礦井掘進(jìn)機(jī)自主定位仿真模擬及應(yīng)用研究

郜 亞 男

（山西蘭花科創(chuàng)股份有限公司大陽煤礦分公司，山西 晉城 048000）

0 引 言

目前一些學(xué)者、專家對(duì)煤礦掘進(jìn)機(jī)自主定位進(jìn)行了探討、研究，例如吳淼團(tuán)隊(duì)[1]利用激光指示器引導(dǎo)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行定向掘進(jìn)研究，但這種方法只能達(dá)到一定的定向功能，不能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的精確定位；文獻(xiàn)[2]提出了一種基于超寬帶技術(shù)的掘進(jìn)機(jī)自走式定位方法，但該方法在Z 軸上的誤差不能滿足煤礦巷道工程的質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范。在文獻(xiàn)[3]介紹了一種基于全站儀的機(jī)身位姿參數(shù)測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以使用全站儀精確測量掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)角（偏轉(zhuǎn)角，仰角和側(cè)傾角），但沒有進(jìn)行深入的研究。文獻(xiàn)[4]提出了基于GPS 檢測確定掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)參數(shù)的方法，但是該方法的最大測量距離僅為40m，無法遠(yuǎn)程測量。迄今為止，雖然國內(nèi)外對(duì)煤巖巷掘進(jìn)機(jī)的檢測和自主定位方法進(jìn)行了相關(guān)研究。但是，由于井下巷道條件復(fù)雜多變、環(huán)境惡劣，容易影響自動(dòng)測量結(jié)果，導(dǎo)致測量精度低。煤礦綜掘工作面的實(shí)際應(yīng)用效果尚未達(dá)到理想的技術(shù)水平。

在當(dāng)今高精度測量功能技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了一種基于仿真模擬指導(dǎo)巷道掘進(jìn)機(jī)自主定位系統(tǒng)。從礦井實(shí)際條件、測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、自主定位原理等方面出發(fā)，建立了Matlab 自校準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型，仿真軟件根據(jù)現(xiàn)場測量模擬和精度分析，實(shí)現(xiàn)了綜掘機(jī)在掘進(jìn)過程中的自主定位，為礦井快速、精準(zhǔn)掘進(jìn)巷道提供了理論指導(dǎo)。

1 掘進(jìn)機(jī)定位系統(tǒng)組成

礦井掘進(jìn)機(jī)的機(jī)位姿測量系統(tǒng)主要用于井下巷道開挖自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的自主定位、位姿檢測、激光定位以及全站儀的自主校準(zhǔn)等功能[5]。其中，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)期間激光定位示意如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)期間激光定位示意

礦井掘進(jìn)機(jī)定位系統(tǒng)包括一個(gè)高精度自動(dòng)全站儀，一個(gè)自動(dòng)調(diào)平儀器平臺(tái)，一個(gè)機(jī)載測量棱鏡，一個(gè)后視棱鏡，一個(gè)臺(tái)式定位棱鏡和一臺(tái)終端控制平臺(tái)，系統(tǒng)各個(gè)結(jié)構(gòu)共同作用實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)自主定位巷道掘進(jìn)功能。

