一種采煤機組合定位系統(tǒng)及實驗研究*

應葆華,李 威,羅成名,楊 海

(中國礦業(yè)大學機電工程學院,江蘇 徐州 221116)

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一種采煤機組合定位系統(tǒng)及實驗研究*

應葆華,李 威*,羅成名,楊 海

(中國礦業(yè)大學機電工程學院,江蘇 徐州 221116)

綜采工作面采煤機定位定姿技術(shù),是液壓支架跟機自動化和采煤機記憶截割的基礎。采用捷聯(lián)慣導監(jiān)測采煤機姿態(tài)、速度及位置等運動參量,結(jié)合無線錨節(jié)點與移動節(jié)點間幾何位置與局域信號對偶映射,建立了捷聯(lián)慣導與無線傳感器網(wǎng)絡耦合模型,采用C#+MATLAB+SQL交互式軟件構(gòu)建了采煤機組合定位系統(tǒng),在采煤機、液壓支架和刮板輸送機“三機”平臺上進行采煤機定位定姿性能研究。實驗結(jié)果表明:捷聯(lián)慣導能夠有效地對采煤機姿態(tài)角度進行監(jiān)測,但是長航時下采煤機位置存在累計誤差,通過無線傳感器網(wǎng)絡位置對捷聯(lián)慣導的位置進行周期性校正,組合定位系統(tǒng)下采煤機X和Y軸平均定位誤差為0.118 m和0.268 m,能夠得到采煤機實時可靠的位置和姿態(tài)。

采煤機;位姿檢測;誤差校正;捷聯(lián)慣導;無線傳感器網(wǎng)絡

綜采工作面是礦井生產(chǎn)的關鍵環(huán)節(jié)之一,其中由采煤機、刮板輸送機和液壓支架組成的采礦“三機”承擔著綜采工作面破煤、運煤和支護等任務[1]。要使得礦井生產(chǎn)安全高效,提高煤礦產(chǎn)量,就必須實現(xiàn)采礦三機的自動化運行[2]。三機自動化運行,是煤炭高效安全開采的關鍵,需要解決設備協(xié)同運行等諸多問題,而其中主要技術(shù)難題之一就是采煤機在綜采工作面的定位[3]。采煤機精確的位置監(jiān)測是實現(xiàn)采煤機、刮板輸送機與液壓支架之間三機聯(lián)動的重要保證,也是采煤機記憶截割技術(shù)的基礎。

綜采工作面采煤機常規(guī)定位方法有齒輪計數(shù)法[4]、紅外對射法[5]以及超聲波反射法[6],但是存在累計誤差、無法連續(xù)監(jiān)測等缺點。捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)SINS(Strapdown Inertial Navigation System)在工作時不依賴外界信息,也不向外界輻射能量,不易受到干擾破壞,是一種自主式導航系統(tǒng),具有數(shù)據(jù)更新率高、數(shù)據(jù)全面以及短時定位精度高等優(yōu)點[7]。但是捷聯(lián)慣導在長時間運行下由于累計誤差導致定位精度嚴重下降,因此需要尋求外部定位方法對其位置結(jié)果進行校正。GPS數(shù)據(jù)穩(wěn)定、定位精度高能夠很好的對SINS進行校準,但是在煤礦井下由于GPS信號不能到達而無法使用[8]。無線傳感器網(wǎng)絡WSN(Wireless Sensor Network)作為集分布式、智能化、網(wǎng)絡化等特點的定位系統(tǒng),在短距離定位領域表現(xiàn)出很大的潛力。目前在煤礦巷道中,基于無線傳感器網(wǎng)絡的人員定位技術(shù)是煤礦安全開采技術(shù)中的重要組成部分,但是單純采用無線傳感器網(wǎng)絡無法提供測量目標的姿態(tài)[9-10]。因此,有必要結(jié)合SINS與WSN的優(yōu)缺點,進行SINS/WSN組合定位技術(shù)下的采煤機定位定姿研究。

