懸臂式掘進(jìn)機(jī)慣性定位技術(shù)研究與試驗*

田原

(1. 中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006；2. 山西天地煤機(jī)裝備有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

煤礦巷道尤其是主巷道對巷道成型精度有較高的要求，標(biāo)準(zhǔn)《煤炭井巷工程質(zhì)量驗收規(guī)范》GB 50213—2010中規(guī)定“基礎(chǔ)掘進(jìn)斷面規(guī)格的允許偏差為-25 mm～+150 mm”[1]。掘進(jìn)機(jī)作為巷道成型的主要裝備，其定位精度對巷道成型精度有直接影響，考慮到掘進(jìn)機(jī)裝配和控制精度、惡劣工況等因素，通常在截割作業(yè)的執(zhí)行環(huán)節(jié)會產(chǎn)生較大偏差，故掘進(jìn)機(jī)定位檢測精度必須達(dá)到厘米級，姿態(tài)和航向檢測精度達(dá)到角分級，才有可能達(dá)到規(guī)范要求的巷道斷面邊界精度[2]。

近十余年來，掘進(jìn)機(jī)導(dǎo)航定位技術(shù)以光電技術(shù)為主[3-9]，其優(yōu)點是在一定范圍內(nèi)定位精度高。由于掘進(jìn)工作面應(yīng)用時存在一定的環(huán)境適應(yīng)性問題，如低能見度、防護(hù)困難等，而慣性導(dǎo)航技術(shù)卻具有很好的環(huán)境適應(yīng)性，又不依賴外部信息的自主檢測能力，故近年來慣性導(dǎo)航技術(shù)用于掘進(jìn)機(jī)導(dǎo)航的研究成為了熱點，但慣性導(dǎo)航技術(shù)存在長時定位精度差的問題(純慣導(dǎo)系統(tǒng)定位偏差超過1 852 m/h)，因此，研究工作的重點集中在基于慣性器件的組合導(dǎo)航技術(shù)方面[10-14]，以彌補(bǔ)這一不足。從組合方式來看，主要是慣性技術(shù)與機(jī)器視覺、超聲波測距、激光掃描等技術(shù)的組合，雖然在一定程度上彌補(bǔ)了慣性技術(shù)長時定位精度差的不足，但帶入了機(jī)器視覺和激光掃描等光電技術(shù)，環(huán)境適應(yīng)性的問題仍然未能解決。超聲波測距被用于檢測掘進(jìn)機(jī)機(jī)身與巷道側(cè)壁之間的距離，巷道側(cè)壁的不規(guī)則對其檢測結(jié)果的可靠性有較大影響。

零速修正技術(shù)利用慣性器件誤差模型進(jìn)行自動修正，可以提高定位精度，在車載慣性導(dǎo)航技術(shù)中有較廣泛的應(yīng)用[15-18]，它在提高定位精度的同時保留了慣性器件環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點。為了驗證慣性導(dǎo)航技術(shù)用于掘進(jìn)機(jī)定位導(dǎo)航時的定位精度，了解掘進(jìn)機(jī)不同工況對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的影響，本文從分析掘進(jìn)作業(yè)方式和掘進(jìn)機(jī)運動特點入手，建立了掘進(jìn)機(jī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，完成了掘進(jìn)機(jī)慣性導(dǎo)航工業(yè)性試驗。

1 掘進(jìn)機(jī)運動特點分析

零速修正即利用載體停車時慣性系統(tǒng)的速度輸出作為系統(tǒng)速度誤差的觀測量，進(jìn)而對其他各項誤差實現(xiàn)校正。文獻(xiàn)表明，零速修正通過停車點的速度測量，可以對時間相關(guān)的誤差源充分修正[15-18]。由于慣性系統(tǒng)的定位偏差隨運行時間延長而增加，故零速修正法應(yīng)用的特點是，兩次修正之間的間隔時間越短，定位精度越高。

