智能采運(yùn)機(jī)組自主定位原理與技術(shù)

葛世榮,王世佳,曹 波,王世博,呂嘉晨

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

1954年，英國(guó)將采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)、液壓支架構(gòu)成綜合機(jī)械化長(zhǎng)壁開采機(jī)組，之后它們成為地下煤炭高效開采的主流工藝。21世紀(jì)初，綜采機(jī)組經(jīng)歷了自動(dòng)化階段，目前正向智能化發(fā)展?？偨Y(jié)澳大利亞、美國(guó)和中國(guó)綜采工作面自動(dòng)化和智能化發(fā)展，可以看出，智采工作面裝備運(yùn)行遇到2個(gè)核心問(wèn)題；一是如何控制工作面開采裝備在煤層中自適應(yīng)截割；二是如何保持采運(yùn)機(jī)組在連續(xù)推進(jìn)過(guò)程中的直線度，解決這2個(gè)問(wèn)題必須實(shí)時(shí)獲取采煤機(jī)在工作面空間的準(zhǔn)確定位信息。

高級(jí)智能的地下煤炭采運(yùn)機(jī)組應(yīng)具有自主定位導(dǎo)航、自動(dòng)駕駛、自適截割和自動(dòng)糾偏等4種智能感控能力，其中的自主定位導(dǎo)航技術(shù)極為關(guān)鍵，它支持采煤機(jī)實(shí)時(shí)獲取 定位、自主地圖構(gòu)建、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制，使采運(yùn)機(jī)組能在非結(jié)構(gòu)化的煤層環(huán)境中無(wú)需人工參與而自主運(yùn)行。因此，自主定位技術(shù)是智能采運(yùn)裝備的關(guān)鍵核心技術(shù)，近10 a備受國(guó)內(nèi)外煤炭行業(yè)關(guān)注，成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

在20世紀(jì)80年代末，美國(guó)較早開始研究采煤機(jī)慣導(dǎo)定位技術(shù)。1988年，SAMMARCO等先后開發(fā)了基于光纖陀螺儀、激光陀螺儀的采煤機(jī)機(jī)載航向系統(tǒng)。之后SCHIFFBAUER利用Honeywell的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)開發(fā)了連采機(jī)定位系統(tǒng)。由于當(dāng)時(shí)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的成本高、精度低，加之采用純慣性導(dǎo)航方案，使得定位精度隨著時(shí)間的推移急劇下降。2001年，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(CSIRO，Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization)發(fā)起了“Landmark”項(xiàng)目，開發(fā)了采煤機(jī)位置測(cè)量系統(tǒng)(Shearer Position Measurement System，SPMS)、工作面自動(dòng)調(diào)直(Automated face alignment)等技術(shù)，開發(fā)了LASC(Longwall Automation Steering Committee)裝置，有效解決了影響自動(dòng)化綜采工作面連續(xù)推進(jìn)的工作面調(diào)直問(wèn)題。2008年，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)方新秋等提出基于慣性儀表(微機(jī)械陀螺和加速度計(jì))的采煤機(jī)自主定位系統(tǒng)，之后太原理工大學(xué)、中國(guó)煤炭科工集團(tuán)、遼寧工程技術(shù)大學(xué)、西安科技大學(xué)等機(jī)構(gòu)先后研究了基于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的采煤機(jī)定位導(dǎo)航技術(shù)。筆者團(tuán)隊(duì)在國(guó)家“973”項(xiàng)目和“863”項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的支持下，提出并深入研究了基于工作面煤層地理信息系統(tǒng)的采煤機(jī)自主定位導(dǎo)航技術(shù)。

筆者對(duì)目前國(guó)內(nèi)外采煤機(jī)自主定位技術(shù)進(jìn)行了梳理歸納，基于筆者團(tuán)隊(duì)的研究工作，系統(tǒng)闡述了采煤機(jī)自主定位解算原理及定位誤差補(bǔ)償算法，提出了基于慣導(dǎo)與UWB組合的采煤機(jī)自主精確定位技術(shù)，給出了刮板輸送機(jī)軌跡定位監(jiān)測(cè)算法，為實(shí)現(xiàn)智能采運(yùn)機(jī)組自主定位導(dǎo)航、自動(dòng)駕駛、自適截割和自動(dòng)糾偏提供可借鑒的理論基礎(chǔ)。

