金屬礦山硬質(zhì)地層智能化掘進(jìn)發(fā)展現(xiàn)狀及展望

摘要：當(dāng)前金屬礦山硬質(zhì)地層掘進(jìn)技術(shù)向智能化方向發(fā)展，其重點(diǎn)在于組合定位技術(shù)和軌跡跟蹤控制技術(shù)。詳細(xì)介紹了各階段金屬礦山硬質(zhì)地層掘進(jìn)技術(shù)和導(dǎo)航定位技術(shù)發(fā)展成果，并在探究其發(fā)展規(guī)律的同時(shí)深入剖析了技術(shù)層面的不足。對(duì)組合定位、軌跡跟蹤現(xiàn)有成果進(jìn)行了全面論述與客觀點(diǎn)評(píng)，并針對(duì)新型礦山智能掘進(jìn)設(shè)備設(shè)計(jì)了一套組合定位方案。最后對(duì)金屬礦山硬質(zhì)地層智能化掘進(jìn)未來(lái)發(fā)展方向與研究重點(diǎn)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：金屬礦山；硬質(zhì)地層；掘進(jìn)技術(shù)；掘進(jìn)設(shè)備；組合定位；軌跡跟蹤；智能掘進(jìn)

[中圖分類號(hào)：TD853 文章編號(hào)：1001-1277（2025）02-0001-12 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.11792/hj20250201 ]

引言

在當(dāng)代工程建設(shè)的進(jìn)程中，金屬礦山硬質(zhì)地層掘進(jìn)已然成為一道無(wú)法回避的難題。隨著科技的迅猛發(fā)展，工程技術(shù)領(lǐng)域全面邁向智能化轉(zhuǎn)型的時(shí)代潮流，在此背景下，金屬礦山硬質(zhì)地層掘進(jìn)技術(shù)亦應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，積極投身于智能化的研究探索之中，以契合時(shí)代發(fā)展的迫切需求。

當(dāng)今社會(huì)，對(duì)礦產(chǎn)資源的需求呈現(xiàn)出持續(xù)且快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，地表資源已難以支撐工業(yè)發(fā)展的龐大需求，這使得采礦工程不可避免地逐步向深部拓展。然而，硬質(zhì)地層復(fù)雜多變的地質(zhì)條件及嚴(yán)苛的開采難度，給工程作業(yè)帶來(lái)了諸多的棘手難題。其中，智能化開采的迫切需求與相對(duì)滯后的機(jī)械技術(shù)之間的矛盾日益凸顯，成為制約行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。

過(guò)去的數(shù)十年間，眾多研究者針對(duì)金屬礦山硬質(zhì)地層的智能化開采付出了不懈努力，開展了大量的深入研究工作。但就目前的實(shí)際情況而言，在諸如精準(zhǔn)制導(dǎo)、無(wú)人化開采等關(guān)鍵方面，尚未能完全達(dá)到預(yù)期的要求和標(biāo)準(zhǔn)。例如：部分現(xiàn)有技術(shù)在信號(hào)輸出的穩(wěn)定性方面表現(xiàn)欠佳，難以保證持續(xù)穩(wěn)定的信號(hào)傳輸；定位精度的持續(xù)性不足，隨著作業(yè)時(shí)間的推移或環(huán)境的微小變化，定位精度會(huì)出現(xiàn)明顯的波動(dòng)；而且在面對(duì)復(fù)雜多變的工程環(huán)境時(shí)，其適應(yīng)性也存在較大的提升空間，難以靈活應(yīng)對(duì)各種突發(fā)狀況和復(fù)雜工況。

本文全方位、系統(tǒng)性地梳理了金屬礦山硬質(zhì)地層智能化掘進(jìn)的發(fā)展歷程及現(xiàn)階段所取得的各項(xiàng)成果，深入探討了各種研究成果的優(yōu)勢(shì)與不足之處，以及各自的適用場(chǎng)景和范圍。期望為未來(lái)的研究工作提供清晰、明確的思路與方向指引，有力推動(dòng)金屬礦山硬質(zhì)地層智能化掘進(jìn)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，進(jìn)而顯著提升深部地下礦產(chǎn)開采的工作效率，并為作業(yè)人員提供更為可靠的安全保障。

本文將金屬礦山硬質(zhì)地層掘進(jìn)技術(shù)與導(dǎo)航技術(shù)緊密結(jié)合，詳盡地闡述各階段掘進(jìn)技術(shù)與導(dǎo)航技術(shù)所取得的發(fā)展成果，深入剖析各技術(shù)階段存在的問(wèn)題與不足之處；繼而對(duì)組合定位、軌跡跟蹤這2個(gè)智能化發(fā)展重點(diǎn)方向上的現(xiàn)有成果展開全面、深入論述與客觀公正點(diǎn)評(píng)，進(jìn)一步深入探討金屬礦山硬質(zhì)地層智能化掘進(jìn)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向；最后，對(duì)未來(lái)相關(guān)研究的潛在方向進(jìn)行合理展望，提出具有可行性的研究方向及需要重點(diǎn)關(guān)注和攻克的關(guān)鍵問(wèn)題，為該領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。

1硬質(zhì)地層特征

硬質(zhì)地層是一種具有較高硬度和強(qiáng)度的地層類型，主要特征體現(xiàn)在巖石成分與結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)特性及工程地質(zhì)特征等3個(gè)方面。

1.1巖石成分與結(jié)構(gòu)

從巖石成分的視角深入剖析，硬質(zhì)地層大多是由具備較高硬度特質(zhì)的巖石所構(gòu)成，此類巖石普遍蘊(yùn)含豐富的石英與長(zhǎng)石［1］。花崗巖堪稱硬質(zhì)地層中極具代表性的典范之一，其內(nèi)部主要由石英、長(zhǎng)石及云母這幾種礦物組合而成［2］。而石英砂巖亦屬于硬質(zhì)地層里較為常見的一種類型，在其巖石組成結(jié)構(gòu)中，石英顆粒占比高達(dá)90 %，甚至更多。這些石英顆粒之間相互緊密膠結(jié)，正是這種特殊的膠結(jié)結(jié)構(gòu)，賦予了巖石卓越的硬度性能及強(qiáng)大的抗壓強(qiáng)度，從而使其在整體上展現(xiàn)出硬質(zhì)地層的顯著特征，能夠承受較大的外力壓迫而不易發(fā)生變形與損壞，在眾多工程地質(zhì)及地質(zhì)構(gòu)造研究等領(lǐng)域都具有極為重要的地位與研究?jī)r(jià)值。

從巖石結(jié)構(gòu)維度展開分析，硬質(zhì)地層的巖石呈現(xiàn)出極為致密的結(jié)構(gòu)特性。其中，主要的代表巖石類型包含花崗巖、玄武巖及片麻巖。花崗巖作為典型的深成侵入巖，具備獨(dú)特的中粗粒結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)里，其礦物顆粒之間相互緊密鑲嵌，形成了穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)體系。正是由于這樣的結(jié)構(gòu)特質(zhì)，花崗巖擁有較高的抗壓強(qiáng)度，一般為100～250 MPa，這使其能夠有力地承載來(lái)自上部巖層的巨大壓力，在眾多地質(zhì)構(gòu)造及工程建設(shè)場(chǎng)景中展現(xiàn)出卓越的承載能力。

玄武巖屬于噴出巖類別，在其形成過(guò)程中，由于經(jīng)歷了快速冷卻階段，礦物晶體未能有充足的時(shí)間充分生長(zhǎng)發(fā)育，進(jìn)而形成了細(xì)粒至隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)。這種特殊結(jié)構(gòu)致使巖石內(nèi)部的礦物顆粒呈現(xiàn)出緊密排列的態(tài)勢(shì)，其孔隙率處于較低水平，通常為1 %～10 %。如此緊密的結(jié)構(gòu)排列賦予了玄武巖較高的硬度指標(biāo)及出色的抗?jié)B透性，使其在抵抗外界侵蝕及承受一定壓力方面表現(xiàn)突出。

