不同慣導(dǎo)間距對(duì)采煤機(jī)定位精度的影響研究

王 興

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦， 山西 呂梁 033602）

引言

采煤機(jī)是礦井開(kāi)采的關(guān)鍵設(shè)備之一，采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)、液壓支架統(tǒng)稱(chēng)為礦井綜采“三機(jī)”，其中采煤機(jī)主要組成包括行走部、截割部、電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及輔助裝置等，對(duì)應(yīng)采煤機(jī)的工作原理是：對(duì)于行走部，行走部包含內(nèi)外牽引兩部分，內(nèi)牽引控制采煤機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度，外牽引可直接驅(qū)使采煤機(jī)移動(dòng)；對(duì)于截割部，截割部包含左、右截割部?jī)刹糠?，可?shí)現(xiàn)采煤機(jī)割煤、落煤、裝煤等作業(yè)工序的完成；對(duì)于電控系統(tǒng)，組成部分有牽引變頻器、高壓開(kāi)關(guān)、電流互感器、變壓器、機(jī)載控制器等，主要控制采煤機(jī)的各種運(yùn)行動(dòng)作，同時(shí)，可對(duì)采煤機(jī)的運(yùn)行和故障狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；對(duì)于液壓系統(tǒng)，包含截割滾筒調(diào)高系統(tǒng)、牽引制動(dòng)系統(tǒng)、破碎調(diào)高系統(tǒng)等，實(shí)際開(kāi)采時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵站吸取液壓油，通過(guò)液壓管路、各閥組為調(diào)高油缸、制動(dòng)器提供充足的液壓動(dòng)力；對(duì)于輔助裝置，有擋煤板、底托架、拖纜裝置、噴霧系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)等[1]。

此外，采煤機(jī)定位方法有超聲波定位法、紅外定位法、齒輪計(jì)數(shù)定位法、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)定位法和慣導(dǎo)定位法等，為保證采煤機(jī)快速準(zhǔn)確定位，完成截割、智能調(diào)高和調(diào)速等工序[2]，本文采用多慣導(dǎo)冗余定位法，分析不同慣導(dǎo)間距對(duì)采煤機(jī)定位精度的影響，進(jìn)而提高采煤機(jī)的定位精度，保證煤礦開(kāi)采的高產(chǎn)高效。

1 采煤機(jī)多慣導(dǎo)冗余定位的原理

采煤機(jī)慣導(dǎo)定位是實(shí)現(xiàn)井下綜采自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)，為克服井下不能接收無(wú)線(xiàn)電信號(hào)及同時(shí)滿(mǎn)足采煤機(jī)定位精度的提升需求和慣導(dǎo)冗余結(jié)構(gòu)的可靠性，多數(shù)采用的是多套慣導(dǎo)系統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)技術(shù)，以組合慣導(dǎo)與軸碼器定位為前提，以慣導(dǎo)間距為約束條件，提出多慣導(dǎo)冗余采煤機(jī)定位的技術(shù)[3]。采煤機(jī)多慣導(dǎo)冗余定位的原理是：采煤機(jī)坐標(biāo)系到導(dǎo)航坐標(biāo)系的方向余弦矩陣可依據(jù)三套慣導(dǎo)輸出的姿態(tài)角計(jì)算取得，采煤機(jī)坐標(biāo)系中的速度可采用軸編碼器計(jì)算取得，接著將采煤機(jī)坐標(biāo)系中的速度利用方向余弦矩陣導(dǎo)入導(dǎo)航坐標(biāo)系中，并積累至三套慣導(dǎo)的初始位置，獲得導(dǎo)航坐標(biāo)系中三套慣導(dǎo)的位置。將此位置信息作為狀態(tài)量，慣導(dǎo)間距引入卡爾曼濾波器，經(jīng)此獲得三套慣導(dǎo)的位置，其中卡爾曼濾波是線(xiàn)性系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過(guò)測(cè)量輸入輸出的數(shù)據(jù)，從而獲得系統(tǒng)狀態(tài)最優(yōu)的算法[4]。本文通過(guò)引入卡爾曼濾波器，并應(yīng)用到多慣導(dǎo)冗余算法的慣導(dǎo)間距中，從而保證獲得的位置輸出更加精確。采煤機(jī)多慣導(dǎo)冗余定位原理的示意圖如圖1 所示。