1 采煤機(jī)自主定位技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 澳大利亞LASC采煤機(jī)定位技術(shù)

澳大利亞Landmark項(xiàng)目以里程計(jì)輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為基本原理(圖1)，分別利用LN-270型和IXSEA PHINS型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)開發(fā)研制了SPMS-I和SPMS-II兩代采煤機(jī)位置測(cè)量系統(tǒng)。由于慣性導(dǎo)航存在誤差隨時(shí)間快速累計(jì)的缺點(diǎn)，澳大利亞先后利用零速修正技術(shù)、多普勒雷達(dá)輔助技術(shù)、截割工藝輔助技術(shù)、最小方差固定區(qū)間平滑算法等提高采煤機(jī)自主定位精度。以采煤機(jī)位置測(cè)量系統(tǒng)為數(shù)據(jù)源頭，澳大利亞形成了LASC定位系統(tǒng)(圖2)，其基本原理是利用采煤機(jī)位置測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的數(shù)據(jù)生成截割模型，截割模型中的系統(tǒng)曲線在水平方向的投影可用于工作面自動(dòng)找直，在豎直方向的投影結(jié)合采煤機(jī)滾筒高度信息可用于工作面俯仰采控制。LASC技術(shù)自2009年開始商業(yè)化應(yīng)用以來(lái)，已在澳大利亞60%的綜采工作面應(yīng)用，使采煤效率提高了5%～25%。2016年，兗礦集團(tuán)轉(zhuǎn)龍灣煤礦23303工作面首次引進(jìn)澳大利亞LASC技術(shù)，進(jìn)行了液壓支架與刮板輸送機(jī)自動(dòng)校直試驗(yàn)，水平方向測(cè)量精度34 mm，垂直方向測(cè)量精度12 mm，調(diào)直直線度誤差400 mm。

圖1 采煤機(jī)位置測(cè)量系統(tǒng)原理[22]Fig.1 Principle of shearer position measurement system[22]

圖2 LASC綜采工作面自動(dòng)化技術(shù)框架[21]Fig.2 Technical framework of longwall face automation technology in LASC[21]

1.2 筆者團(tuán)隊(duì)的采煤機(jī)定位技術(shù)

筆者團(tuán)隊(duì)借鑒無(wú)人駕駛汽車原理，首先結(jié)合精細(xì)物探技術(shù)構(gòu)建了工作面煤層三維模型(圖3)，以此作為采煤機(jī)定位導(dǎo)航地圖。該煤層模型頂?shù)装迩嬉?.8 m×0.8 m柵格形式存儲(chǔ)，與煤層鉆探數(shù)據(jù)對(duì)比，平均煤厚誤差0.02 m，高程平均誤差±0.125 m。該煤層模型以2000國(guó)家大地坐標(biāo)系為參考坐標(biāo)系，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換可轉(zhuǎn)換為局部東北天地理坐標(biāo)系，作為長(zhǎng)壁綜采工作面導(dǎo)航系統(tǒng)的定位參考坐標(biāo)系。然后開發(fā)了長(zhǎng)壁綜采工作面導(dǎo)航系統(tǒng)(Longwall Mining Workface Navigation System，LMWNS，圖4)，其基本原理是，利用安裝于采煤機(jī)機(jī)身的具有自動(dòng)尋北功能的慣性導(dǎo)航裝置測(cè)量采煤機(jī)機(jī)身的運(yùn)行方位與姿態(tài)、采煤機(jī)行走部軸編碼器和截割部軸編碼器測(cè)量的行走距離和搖臂擺角，通過(guò)相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)在工作面煤層中的定位，獲得采煤機(jī)的運(yùn)行軌跡和截割軌跡。LMWNS-II由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、嵌入式服務(wù)器和電源系統(tǒng)構(gòu)成。

圖3 工作面煤層及煤層頂?shù)装迦S模型[13]Fig.3 Three dimensional model of coal seam and its roof and floor[13]

圖4 長(zhǎng)壁綜采工作面導(dǎo)航系統(tǒng)Fig.4 Longwall mining workface navigation system

1.3 鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司研發(fā)的光纖慣導(dǎo)定位技術(shù)定位技術(shù)

