悬臂式巷道掘进机作业前进过程中,截割头是最重要的工作部件,因此重点关注截割头的位置, 以载体坐标系(b 系,XbYbZb)为基础,得到截割头坐标(Xc,Yc,Zc),如图 4 所示｡综上悬臂式巷道掘进机位姿信息主要包括:车身姿态航向角 ψ､横滚角 γ､俯仰角 θ､截割头坐标(Xc,Yc,Zc)｡

图4 悬臂式掘进机截割头坐标

3、IMU 捷联惯导悬臂式掘进机测姿方法

基于IMU 捷联惯导悬臂式掘进机测姿方法研究是在 IMU 硬件基础上(惯性传感器､磁力计),检测掘进机 X､Y､Z 三个维度的角速度､加速度及磁航向数据,通过设计位置及姿态算法,得到掘进机在巷道内的准确姿态信息,以用于掘进机进一步的智能化控制,为实现掘进机的自动作业提供位置数据支撑｡

IMU 捷联惯导系统的姿态信息演算基本原理如图 5 所示,惯性传感器直接固联在目标载体掘进机上,通过陀螺仪测得掘进机角速度信息,计算得到载体坐标系(b 系,XbYbZb)相对于导航坐标系(n 系, XnYnZn)的姿态转换矩阵,在此基础上将加速度计中的加速度信息转换至导航坐标系,进行系统运动速度和位置参数的积分计算,同时采用加速度对载体姿态进行修正并提取载体的姿态信息,实现目标载体的位置和姿态估计｡最终计算得到车身坐标(Xb, Yb,Zb)､截割头坐标(Xc,Yc,Zc)､车身姿态航向角 ψ､横滚角 γ､俯仰角 θ,用于悬臂式巷道掘进姿态控制及智能作业｡

图5 捷联惯导悬臂式巷道掘进机测姿方法

4、悬臂式巷道掘进机测姿系统设计及测试

在巷道掘进机上部的电控箱内安装IMU 捷联惯性测量单元｡设计控制系统,以采集 IMU 捷联惯性测量单元的数据并进行处理､显示,悬臂式巷道掘进机测姿系统基本结构如图 6 所示｡

图6 悬臂式巷道掘进机测姿系统基本结构

结合悬臂式巷道掘进机测姿简化模型和测姿方法,系统的控制器是核心的数据采集及计算部件,通过 RS485 通信采集 IMU 捷联惯性测量单元的数据, 并在内部通过程序进行数据转换及计算,得到掘进机姿态数据及位置数据｡上位机与控制器通过以太网通信,获得数据并进行界面设计显示,可以在监控中心监视掘进机运行数据｡

在测试环境中,通过悬臂式巷道掘进机测姿系统可以得到控制系统需要的掘进机姿态数据及截割头的位置坐标,如表 1 所示｡根据控制需要,在系统中显示出截割臂的俯仰角､回转角,如图 7 所示｡

表1 悬臂式巷道掘进机试验姿态数据及位置坐标

图7 悬臂式巷道掘进机测姿系统显示界面

5、结语

本文采用低成本的IMU 捷联惯导单元对巷道掘进机姿态数据进行检测,通过研究悬臂式巷道掘进机测姿简化模型和测姿方法,设计悬臂式巷道掘进机测姿系统,实现巷道掘进机姿态的实时计算,能够快速､准确地计算出掘进机姿态角及位置结果,实现煤矿综合采掘面恶劣环境下的掘进机姿态及位置的在线监测,并进行了试验测试得到计算结果｡

参考文献:

[1]毛君,杨润坤,谢苗,等. 煤矿智能快速掘进关键技术研究现状及展望[J]. 煤炭学报,2024,49(2):1214-1229.

[2]范杰轩. 巷道掘进机智能化技术探索与研究[J]. 山东煤炭科技, 2022,40(2):120-122.

[3]王浩然,王宏伟,李正龙,等. 基于捷联惯导与差速里程计的掘进机组合定位方法[J]. 工矿自动化,2022,48(9):148-156.

[4]杨健健,张强,王超,等. 煤矿掘进机的机器人化研究现状与发展 [J]. 煤炭学报,2020,45(8):2995-3005.

[5]严恭敏,翁浚. 捷联惯导算法与组合导航原理[M]. 西安:西北工业大学出版社,2023

基金资助:湖南省教育厅科学研究项目(23C0506);

文章来源:许名熠,廖敏辉,黄炳,等.基于IMU捷联惯导技术的巷道掘进机测姿系统研究[J].煤矿机械,2025,46(01):66-68.