片麻巖作為變質(zhì)巖的一種，具有顯著的片麻狀構(gòu)造。在形成過(guò)程中，其礦物顆粒在定向壓力的持續(xù)作用下，呈現(xiàn)出平行排列的典型特征。并且經(jīng)過(guò)變質(zhì)作用的改造，礦物顆粒之間的結(jié)合更為緊密牢固。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使得片麻巖具備較高的強(qiáng)度性能，能夠承受較大的壓力作用而不易發(fā)生變形，在地質(zhì)穩(wěn)定性及相關(guān)工程應(yīng)用中有著不可忽視的重要意義。

1.2物理力學(xué)特性

硬質(zhì)地層的物理力學(xué)特性在硬度、強(qiáng)度與孔隙率這3個(gè)關(guān)鍵方面有著鮮明的體現(xiàn)。

從硬度這一關(guān)鍵角度深入剖析，硬質(zhì)地層具有顯著的高硬度特征，其莫氏硬度一般能夠達(dá)到5級(jí)以上。這種高硬度特性使得硬質(zhì)地層在遭受外部作用力時(shí)，展現(xiàn)出極強(qiáng)的抗磨損與抗刻劃能力。當(dāng)普通挖掘工具與硬質(zhì)地層相接觸時(shí)，由于硬質(zhì)地層硬度遠(yuǎn)超普通工具材質(zhì)的硬度，普通工具難以在其表面留下明顯的痕跡或造成有效的挖掘效果，在挖掘過(guò)程中，工具極易出現(xiàn)磨損、變形甚至損壞等情況。這也充分表明，普通的挖掘工具無(wú)法完全契合硬質(zhì)地層的開挖需求與條件。為了能夠順利開展針對(duì)硬質(zhì)地層的挖掘作業(yè)并實(shí)現(xiàn)有效的挖掘效果，必須采用特殊的硬質(zhì)合金刀具或者鉆頭。這些特殊的工具憑借其更為堅(jiān)硬的材質(zhì)及特殊的制造工藝，具備了足以應(yīng)對(duì)硬質(zhì)地層高硬度挑戰(zhàn)的能力，能夠在硬質(zhì)地層上進(jìn)行有效的切削、破碎等挖掘操作，從而為硬質(zhì)地層的開發(fā)利用提供保障。

硬度較高的地層，其強(qiáng)度通常也頗為可觀，所以強(qiáng)度高是硬質(zhì)地層極為典型的特征。硬質(zhì)地層的抗壓強(qiáng)度一般為100 MPa左右，而某些優(yōu)質(zhì)的花崗巖，其抗壓強(qiáng)度更是高達(dá)300 MPa。這種高強(qiáng)度特性使得硬質(zhì)地層在地下建筑工程領(lǐng)域具備了極為重要的價(jià)值，能夠充當(dāng)極為出色的承載基礎(chǔ)。以礦山工程為例，硬質(zhì)地層的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：工程建設(shè)方面，硬質(zhì)地層能夠承受大型采礦設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備等的巨大重量和運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)及沖擊力，確保設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性和安全性，減少設(shè)備因地基不穩(wěn)而出現(xiàn)的故障和損壞，提高設(shè)備的使用壽命和生產(chǎn)效率；開采建設(shè)方面，在地下礦山開采中，硬質(zhì)地層自身的高強(qiáng)度和穩(wěn)定性可以在一定程度上減少對(duì)巷道支護(hù)的需求；資源利用方面，硬質(zhì)地層在開采過(guò)程中不易破碎和混入廢石，使得礦石貧化率較低，從而可以提高礦石回收率。

硬度與強(qiáng)度二者均和巖石的致密度存在緊密的關(guān)聯(lián)，低孔隙率及低滲透率亦屬于硬質(zhì)地層所具有的典型物理性質(zhì)。由于硬質(zhì)地層中的礦物顆粒呈現(xiàn)出緊密堆積的狀態(tài)，致使其孔隙率一般為1 %～10 %。這種較低的孔隙率會(huì)產(chǎn)生諸多重要影響。一方面，它顯著降低了流體在地層中的滲透速度，因?yàn)榭晒┝黧w流動(dòng)的孔隙空間極為有限。另一方面，低孔隙率使得硬質(zhì)地層成為了極為理想的隔水層或弱滲水層。當(dāng)?shù)叵滤噲D在地層中運(yùn)動(dòng)時(shí)，其流動(dòng)路徑會(huì)受到極大限制，地層就像一道堅(jiān)固的屏障，有效地阻礙了地下水的順暢運(yùn)動(dòng)。對(duì)于維持地層上方及周邊區(qū)域的水文地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定起到了關(guān)鍵作用，有效降低了礦坑涌水、突水等水害事故的發(fā)生概率，減少了對(duì)人員和設(shè)備的威脅，在保障礦山生產(chǎn)安全、提高了礦物開采效率的同時(shí)，也極大地延長(zhǎng)了礦山服務(wù)年限。

1.3工程地質(zhì)特征

硬質(zhì)地層的巖石成分與結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)特性等自然性質(zhì)，深刻地影響著工程的開展，尤其是在穩(wěn)定性和開挖難度這2個(gè)關(guān)鍵方面。

從穩(wěn)定性這一關(guān)鍵要素考量，硬質(zhì)地層對(duì)工程安全所起到的積極作用極為顯著。其自身所具備的超高硬度與強(qiáng)度，使其在自然狀態(tài)下就擁有超乎尋常的穩(wěn)定性。這種穩(wěn)定性為地下工程的施工深度拓展創(chuàng)造了有利條件，使得工程能夠向更深處挖掘推進(jìn)，而不必過(guò)度擔(dān)憂地層承載能力不足引發(fā)的安全隱患。當(dāng)遭遇地震、滑坡及風(fēng)化等自然災(zāi)害時(shí)，硬質(zhì)地層起到了骨架的作用，承擔(dān)山體的絕大部分重量。硬質(zhì)地層憑借其自身強(qiáng)大的力學(xué)性能，有效抵御自然力量的沖擊與侵蝕，維持山體結(jié)構(gòu)的相對(duì)穩(wěn)定。只要硬質(zhì)地層未出現(xiàn)大規(guī)模的破壞情況，那么依托其構(gòu)建的工程整體結(jié)構(gòu)便能夠保持穩(wěn)固，極大地降低了因自然因素導(dǎo)致的工程結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、損壞等風(fēng)險(xiǎn)，為各類工程在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中的長(zhǎng)期安全運(yùn)行提供了極為可靠的保障基礎(chǔ)。無(wú)論是在礦山開采工程中對(duì)巷道穩(wěn)定性的維護(hù)，還是在交通隧道、水利水電地下廠房等工程建設(shè)中保障結(jié)構(gòu)安全方面，硬質(zhì)地層的穩(wěn)定特性都具有不可替代的重要意義。

從可鉆性的視角出發(fā)，硬質(zhì)地層相較于軟巖地層，在鉆進(jìn)過(guò)程中面臨著諸多挑戰(zhàn)。其鉆進(jìn)速度顯著降低，這主要?dú)w因于硬質(zhì)地層的高強(qiáng)度與高硬度特性。由于地層堅(jiān)硬，鉆頭在切削或破碎巖石時(shí)需要克服更大的阻力，因此需要更大的扭矩和鉆壓來(lái)推動(dòng)鉆頭前進(jìn)。例如：在地質(zhì)勘探作業(yè)中，一旦鉆頭觸及硬質(zhì)地層，就必須加大動(dòng)力輸出，否則難以實(shí)現(xiàn)有效鉆進(jìn)。然而，這種高要求的鉆進(jìn)條件也導(dǎo)致鉆頭的磨損速度急劇加快。在強(qiáng)大的作用力與硬質(zhì)地層的摩擦作用下，鉆頭的切削刃、表面涂層等部分極易發(fā)生磨損、變形甚至破損。這就對(duì)鉆探工作提出了更高的技術(shù)要求，即需要在鉆探過(guò)程中密切依據(jù)實(shí)際工況，及時(shí)且靈活地調(diào)整鉆頭類型與鉆進(jìn)參數(shù)。通過(guò)選用適配硬質(zhì)地層的硬質(zhì)合金鉆頭、金剛石鉆頭等特殊鉆頭，并精確優(yōu)化鉆壓、轉(zhuǎn)速、給進(jìn)量等參數(shù)，從而在盡可能提高鉆進(jìn)速度的同時(shí)，最大程度地降低鉆頭的過(guò)度磨損，保障鉆探作業(yè)的高效、經(jīng)濟(jì)與安全，減少因鉆頭頻繁更換與鉆進(jìn)效率低所帶來(lái)的成本增加與工期延誤等問(wèn)題。