2021年，鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司研發(fā)出基于國(guó)產(chǎn)光纖慣導(dǎo)的采煤機(jī)定位及工作面自動(dòng)調(diào)直系統(tǒng)，如圖5所示。慣導(dǎo)裝置通過(guò)接入采煤機(jī)編碼器數(shù)據(jù)進(jìn)行自主導(dǎo)航和輪廓解算，調(diào)直系統(tǒng)提供可視化操作界面，能夠設(shè)定調(diào)直過(guò)程中的約束條件和調(diào)直目標(biāo)，通過(guò)對(duì)工作面自動(dòng)調(diào)直工藝的研究和分析，系統(tǒng)能夠生成液壓支架控制參數(shù)并控制電控系統(tǒng)按照目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行推溜移架，最終實(shí)現(xiàn)工作面自動(dòng)調(diào)直。工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)定位調(diào)控的刮板輸送機(jī)軌道直線度最大誤差為36 mm，平均誤差為25 mm。

圖5 鄭煤機(jī)研發(fā)的光纖慣導(dǎo)定位系統(tǒng)Fig.5 Fiber optic inertial navigation and positioning system made by Zhengzhou Coal Machine Co.,Ltd．

1.4 北京龍?zhí)锶A遠(yuǎn)公司研發(fā)的采煤機(jī)自主定位技術(shù)

北京龍?zhí)锶A遠(yuǎn)科技有限公司開發(fā)了綜采工作面慣導(dǎo)調(diào)直系統(tǒng)(Face Inertial Navigation Alignment System，F(xiàn)INA)，該系統(tǒng)在采煤機(jī)機(jī)身安裝高精度慣導(dǎo)、行走部軸編碼器、激光雷達(dá)等傳感器，并從集控裝置中讀取采煤機(jī)與電液控制紅外對(duì)射值，利用基于RoS平臺(tái)的SLAM算法(圖6)，定位誤差降低至水平向(北向、東向)3.2 cm/刀煤，天方向誤差為4.9 cm/刀煤。

圖6 龍?zhí)锶A遠(yuǎn)的FINA慣導(dǎo)定位系統(tǒng)Fig.6 FINA positioning system made by Longtianhuayuan Company

綜上所述，以慣性導(dǎo)航作為核心元件構(gòu)建采煤機(jī)定位系統(tǒng)的可行性已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛認(rèn)同。澳大利亞在采煤機(jī)定位技術(shù)方面的研究較早，其采用軍用級(jí)別的高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)各單位均采用消費(fèi)級(jí)的低精度慣性導(dǎo)航作為核心傳感器。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的本質(zhì)缺點(diǎn)是其誤差隨時(shí)間快速累計(jì)，通常情況需要GPS等外部信息源定期校正。因此，為了保證在井下GPS拒止環(huán)境下的長(zhǎng)時(shí)(采煤機(jī)完成1次截割大約需要1 h)定位精度，采煤機(jī)定位誤差消減算法是定位導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

2 采煤機(jī)自主慣導(dǎo)定位算法

采煤機(jī)自主定位系統(tǒng)的2個(gè)基本數(shù)據(jù)來(lái)源是軸編碼器和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。定位系統(tǒng)采用航位推算算法解算采煤機(jī)位置坐標(biāo)。其中，軸編碼器測(cè)量速度信息，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)感知姿態(tài)。由于軸編碼器的測(cè)量精度較高，故采煤機(jī)自主定位系統(tǒng)的誤差主要來(lái)源于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(圖7)。采煤機(jī)自主定位系統(tǒng)的誤差源主要包括兩大類，一類是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)量誤差，另一類是由于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的機(jī)械安裝偏差引起的誤差。由于數(shù)學(xué)模型的誤差和計(jì)算機(jī)算法誤差較小。慣性器件的誤差是造成姿態(tài)測(cè)量，尤其是航向角的測(cè)量誤差的原因，這類誤差屬于隨機(jī)性誤差，可以根據(jù)載體運(yùn)動(dòng)特性，對(duì)其漂移進(jìn)行約束。初始對(duì)準(zhǔn)誤差和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)安裝偏差在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)安裝且尋北完成，屬于定值，稱之為確定性偏差，確定性偏差可以測(cè)量并補(bǔ)償。

圖7 采煤機(jī)自主定位系統(tǒng)誤差來(lái)源Fig.7 Error source of shearer self-positioning system

2.1 基于兩點(diǎn)法的確定性偏差補(bǔ)償算法

圖8 確定性偏差補(bǔ)償算法原理和流程Fig.8 Schematic diagram and flow chart of compensation arithmetic of deterministic deviation