圖1 采煤機(jī)多慣導(dǎo)冗余定位原理

2 不同慣導(dǎo)間距對(duì)采煤機(jī)定位精度的影響

為研究不同慣導(dǎo)間距對(duì)采煤機(jī)定位精度的影響，本文采用的采煤機(jī)設(shè)計(jì)具體參數(shù)是：運(yùn)行速度為6 m/min，航向角與俯仰角都是0°，模擬時(shí)間1 000 s，且慣導(dǎo)間距離r12=r13，依據(jù)以上的參數(shù)設(shè)計(jì)，三套慣導(dǎo)都在采煤機(jī)平面坐標(biāo)系XbObYb內(nèi)，研究慣導(dǎo)間距從0.1 m 增加至1 m，且每個(gè)變化梯度為0.1 m，對(duì)采煤機(jī)定位精度的影響變化。采煤機(jī)慣導(dǎo)安裝的間距變化示意圖如圖2 所示。

圖2 采煤機(jī)不同慣導(dǎo)間安裝距離的變化示意圖

對(duì)于多慣導(dǎo)冗余算法處理前，由于單一慣導(dǎo)與軸編碼器組合的采煤機(jī)，其導(dǎo)航位算法與三套慣導(dǎo)間距無(wú)關(guān)，因此本質(zhì)上就是一套慣導(dǎo)，精度不會(huì)發(fā)生變化。本文通過(guò)多慣導(dǎo)冗余算法處理前后，得到不同慣導(dǎo)間距離對(duì)采煤機(jī)慣導(dǎo)定位精度的影響曲線(xiàn)圖，如圖3 所示。

圖3 慣導(dǎo)間距對(duì)多慣導(dǎo)冗余算法定位精度的影響曲線(xiàn)

由圖3 可知，對(duì)比多慣導(dǎo)冗余算法處理前后的誤差，三套慣導(dǎo)得到的采煤機(jī)定位精度都有所提升，其中，慣導(dǎo)1（采煤機(jī)）的球概率誤差處理前后分別是0.49 m 和0.31～0.36 m，平均減小34.69%；慣導(dǎo)2的球概率誤差處理前后分別是0.51m 和0.34～0.35 m，平均減小32.02%；慣導(dǎo)3 的球概率誤差處理前后分別是0.47 m 和0.29～0.34 m，平均減小30.40%。此外，經(jīng)多慣導(dǎo)冗余算法處理后，隨著慣導(dǎo)間距的增大，慣導(dǎo)1（采煤機(jī)）、慣導(dǎo)3 的球概率誤差是先減小再增大，在慣導(dǎo)間距是0.2 m 時(shí)，球概率誤差出現(xiàn)最小值；在間距增加至0.3 m 后，球概率誤差逐漸趨于穩(wěn)定。由此對(duì)比可知，在慣導(dǎo)間距為0.2 m 時(shí)，采煤機(jī)的定位精度達(dá)到最高。同樣，多慣導(dǎo)冗余算法處理后，隨著慣導(dǎo)間距的增大，慣導(dǎo)2 在0.3 m 之前的球概率誤差是逐漸增大的，在間距增加至0.3 m 后，同樣趨于穩(wěn)定。

對(duì)比不同慣導(dǎo)之間的距離，得到估計(jì)三角形所在平面法向量平均偏移角度，其變化曲線(xiàn)如圖4 所示。

圖4 不同慣導(dǎo)間距時(shí)估計(jì)三角形所在平面法向量平均偏移角度

由圖4 可知，在慣導(dǎo)間距是0.2 m 時(shí)，平均偏移角度最小，因此，取得平均偏移角度最小值時(shí)慣導(dǎo)間距與取得最小精度值保持一致，但是還存在不同點(diǎn)，就是在慣導(dǎo)間距是0.3 m 位置后，平均偏移角度存在起伏波動(dòng)，而三套慣導(dǎo)的定位精度基本不變，這可能是因?yàn)楣烙?jì)三角形所在平面法向量偏移和估計(jì)三角形位置的偏移共同作用的結(jié)果。

3 結(jié)論

1）經(jīng)多慣導(dǎo)冗余算法處理后，三套慣導(dǎo)得到的采煤機(jī)定位精度都有所提升。

隨著慣導(dǎo)間距的增大，慣導(dǎo)1（采煤機(jī)）、慣導(dǎo)3的球概率誤差是先減小再增大；在慣導(dǎo)間距是0.2 m時(shí)，球概率誤差最??；而慣導(dǎo)2 在0.3 m 之前的球概率誤差是逐漸增大的，但三套慣導(dǎo)都在間距增加至0.3 m 后，誤差趨于穩(wěn)定。

2）在慣導(dǎo)間距是0.2 m 時(shí)，估計(jì)三角形所在平面法向量平均偏移角度最小，同取得最小精度值保持一致。

3）慣導(dǎo)間距是0.2 m 時(shí)，采煤機(jī)的定位精度最高。