采煤機(jī)采區(qū)定位定姿技術(shù)

崔 宇

（大同煤礦集團(tuán)地煤公司馬口煤礦綜采隊(duì)， 山西 大同 037001）

引言

高效安全生產(chǎn)一直是煤炭企業(yè)追求的目標(biāo)，機(jī)械化、自動(dòng)化是煤礦機(jī)械發(fā)展的方向。采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)是綜采工作面最重要的三種設(shè)備，簡(jiǎn)稱“三機(jī)”，其中以采煤機(jī)為主導(dǎo)，三者互相配合實(shí)現(xiàn)煤炭的開采，它們的工作效率直接決定了煤礦生產(chǎn)的效率[1]。采煤機(jī)在工作時(shí)沿刮板輸送機(jī)的軌道進(jìn)行往復(fù)式割煤，液壓支架對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)，目前大多數(shù)煤礦生產(chǎn)中是由人工手動(dòng)控制三種設(shè)備聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)煤炭開采的機(jī)械化，但離自動(dòng)化生產(chǎn)還有一段距離。采煤機(jī)的位置和姿態(tài)能直接反映出液壓支架與刮板輸送機(jī)的工作狀態(tài)，可以為三機(jī)聯(lián)動(dòng)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，因此采煤機(jī)采區(qū)的實(shí)時(shí)定位定姿監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)綜采工作面自動(dòng)化、少人化生產(chǎn)的基礎(chǔ)。

1 采煤機(jī)定位定姿技術(shù)

從20世紀(jì)80年代以來，為了實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)采區(qū)的定位定姿，眾多科研人員提出了多種方法，主要有以下幾種。

1.1 基于紅外的采煤機(jī)定位技術(shù)

采煤機(jī)在運(yùn)行過程中，由安裝在采煤機(jī)上的紅外發(fā)射裝置發(fā)射脈沖信號(hào)，液壓支架上安裝紅外接收裝置，根據(jù)接收到的脈沖信號(hào)，定位出采煤機(jī)相對(duì)液壓支架的位置。這種方法定位精度不高，容易受到粉塵等遮擋物影響導(dǎo)致信號(hào)無法接收，另外液壓支架在實(shí)際生產(chǎn)中移動(dòng)頻繁，不能實(shí)時(shí)對(duì)采煤機(jī)位置進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)[2]。

1.2 基于超聲波的采煤機(jī)定位技術(shù)

使用超聲波測(cè)距傳感器定位采煤機(jī)的工作位置，原理與使用紅外傳感器的采煤機(jī)定位技術(shù)基本一致，區(qū)別在于超聲波可以穿透粉塵，鏡頭不需要清洗。超聲波定位的精度也不高，只能作為輔助定位，使用具有局限性。

1.3 基于軌道里程的采煤機(jī)定位技術(shù)

這種方法是利用傳感器采集采煤機(jī)行走齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)信息，通過轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)乘以齒輪分度圓周長(zhǎng)計(jì)算出采煤機(jī)在管板輸送機(jī)軌道上的行走距離，與液壓支架的架間距進(jìn)行對(duì)比，確定采煤機(jī)的實(shí)際位置。該方法只能用來定位采煤機(jī)沿刮板輸送機(jī)軌道方向的一維位置，且受齒輪計(jì)數(shù)誤差的影響，不能滿足采煤機(jī)精確定位定姿的要求。

1.4 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的采煤機(jī)定位技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是分布式智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在綜采工作面布置大量具有通信和計(jì)算能力的無線傳感器，通過無線信號(hào)監(jiān)測(cè)采煤機(jī)與液壓支架間的位置關(guān)系，解算出采煤機(jī)的實(shí)際位置。這種方法成本低，定位精度較高，但是由于工作區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，液壓支架頻繁移動(dòng)，容易出現(xiàn)信號(hào)衰減或無信號(hào)情況，在監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性上還需進(jìn)一步提高[3]。

1.5 基于慣性導(dǎo)航的采煤機(jī)定位技術(shù)

慣性導(dǎo)航技術(shù)是一種自主式導(dǎo)航技術(shù)，通過安裝在采煤機(jī)上的陀螺儀及加速度計(jì)，測(cè)量采煤機(jī)的實(shí)時(shí)角加速度和線性加速度，解算出采煤機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，再經(jīng)過坐標(biāo)變換得到采煤機(jī)的實(shí)時(shí)位置。這種方法不需外加信號(hào)，定位精度高，可以得到采煤機(jī)的三維位置信息，但在長(zhǎng)時(shí)間工作后由于累積誤差使精度變差，需要采用綜合導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行修正[4]。

2 捷聯(lián)慣導(dǎo)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組合定位定姿原理

各種采煤機(jī)定位定姿方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，將捷聯(lián)慣導(dǎo)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合起來，組成組合定位定姿系統(tǒng)，可以克服單系統(tǒng)的缺點(diǎn)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，以更好滿足自動(dòng)化生產(chǎn)的要求。

2.1 采煤機(jī)姿態(tài)表達(dá)

采煤機(jī)的姿態(tài)主要是靠俯仰角、橫滾角和偏航角表示的，如圖1所示。

圖1 采煤機(jī)姿態(tài)角

圖1-1表示采煤機(jī)在工作面方向上與當(dāng)?shù)厮矫鎶A角即采煤機(jī)的俯仰角，圖1-2表示采煤機(jī)在工作面推進(jìn)方向上與當(dāng)?shù)厮矫娴膴A角即采煤機(jī)的橫滾角，圖1-3表示采煤機(jī)沿工作面方向上與正北方向的夾角即采煤機(jī)的偏航角。