2 自主定位原理

在掘進(jìn)機(jī)的激光測量系統(tǒng)中，自動(dòng)全站儀的自動(dòng)校準(zhǔn)是掘進(jìn)機(jī)無人操作實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵[6]。目前，對(duì)掘進(jìn)機(jī)自主定位的研究較少，沒有真正的自主無人掘進(jìn)機(jī)。隨著掘進(jìn)機(jī)的不斷進(jìn)步，機(jī)載測量棱鏡與掘進(jìn)機(jī)之間的距離不斷增大。在井下工作條件復(fù)雜的情況下，測量誤差不斷增大，最終導(dǎo)致導(dǎo)向系統(tǒng)失效，而自動(dòng)全站儀校準(zhǔn)必須手工完成，它不僅難以安裝，在進(jìn)行校準(zhǔn)的過程中需要很長時(shí)間，不利于煤礦的安全生產(chǎn)。在快速換檔過程中，通過自動(dòng)調(diào)平儀平臺(tái)的快速懸掛功能，在距離自動(dòng)全站儀一定距離的前巷道頂板的任何位置安裝三個(gè)自動(dòng)調(diào)平儀表平臺(tái)。為方便說明，初步選擇為A，B，C 三點(diǎn)。自動(dòng)調(diào)平儀平臺(tái)B 和C 分別安裝后視棱鏡和工位定位棱鏡，并進(jìn)行自動(dòng)調(diào)平操作。自動(dòng)調(diào)平完成后，自動(dòng)全站儀精確測量測量點(diǎn)的位置坐標(biāo)；自動(dòng)全站儀轉(zhuǎn)移到A 點(diǎn)自動(dòng)調(diào)平儀平臺(tái)，自動(dòng)調(diào)平操作。在自動(dòng)調(diào)平完成后，自動(dòng)全站儀確定站點(diǎn)后，根據(jù)激光線自動(dòng)移動(dòng)位置坐標(biāo)，在移動(dòng)的過程中快速換擋和站點(diǎn)自主定位、校準(zhǔn)，這整個(gè)過程便是礦井掘進(jìn)機(jī)自主定位的基本原理，詳見圖2 所示。

圖2 掘進(jìn)機(jī)自主移動(dòng)及定位原理

3 Matlab 仿真模擬研究

為探索該系統(tǒng)定位誤差的分布規(guī)律，利用Matlab仿真對(duì)該方法實(shí)現(xiàn)的過程進(jìn)行了仿真。根據(jù)以上分析和研究，掘進(jìn)機(jī)自校準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型的初始測量參數(shù)為全站儀測量的方位角和距離，選擇校準(zhǔn)棱鏡間距和校準(zhǔn)距離兩個(gè)因子。采用站點(diǎn)誤差分布規(guī)律，選擇校準(zhǔn)距離和測量距離，研究掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)角的誤差分布規(guī)律。假設(shè)掘進(jìn)機(jī)的前進(jìn)方向?yàn)閄 軸，規(guī)定X 軸為正，模擬計(jì)算從X 軸20～60m 的負(fù)方向開始，其中每距離1m進(jìn)行一次，在相應(yīng)的影響因素下得到自主定位誤差的仿真結(jié)果。在20～60m 方向上每1m 選擇一個(gè)測量點(diǎn)，以及對(duì)掘進(jìn)機(jī)位置誤差進(jìn)行模擬計(jì)算，通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析獲得相應(yīng)的影響因素。其中，軸仿真與站點(diǎn)誤差值隨標(biāo)定距離分布情況的仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 軸仿真與站點(diǎn)誤差值隨標(biāo)定距離分布情況

仿真結(jié)果表明，該自主定位方法可以檢測不同測量位置的全站儀設(shè)置站，但存在一定的測量誤差。其中，在X 軸的誤差值大于Y 軸的誤差，表明巷道方向的誤差相對(duì)較大，精度較低。各軸的誤差值隨著校準(zhǔn)距離的增加而增大。站點(diǎn)誤差隨校準(zhǔn)棱鏡間距的增大而減小，隨校準(zhǔn)距離的增加而增大。當(dāng)校準(zhǔn)距離超過35m 的范圍時(shí)，校準(zhǔn)棱鏡間距對(duì)現(xiàn)場誤差幾乎沒有影響。當(dāng)校準(zhǔn)距離為60m 時(shí)，站點(diǎn)誤差最大，最大值為0.19mm。自校準(zhǔn)后，Matlab 仿真自動(dòng)全站儀在掘進(jìn)機(jī)上計(jì)算出的位姿誤差仿真結(jié)果如圖4 所示。