為了驗(yàn)證算法效果，利用圖9所示裝置進(jìn)行定位試驗(yàn)。定位試驗(yàn)裝置包括移動(dòng)小車、GPS-RTK基準(zhǔn)站、GPS-RTK移動(dòng)站、慣性導(dǎo)航定位裝置、軸編碼器和顯示屏等。慣性導(dǎo)航定位裝置放置在移動(dòng)小車上，軸編碼器和移動(dòng)小車輪子通過(guò)聯(lián)軸器連接。顯示屏用來(lái)查看定位裝置輸出數(shù)據(jù)和軌跡等。GPS-RTK基準(zhǔn)站放置在試驗(yàn)區(qū)域中某一點(diǎn)，GPS-RTK移動(dòng)站安裝在移動(dòng)小車，基準(zhǔn)站和移動(dòng)站通過(guò)內(nèi)置電臺(tái)通信。GPS-RTK的平面和高程測(cè)量精度分別為8 mm和15 mm，GPS-RTK移動(dòng)站的軌跡作為準(zhǔn)確軌跡。定位試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償之后，采煤機(jī)定位誤差由12.062 m減小到0.104 m(圖10)。

圖9 試驗(yàn)裝置Fig.9 Experiment device

圖10 確定性偏差補(bǔ)償前后采煤機(jī)定位軌跡與GPS定位軌跡對(duì)比Fig.10 Comparison between tracks of GPS and INS before and after compensation

2.2 隨機(jī)誤差消減算法

采煤機(jī)定位定姿系統(tǒng)的定位精度還受到慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)漂移影響，尤其是航向角的漂移。由于采煤機(jī)以刮板輸送機(jī)為軌道往復(fù)運(yùn)行，其運(yùn)行狀態(tài)處于非完整性約束，無(wú)法像航天載體、水下航行載體那樣利用運(yùn)動(dòng)載體的動(dòng)力學(xué)模型輔助定位，以提高定位精度。但采煤機(jī)非完整性約束條件作為采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)的特殊限制條件，可用于研究采煤機(jī)定位系統(tǒng)的誤差消減算法，以提高其定位精度。

..閉合路徑優(yōu)化模型

根據(jù)綜采工作面開采過(guò)程，采煤機(jī)在綜采工作面上的運(yùn)行過(guò)程如圖11 (a)所示。采煤機(jī)的運(yùn)行軌跡是連續(xù)閉合的循環(huán)軌跡，其運(yùn)行的特殊特點(diǎn)可以作為采煤機(jī)定位過(guò)程中的非完整約束條件使用，以提高采煤機(jī)定位軌跡在工作面推進(jìn)方向上的定位精度。根據(jù)閉合路徑特點(diǎn)和卡爾曼濾波原理，建立采煤機(jī)閉合路徑的最優(yōu)估計(jì)模型，如圖11(b)所示。圖12為試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，由圖12可以看出，使用閉合路徑優(yōu)化模型后，測(cè)量軌跡與GPS-RTK軌跡較為接近。通過(guò)誤差分析，圓概率定位誤差降低了近50%，表明該方法對(duì)采煤機(jī)在工作面推進(jìn)方向良好的約束效果。

..動(dòng)態(tài)零速校正模型

圖11 采煤機(jī)截割工藝運(yùn)行過(guò)程與閉合路徑最優(yōu)估計(jì)模型流程Fig.11 Process of shearer cutting and flow chart of closing path optimal estimation model

圖12 閉合路徑優(yōu)化模型使用前后測(cè)量軌跡與GPS-RTK軌跡對(duì)比Fig.12 Comparison between tracks of GPS-RTK and INS with and without optimal model

圖13 坐標(biāo)系關(guān)系和基于動(dòng)態(tài)零速修正技術(shù)的采煤機(jī)慣性導(dǎo)航定位流程Fig.13 Coordinate relation and flow chart of shearer position based dynamic zero velocity correction

圖14為RTK軌跡與動(dòng)態(tài)零速修正使用前后航位推算軌跡對(duì)比，使用動(dòng)態(tài)零速修正對(duì)第3次和第4次截割運(yùn)行軌跡的定位精度提升較為明顯。第3次截割東、北方向最大誤差分別由0.639 7，0.856 7 m減小為0.456 4，0.594 2 m。第4次截割東、北方向最大誤差分別由0.644 4，0.910 6 m減小為0.466 5，0.603 0 m。第3次和第4次東、北方向定位精度提升了30%。第3次和第4次截割球概率誤差也分別由0.453，0.506 9 m減小為0.331 9，0.460 2 m。