捷聯(lián)慣導(dǎo)技術(shù)是依靠安裝在采煤機(jī)上的慣性傳感器，測(cè)量采煤機(jī)的加速度并進(jìn)行兩次積分運(yùn)算，從而得到采煤機(jī)的位置狀態(tài)。由于傳感器與采煤機(jī)固連，通過積分運(yùn)算直接得到的采煤機(jī)信息是在載體坐標(biāo)系下的位置信息，為了整個(gè)綜采工作面信息統(tǒng)一，還需進(jìn)行坐標(biāo)系變換將采煤機(jī)的位置信息由載體坐標(biāo)系變換到當(dāng)?shù)鼗鶞?zhǔn)坐標(biāo)系下。坐標(biāo)系變換如圖2所示。

圖2 坐標(biāo)系變化示意圖

其中OXbYbZb是載體坐標(biāo)系，OXoYoZo是當(dāng)?shù)鼗鶞?zhǔn)坐標(biāo)系，載體坐標(biāo)系經(jīng)過三次旋轉(zhuǎn)后與基準(zhǔn)坐標(biāo)系重合，三次旋轉(zhuǎn)的角度就是采煤機(jī)的俯仰角θ、橫滾角γ和偏航角ψ。三次旋轉(zhuǎn)的變換矩陣分別為：

從載體坐標(biāo)系變換到基準(zhǔn)坐標(biāo)系的公式為：

采煤機(jī)上任意點(diǎn)的位置，可以通過式（4）轉(zhuǎn)換到基準(zhǔn)坐標(biāo)系中。

2.2 捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)（SINS）原理

捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)原理如圖3所示。固連在采煤機(jī)上的陀螺儀、加速度計(jì)軸線與采煤機(jī)各軸線高度重合，實(shí)時(shí)測(cè)量出的角加速度參數(shù)和加速度參數(shù)通過數(shù)學(xué)運(yùn)算，解算出姿態(tài)角信息，并與初始姿態(tài)信息進(jìn)行比對(duì)，可以得到采煤機(jī)的實(shí)時(shí)姿態(tài)及位置信息。

圖3 捷聯(lián)慣導(dǎo)原理圖

2.3 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)（WSN）原理

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用新型的UWB（超寬帶）技術(shù)，與傳統(tǒng)的紅外、超聲波、WIFI等無線信號(hào)相比，多徑分辨率高，定位精度好，信號(hào)衰減少。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中已知的位置節(jié)點(diǎn)稱作錨節(jié)點(diǎn)，固連在液壓支架上，待定位節(jié)點(diǎn)稱作移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，固連在采煤機(jī)機(jī)身上。采煤機(jī)機(jī)身上的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器以一定頻率向周圍發(fā)射無線信號(hào)，通過液壓支架接收信號(hào)，進(jìn)行耦合，在無線信號(hào)域和位置空間域內(nèi)進(jìn)行對(duì)偶映射，來解算采煤機(jī)的實(shí)時(shí)位置。無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的布置如下頁圖4所示。

2.4 捷聯(lián)慣導(dǎo)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組合定位定姿系統(tǒng)

單獨(dú)采用捷聯(lián)慣導(dǎo)導(dǎo)航技術(shù)，可以在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的快速精確定位定姿，但在長(zhǎng)期運(yùn)行中，受到積分累積誤差的影響，定位結(jié)果會(huì)產(chǎn)生發(fā)散；單獨(dú)使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)，不會(huì)產(chǎn)生累積誤差，但會(huì)受到錨節(jié)點(diǎn)偏移等情況的干擾，產(chǎn)生誤差。因此考慮將兩種系統(tǒng)進(jìn)行組合同時(shí)對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行定位定姿，系統(tǒng)原理如圖5所示。

圖4 無線網(wǎng)絡(luò)傳感器布置圖

圖5 組合系統(tǒng)定位定姿原理

采煤機(jī)的定姿由捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)完成，實(shí)時(shí)更新，定位由捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)共同完成，采用基于信賴度的組合定位算法對(duì)結(jié)果進(jìn)行校正，輸出可信的位置信息。

3 基于信賴度的組合定位算法

定義閾值σ1和σ2（σ1＜σ2），當(dāng)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位后，當(dāng)前時(shí)刻與前一時(shí)刻的結(jié)果差值ΔPWSN（位置增量）小于等于σ1時(shí)，認(rèn)為結(jié)果可信；當(dāng)σ1＜ΔPWSN≤σ2時(shí)，認(rèn)為結(jié)果存在一定誤差，此時(shí)需要與捷聯(lián)慣導(dǎo)的定位數(shù)據(jù)組合進(jìn)行校正；當(dāng)ΔPWSN＞σ2時(shí)，此時(shí)認(rèn)為結(jié)果完全不可信，使用捷聯(lián)慣導(dǎo)定位結(jié)果作為輸出值。定義信賴度因子μ∈[0，1]，該因子的計(jì)算公式為：

捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)隨之時(shí)間的累積誤差逐漸增大，運(yùn)行時(shí)間超過τ秒后，累積誤差無法接受，需要重新進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，此時(shí)認(rèn)為結(jié)果完全不可信，定義信賴度因子η∈[0，1]，其計(jì)算公式為：

根據(jù)對(duì)兩種系統(tǒng)的分析，組合系統(tǒng)的定位算法為：

4 結(jié)語

綜采工作面的自動(dòng)化生產(chǎn)離不開采煤機(jī)精確定位定姿技術(shù)的支持，基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組合采煤機(jī)定位定姿系統(tǒng)，克服了單系統(tǒng)的缺點(diǎn)，增加了系統(tǒng)冗余度，有較好的應(yīng)用前景。