基于組合定位技術(shù)的采煤機(jī)姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

張俊青

（寧武縣中小企業(yè)服務(wù)中心， 山西 寧武 036700）

引言

作為煤礦井下綜采作業(yè)的核心設(shè)備，采煤機(jī)綜采作業(yè)效率和自動(dòng)化程度直接關(guān)系到綜采面上綜采作業(yè)的效率和經(jīng)濟(jì)性，采煤機(jī)截割作業(yè)時(shí)需要根據(jù)井下不同環(huán)境不斷調(diào)整截割姿態(tài)，滿足截割安全性的需求，因此對(duì)采煤機(jī)截割姿態(tài)的精確監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動(dòng)截割作業(yè)的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的采煤機(jī)姿態(tài)監(jiān)測(cè)方案主要采用捷聯(lián)慣導(dǎo)定位技術(shù)，但該方案需要不斷對(duì)定位精度進(jìn)行修正，避免累積誤差增多，而且只能對(duì)采煤機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行局部定位監(jiān)測(cè)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)絕對(duì)姿態(tài)位姿監(jiān)測(cè)，難以滿足井下采煤機(jī)、液壓支架聯(lián)動(dòng)控制需求，因此本文提出一種基于組合定位技術(shù)的采煤機(jī)姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 組合定位方案

結(jié)合煤礦井下實(shí)際環(huán)境和對(duì)采煤機(jī)截割作業(yè)過(guò)程中的位姿監(jiān)測(cè)需求，本文所提出的全站儀和無(wú)載波通信（UWB）組合定位方案整體結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

在該組合定位方案中，對(duì)全站儀和無(wú)載波通信（UWB）設(shè)備的布置主要是依據(jù)井下地質(zhì)環(huán)境和測(cè)量精確性的需求。在井下運(yùn)輸平巷內(nèi)，能見度高、粉塵濃度低，但空間較為狹小，因此采用了全站儀定位方案來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)載波通信（UWB）固定基站的定位。在綜采面上作業(yè)環(huán)境較為惡劣，能見度低，除了要滿足定位精確性的需求外還需要滿足隨著采煤機(jī)移動(dòng)方便、連續(xù)可靠的定位需求，因此采用了無(wú)載波通信（UWB）定位系統(tǒng)對(duì)各個(gè)定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。在采用該無(wú)載波通信（UWB）對(duì)采煤機(jī)截割作業(yè)姿態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)定位的過(guò)程中需要設(shè)置最少三組定位節(jié)點(diǎn)[2]，以滿足對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中姿態(tài)角的結(jié)算需求，為了提升結(jié)算精度，在采煤機(jī)上同步設(shè)置了傾角傳感器和尋北儀對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)的姿態(tài)角進(jìn)行測(cè)定，滿足定位精確性的需求。

圖1 煤礦井下組合定位技術(shù)方案示意圖

2 采煤機(jī)位姿監(jiān)測(cè)原理

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中采用無(wú)載波通信（UWB）技術(shù)來(lái)對(duì)基站群坐標(biāo)系內(nèi)各個(gè)定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位姿進(jìn)行測(cè)定，然后利用全站儀對(duì)無(wú)載波通信（UWB）基站在系統(tǒng)內(nèi)的絕對(duì)坐標(biāo)位姿進(jìn)行測(cè)定。采煤機(jī)在進(jìn)行截割作業(yè)過(guò)程中機(jī)身位姿和搖臂傾角均會(huì)隨著綜采作業(yè)的進(jìn)行而不斷變化，然后利用傾角傳感器來(lái)對(duì)采煤機(jī)工作過(guò)程中的俯仰角變化情況進(jìn)行測(cè)定，輔以尋北儀即可測(cè)定采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的姿態(tài)，其綜合位姿監(jiān)測(cè)原理如圖2所示[3]。