對掘進(jìn)機(jī)而言，其運動方式大致可分為連續(xù)行進(jìn)、連續(xù)截割、短距頻繁進(jìn)退和長時間靜置4種。機(jī)位調(diào)動時需要掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行連續(xù)較長距離的移動，移動速度約為6～10 m/min，其間需要不時停車以整理電纜；截割作業(yè)時則是短距間斷行進(jìn)模式，截割時處于停車狀態(tài)，一個斷面截割完成后，短距前進(jìn)后再停車截割；截割作業(yè)期間，為了修整斷面邊界，掘進(jìn)機(jī)按照短距頻繁進(jìn)退模式運動；掘進(jìn)機(jī)完成2～3個斷面截割循環(huán)后，需要后撤5～10 m，讓出支護(hù)操作空間，按照“探-掘-支-錨-運”的掘進(jìn)工作面作業(yè)工藝，掘進(jìn)機(jī)大部分時間處于靜置狀態(tài)。掘進(jìn)機(jī)的工作節(jié)拍能接受數(shù)分鐘甚至數(shù)十秒的停車間隔，這為掘進(jìn)機(jī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通過較頻繁的零速修正提高其定位精度到“厘米”級提供了可能。如圖1所示，掘進(jìn)機(jī)各種運動模式可互相轉(zhuǎn)換，在連續(xù)行進(jìn)期間可進(jìn)行多次零速修正以保證慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度，多次修正后，通過慣性導(dǎo)航系統(tǒng)初始化消除累積誤差。截割作業(yè)和短距頻繁進(jìn)退模式下也可采用上述方式保持定位精度和消除累積誤差。

圖1 掘進(jìn)機(jī)運動模式及定位誤差修正方式

2 掘進(jìn)機(jī)慣性定位系統(tǒng)組成

掘進(jìn)機(jī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)備主要由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、掘進(jìn)機(jī)機(jī)載控制/顯示模塊、掘進(jìn)機(jī)行走系統(tǒng)等部分組成，如圖2所示。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由加速度計、陀螺儀和導(dǎo)航計算模塊組成，實時檢測掘進(jìn)機(jī)的空間位置及航姿參數(shù)。掘進(jìn)機(jī)機(jī)載控制/顯示模塊實時顯示導(dǎo)航參數(shù)和圖形化導(dǎo)航界面，除顯示導(dǎo)航參數(shù)外，掘進(jìn)機(jī)機(jī)載控制/顯示模塊完成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的初始化參數(shù)輸入，并可將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的導(dǎo)航數(shù)據(jù)用于掘進(jìn)機(jī)運動和截割控制。掘進(jìn)機(jī)行走系統(tǒng)為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供掘進(jìn)機(jī)停車信號，以便慣性導(dǎo)航系統(tǒng)完成周期性零速修正。

圖2 掘進(jìn)機(jī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組成

3 試驗及數(shù)據(jù)分析

為了驗證零速修正方法在掘進(jìn)工況下的有效性，搭載PHINS SURFACE慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的掘進(jìn)機(jī)在鄂爾多斯某煤礦進(jìn)行了工業(yè)性試驗并進(jìn)行了標(biāo)定試驗。試驗中，通過零速修正算法提高系統(tǒng)定位精度，零速信號由掘進(jìn)機(jī)行走系統(tǒng)提供，修正間隔約為60 s，修正時間約為20 s。利用全站儀測定慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的位置，作為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度評價的參考基準(zhǔn)，其中，全站儀的方位測量基準(zhǔn)為正北方向，以掘進(jìn)機(jī)初始位置為位置基準(zhǔn)，全站儀測量時間與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測量時間嚴(yán)格對準(zhǔn)。

試驗初始化階段，全站儀測量慣性導(dǎo)航系統(tǒng)空間位置，將其輸入慣性導(dǎo)航系統(tǒng)作為初始位置，將巷道設(shè)計方位角輸入慣性導(dǎo)航系統(tǒng)作為其導(dǎo)航界面上顯示的掘進(jìn)機(jī)的方位控制基準(zhǔn)。