2金屬礦山硬質(zhì)地層掘進(jìn)技術(shù)發(fā)展

金屬礦山硬質(zhì)地層掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展歷程與人類科技的進(jìn)步緊密相連，相互促進(jìn)、協(xié)同發(fā)展。從科技的演進(jìn)階段來(lái)看，可以將金屬礦山硬質(zhì)地層掘進(jìn)技術(shù)大致劃分為傳統(tǒng)掘進(jìn)技術(shù)和現(xiàn)代掘進(jìn)技術(shù)2個(gè)階段。

2.1傳統(tǒng)掘進(jìn)技術(shù)

在應(yīng)對(duì)金屬礦山硬質(zhì)地層掘進(jìn)這一棘手難題的過(guò)程中，早期由于受到工程材料及信息傳遞等多種技術(shù)條件的束縛，可利用的有效手段十分有限。在這樣的背景下，火藥的應(yīng)用成為了突破硬質(zhì)地層限制的關(guān)鍵途徑，因此鉆爆法屬于針對(duì)硬質(zhì)地層最傳統(tǒng)的掘進(jìn)方法［3-4］。

鉆爆法原理是依靠鉆孔、裝藥、爆破來(lái)破碎硬質(zhì)巖石。在早期礦山開采過(guò)程中，礦工使用簡(jiǎn)易手持風(fēng)鉆在巖石上鉆孔，然后填埋炸藥爆破巖石。這種鉆孔方式精度低、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，隨著技術(shù)發(fā)展出現(xiàn)了更高效的鑿巖機(jī)器，如液壓鑿巖機(jī)。液壓鑿巖機(jī)能夠快速、準(zhǔn)確地鉆孔，相比手持風(fēng)鉆鉆孔效率大大提高。

鉆爆法需要對(duì)鉆孔位置進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，才能達(dá)到預(yù)定的爆破效果。早期對(duì)鉆孔進(jìn)行定位主要依靠簡(jiǎn)單的測(cè)量工具和工人經(jīng)驗(yàn)。例如：用羅盤測(cè)定鉆孔方位角，用皮尺測(cè)量鉆孔間距等。這種方法不僅效率低，而且精度難以保證。到了20世紀(jì)70年代，電子測(cè)距技術(shù)與經(jīng)緯儀相結(jié)合，得到了最初的全站儀。全站儀投入到鉆孔定位工作中，大大提高了定位精度和效率，直到現(xiàn)在依舊在很多工程中廣泛應(yīng)用。

在地面以上的開闊地區(qū)使用鉆爆法時(shí)，全站儀定位由于需要人工操作，因此在自主性方面稍顯遜色。與全站儀一同發(fā)展的GPS（Global Positionting System， GPS）則是一種完全自主的定位技術(shù)，彌補(bǔ)了全站儀的不足。GPS于1973年開始研發(fā)，最終在1995年實(shí)現(xiàn)了完全運(yùn)行。GPS利用多個(gè)衛(wèi)星與目標(biāo)距離來(lái)確認(rèn)目標(biāo)方位（如圖1所示），該定位原理使得GPS定位精度高于其他導(dǎo)航系統(tǒng)，但是由于信號(hào)多路徑反射使得GPS定位精度達(dá)不到理論高度（如圖2所示）。

雖然鉆孔技術(shù)得到了一定程度的發(fā)展，但并不能擺脫鉆爆法的局限性。首先，爆破會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，可能會(huì)降低工程周圍巖體穩(wěn)定性進(jìn)而誘發(fā)滑坡、地震等地質(zhì)災(zāi)害。若是在重要建筑物附近，則需要嚴(yán)格控制振動(dòng)的影響范圍。其次，爆破產(chǎn)生的巖體碎塊大小不均勻，需要進(jìn)行二次破碎和清理，大大增加了施工的時(shí)間和人力成本。最后，爆破的安全性也是一個(gè)重大問(wèn)題，炸藥的運(yùn)輸、儲(chǔ)存、使用等各個(gè)階段都存在一定的安全隱患，需要耗費(fèi)非常大的管理成本［5-6］。因此，學(xué)術(shù)界開始了對(duì)機(jī)械破巖的研究，這也使得金屬礦山硬質(zhì)地層掘進(jìn)技術(shù)發(fā)展到了現(xiàn)代掘進(jìn)技術(shù)階段。

2.2現(xiàn)代掘進(jìn)技術(shù)

在對(duì)金屬礦山硬質(zhì)地層掘進(jìn)技術(shù)的探索中出現(xiàn)了一些簡(jiǎn)單的機(jī)械掘進(jìn)設(shè)備，如硬巖掘進(jìn)機(jī)。這些設(shè)備利用刀具對(duì)巖石進(jìn)行切削，大大降低了施工對(duì)圍巖及周圍建筑的干擾［7-9］。但是由于受到材料和動(dòng)力系統(tǒng)限制，早期機(jī)械破巖設(shè)備掘進(jìn)效率偏低，刀具磨損、設(shè)備故障頻發(fā)，導(dǎo)致只能在較淺的硬質(zhì)地層或硬度稍低的地層中使用。由于GPS對(duì)衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量要求極高，地下環(huán)境中信號(hào)質(zhì)量不穩(wěn)定，因此GPS無(wú)法應(yīng)用于地下定位。與之相反的視覺定位、慣性導(dǎo)航及超寬帶定位等技術(shù)由于能夠適應(yīng)地下定位環(huán)境，而逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位。

隨著機(jī)械破巖技術(shù)的發(fā)展，硬巖掘進(jìn)機(jī)（TBM）逐漸成為了針對(duì)硬質(zhì)地層的掘進(jìn)利器。TBM刀盤上安裝多個(gè)滾刀，滾刀在推力作用下與巖石接觸，當(dāng)?shù)侗P旋轉(zhuǎn)時(shí)滾刀在旋轉(zhuǎn)慣性作用下對(duì)巖石施加壓力，最終實(shí)現(xiàn)巖石的破碎化處理。TBM機(jī)身結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，包括刀盤、護(hù)盾、控制系統(tǒng)、出渣系統(tǒng)等多個(gè)部分，先進(jìn)的破巖原理和強(qiáng)大的掘進(jìn)能力使得TBM成為了現(xiàn)代掘進(jìn)機(jī)械的經(jīng)典代表。

與此同時(shí)，TBM也對(duì)定位系統(tǒng)提出了更高的要求。由于TBM采用全斷面一次性開挖，如果出現(xiàn)偏差后期很難修改，因此對(duì)定位精度的要求更高；隨著掘進(jìn)距離的增加，任何微小的姿態(tài)偏差都有可能導(dǎo)致工程嚴(yán)重偏離設(shè)定路線，因此TBM對(duì)機(jī)身姿態(tài)的把控也極其嚴(yán)格；TBM工作環(huán)境極其惡劣，在地下巷道要面臨高濕度、高粉塵、強(qiáng)振動(dòng)等情況，因此要求定位系統(tǒng)對(duì)環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)性。嚴(yán)苛的工程條件使得任何一種定位系統(tǒng)都難以完成TBM定位技術(shù)，于是多傳感器融合定位技術(shù)，即組合定位技術(shù)，開始逐步興起。

3組合定位研究現(xiàn)狀

眾多工程機(jī)械往往非常重視機(jī)體姿態(tài)信息，由于慣性導(dǎo)航技術(shù)能夠獲取關(guān)于機(jī)體非常全面的速度、位置及姿態(tài)信息，因此成為組合定位技術(shù)的核心。但是，慣性導(dǎo)航在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間定位工作后會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)散現(xiàn)象，導(dǎo)致定位精度下降。因此，慣性導(dǎo)航往往需要與能夠保持長(zhǎng)時(shí)間定位精度的定位技術(shù)相結(jié)合，從而抑制數(shù)據(jù)發(fā)散。目前，常用的組合定位方案有全球衛(wèi)星導(dǎo)航/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、視覺導(dǎo)航/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及超寬帶導(dǎo)航/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。本節(jié)主要從定位精度和算法優(yōu)化2個(gè)方面對(duì)以上3種組合定位技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行論述。