..信息融合濾波模型

基于以上的研究可知，動(dòng)態(tài)零速修正模型是基于速度約束建立的，閉合路徑模型是基于軌跡約束建立的。位置誤差和速度誤差實(shí)際上主要是由航向角漂移所造成的，因此采用信息濾波融合動(dòng)態(tài)零速修正模型和閉合路徑模型。圖15為信息濾波算法原理。信息濾波融合算法使用后，4刀定位試驗(yàn)(圖16)中東方向位置誤差分別為0.846， 1.963， 1.949和1.978 m。4刀北方向位置誤差分別為0.618，1.422，1.418和1.424 m。第1刀數(shù)據(jù)由于沒(méi)有預(yù)測(cè)軌跡，所以沒(méi)有經(jīng)過(guò)信息濾波融合算法處理。除第1刀外，其余3刀軌跡誤差沒(méi)有明顯的增長(zhǎng)，這說(shuō)明信息濾波融合算法已經(jīng)基本上抑制了航向角的漂移。

圖14 RTK軌跡與動(dòng)態(tài)零速修正使用前后航位推算軌跡對(duì)比Fig.14 Comparison between tracks of GPS and INS with dynamic zero velocity correction

圖15 信息濾波算法原理Fig.15 Schematic diagram of information filter

圖16 信息算法使用前后定位軌跡對(duì)比Fig.16 Errors of position before and after using information filter

3 采煤機(jī)慣導(dǎo)與UWB組合定位技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行端頭自主校準(zhǔn)定位，避免停機(jī)進(jìn)行人工校準(zhǔn)，筆者團(tuán)隊(duì)提出了在井下回采巷道的端頭構(gòu)建井下局部端頭UWB定位系統(tǒng)，利用UWB定位系統(tǒng)獲得采煤機(jī)的位置信息。圖17為端頭定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。為了減少非視距對(duì)定位精度的影響，提出在綜采工作面的2個(gè)端頭位置分別設(shè)置導(dǎo)軌，使UWB基站群能沿著導(dǎo)軌整體移動(dòng)，將姿態(tài)傳感器安裝在UWB支架上，能夠獲得基站群遷移后的姿態(tài)，根據(jù)每個(gè)基站的初始坐標(biāo)、姿態(tài)信息及設(shè)定基站群遷移的距離，在上位機(jī)的解算系統(tǒng)中能夠快速的獲得基站群的坐標(biāo)。當(dāng)采煤機(jī)運(yùn)行到端頭10 m左右時(shí)，利用對(duì)應(yīng)端頭的UWB定位系統(tǒng)獲得定位終端與基站群之間的距離，采用基于最小均方差準(zhǔn)則(MMSEC)的TOA收縮估計(jì)方法計(jì)算采煤機(jī)的位置坐標(biāo)，為了消除測(cè)量距離殘差對(duì)定位精度的影響，采用擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKF)對(duì)定位結(jié)果進(jìn)行平滑處理，從而獲得較高的位置估計(jì)精度。當(dāng)完成一刀截割之后，UWB基站群沿著進(jìn)刀方向遷移，為下一次端頭定位做好準(zhǔn)備，實(shí)現(xiàn)“一刀一遷移”的端頭定位策略，基站群進(jìn)行多次遷移后，可以重新標(biāo)定基站群的坐標(biāo)。無(wú)論采煤機(jī)在上山還是下山，均可采用“一刀一遷移”的方式獲得采煤機(jī)的位置，為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供校準(zhǔn)的基準(zhǔn)。

圖17 井下綜采工作面端頭定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.17 Structure of positioning system for mining face end

為了提升UWB系統(tǒng)的端頭定位精度，構(gòu)建了基于誤差狀態(tài)的IMU系統(tǒng)與UWB系統(tǒng)的融合定位方式，不僅能夠估計(jì)采煤機(jī)的位置坐標(biāo)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)補(bǔ)償IMU的零偏。該系統(tǒng)在兗礦集團(tuán)濟(jì)三工作面開展了現(xiàn)場(chǎng)采煤機(jī)端頭定位實(shí)驗(yàn)，如圖18所示。圖19給出了井下實(shí)驗(yàn)IMU/UWB緊融合的定位軌跡，采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)緊融合定位方式的軌跡比純UWB解算更接近真實(shí)軌跡，說(shuō)明IMU/UWB緊融合定位方式能夠很好的修正采煤機(jī)的位置偏差，提升采煤機(jī)端頭定位的精度；采用VB-UKF算法平滑采煤機(jī)定位過(guò)程中時(shí)變的測(cè)量噪聲，增加了運(yùn)動(dòng)軌跡的平滑性，使得緊融合定位方式的3個(gè)坐標(biāo)軸方向的軌跡更進(jìn)一步逼近真實(shí)軌跡。

