采煤機采區(qū)定位定姿技術(shù)

崔 宇

（大同煤礦集團地煤公司馬口煤礦綜采隊， 山西 大同 037001）

引言

高效安全生產(chǎn)一直是煤炭企業(yè)追求的目標(biāo)，機械化、自動化是煤礦機械發(fā)展的方向。采煤機、液壓支架、刮板輸送機是綜采工作面最重要的三種設(shè)備，簡稱“三機”，其中以采煤機為主導(dǎo)，三者互相配合實現(xiàn)煤炭的開采，它們的工作效率直接決定了煤礦生產(chǎn)的效率[1]。采煤機在工作時沿刮板輸送機的軌道進行往復(fù)式割煤，液壓支架對頂板進行支護，目前大多數(shù)煤礦生產(chǎn)中是由人工手動控制三種設(shè)備聯(lián)動，實現(xiàn)煤炭開采的機械化，但離自動化生產(chǎn)還有一段距離。采煤機的位置和姿態(tài)能直接反映出液壓支架與刮板輸送機的工作狀態(tài)，可以為三機聯(lián)動提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，因此采煤機采區(qū)的實時定位定姿監(jiān)測是實現(xiàn)自動化生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，是實現(xiàn)綜采工作面自動化、少人化生產(chǎn)的基礎(chǔ)。

1 采煤機定位定姿技術(shù)

從20世紀80年代以來，為了實現(xiàn)采煤機采區(qū)的定位定姿，眾多科研人員提出了多種方法，主要有以下幾種。

1.1 基于紅外的采煤機定位技術(shù)

采煤機在運行過程中，由安裝在采煤機上的紅外發(fā)射裝置發(fā)射脈沖信號，液壓支架上安裝紅外接收裝置，根據(jù)接收到的脈沖信號，定位出采煤機相對液壓支架的位置。這種方法定位精度不高，容易受到粉塵等遮擋物影響導(dǎo)致信號無法接收，另外液壓支架在實際生產(chǎn)中移動頻繁，不能實時對采煤機位置進行準(zhǔn)確監(jiān)測[2]。

1.2 基于超聲波的采煤機定位技術(shù)

使用超聲波測距傳感器定位采煤機的工作位置，原理與使用紅外傳感器的采煤機定位技術(shù)基本一致，區(qū)別在于超聲波可以穿透粉塵，鏡頭不需要清洗。超聲波定位的精度也不高，只能作為輔助定位，使用具有局限性。

1.3 基于軌道里程的采煤機定位技術(shù)

這種方法是利用傳感器采集采煤機行走齒輪的轉(zhuǎn)動圈數(shù)信息，通過轉(zhuǎn)動圈數(shù)乘以齒輪分度圓周長計算出采煤機在管板輸送機軌道上的行走距離，與液壓支架的架間距進行對比，確定采煤機的實際位置。該方法只能用來定位采煤機沿刮板輸送機軌道方向的一維位置，且受齒輪計數(shù)誤差的影響，不能滿足采煤機精確定位定姿的要求。

1.4 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的采煤機定位技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是分布式智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在綜采工作面布置大量具有通信和計算能力的無線傳感器，通過無線信號監(jiān)測采煤機與液壓支架間的位置關(guān)系，解算出采煤機的實際位置。這種方法成本低，定位精度較高，但是由于工作區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，液壓支架頻繁移動，容易出現(xiàn)信號衰減或無信號情況，在監(jiān)測的實時性上還需進一步提高[3]。

1.5 基于慣性導(dǎo)航的采煤機定位技術(shù)

慣性導(dǎo)航技術(shù)是一種自主式導(dǎo)航技術(shù)，通過安裝在采煤機上的陀螺儀及加速度計，測量采煤機的實時角加速度和線性加速度，解算出采煤機的運動狀態(tài)信息，再經(jīng)過坐標(biāo)變換得到采煤機的實時位置。這種方法不需外加信號，定位精度高，可以得到采煤機的三維位置信息，但在長時間工作后由于累積誤差使精度變差，需要采用綜合導(dǎo)航技術(shù)進行修正[4]。

2 捷聯(lián)慣導(dǎo)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組合定位定姿原理

各種采煤機定位定姿方法都有各自的優(yōu)缺點，將捷聯(lián)慣導(dǎo)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合起來，組成組合定位定姿系統(tǒng)，可以克服單系統(tǒng)的缺點，取長補短，以更好滿足自動化生產(chǎn)的要求。

2.1 采煤機姿態(tài)表達

采煤機的姿態(tài)主要是靠俯仰角、橫滾角和偏航角表示的，如圖1所示。

圖1 采煤機姿態(tài)角

圖1-1表示采煤機在工作面方向上與當(dāng)?shù)厮矫鎶A角即采煤機的俯仰角，圖1-2表示采煤機在工作面推進方向上與當(dāng)?shù)厮矫娴膴A角即采煤機的橫滾角，圖1-3表示采煤機沿工作面方向上與正北方向的夾角即采煤機的偏航角。