3.1全球衛(wèi)星導(dǎo)航/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合定位技術(shù)

由于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在性能上互補(bǔ)，所以全球衛(wèi)星導(dǎo)航/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合定位是目前世界上公認(rèn)的最佳方案［10］。該組合定位方案已被廣泛應(yīng)用于包括無(wú)人駕駛汽車、無(wú)人機(jī)導(dǎo)航在內(nèi)的各行各業(yè)。

3.1.1組合定位方案可行性分析

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是一種完全自主的導(dǎo)航系統(tǒng)，短期測(cè)量精度較高，可同時(shí)提供位置、速度、姿態(tài)信息，但由于存在誤差積累使得長(zhǎng)期導(dǎo)航出現(xiàn)精度下降現(xiàn)象。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)利用信號(hào)發(fā)射與接收時(shí)間差計(jì)算得出用戶與衛(wèi)星之間的距離，確定與多個(gè)衛(wèi)星距離后可計(jì)算出自身準(zhǔn)確位置。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能在地球上任何地點(diǎn)為用戶提供全天候三維坐標(biāo)、速度及時(shí)間等信息，但是GPS容易受到環(huán)境影響，導(dǎo)致信號(hào)失鎖，影響導(dǎo)航定位［11］。

對(duì)比慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)二者有較好的互補(bǔ)性，將二者組合起來(lái)可以得到更加穩(wěn)定、精度更高的組合定位方案，具體評(píng)價(jià)結(jié)果如表1所示。

3.1.2研究現(xiàn)狀

3.1.2.1定位精度

傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航無(wú)法滿足高動(dòng)態(tài)、高精度定位要求，尤其在加速度大于10g的情況下經(jīng)常出現(xiàn)信號(hào)丟失現(xiàn)象。陳剛等［12］針對(duì)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在高動(dòng)態(tài)條件下高精度定位需求，采用慣性輔助接收機(jī)和碼片窄結(jié)合的方式，在減小跟蹤環(huán)路帶寬的同時(shí)降低偽距抖動(dòng)誤差，仿真結(jié)果表明，該研究將定位精度從6 m提高到3 m，效果顯著。此次研究提出利用環(huán)路帶寬來(lái)反映各種濾波器濾波效果的方法為以后衡量濾波器工作效果提供了一種有效的檢測(cè)方法。

無(wú)人駕駛和智能交通對(duì)載體定位精度和載體間協(xié)同控制能力要求非常高。當(dāng)前思路是依靠增加傳感器獲得更多定位數(shù)據(jù)，從而提高載體定位精度。該思路原理簡(jiǎn)單，但不符合時(shí)代對(duì)組合定位技術(shù)發(fā)展要求，盲目增加傳感器數(shù)量會(huì)加大計(jì)算負(fù)荷、降低計(jì)算

速度，且無(wú)法有效解決因環(huán)境因素導(dǎo)致衛(wèi)星信號(hào)不穩(wěn)定的問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題，李博峰等［13］提出了全球衛(wèi)星導(dǎo)航/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合載體協(xié)同高精度定位方法，通過(guò)創(chuàng)建如圖3所示的載體間相對(duì)位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)載體間觀測(cè)值共享，從而提高載體定位精度。針對(duì)該研究進(jìn)行了雙車協(xié)同定位試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：全球衛(wèi)星導(dǎo)航/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合載體協(xié)同高精度定位方法在惡劣環(huán)境下定位精度比單一導(dǎo)航定位系統(tǒng)更高，同時(shí)改善了測(cè)速精度和定姿精度。該研究在建模、原理介紹方面都十分優(yōu)秀，但是在最后仿真階段只設(shè)計(jì)了2輛小車，與多載體協(xié)同定位的設(shè)計(jì)理念不匹配。

3.1.2.2算法優(yōu)化

欺騙干擾是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)面臨的一項(xiàng)重大威脅，現(xiàn)有研究只能針對(duì)欺騙信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)而不能恢復(fù)正確導(dǎo)航結(jié)果。商向永等［14］利用Multi-correlator結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，實(shí)現(xiàn)欺騙信號(hào)辨識(shí)，將辨識(shí)結(jié)果進(jìn)行反饋抵消欺騙信號(hào)，同時(shí)引入抗差卡爾曼濾波算法減小參數(shù)估計(jì)和信號(hào)辨識(shí)對(duì)定位精度的影響。測(cè)量結(jié)果表示，在欺騙干擾情況下利用優(yōu)化算法可以將定位精度從600 m提高到10 m。該研究圖像豐富、理論講解詳細(xì)，圖像與理論講解也能很好地對(duì)應(yīng)。

當(dāng)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)受到電磁干擾或者人為干擾時(shí)，輸出會(huì)受影響。林雪原等［15］針對(duì)該問(wèn)題構(gòu)建了全球衛(wèi)星導(dǎo)航/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合定位濾波模型，論述了變分貝葉斯原理，將變分貝葉斯理論與抗野值自適應(yīng)濾波理論結(jié)合，提出了一種改進(jìn)全球衛(wèi)星導(dǎo)航/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合定位抗野值自適應(yīng)濾波算法。試驗(yàn)表明，該算法在全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)輸出誤差發(fā)生變化時(shí)能準(zhǔn)確估計(jì)誤差，在全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)輸出發(fā)生故障時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行抗野值自適應(yīng)信息處理，進(jìn)而提高系統(tǒng)濾波精度。

基于上述研究?jī)?nèi)容，可歸納得出如下結(jié)論：

1）在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下，現(xiàn)有常規(guī)導(dǎo)航系統(tǒng)往往難以滿足高精度導(dǎo)航的要求。而陳剛等［12］所提出的創(chuàng)新性方法有效攻克了這一難題，為高動(dòng)態(tài)條件下導(dǎo)航系統(tǒng)的后續(xù)研發(fā)工作開創(chuàng)了嶄新的思維路徑，有望助力高精度導(dǎo)航在高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中的應(yīng)用取得進(jìn)一步突破。例如：應(yīng)用于高速飛行的航空器、高機(jī)動(dòng)性的軍事作戰(zhàn)裝備等領(lǐng)域，從而提升復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境下的導(dǎo)航精度與可靠性。

2）隨著人類社會(huì)朝著高度智能化的方向穩(wěn)步邁進(jìn)，自動(dòng)駕駛技術(shù)與智能交通體系已成為未來(lái)發(fā)展進(jìn)程中不可或缺的關(guān)鍵構(gòu)成部分。李博峰等［13］提出的全球衛(wèi)星導(dǎo)航/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合載體協(xié)同高精度定位方法，精準(zhǔn)契合了智能駕駛對(duì)于高精度定位的嚴(yán)苛需求，為智能駕駛車輛提供了一種切實(shí)可靠且行之有效的定位手段。這不僅有助于提升自動(dòng)駕駛車輛在行駛過(guò)程中的定位精度，增強(qiáng)行駛安全性，還將對(duì)整個(gè)礦業(yè)智能交通運(yùn)輸?shù)呐畈l(fā)展起到積極的促進(jìn)作用，推動(dòng)其朝著更加高效、安全、智能的方向前行。

3）衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中面臨著欺騙干擾這一嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，長(zhǎng)期以來(lái)該問(wèn)題一直未得到妥善有效的解決，嚴(yán)重威脅著依賴衛(wèi)星導(dǎo)航的眾多領(lǐng)域，如航空航天、航海運(yùn)輸及陸地交通等行業(yè)的導(dǎo)航準(zhǔn)確性與安全性。在此背景下，商向永等［14］的研究成果具有重要的實(shí)踐價(jià)值，且提出的方案具有簡(jiǎn)單易行的顯著優(yōu)勢(shì)，同時(shí)能夠顯著提升應(yīng)對(duì)欺騙干擾的效果，無(wú)疑在該研究領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了重大突破，為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下穩(wěn)定可靠運(yùn)行提供了有力保障，有望在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中廣泛推廣，提升衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾能力與整體性能。