由圖2可知，在實(shí)際運(yùn)行中采煤機(jī)的位置定位包括采煤機(jī)的姿態(tài)角和采煤機(jī)的空間坐標(biāo)兩個(gè)部分，采煤機(jī)姿態(tài)角的確定是通過(guò)設(shè)置在采煤機(jī)上的傾角傳感器和尋北儀共同確定的，利用尋北儀來(lái)測(cè)量采煤機(jī)的陀螺角的速度變化情況來(lái)確定航向角。利用傾角傳感器，通過(guò)機(jī)身工作時(shí)的振動(dòng)情況來(lái)改變重力軸和靈敏軸之間的夾角，通過(guò)數(shù)據(jù)運(yùn)算處理后，測(cè)出采煤機(jī)機(jī)身的橫滾角和俯仰角，再結(jié)合對(duì)采煤機(jī)航向角的判斷結(jié)果，最終可獲取采煤機(jī)工作時(shí)的姿態(tài)角。采煤機(jī)工作時(shí)的空間坐標(biāo)系則是先利用無(wú)載波通信（UWB）確定基站群的相對(duì)空間位置，然后利用全站儀對(duì)其在井下巷道內(nèi)的絕對(duì)空間位置進(jìn)行測(cè)定，從而滿足在采煤機(jī)運(yùn)行情況下對(duì)其控制位置的精確測(cè)定。

圖2 采煤機(jī)位姿定位原理示意圖

3 位姿檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備布置

為了確保對(duì)采煤機(jī)位姿檢測(cè)的精確性，在布置各類傳感器設(shè)備時(shí)需要根據(jù)煤礦井下的地質(zhì)環(huán)境和測(cè)量需求進(jìn)行靈活的配置[4]，從而確保測(cè)量精確性的需求，各監(jiān)測(cè)設(shè)備的布置如圖3所示。

由圖3可知，無(wú)載波通信（UWB）定位系統(tǒng)的固定基站主要設(shè)置在平巷和綜采面的交叉口的位置，為了滿足對(duì)采煤機(jī)在移動(dòng)狀態(tài)下的可靠定位，在液壓支架的頂部和底部分別設(shè)置有無(wú)載波通信（UWB）定位基站和定位節(jié)點(diǎn)。全站儀設(shè)置在運(yùn)行平巷和運(yùn)輸上山的交叉口處，作為構(gòu)建采煤機(jī)運(yùn)行姿態(tài)監(jiān)測(cè)的絕對(duì)位置坐標(biāo)系。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中姿態(tài)角的可靠監(jiān)測(cè)，尋北儀和傾角傳感器均設(shè)置到采煤機(jī)的機(jī)身位置，為了確保測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，一般選擇安裝在采煤機(jī)搖臂下側(cè)位置，滿足測(cè)量精度和測(cè)量穩(wěn)定性的需求。

為了對(duì)該組合式的采煤機(jī)姿態(tài)監(jiān)測(cè)體系應(yīng)用效果進(jìn)行分析，以某型采煤機(jī)為研究對(duì)象，安裝相應(yīng)的設(shè)備后，對(duì)運(yùn)行過(guò)程中的姿態(tài)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果，采煤機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的絕對(duì)定位精度小于±0.2 m，采煤機(jī)機(jī)身的俯仰角跟蹤精度小于±0.12°，其航向角的跟蹤定位精度小于±0.07°，完全滿足煤礦井下自動(dòng)截割控制時(shí)的定位精度需求，為實(shí)現(xiàn)井下的無(wú)人化綜采作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

圖3 采煤機(jī)位姿監(jiān)測(cè)設(shè)備布置結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

1）該組合定位方案中，對(duì)全站儀和無(wú)載波通信（UWB）設(shè)備的布置主要是依據(jù)井下地質(zhì)環(huán)境和測(cè)量精確性的需求，全站儀設(shè)置在運(yùn)行平巷和運(yùn)輸上山的交叉口處，作為構(gòu)建采煤機(jī)運(yùn)行姿態(tài)監(jiān)測(cè)的絕對(duì)位置坐標(biāo)系，無(wú)載波通信（UWB）定位系統(tǒng)的固定基站主要設(shè)置在平巷和綜采面的交叉口的位置。

2）采煤機(jī)的位置定位包括采煤機(jī)的姿態(tài)角和采煤機(jī)的空間坐標(biāo)兩個(gè)部分，采煤機(jī)姿態(tài)角的確定是通過(guò)設(shè)置在采煤機(jī)上的傾角傳感器和尋北儀共同確定的，絕對(duì)空間位置是通過(guò)全站儀進(jìn)行測(cè)定的，從而滿足在采煤機(jī)運(yùn)行情況下的精確定位需求。

3）采煤機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的絕對(duì)定位精度小于±0.2m，采煤機(jī)機(jī)身的俯仰角跟蹤精度小于±0.12°，其航向角的跟蹤定位精度小于±0.07°，完全滿足煤礦井下自動(dòng)截割控制時(shí)的定位精度需求。