1 組合定位模型

本文主要針對SINS采煤機定位系統(tǒng)定位誤差隨時間累積的問題,提出了一種利用WSN的SINS補償校準方法。該方法主要包括三部分,首先,利用SINS實時測量得到的加速度和角速度信息解算出采煤機的位置和姿態(tài)信息;其次,根據(jù)WSN測量得到的TOA數(shù)據(jù)解算出采煤機位置信息;最后進行數(shù)據(jù)融合,在確定時間點上由WSN系統(tǒng)對SINS系統(tǒng)進行實時位置補償校準,其余時刻直接輸出校正后的SINS解算數(shù)據(jù)。該方法能夠很好的補償采煤機SINS定位漂移誤差,定位精度高,穩(wěn)定性好。

圖1 SINS/WSN采煤機組合定位系統(tǒng)框圖

1.1 SINS定位解算

捷聯(lián)慣導系統(tǒng)數(shù)字算法以遞推迭代的形式表示,即采用系統(tǒng)微分方程組的描述形式,將采煤機過去前一時刻的導航信息和最近時刻的慣性器件的采樣值作為輸入,通過對微分方程逐次遞推計算出當前時刻的導航信息。

采煤機姿態(tài)更新的四元數(shù)微分方程為[11]

(1)

采煤機速度更新的微分方程為:

(2)

采煤機位置更新微分方程為

(3)

1.2 WSN定位解算

無線傳感器網(wǎng)絡作為一種分布式定位方法,通過移動節(jié)點與其通信范圍內(nèi)錨節(jié)點間的無線通信來實時采集無線信號,并進行無線節(jié)點信號域與定位子空間域的對偶映射。利用無線測距信號進行位置解算,得到移動節(jié)點的位置信息。同時以采煤機沿工作面運動方向為x軸,采空區(qū)方向為y軸,液壓支架支護高度為z軸,建立綜采工作面采煤機坐標系。

錨節(jié)點集SNs={SN1,SN2,SN3,…,SNn},其對應節(jié)點坐標分別為(xi,yi,zi),(i=1,2,…,n);MN為移動節(jié)點坐標(x0,y0,z0);v為采煤機的牽引速度;h為在采煤機鏈式網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)下錨節(jié)點與移動節(jié)點間的縱向距離;dH為兩錨節(jié)點的中心間距。

則移動節(jié)點與錨節(jié)點間的距離可以表示為:

(4)

式寫成2范數(shù)的形式為:

ri=‖ai-x0‖,i=1,2,…,n

(5)

令移動目標通信范圍內(nèi)有n個錨節(jié)點,在采用TOA測距方式測距計算時可得到n個波達時間,分別為t=[t1,t2,…,tn,]T,i=1,2,…,n,而實際測量過程中總是存在一個誤差εi。

(6)

(7)

采用最小二乘方法可以得到[12]

X=(ATA)-1ATB

(8)

其中

A=2[x2-x1,y2-y1,z2-z1;…;xn-x1,yn-y1,zn-z1]

X=[x,y,z]T

2 定位系統(tǒng)設計

根據(jù)實驗室綜采工作面“三機”實體設備、SINS系統(tǒng)以及WSN定位系統(tǒng)搭建采煤機組合導航實驗平臺。如圖2所示,平臺主要包括采煤機、刮板輸送機、液壓支架、“三機”控制驅(qū)動系統(tǒng)、SINS系統(tǒng)、WSN定位標簽、WSN定位傳感器以及定位主機。其中,SINS系統(tǒng)和WSN定位標簽安裝在采煤機機身上,WSN定位傳感器固定在液壓支架下方。

圖2 三機平臺上SINS/WSN采煤機組合定位實驗

本文采用基于六自由度慣性測量單元的捷聯(lián)慣導系統(tǒng),其中慣性測量單元包括三軸陀螺儀和三軸加速度計。陀螺儀和加速度計輸出的數(shù)據(jù)通過無線藍牙模塊傳給定位主機,波特率為115 200bit/s。WSN系統(tǒng)由一個移動標簽和4個傳感器組成,其中4個傳感器實時接收移動標簽發(fā)射的無線信號,并解算出標簽與各個傳感器間的距離信息,WSN傳感器通過網(wǎng)線與路由器連接,將數(shù)據(jù)上傳至局域網(wǎng)中的主機。