4）盡管組合定位技術(shù)相較于傳統(tǒng)單一導(dǎo)航模式具有顯著優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然難以完全規(guī)避各類干擾因素的影響。這些干擾因素的存在可能導(dǎo)致定位精度下降，進(jìn)而影響導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，限制其在對(duì)定位精度要求極高的工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。林雪原等［15］提出的新型濾波算法為解決這一問(wèn)題提供了有效途徑，通過(guò)提高系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的處理精度，能夠顯著增強(qiáng)組合定位系統(tǒng)在復(fù)雜干擾環(huán)境下的性能。這一創(chuàng)新性算法極有可能引領(lǐng)未來(lái)組合定位技術(shù)的發(fā)展方向，成為該領(lǐng)域后續(xù)研究的重要熱點(diǎn)之一，推動(dòng)組合定位技術(shù)不斷優(yōu)化升級(jí)，以更好地滿足海、陸、空等不同領(lǐng)域日益增長(zhǎng)的高精度、高可靠性導(dǎo)航需求。

綜上所述，鑒于組合定位技術(shù)在解決各類復(fù)雜工程難題方面展現(xiàn)出的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，以及其在提升導(dǎo)航精度、可靠性和穩(wěn)定性等方面的突出表現(xiàn)，未來(lái)礦業(yè)工程的導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)以組合定位技術(shù)作為核心方向。通過(guò)組合定位實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)精準(zhǔn)定位，進(jìn)而推動(dòng)礦山智能化開采和無(wú)人化作業(yè)；通過(guò)將慣性導(dǎo)航、全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位、室外GNSS定位系統(tǒng)組合，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外全方面無(wú)縫銜接、立體空間定位，確保精確獲取人員和設(shè)備的三維空間位置和姿態(tài)信息；利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)海量的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘、分析及利用，提取諸如人員和設(shè)備運(yùn)行模式、活動(dòng)規(guī)律、潛在風(fēng)險(xiǎn)等有價(jià)值的信息，從而提前做好應(yīng)對(duì)措施，優(yōu)化礦山生產(chǎn)流程和安全管理流程，提高礦山的運(yùn)營(yíng)效率。

3.2視覺導(dǎo)航/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合定位技術(shù)

視覺導(dǎo)航系統(tǒng)是通過(guò)圖像傳感器捕獲圖片并對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)而得到載體導(dǎo)航參數(shù)的一種導(dǎo)航技術(shù)。由于圖像含有非常豐富的空間信息，并且能夠最直觀地展現(xiàn)載體所處環(huán)境條件，因而有著非常好的發(fā)展前景。將視覺導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行組合，能夠有效促進(jìn)視覺導(dǎo)航發(fā)展。

3.2.1組合定位方案可行性分析

視覺導(dǎo)航系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)性能特點(diǎn)對(duì)比如表2所示。視覺導(dǎo)航系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性較弱，尤其在昏暗環(huán)境導(dǎo)航精度下降，基于這樣的導(dǎo)航特點(diǎn)，將視覺導(dǎo)航系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合，互補(bǔ)能夠得到更加精準(zhǔn)的導(dǎo)航系統(tǒng)［16］。該組合定位方案雖能集結(jié)視覺導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，但是自身依舊存在不足：匹配誤差依然存在，在光照不均勻環(huán)境下容易出現(xiàn)誤差，易受有色噪聲干擾。

3.2.2研究現(xiàn)狀

3.2.2.1定位精度

孫偉等［17］研究了一種基于證據(jù)推理的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)/視覺導(dǎo)航系統(tǒng)組合定位系統(tǒng)，可解決傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)/視覺導(dǎo)航系統(tǒng)因誤匹配出現(xiàn)導(dǎo)航精度下降的問(wèn)題。研究將證據(jù)推理與視覺里程計(jì)特征量相融合，計(jì)算所得綜合置信度作為導(dǎo)航測(cè)量更新依據(jù)之一，達(dá)到提高導(dǎo)航精度的目的。為檢驗(yàn)理論有效性，研制了演示樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于證據(jù)推理的慣性導(dǎo)航/視覺導(dǎo)航系統(tǒng)組合定位精度提高了0.3 % ，并且計(jì)算復(fù)雜性更低，適用于工程應(yīng)用。該研究詳細(xì)介紹了歸一化積相關(guān)匹配算法、特征值算法等多種算法，但是圖片較少，使得論述不容易理解。

單目視覺本身無(wú)法測(cè)量尺度且在光照不均勻環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生粗差。徐愛功等［18］提供了一種單目視覺/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合室內(nèi)定位抗差方法，借助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供位置信息，結(jié)合最小二乘法進(jìn)行尺度恢復(fù)，利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)短期內(nèi)高精度特點(diǎn)對(duì)單目增量信息進(jìn)行檢測(cè)并將粗差剔除。試驗(yàn)結(jié)果表明，該算法能有效減少單目視覺/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下產(chǎn)生的粗差，提高定位精度。

3.2.2.2算法優(yōu)化

在視覺導(dǎo)航/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合定位中，噪聲往往具有相關(guān)性，有色噪聲導(dǎo)致視覺導(dǎo)航/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合定位濾波算法性能下降甚至完全失效。針對(duì)該問(wèn)題，周小剛等［19］利用能控性格拉姆矩陣和能觀測(cè)性格拉姆矩陣判斷濾波器是否一致漸進(jìn)穩(wěn)定，提出抗有色噪聲濾波方法：對(duì)過(guò)程有色噪聲采用狀態(tài)擴(kuò)展法，對(duì)量測(cè)有色噪聲采用量測(cè)狀態(tài)擴(kuò)展法使得有色噪聲表達(dá)式變成白色噪聲表達(dá)式。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，抗有色噪聲濾波方法性能穩(wěn)定、有效。在本次研究中存在一些小問(wèn)題，具體來(lái)說(shuō)是圖表少且簡(jiǎn)單，對(duì)數(shù)值實(shí)例的描述不夠清晰。

為提高無(wú)人機(jī)位姿估計(jì)精度，黃衛(wèi)華等［20］研發(fā)了一種新無(wú)人機(jī)組合定位算法。該算法利用灰色預(yù)測(cè)理論建立位姿解算數(shù)據(jù)的灰色模型，減小視覺導(dǎo)航誤差對(duì)位姿估計(jì)的不利影響，采用螢火蟲算法改進(jìn)粒子濾波采樣過(guò)程，實(shí)現(xiàn)粒子濾波算法改良。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)改良后粒子濾波算法能將位姿估計(jì)誤差保持在2.3 cm左右，比其他算法在精度方面提高了39 %。

根據(jù)上述研究現(xiàn)狀可以得出以下結(jié)論：

1）在視覺導(dǎo)航/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合定位的研究領(lǐng)域中，孫偉等［17］和徐愛功等［18］的相關(guān)探索對(duì)于推動(dòng)組合定位技術(shù)的發(fā)展起到了一定的促進(jìn)作用。

2）周小剛等［19］針對(duì)有色噪聲所提出的解決方案具有較高的應(yīng)用價(jià)值與推廣意義。在傳統(tǒng)研究范式中，由于噪聲的復(fù)雜性通常難以對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)的系統(tǒng)建模，并且多數(shù)情況下會(huì)默認(rèn)噪聲為白噪聲，從而在一定程度上忽視了有色噪聲的深入研究。但隨著未來(lái)各類工程對(duì)于精度要求的持續(xù)攀升，組合定位技術(shù)若要契合時(shí)代發(fā)展的步伐，就必須給予有色噪聲問(wèn)題足夠的重視，并通過(guò)深入研究來(lái)有效應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，從而提升系統(tǒng)的整體性能與定位精度。

當(dāng)前，眾多國(guó)家紛紛加大對(duì)無(wú)人機(jī)技術(shù)的研發(fā)投入力度，這使得無(wú)人機(jī)領(lǐng)域取得了迅猛的發(fā)展。無(wú)人機(jī)對(duì)導(dǎo)航的精度、速度、實(shí)時(shí)性及信息處理能力等方面均有著嚴(yán)苛的要求。從戰(zhàn)略層面考量，無(wú)人機(jī)更加側(cè)重于圖像信息的高效處理與快速傳導(dǎo)能力，因此在未來(lái)無(wú)人機(jī)組合定位技術(shù)的研究進(jìn)程中，應(yīng)將視覺導(dǎo)航技術(shù)作為重點(diǎn)關(guān)注方向，進(jìn)一步強(qiáng)化其在無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用與創(chuàng)新，以提升無(wú)人機(jī)的整體性能與作業(yè)效能。

