懸臂式掘進(jìn)機(jī)慣性測(cè)量系統(tǒng)的改進(jìn)與試驗(yàn)

張國(guó)喜

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司大陽(yáng)煤礦分公司，山西 晉城 048000）

近十年中，我國(guó)煤炭工業(yè)發(fā)生了由“粗放式”向“精細(xì)化”的轉(zhuǎn)變，但隨著采深的日益增加，部分老礦井的采深已經(jīng)突破1 000 m，其危險(xiǎn)系數(shù)大、工作環(huán)境惡劣等不利條件日益嚴(yán)峻。因此，對(duì)綜掘工作面的無(wú)人作業(yè)技術(shù)的研究迫在眉睫。懸臂式掘進(jìn)機(jī)是巷道挖掘的重要設(shè)備，如何提高懸臂式掘進(jìn)機(jī)的控制精度、檢測(cè)位姿狀態(tài)是實(shí)現(xiàn)采掘設(shè)備自動(dòng)化、智能化、無(wú)人化的前提，也對(duì)提高企業(yè)生產(chǎn)效率、保障員工安全有重要意義。

1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)的位姿及慣性導(dǎo)航技術(shù)

目前，懸臂式掘進(jìn)機(jī)在煤礦井下作業(yè)時(shí)，光電技術(shù)是最為常見的自動(dòng)導(dǎo)航定位技術(shù)之一[2-3]。掘進(jìn)機(jī)司機(jī)以礦用激光指示燈投射在截割斷面上的光束為基準(zhǔn)，操作掘進(jìn)機(jī)按照截割曲線示意圖連續(xù)擺動(dòng)完成工作，見圖1。光電技術(shù)雖然具有技術(shù)成熟、定位精準(zhǔn)、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，但也存在環(huán)境適應(yīng)性差、光源易受灰塵（水霧）等影響的缺點(diǎn)。為了更好地指導(dǎo)懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行截割作業(yè)，慣性導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

圖1 光電技術(shù)下懸臂式掘進(jìn)機(jī)井下截割工作

1.1 掘進(jìn)機(jī)位姿

懸臂式掘進(jìn)機(jī)在巷道內(nèi)進(jìn)行截割工作時(shí)出現(xiàn)的各種位置變化、姿態(tài)調(diào)整稱之為掘進(jìn)機(jī)的位姿。而如何實(shí)現(xiàn)懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿的精準(zhǔn)測(cè)量是綜掘工作面實(shí)現(xiàn)無(wú)人化生產(chǎn)的關(guān)鍵。在礦井掘進(jìn)過(guò)程中，將從俯視、側(cè)視、后視三個(gè)角度對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行觀察，從而設(shè)定路線操作掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行挖掘、行走，見圖2。

圖2 掘進(jìn)機(jī)位姿視圖

1.2 掘進(jìn)機(jī)慣性導(dǎo)航技術(shù)

慣性測(cè)量技術(shù)由于其精度高、檢測(cè)速度快被廣泛用于井下掘進(jìn)機(jī)位姿的檢測(cè)和導(dǎo)航。該技術(shù)主要包括陀螺儀、加速度計(jì)、里程計(jì)、導(dǎo)航計(jì)算模塊等慣性測(cè)量元件，是通過(guò)計(jì)算來(lái)實(shí)時(shí)確定掘進(jìn)機(jī)位姿、自主式推算的導(dǎo)航系統(tǒng)。圖3（a）中慣性測(cè)量系統(tǒng)通常由3 組速率陀螺和加速度計(jì)正交安裝組成，每組加速度計(jì)在前、陀螺儀在后，分別安裝在六面體上，再通過(guò)減振器或直接與掘進(jìn)機(jī)固定連接。其中，陀螺儀用于測(cè)量掘進(jìn)機(jī)三向運(yùn)動(dòng)的角速度ωbib=（ωbxib，ωbyib，ωbzib），加速度計(jì)則通過(guò)動(dòng)態(tài)測(cè)量掘進(jìn)機(jī)各方向上的力fb=（fbx，fby，fbz）計(jì)算出運(yùn)動(dòng)加速度ab=(abx，aby，abz)，確定掘進(jìn)機(jī)的實(shí)時(shí)位姿。