圖18 井下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境及布局Fig.18 Variation of localization error for different positioning algorithms

圖19 井下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)IMU/UWB緊融合定位的3個(gè)坐標(biāo)軸方向定位軌跡Fig.19 Comparison of three coordinate axis directions localization trajectory for the IMU/UWB tight fusion in underground coalmine field experiment

4 刮板輸送機(jī)軌跡定位監(jiān)測(cè)

采煤機(jī)以刮板輸送機(jī)為運(yùn)行軌道，因此根據(jù)采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)的約束關(guān)系，利用采煤機(jī)的定位軌跡可以反演出刮板輸送機(jī)的空間形態(tài)(圖20)。圖20中和點(diǎn)是刮板輸送機(jī)軌跡監(jiān)測(cè)公式推導(dǎo)過(guò)程中，為了方便理解而增加的中間點(diǎn)。和點(diǎn)軌跡融合可以得到整條刮板輸送機(jī)軌跡。圖21為現(xiàn)場(chǎng)綜采工作面刮板輸送機(jī)形狀檢測(cè)實(shí)驗(yàn)布置，得到60 m長(zhǎng)的刮板輸送機(jī)直線度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖22)。刮板輸送機(jī)檢測(cè)精度(球概率精度)達(dá)到了16 mm，其精度遠(yuǎn)高于手動(dòng)檢測(cè)直線度的精確度要求值(±100 mm)，因此該模型可實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)形狀在線監(jiān)測(cè)，取代傳統(tǒng)人工測(cè)量的方法，為實(shí)現(xiàn)工作面自動(dòng)化彎曲檢測(cè)和校直提供理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖20 采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)配套正等側(cè)視圖和俯視圖Fig.20 Shearers and scraper conveyor assembly Front view and Top view

圖21 現(xiàn)場(chǎng)綜采工作面刮板輸送機(jī)軌道檢測(cè)布置Fig.21 Longwall face with actual mining equipment for experimental testing

圖22 現(xiàn)場(chǎng)刮板輸送機(jī)軌跡檢測(cè)對(duì)比Fig.22 Track detection comparison of field scraper conveyor

5 結(jié) 論

(1)通過(guò)國(guó)內(nèi)外采煤機(jī)定位技術(shù)與系統(tǒng)對(duì)比分析可知，以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為核心傳感元件的采煤機(jī)自主定位技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外煤礦工作者的普遍共識(shí)。同時(shí)，由于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差隨時(shí)間快速累計(jì)的本質(zhì)缺點(diǎn)，結(jié)合工況條件建立相關(guān)算法是保障采煤機(jī)長(zhǎng)時(shí)定位精度的關(guān)鍵難點(diǎn)。

(2)采煤機(jī)自主定位誤差來(lái)源主要是慣導(dǎo)初始對(duì)準(zhǔn)和安裝形成的確定性偏差、慣性器件漂移造成的隨機(jī)性誤差。結(jié)合采煤機(jī)載體運(yùn)動(dòng)學(xué)特征的確定性偏差補(bǔ)償和隨機(jī)性誤差消減算法，實(shí)現(xiàn)了定位精度平均提高45%，為從軟件上解決采煤機(jī)自主定位精度提供了有效方案。

(3)利用工作面端頭UWB基站群自主遷移，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)慣導(dǎo)與UWB組合定位。工作面端頭UWB基站群獲取了工作面端頭區(qū)域采煤機(jī)的準(zhǔn)確位置，可為采煤機(jī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)基準(zhǔn)，是消減機(jī)載慣導(dǎo)定位系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間累計(jì)誤差的創(chuàng)新方法。

(4)基于采煤機(jī)定位數(shù)據(jù)的刮板輸送機(jī)定位監(jiān)測(cè)方法，獲得了可用于工作面調(diào)直的刮板輸送機(jī)空間軌跡。

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