值得注意的是，無(wú)人機(jī)導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展成果能夠?yàn)樨Q井掘進(jìn)機(jī)的智能化進(jìn)程提供有益的借鑒與參考，二者在技術(shù)原理與應(yīng)用需求上存在著一定的共通性。鑒于此，在推動(dòng)礦山智能化開采的發(fā)展過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)充分汲取無(wú)人機(jī)等相關(guān)領(lǐng)域的先進(jìn)科技成果與技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)技術(shù)的跨界融合與創(chuàng)新應(yīng)用，促進(jìn)礦山開采行業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型與升級(jí)，提升礦山開采效率、安全性與智能化水平，從而推動(dòng)整個(gè)礦業(yè)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

3.3超寬帶導(dǎo)航/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合定位技術(shù)

3.3.1組合定位方案可行性分析

超寬帶導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、距離分辨率可達(dá)到厘米級(jí)別，但是容易受非視距誤差和不良環(huán)境因素影響。對(duì)比超寬帶導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)特點(diǎn)可知，二者存在互補(bǔ)特性，可以將二者進(jìn)行組合從而獲得更好的導(dǎo)航。該組合定位的不足之處在于：超寬帶信號(hào)不穩(wěn)定易丟失，定位信息受環(huán)境影響易出現(xiàn)異常。

3.3.2研究現(xiàn)狀

3.3.2.1定位精度

信號(hào)接收不穩(wěn)定一直是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)面臨的一個(gè)重大問(wèn)題，在室內(nèi)該問(wèn)題出現(xiàn)更是頻繁，單靠全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)很難克服。劉韜等［21］采用超寬帶導(dǎo)航/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合定位技術(shù)來(lái)解決這一難題：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)推算載體位置和速度，并用超寬帶導(dǎo)航解算載體位置和速度，得到2組測(cè)量數(shù)據(jù)，再用卡爾曼濾波器對(duì)2組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到最優(yōu)估計(jì)。針對(duì)該理論結(jié)果進(jìn)行一次實(shí)物試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，超寬帶導(dǎo)航/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合定位能夠有效抑制非視距誤差對(duì)導(dǎo)航結(jié)果影響，導(dǎo)航精度、穩(wěn)定性、可靠性和適用性得到提高。

為實(shí)現(xiàn)智能采運(yùn)機(jī)端部自主校準(zhǔn)定位，避免因停機(jī)影響施工進(jìn)度，葛世榮等［22］采用了超寬帶導(dǎo)航/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合定位技術(shù)。超寬帶導(dǎo)航系統(tǒng)獲取采運(yùn)機(jī)端頭定位數(shù)據(jù)，利用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，從而獲得更高精度的位置估計(jì)數(shù)據(jù)。為進(jìn)一步提高定位精度，建立了基于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和超寬帶導(dǎo)航系統(tǒng)的融合方程，在獲得采運(yùn)機(jī)端頭定位數(shù)據(jù)的同時(shí)還能有效補(bǔ)償慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的零偏。

3.3.2.2算法優(yōu)化

超寬帶導(dǎo)航/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合定位在導(dǎo)航期間存在定位信息異常、短時(shí)缺失等問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題田廣亮等［23］提出了SVR（Support Vector Regression，SVR）輔助改進(jìn)魯棒卡爾曼濾波的超寬帶導(dǎo)航/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合定位技術(shù)。在定位信息正常時(shí)采用RKF（Robust Kalman Filter，RKF）估計(jì)位置誤差，在定位信息出現(xiàn)異常時(shí)采用在線訓(xùn)練的SVR模型預(yù)測(cè)位置誤差。針對(duì)該方案進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：該方法能明顯提高算法性能，在超寬帶導(dǎo)航信號(hào)正常時(shí)，可以使誤差減小33 %；超寬帶導(dǎo)航信號(hào)出現(xiàn)異常時(shí)，仍然能持續(xù)有效定位。

在全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的范疇內(nèi)，信號(hào)接收始終是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的難題，長(zhǎng)期以來(lái)困擾著該領(lǐng)域的發(fā)展。然而，劉韜等［21］提出的超寬帶導(dǎo)航/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合定位方案及田廣亮等［23］針對(duì)超寬帶導(dǎo)航/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合定位信號(hào)問(wèn)題所設(shè)計(jì)的改進(jìn)方案，為攻克這一難題開辟了嶄新的思維路徑和可行方向。

盡管組合定位技術(shù)在應(yīng)對(duì)部分導(dǎo)航問(wèn)題上展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)和良好的效果，能夠整合不同導(dǎo)航系統(tǒng)的長(zhǎng)處，實(shí)現(xiàn)性能的優(yōu)化與互補(bǔ)，但組合定位并非完美無(wú)缺，其自身同樣存在著諸多亟待解決的問(wèn)題。即使是選取2個(gè)互補(bǔ)特性極為出色的導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行組合，也難以確保在實(shí)際應(yīng)用中不會(huì)出現(xiàn)任何故障或偏差。因此，在探索解決各類導(dǎo)航問(wèn)題的征程中，應(yīng)當(dāng)將理論研究與實(shí)踐操作緊密結(jié)合在一起，給予實(shí)踐環(huán)節(jié)足夠的重視。只有通過(guò)大量的實(shí)踐活動(dòng)，深入到實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景中去，才能夠精準(zhǔn)地發(fā)現(xiàn)隱藏在理論設(shè)計(jì)背后的問(wèn)題，從而有的放矢地對(duì)組合定位方案進(jìn)行優(yōu)化和完善，推動(dòng)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)朝著更加穩(wěn)定、精準(zhǔn)、高效的方向發(fā)展，為眾多依賴導(dǎo)航技術(shù)的領(lǐng)域提供更為可靠的定位服務(wù)和技術(shù)支撐。

4軌跡跟蹤研究現(xiàn)狀

金屬礦山硬質(zhì)地層施工工況復(fù)雜、環(huán)境惡劣，人工操作掘進(jìn)機(jī)施工存在危險(xiǎn)性高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、施工質(zhì)量難以保證、超挖、欠挖等問(wèn)題。因此，研發(fā)高效協(xié)同、精準(zhǔn)、穩(wěn)定的智能化施工設(shè)備有利于工程發(fā)展。為實(shí)現(xiàn)施工機(jī)械智能化作業(yè)，就必須捕獲施工機(jī)械在工作空間的絕對(duì)位置，并對(duì)其運(yùn)行軌跡進(jìn)行控制，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)人化施工。

學(xué)術(shù)界針對(duì)掘進(jìn)機(jī)軌跡跟蹤進(jìn)行了深入研究，取得了豐富的研究成果。劉送永等［24-25］使用單目視覺和深度學(xué)習(xí)算法檢測(cè)掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)，并配合模糊控制算法實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)切割，最終試驗(yàn)結(jié)果表明，最大輪廓誤差在50 mm以內(nèi)。此外，其還針對(duì)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中因滑移導(dǎo)致運(yùn)行軌跡偏離問(wèn)題進(jìn)行了研究，提出一種巷道掘進(jìn)機(jī)定向航行軌跡跟蹤控制方案，該方案配合PID（Proportion Integration Differentiation，PID）速度控制器可將圓弧段最大位置誤差控制在1.5 %以內(nèi)；張旭輝等［26］提出一種迭代學(xué)習(xí)與滑?？刂葡嘟Y(jié)合的軌跡跟蹤控制算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭運(yùn)行軌跡的精準(zhǔn)控制，并且利用Soldworks、3Dmax、Unity3D等軟件構(gòu)建了虛擬示教系統(tǒng)，解決了人工示教難以保證軌跡優(yōu)化及合理性的弊端；張國(guó)泰等［27］提出一種滑模控制方法，確保懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭部運(yùn)行軌跡不會(huì)受到外界未知干擾、系統(tǒng)非線性及參數(shù)不確定性等因素影響；張旭輝等［28］以激光點(diǎn)為目標(biāo)特征建立掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿測(cè)量系統(tǒng)，利用單目視覺測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)定向掘進(jìn)控制。