C#結(jié)合了VB,C++,JAVA等編程語言的優(yōu)點,能高效的進行界面、網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫等方面的開發(fā),同時具有高效的數(shù)據(jù)訪問和設備操作能力,但是在對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析時沒有優(yōu)勢[13]。MATLAB具有強大的矩陣運算能力,可實現(xiàn)數(shù)值分析、優(yōu)化、統(tǒng)計、偏微分方程數(shù)值解、信號處理等若干領域的數(shù)學計算,但是MATLAB在圖形界面開發(fā)功能上略顯不足,程序的運行速度也不令人滿意。因此使用C#和MATLAB混合編程將兩者的優(yōu)勢互補,提高系統(tǒng)運行效率。

圖3 SINS/WSN組合定位系統(tǒng)軟件流程圖

本文采用C#+MATLAB+SQL的設計思路設計上位機軟件,構(gòu)建一個采煤機位姿實時監(jiān)測系統(tǒng),具備數(shù)據(jù)采集、實時處理、存儲和查詢的基本功能,能實時監(jiān)測采煤機的位置及姿態(tài)。具體內(nèi)容包括:

①利用MATLAB設計SINS姿態(tài)和位置解算子程序、WSN定位解算子程序,并編譯成DLL文件(動態(tài)鏈接庫)供主界面調(diào)用。

②利用C#設計上位機圖形界面,構(gòu)建數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng),實時采集SINS系統(tǒng)及WSN系統(tǒng)輸出信息,通過調(diào)用MATLAB子程序?qū)崟r解算采煤機位姿信息,并在Chart控件顯示動態(tài)曲線圖,同時將位姿信息存入SQL數(shù)據(jù)庫中,供查詢與分析使用。

3 實驗驗證

結(jié)合采煤機組合定位實驗平臺,在開機運行狀態(tài)下采煤機沿刮板輸送機來回移動,并調(diào)節(jié)采煤機搖臂上升下降模擬截割煤壁操作。捷聯(lián)慣導和無線傳感器網(wǎng)絡均能對采煤機進行三維定位,但是在本實驗的三機定位系統(tǒng)中,由于刮板輸送機是布置在平整的地面使得采煤機Z軸坐標固定已知,因此定位實驗中只研究采煤機X和Y軸方向的實時位置,而不討論Z軸的位置變化。

采煤機三維姿態(tài)角度動態(tài)測試如圖4所示。捷聯(lián)慣導經(jīng)初始對準,其初始橫滾角、俯仰角、偏航角分別為0.015 1rad、-0.011 5rad、0.010 6rad。在采煤機運行過程中,橫滾角、俯仰角和偏航角的最大值分別為0.025rad,0.005rad和0.049rad,而其最小值分別為0.008rad,-0.017rad和0.009rad。表1是采煤機在采樣點時刻三維姿態(tài)角度的測量誤差,實驗結(jié)果表明采煤機橫滾角和俯仰角在測量過程中變化較小,但是偏航角則有一定的增加,因此三軸陀螺儀能夠?qū)Σ擅簷C姿態(tài)角度進行有效監(jiān)測。

圖4 捷聯(lián)慣導下采煤機實時姿態(tài)

表1 捷聯(lián)慣導下采煤機姿態(tài)誤差 單位:rad

圖5所示為采用純捷聯(lián)慣導定位時采煤機位置。采煤機在Y軸方向受到了刮板輸送機的約束,只沿截割方向的X軸運行。從圖5可以看出,隨著采煤機長時間運行,捷聯(lián)慣導對于位置測量具有累計誤差。

圖6為單純采用無線傳感器網(wǎng)絡測量下的采煤機實時位置。由于無線傳感器網(wǎng)絡是根據(jù)移動節(jié)點與通信范圍內(nèi)錨節(jié)點的無線信號進行位置解算的,因此其為一種分布式定位方法而不具有累計誤差。從圖中可以看出,在X軸和Y軸方向,無線傳感器網(wǎng)絡均能對采煤機進行有效的跟蹤測量。但是,由于無線傳感器網(wǎng)絡解算頻率的限制,只能輸出稀疏的位置值,因此無法對采煤機進行連續(xù)實時的定位跟蹤。