捷聯(lián)慣導(dǎo)技術(shù)是依靠安裝在采煤機上的慣性傳感器，測量采煤機的加速度并進行兩次積分運算，從而得到采煤機的位置狀態(tài)。由于傳感器與采煤機固連，通過積分運算直接得到的采煤機信息是在載體坐標(biāo)系下的位置信息，為了整個綜采工作面信息統(tǒng)一，還需進行坐標(biāo)系變換將采煤機的位置信息由載體坐標(biāo)系變換到當(dāng)?shù)鼗鶞?zhǔn)坐標(biāo)系下。坐標(biāo)系變換如圖2所示。

圖2 坐標(biāo)系變化示意圖

其中OXbYbZb是載體坐標(biāo)系，OXoYoZo是當(dāng)?shù)鼗鶞?zhǔn)坐標(biāo)系，載體坐標(biāo)系經(jīng)過三次旋轉(zhuǎn)后與基準(zhǔn)坐標(biāo)系重合，三次旋轉(zhuǎn)的角度就是采煤機的俯仰角θ、橫滾角γ和偏航角ψ。三次旋轉(zhuǎn)的變換矩陣分別為：

從載體坐標(biāo)系變換到基準(zhǔn)坐標(biāo)系的公式為：

采煤機上任意點的位置，可以通過式（4）轉(zhuǎn)換到基準(zhǔn)坐標(biāo)系中。

2.2 捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)（SINS）原理

捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)原理如圖3所示。固連在采煤機上的陀螺儀、加速度計軸線與采煤機各軸線高度重合，實時測量出的角加速度參數(shù)和加速度參數(shù)通過數(shù)學(xué)運算，解算出姿態(tài)角信息，并與初始姿態(tài)信息進行比對，可以得到采煤機的實時姿態(tài)及位置信息。

圖3 捷聯(lián)慣導(dǎo)原理圖

2.3 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)（WSN）原理

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用新型的UWB（超寬帶）技術(shù)，與傳統(tǒng)的紅外、超聲波、WIFI等無線信號相比，多徑分辨率高，定位精度好，信號衰減少。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中已知的位置節(jié)點稱作錨節(jié)點，固連在液壓支架上，待定位節(jié)點稱作移動節(jié)點，固連在采煤機機身上。采煤機機身上的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器以一定頻率向周圍發(fā)射無線信號，通過液壓支架接收信號，進行耦合，在無線信號域和位置空間域內(nèi)進行對偶映射，來解算采煤機的實時位置。無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的布置如下頁圖4所示。

2.4 捷聯(lián)慣導(dǎo)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組合定位定姿系統(tǒng)

單獨采用捷聯(lián)慣導(dǎo)導(dǎo)航技術(shù)，可以在短期內(nèi)實現(xiàn)采煤機的快速精確定位定姿，但在長期運行中，受到積分累積誤差的影響，定位結(jié)果會產(chǎn)生發(fā)散；單獨使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)，不會產(chǎn)生累積誤差，但會受到錨節(jié)點偏移等情況的干擾，產(chǎn)生誤差。因此考慮將兩種系統(tǒng)進行組合同時對采煤機進行定位定姿，系統(tǒng)原理如圖5所示。

圖4 無線網(wǎng)絡(luò)傳感器布置圖

圖5 組合系統(tǒng)定位定姿原理

采煤機的定姿由捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)完成，實時更新，定位由捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)共同完成，采用基于信賴度的組合定位算法對結(jié)果進行校正，輸出可信的位置信息。

3 基于信賴度的組合定位算法

定義閾值σ1和σ2（σ1＜σ2），當(dāng)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位后，當(dāng)前時刻與前一時刻的結(jié)果差值ΔPWSN（位置增量）小于等于σ1時，認為結(jié)果可信；當(dāng)σ1＜ΔPWSN≤σ2時，認為結(jié)果存在一定誤差，此時需要與捷聯(lián)慣導(dǎo)的定位數(shù)據(jù)組合進行校正；當(dāng)ΔPWSN＞σ2時，此時認為結(jié)果完全不可信，使用捷聯(lián)慣導(dǎo)定位結(jié)果作為輸出值。定義信賴度因子μ∈[0，1]，該因子的計算公式為：

捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)隨之時間的累積誤差逐漸增大，運行時間超過τ秒后，累積誤差無法接受，需要重新進行對準(zhǔn)，此時認為結(jié)果完全不可信，定義信賴度因子η∈[0，1]，其計算公式為：

根據(jù)對兩種系統(tǒng)的分析，組合系統(tǒng)的定位算法為：

4 結(jié)語

綜采工作面的自動化生產(chǎn)離不開采煤機精確定位定姿技術(shù)的支持，基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組合采煤機定位定姿系統(tǒng)，克服了單系統(tǒng)的缺點，增加了系統(tǒng)冗余度，有較好的應(yīng)用前景。