從上述內(nèi)容可知，目前學(xué)術(shù)界主要是針對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行研究，控制核心是通過(guò)機(jī)械臂控制截割頭按照預(yù)設(shè)定軌跡進(jìn)行移動(dòng)，其控制目標(biāo)及運(yùn)動(dòng)模式針對(duì)性強(qiáng)、不具備普遍性；使用單目視覺測(cè)量技術(shù)能夠準(zhǔn)確獲取懸臂式掘進(jìn)機(jī)機(jī)身姿態(tài)，但是該技術(shù)主要運(yùn)用場(chǎng)景為巷道，無(wú)法確定是否能夠應(yīng)用于豎井挖掘工程。

在機(jī)體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制研究領(lǐng)域，構(gòu)建精準(zhǔn)的機(jī)體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)模型面臨著相當(dāng)大的挑戰(zhàn)［29-30］。這主要?dú)w因于機(jī)體自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及運(yùn)行過(guò)程中所涉及的眾多因素。機(jī)械部件之間存在著高度非線性的耦合關(guān)系，而且在不同的工況條件下，其力學(xué)特性也會(huì)發(fā)生顯著變化，這些都使得建立一個(gè)能夠精確反映機(jī)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的模型變得異常艱難［31-32］。不僅需要對(duì)大量復(fù)雜的物理現(xiàn)象進(jìn)行細(xì)致考量，還需耗費(fèi)大量的時(shí)間與精力進(jìn)行反復(fù)調(diào)試與驗(yàn)證，但即便如此，最終模型的準(zhǔn)確性與可靠性仍然難以完全達(dá)到理想狀態(tài)。

與此同時(shí)，破巖機(jī)械在實(shí)際的工程作業(yè)中，所處的環(huán)境條件極為復(fù)雜且充滿不確定性。地質(zhì)條件的不均勻分布、巖石硬度的隨機(jī)變化、施工現(xiàn)場(chǎng)持續(xù)存在的振動(dòng)和噪聲干擾等諸多因素，都會(huì)對(duì)機(jī)體的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不容忽視的影響［33-34］，使得機(jī)體的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與預(yù)期狀態(tài)之間產(chǎn)生較大偏差，進(jìn)而極大地增加了對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)控制的難度。

基于上述情況，對(duì)于像LQR（線性二次型調(diào)節(jié)器）和MPC（模型預(yù)測(cè)控制）這類對(duì)系統(tǒng)模型精確性有著較高要求的控制算法而言，在破巖機(jī)械的控制應(yīng)用中就暴露出明顯的局限性。LQR算法實(shí)施前提是必須已知精確的系統(tǒng)狀態(tài)空間模型及明確的性能指標(biāo)函數(shù)，然后通過(guò)求解復(fù)雜的Riccati方程才能獲得所謂的最優(yōu)控制律，然而在實(shí)際的破巖機(jī)械運(yùn)行環(huán)境中，要滿足這些條件幾乎是不可能的。同樣，MPC算法依賴于精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)模型來(lái)對(duì)未來(lái)系統(tǒng)的行為進(jìn)行預(yù)估，并依據(jù)優(yōu)化目標(biāo)求解出最優(yōu)的控制序列，但由于破巖機(jī)械所處環(huán)境的高度復(fù)雜性和不確定性，使得預(yù)測(cè)模型難以準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況，從而導(dǎo)致該算法在實(shí)際應(yīng)用中的效果大打折扣。

相較而言，PID（比例-積分-微分）算法展現(xiàn)出諸多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，使其更適用于破巖機(jī)械的控制場(chǎng)景。從原理上講，PID算法簡(jiǎn)潔明了，易于理解和掌握，操作人員能夠快速上手并進(jìn)行有效的參數(shù)調(diào)整。在控制精度方面，它能夠通過(guò)合理地設(shè)置比例、積分和微分3個(gè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)輸出的精確控制，確保破巖機(jī)械在作業(yè)過(guò)程中能夠保持穩(wěn)定且精準(zhǔn)的運(yùn)行狀態(tài)。尤為重要的是，PID算法并不依賴于精確的系統(tǒng)模型，這使其在面對(duì)復(fù)雜多變的工程環(huán)境和機(jī)體運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，依然能夠發(fā)揮出良好的控制效果，有效克服了由于模型不準(zhǔn)確或環(huán)境干擾所帶來(lái)的問(wèn)題，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠保證破巖機(jī)械在各種不利條件下穩(wěn)定運(yùn)行。

此外，PID算法還具有巨大的發(fā)展?jié)摿土己玫目蓴U(kuò)展性。它能夠與多種先進(jìn)的優(yōu)化算法相結(jié)合，如粒子群優(yōu)化算法、遺傳算法等，通過(guò)這些算法對(duì)PID算法參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而進(jìn)一步提升其控制性能，有效解決傳統(tǒng)PID算法在參數(shù)選擇和優(yōu)化方面可能存在的問(wèn)題。綜上所述，鑒于PID算法在破巖機(jī)械控制領(lǐng)域所展現(xiàn)出的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)及巨大的發(fā)展?jié)摿?，將其作為金屬礦山硬質(zhì)地層智能掘進(jìn)機(jī)械控制技術(shù)的重要研究方向具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，有望為破巖機(jī)械的高效、穩(wěn)定運(yùn)行提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持，推動(dòng)相關(guān)工程領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展。

5新型礦山智能掘進(jìn)設(shè)備

新型豎井掘進(jìn)機(jī)作為礦山智能掘進(jìn)領(lǐng)域的創(chuàng)新成果，憑借其別具一格的機(jī)身構(gòu)造和獨(dú)特的破巖原理，成功突破了傳統(tǒng)豎井掘進(jìn)機(jī)所存在的機(jī)身沉重、施工靈活性欠佳等固有局限。在本章節(jié)中，著重對(duì)新型豎井掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作機(jī)制及其井下組合定位方案進(jìn)行詳細(xì)闡述，旨在深入剖析這一新型設(shè)備在豎井掘進(jìn)工程中的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，呈現(xiàn)其在提升豎井掘進(jìn)效率、保障施工精度與安全性等方面的重要價(jià)值與創(chuàng)新之處，從而更好地推動(dòng)礦山智能化掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。

5.1新型豎井掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)

新型豎井掘進(jìn)機(jī)（如圖4所示）由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、掘進(jìn)系統(tǒng)組成，還包括液壓泵、液壓馬達(dá)等硬件。

新型豎井掘進(jìn)機(jī)破巖流程如圖5-a）所示。首先，在掘進(jìn)系統(tǒng)與巖石接觸后利用自重使截齒侵入巖石；然后，液壓馬達(dá)帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，滾筒上截齒借由旋轉(zhuǎn)慣性對(duì)巖石進(jìn)行破碎化處理［18］。破巖效果如圖5-b）所示。由圖5-b）可知，依據(jù)上述破巖流程能夠?qū)炷吝M(jìn)行完全破碎化處理。在完成破碎任務(wù)后由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)掘進(jìn)機(jī)前往下一個(gè)破碎任務(wù)點(diǎn)繼續(xù)作業(yè)，循環(huán)以上步驟直至完成豎井挖掘。

5.2組合定位方案

新型豎井掘進(jìn)機(jī)組合定位原理如圖6所示，超寬帶定位系統(tǒng)采用雙向雙邊測(cè)距法，通過(guò)測(cè)量掘進(jìn)機(jī)與基站距離，得到掘進(jìn)機(jī)與超寬帶基站的位置關(guān)系，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換后可獲得掘進(jìn)機(jī)井下位置。

5.3組合定位算法

5.3.1人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是一種具有自適應(yīng)能力的數(shù)學(xué)模型（如圖7所示），其分為輸入層、隱藏層和輸出層，調(diào)節(jié)隱藏層單元個(gè)數(shù)能夠快速、準(zhǔn)確地尋找數(shù)據(jù)規(guī)律并確定擬合函數(shù)。在組合定位中分別使用超寬帶導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行定位，獲得定位數(shù)據(jù)、速度數(shù)據(jù)和位姿數(shù)據(jù)后將每一組數(shù)據(jù)分為訓(xùn)練數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù)，然后利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練（如圖8所示），再利用測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)訓(xùn)練后模型進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試通過(guò)后可生成相應(yīng)的擬合函數(shù)。利用擬合函數(shù)對(duì)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提高數(shù)據(jù)精度。