圖5 純捷聯(lián)慣導下采煤機實時位置

圖6 純無線傳感器網(wǎng)絡下采煤機位置

圖7 SISN/WSN組合定位下采煤機實時位置

圖7為SINS/WSN組合定位下采煤機實時位置,定位校正周期為5s,即每隔5s利用無線傳感器網(wǎng)絡解算的位置結(jié)果對捷聯(lián)慣導下的位置進行校正。從圖7中可以看出,采用捷聯(lián)慣導和無線傳感器網(wǎng)絡進行組合,不僅能有效解決了捷聯(lián)慣導長時間測量下的位置累計誤差,同時彌補了無線傳感器網(wǎng)絡無法進行實時測量的缺陷,從而形成優(yōu)勢互補與劣勢互堵,提高了采煤機組合定位系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。

表2為不同定位方法下采煤機位置誤差,純SINS下采煤機X和Y軸平均位置誤差為40.1m和72.3m,運行到第6個采樣點時X和Y軸累計誤差高達97.11m和166.50m;而組合定位系統(tǒng)下采煤機X和Y軸平均定位誤差為0.118m和0.268m,不僅消除了純SINS下的累計誤差,而且有效提高了采煤機在X軸和Y軸的定位精度。

表2 不同定位方法下采煤機位置誤差(單位:m)

4 結(jié)論

捷聯(lián)慣導長航時運行下其位置輸出具有累積誤差,而無線傳感器網(wǎng)絡無法提供采煤機姿態(tài)信息,因此提出了一種SINS/WSN下采煤機組合定位定姿方法,通過無線傳感器網(wǎng)絡位置對捷聯(lián)慣導的位置進行周期性校正。實驗結(jié)果表明:單純采用捷聯(lián)慣導系統(tǒng)能夠獲得采煤機的實時三維姿態(tài)和位置數(shù)據(jù),但是其位置隨著時間而發(fā)生嚴重漂移;其次,單純采用無線傳感器網(wǎng)絡能夠?qū)Σ擅簷C進行有效的位置跟蹤,但是其無法獲得采煤機三維姿態(tài)值以及連續(xù)的位置;最后,采用SINS/WSN組合定位,能夠?qū)Σ擅簷C進行位姿同步跟蹤。

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Experimental Study on Combinative Positioning System for Shearer*

YINGBaohua,LIWei*,LUOChengmingandYANGHai

(School of Mechatronic Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China)

Positioning and orientation technology is the basis of hydraulic supports automation machinery-tracked and shearer memory cutting on mechanized mining face.Firstly,shearer attitude,velocity and position can be calculated by strap-down inertial navigation system(SINS).Meanwhile,the duality mapping between the local signal and geometric position is established using the anchor nodes and mobile node under Wireless Sensor Network(WSN).Then,the coupling model of SINS and WSN is built for real-time integrated positioning system of shearer using interactive software of C#+MATLAB+SQL.Experimental research of position and attitude is performed on the three-machine equipment.Results indicate that pure SINS can measure the shearer attitude effectively,while the shearer position exist the cumulative error with long-term under pure SINS.The shearer position of WSN can be used to cyclical correct the shearer position of SINS.The average position error of shearer are 0.118 m and 0.268 m in X and Y direction respectively,which means that the integrated SINS/WSN positioning system can track the position and attitude of shearer effectively.

shearer;position and attitude measurement;error correction;strap-down inertial navigation system;wireless sensor network

應葆華(1989-),男,浙江長興縣人,中國礦業(yè)大學機電工程學院測試計量技術(shù)及儀器專業(yè)碩士研究生,研究方向為采煤機組合定位技術(shù),yingbaohuacumt@163.com;

李 威(1964-),男,江蘇徐州人,博士,中國礦業(yè)大學機電工程學院教授,博士生導師,主要研究方向為機電系統(tǒng)智能控制及檢測應用研究,cmeecumt512@yahoo.com。

項目來源:國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)資助項目(2013AA06A411);江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程(KYLX_1374);江蘇省高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目

2014-07-16 修改日期:2014-11-25

C:7210G;7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.02.020

TN967.2

A

1004-1699(2015)02-0260-05