圖3 懸臂式掘進(jìn)機(jī)慣性導(dǎo)航技術(shù)

圖3（b）中“控制/顯示”系統(tǒng)用于掘進(jìn)機(jī)慣性導(dǎo)航技術(shù)的初始化參數(shù)輸入 ，然后傳輸給導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，根據(jù)掘進(jìn)機(jī)行走狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示導(dǎo)航參數(shù)和界面，最后將計(jì)算所得的數(shù)據(jù)傳遞于懸臂式掘進(jìn)機(jī)實(shí)現(xiàn)自主式的運(yùn)動(dòng)和截割控制。

2 零速修正技術(shù)的車載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

由于懸臂式掘進(jìn)機(jī)在作業(yè)過(guò)程中存在低速、長(zhǎng)時(shí)、移動(dòng)距離短的特點(diǎn)，且對(duì)精度要求較高，達(dá)到厘米級(jí)。傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航技術(shù)在用于巷道掘進(jìn)時(shí)仍在多方面面臨較大挑戰(zhàn)。

為了更好地改善掘進(jìn)機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的精度問題，盧志勇等人提出了零速修正技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)利用慣性系統(tǒng)部件誤差模型進(jìn)行自動(dòng)校正，在保留慣性部件較強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了車載定位精度的提高，在掘進(jìn)機(jī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中有良好的應(yīng)用前景。

2.1 零速修正技術(shù)導(dǎo)航原理

零速修正技術(shù)是一種誤差補(bǔ)償?shù)男Ｕ夹g(shù)，其提高系統(tǒng)精度的原理在于該技術(shù)可以有效消除慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由于長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)而累積的誤差。當(dāng)懸臂式掘進(jìn)機(jī)停車時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)速度誤差的觀測(cè)量將以車體的慣性系統(tǒng)速度輸出作為參照源，對(duì)掘進(jìn)機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的定位參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償校準(zhǔn)。參考相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，利用停車點(diǎn)的速度作為測(cè)量依據(jù)，還可以對(duì)噪聲及時(shí)間因素引起的相關(guān)誤差源得到修正。

零速修正技術(shù)的計(jì)算方式多種，使用方法最多的方法是二次曲線擬合法。該方法簡(jiǎn)單高效，可以在掘進(jìn)機(jī)較短的停車間隔內(nèi)精準(zhǔn)高效地?cái)M合出慣性導(dǎo)航系統(tǒng)速度誤差曲線，再經(jīng)過(guò)積分得到位置的誤差曲線，最后與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的位置輸出求和，計(jì)算得修正位置，表達(dá)式為：

式中：V為停車時(shí)速度觀測(cè)值；a為系數(shù)；t為停車時(shí)刻。

3 工業(yè)性試驗(yàn)

為了驗(yàn)證零速修正技術(shù)在懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)下的準(zhǔn)確性和適用性，本次工業(yè)性試驗(yàn)將在山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司大陽(yáng)煤礦分公司（以下簡(jiǎn)稱大陽(yáng)煤礦）進(jìn)行，掘進(jìn)設(shè)備為EBZ-160懸臂式掘進(jìn)機(jī)。

3.1 掘進(jìn)機(jī)截割工藝

2017年7月，根據(jù)大陽(yáng)煤礦采掘計(jì)劃，開采的四采區(qū)為3號(hào)煤層，為本井田第一層可采煤層，上下空間均無(wú)采空區(qū)分布。截割頭由巷道一側(cè)底部進(jìn)刀深度400～600 mm，然后在巷道內(nèi)水平擺動(dòng)截割，周邊留煤200～300 mm，每水平截割一次抬高400～600 mm，按照截割曲線示意圖連續(xù)擺動(dòng)至初步成形，截割完一個(gè)循環(huán)后，修整周邊達(dá)到設(shè)計(jì)要求，循環(huán)進(jìn)尺為0.9 m。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