如圖3所示，掘進(jìn)機(jī)行進(jìn)路徑由“1”到“5”，全長約80 m。圖4為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出定位參數(shù)與全站儀測定值對比，采用相對起始點的方式表示，圖中“TS緯距X+”表示全站儀測量的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在北向上前進(jìn)的距離，“Northing+”表示慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的北向前進(jìn)距離，“TS經(jīng)距Y+”表示全站儀測量的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在東向上前進(jìn)的距離，“Easting+”表示慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的東向前進(jìn)距離。

圖3 行走路線

(a) 北向位移對比

(b) 東向位移對比

試驗中，前9組數(shù)據(jù)嚴(yán)格按照60 s間隔進(jìn)行零速修正，第9組與第10組數(shù)據(jù)測量間隔遠(yuǎn)大于60 s(小范圍連續(xù)運動超過10 min)，此外，前9組數(shù)據(jù)對應(yīng)掘進(jìn)機(jī)空載行進(jìn)(即軌跡“1”和“2”，方位角接近正北，大約為181°0′6″)，后2組數(shù)據(jù)對應(yīng)掘進(jìn)機(jī)截割工況(軌跡“5”)。

表1中的數(shù)據(jù)為以出發(fā)位置為基準(zhǔn)的相對定位精度對比，從4個多小時的試驗過程中可以看出慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的定位偏差累積情況：北向定位偏差累積為0.508 m，東向定位偏差則超過5.9 m，這是因為第9和第10個測量點之間修正間隔遠(yuǎn)超過60 s(小范圍連續(xù)運動超過10 min)，造成較大的定位偏差，前9組數(shù)據(jù)測量期間北向定位偏差累積為0.249 m，東向定位偏差累積為0.49 m。

表1 以出發(fā)位置為基準(zhǔn)的相對定位精度對比 m

表2中的數(shù)據(jù)為每一測量點相對上一測量點的定位精度對比，數(shù)據(jù)表明慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在60 s修正間隔時的定位偏差(第9、第10除外)，可以看出11個測量點相對上一測量點的北向和東向平均定位偏差是0.050 8 m和-0.592 9 m，其標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.071 0 m和1.687 4 m，前9個測量點的北向和東向平均定位偏差是0.031 1 m和-0.061 3 m，其標(biāo)準(zhǔn)差分別是0.062 4 m和0.064 0 m，第11測量點相對第10測量點的東向和北向定位偏差分別是-0.054 m和0.093 m，數(shù)據(jù)表明：受振動影響，截割工況的定位偏差高于空載行進(jìn)的定位偏差。

表2 相對上一測量點的定位精度對比 m

4 結(jié)論

本文將PHINS 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)用于掘進(jìn)機(jī)自動定位，利用零速修正法提高其定位精度并完成工業(yè)性試驗，試驗結(jié)果表明：

1) 零速修正間隔為60 s時，北向定位偏差均值約0.031 1 m，東向定位偏差均值約0.061 3 m。

2) 零速修正間隔為60 s時，在約2 h試驗期間，掘進(jìn)機(jī)行進(jìn)約42 m，北向定位偏差累積約為0.249 m，東向定位偏差累積約為0.49 m。

3) 試驗期間，修正間隔遠(yuǎn)大于60 s(小范圍連續(xù)運動超過10 min)時，東向定位偏差超過5 m，北向定位偏差超過0.15 m，表明修正時間間隔延長時，零速修正算法對提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的有效性明顯降低。

4) 受振動影響，截割工況的定位偏差高于空載行進(jìn)的定位偏差。

試驗結(jié)果證明，60 s零速修正間隔在短時間內(nèi)可以滿足掘進(jìn)機(jī)自動截割對定位精度的要求，而長時定位精度若要滿足自動截割要求，還需要進(jìn)一步改進(jìn)零速修正算法或融合其他定位方法。