5.3.2卡爾曼濾波算法

卡爾曼濾波算法能夠?qū)⒂绊憯?shù)據(jù)精度的干擾噪聲減小，以提高數(shù)據(jù)精度。以下為卡爾曼濾波函數(shù)5個(gè)核心公式。

先驗(yàn)估計(jì)：

[Xk=AkXk-1]" " " " " " " " " " " " " "（1）

后驗(yàn)估計(jì)：

[Xk=Xk+Kk（Zk-HXk）]" " " " " " " " "（2）

卡爾曼增益：

[Kk=PkHTHPkHT+R]" " " " " " " " " " " " （3）

先驗(yàn)估計(jì)協(xié)方差：

[Pk=AkPk-1AT+Q]" " " " " " " " " " "（4）

更新估計(jì)協(xié)方差：

[Pk=（Ι-KkH）Pk]" " " " " " " " " " " " （5）

式中：[Xk]為[k]時(shí)刻狀態(tài)向量；[Ak]為[k]時(shí)刻狀態(tài)矩陣；[Xk]為[k]時(shí)刻的估計(jì)狀態(tài)向量；[Zk]為[k]時(shí)刻的觀測(cè)向量；[H]為觀測(cè)矩陣；[Kk]為[k]時(shí)刻卡爾曼增益；[Pk]為[k]時(shí)刻先驗(yàn)估計(jì)協(xié)方差；Pk為[k]時(shí)刻更新估計(jì)協(xié)方差；[Q]為過(guò)程噪聲的協(xié)方差矩陣；R為觀測(cè)誤差矩陣；I為單位矩陣。

使用卡爾曼濾波算法需要對(duì)目標(biāo)建立相應(yīng)狀態(tài)方程和觀測(cè)方程，構(gòu)建過(guò)程如下：

1）狀態(tài)方程。新型豎井掘進(jìn)機(jī)井下行駛以圓形路線為主，可將其運(yùn)動(dòng)模型視為CTRV（Constant Turn Rate and Velocity，CTRV）模型，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中因機(jī)器運(yùn)行和外界干擾使得掘進(jìn)機(jī)很難保證勻速行駛，由高斯理論可知，自然界誤差遵循正態(tài)分布，因而根據(jù)CTRV模型和噪聲誤差來(lái)源及特性可得新型豎井掘進(jìn)機(jī)狀態(tài)方程為：

[Xk=xkykvkθkωk+vkωk[sin （ωΔt+θ）-sin θ]vkωk[-cos （ωΔt+θ）+cos" θ]0ωΔt0+0.5av，kcos" θΔt20.5av，ksin" θΔt2av，kΔt0.5aω，kΔt2aω，kΔt]" " " " " " " " " " " " " " " " " " " （6）

式中：[xk]為k時(shí)刻掘進(jìn)機(jī)東向坐標(biāo)；[yk]為k時(shí)刻掘進(jìn)機(jī)北向坐標(biāo)；[vk]為k時(shí)刻掘進(jìn)機(jī)徑向速度；[θk]為k時(shí)刻掘進(jìn)機(jī)偏航角；[ωk]為k時(shí)刻掘進(jìn)機(jī)偏航角速度；[Δt]為時(shí)間點(diǎn)間隔；[av，k]為k時(shí)刻徑向加速度；[aω，k]為k時(shí)刻偏航角加速度。

其中，[0.5av，kcos" θΔt20.5av，ksin" θΔt2av，kΔt0.5aω，kΔt2aω，kΔt]為掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行噪聲干擾，而[av，k]、[aω，k]等參數(shù)符合正態(tài)分布。

2）觀測(cè)方程。卡爾曼濾波的觀測(cè)方程可以表示為：

[zk=h（x）+v]" " " " " " " " " " " " "（7）

式中：[x]為過(guò)程噪聲；[v]為測(cè)量噪聲。

由于卡爾曼濾波狀態(tài)矢量[X]中包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差，相應(yīng)測(cè)量矢量[zk]包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)預(yù)測(cè)值與相應(yīng)的超寬帶導(dǎo)航系統(tǒng)量測(cè)值之差，即：

[δzk=rlINS-rlUWBvlINS-vlUWB]" " " " " " " " " " " " "（8）

6展望

目前中國(guó)金屬礦山硬質(zhì)地層智能化掘進(jìn)處于初級(jí)階段，需要提升信息收集、信息深度處理、信息融合等能力，對(duì)已有信息進(jìn)行深度分析、挖掘、融合以達(dá)到對(duì)掘進(jìn)機(jī)工作環(huán)境更深層次掌握，推出符合工程要求的智能化技術(shù)，尤其是掘進(jìn)機(jī)高精度導(dǎo)航技術(shù)。主要可從以下2個(gè)方面進(jìn)行提升：

1）發(fā)展以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、超寬帶導(dǎo)航系統(tǒng)及視覺定位導(dǎo)航系統(tǒng)為核心的組合定位技術(shù)。組合定位系統(tǒng)要求能夠不受工程環(huán)境干擾，并且獲取包括機(jī)體位置、速度及姿態(tài)在內(nèi)的全面定位信息。

2）研究濾波算法。注重濾波算法實(shí)際應(yīng)用，為理論研究提供更多應(yīng)用實(shí)例，深入挖掘?yàn)V波算法實(shí)際需求，為濾波算法研究指明方向。獲知研究方向后嘗試?yán)眯碌臄?shù)學(xué)模型來(lái)描述信號(hào)，盡可能準(zhǔn)確地描述實(shí)際工況，此外還可以改進(jìn)濾波算法硬件架構(gòu)進(jìn)而提高計(jì)算效率和實(shí)用性。

金屬礦山硬質(zhì)地層智能化掘進(jìn)不單是導(dǎo)航系統(tǒng)和軌跡跟蹤控制智能化，而是更為全面的智能化，應(yīng)重視研究新型掘進(jìn)機(jī)。目前掘進(jìn)機(jī)械或是自身重力過(guò)大、不靈活，或是挖掘尺寸受限，不能很好地滿足工程需求。進(jìn)一步發(fā)展掘進(jìn)機(jī)械需要針對(duì)機(jī)身款式進(jìn)行創(chuàng)新，推出更多小巧、靈活且挖掘尺寸不受限制的掘進(jìn)機(jī)械。目前智能化是大勢(shì)所趨，金屬礦山硬質(zhì)地層智能化掘進(jìn)不能局限于自身行業(yè)，可以通過(guò)借鑒其他行業(yè)智能化發(fā)展獲得更為先進(jìn)的導(dǎo)航、濾波算法及其他技術(shù)，進(jìn)而促進(jìn)礦業(yè)行業(yè)發(fā)展。

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Status quo and prospects of intelligent excavation through hard strata in metal mines

Chen Xinming1，2， Sun Jinyu1，2， Jiao Huazhe1，2， Wang Qi1，2

（1. Key Laboratory of Underground Engineering and Disaster Prevention， Henan Polytechnic University;

2. School of Civil Engineering， Henan Polytechnic University）

Abstract：The key point of intelligent excavation technology， a trend for hard strata excavation in metal mines， lies in the technologies of positioning by combinations and trajectory tracking control. The study elaborated on the achievements in strata excavation technology， and navigation and positioning technology made in each stage， and dissected the shortcomings in technological terms while exploring the development regularities. The existing achievements made in positioning by combinations and trajectory tracking are comprehensively reviewed and commented objectively， before a set of schemes for positioning by combinations are devised specifically for new?type intelligent excavation equipment for mines. Finally， the development trend and research focus of intelligent excavation through hard strata in metal mines are prospected in a reasonable way.

Keywords：metal mine; hard strata; excavation technology; excavation equipment; positioning by combinations; trajectory tracking; intelligent excavation

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（52374121）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2023YFC2907203）

作者簡(jiǎn)介：陳新明（1970—），男，教授，博士，從事礦山隧道、注漿方向的研究工作；E?mail：chenxinming@163.com