本次試驗(yàn)總設(shè)計(jì)時(shí)長(zhǎng)為12.5h，分別對(duì)大陽(yáng)煤礦EBZ-160掘進(jìn)機(jī)在零速修正技術(shù)使用前和使用后兩種結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)內(nèi)容包括空載和切割兩種工況。掘進(jìn)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，行走系統(tǒng)將為零速修正技術(shù)提供零速信號(hào)，修正間隔設(shè)定在1.0～1.5 min；掘進(jìn)機(jī)慣導(dǎo)系統(tǒng)的精準(zhǔn)度的評(píng)測(cè)基準(zhǔn)由全站儀測(cè)定的慣性導(dǎo)航位置決定；兩種方案的對(duì)比由掘進(jìn)機(jī)誤差的位置偏差量決定，為提高試驗(yàn)精確性，選取北向偏差與東向偏移量為共同參考目標(biāo)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

圖4（a）、（b）分別為掘進(jìn)機(jī)慣導(dǎo)系統(tǒng)使用零速修正法前后，多向偏移誤差隨時(shí)間變化的示意圖。兩次試驗(yàn)中，共分四階段進(jìn)行。第一階段為掘進(jìn)機(jī)啟動(dòng)后的前1h，此時(shí)為掘進(jìn)機(jī)空載運(yùn)動(dòng)。可以看出零速修正技術(shù)未介入時(shí)，掘進(jìn)機(jī)每時(shí)間間隔的偏移誤差介于+0.1～-0.2 m之間； 零速修正技術(shù)介入后，偏移誤差穩(wěn)定在+0.1～-0.1 m之間，起到了一定的校正效果。第二階段為1～4h，此時(shí)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)入截割作業(yè)，分析認(rèn)為受震動(dòng)影響，未進(jìn)行零速修正的掘進(jìn)機(jī)慣道系統(tǒng)出現(xiàn)較大偏移，最大偏移量達(dá)到0.37 m；零速修正后的掘進(jìn)機(jī)偏移雖較空載運(yùn)動(dòng)時(shí)誤差略有增加，但仍可控制在±0.15 m之內(nèi)，說(shuō)明該技術(shù)對(duì)截割作業(yè)的作用更明顯。第三階段4～5.5h，為掘進(jìn)機(jī)空載運(yùn)動(dòng)，控制效果與第一階段結(jié)果相近。第四階段5.5～6.25h，為掘進(jìn)機(jī)第二次截割作業(yè)，慣導(dǎo)系統(tǒng)未進(jìn)行零速修正時(shí)，東向偏移上升明顯，總體誤差量在±0.2 m；零速修正技術(shù)介入時(shí)，誤差偏移回歸在±0.1 m之間。

圖4 慣導(dǎo)系統(tǒng)偏差趨勢(shì)

4 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿及慣性導(dǎo)航技術(shù)的特點(diǎn)分析，慣導(dǎo)技術(shù)雖具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、范圍廣的特點(diǎn)，但在低速、長(zhǎng)時(shí)、短距離的井下作業(yè)時(shí)，存在精度差問題。加之懸臂式掘進(jìn)機(jī)在作業(yè)中會(huì)出現(xiàn)側(cè)滑、橫擺、甩尾等情況，也會(huì)對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿測(cè)量產(chǎn)生誤差。

2）零速修正技術(shù)是一種誤差補(bǔ)償?shù)男Ｕ夹g(shù)，可以有效消除慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由于長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)而累積的誤差。

3）根據(jù)大陽(yáng)煤礦EBZ-160懸臂式掘進(jìn)機(jī)的工業(yè)性試驗(yàn)，零速修正技術(shù)可將掘進(jìn)機(jī)空載運(yùn)動(dòng)時(shí)的偏移誤差控制在±0.1 m以內(nèi)；截割作業(yè)時(shí)的偏移誤差控制在0.15 m以內(nèi)，較傳統(tǒng)慣導(dǎo)系統(tǒng)的精確性提升明顯。