仿真結(jié)果表明，隨著測距和校準(zhǔn)距離的增大，航向角誤差大于俯仰角和側(cè)傾角，但滿足煤礦巷道工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范。最大航向角是校準(zhǔn)距離和測量距離。兩者均在60m 的情況下獲得，最大值為0.0157°；姿態(tài)角誤差隨著測量距離和校準(zhǔn)距離的增加而增大，測量距離對(duì)姿態(tài)角誤差影響更為明顯，因此提出了一種相對(duì)優(yōu)化的自主定位策略。校準(zhǔn)距離和測量距離均較大，是60m。

當(dāng)全站儀執(zhí)行多個(gè)獨(dú)立校準(zhǔn)時(shí)，可以從設(shè)置站點(diǎn)坐標(biāo)的解決方案過程看出。從圖5 可以看出，站1 的坐標(biāo)由校準(zhǔn)點(diǎn)1 和2 確定，并且可以測量校準(zhǔn)點(diǎn)3 和4 的坐標(biāo)。然后，全站儀移動(dòng)到站2，并且由于站2 的坐標(biāo)通過觀察站2 到校準(zhǔn)點(diǎn)3 和4 的距離和角度來校準(zhǔn)，校準(zhǔn)點(diǎn)3 和4 的坐標(biāo)是當(dāng)設(shè)置站2 的坐標(biāo)誤差變化規(guī)律和站1 的坐標(biāo)誤差變化規(guī)律相同。當(dāng)校準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)為真時(shí)，設(shè)置站的定位精度和第一次校準(zhǔn)的定位精度的變化是一致的。

圖4 掘進(jìn)機(jī)自主定位姿態(tài)角仿真模擬結(jié)果

圖5 掘進(jìn)機(jī)自主定位設(shè)站、移站、標(biāo)定流程示意

4 井下應(yīng)用

帶有自主定位系統(tǒng)的掘進(jìn)機(jī)在井下半煤巖巷進(jìn)行了工業(yè)性實(shí)踐。掘進(jìn)機(jī)在自主定位作用下，與設(shè)計(jì)值相比，掘出的巷道兩幫誤差均值為301.6mm，單邊誤差均值為150.5mm，均小于人工操作誤差均值。機(jī)身初始位置在巷道中心線上，無明顯偏差，單邊定位精度小于30mm，回轉(zhuǎn)定位精度小于15mm，連續(xù)完成斷面截割和掃底動(dòng)作，自主定位截割運(yùn)行效果良好，截割的斷面完全滿足使用要求。在掘進(jìn)過程中，掘進(jìn)機(jī)未出現(xiàn)機(jī)械故障。人工操作至少需要人數(shù)為8 人，在自主定位技術(shù)下，人員數(shù)量5 人即可進(jìn)行巷道掘進(jìn)。實(shí)現(xiàn)了快速掘進(jìn)，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了巷道斷面質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

5 結(jié) 論

1）礦井掘進(jìn)機(jī)定位系統(tǒng)由高精度自動(dòng)全站儀、自動(dòng)調(diào)平儀、棱鏡和控制平臺(tái)構(gòu)成，系統(tǒng)各個(gè)結(jié)構(gòu)共同作用實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)自主定位巷道掘進(jìn)功能，自主定位的基本原理是自動(dòng)調(diào)平儀棱鏡自動(dòng)調(diào)節(jié)，全站儀測量站點(diǎn)位置，激光線對(duì)準(zhǔn)站點(diǎn)，控制平臺(tái)控制移動(dòng)、快速換擋和、校準(zhǔn)。

2）采用Matlab 仿真軟件模擬分析了掘進(jìn)機(jī)自主定位的軸誤差與站點(diǎn)誤差值隨標(biāo)定距離分布規(guī)律、姿態(tài)角分布情況、校準(zhǔn)效果，模擬表明自主定位對(duì)掘進(jìn)機(jī)精準(zhǔn)掘進(jìn)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

3）掘進(jìn)機(jī)在自主定位系統(tǒng)作用下掘進(jìn)半煤巖巷，掘進(jìn)斷面質(zhì)量好，減小了操作人員數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了快速掘進(jìn)，為礦井掘進(jìn)效率奠定了基礎(chǔ)。