懸臂式掘進機慣性定位技術研究與試驗*

田原

(1. 中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006；2. 山西天地煤機裝備有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

煤礦巷道尤其是主巷道對巷道成型精度有較高的要求，標準《煤炭井巷工程質量驗收規范》GB 50213—2010中規定“基礎掘進斷面規格的允許偏差為-25 mm～+150 mm”[1]。掘進機作為巷道成型的主要裝備，其定位精度對巷道成型精度有直接影響，考慮到掘進機裝配和控制精度、惡劣工況等因素，通常在截割作業的執行環節會產生較大偏差，故掘進機定位檢測精度必須達到厘米級，姿態和航向檢測精度達到角分級，才有可能達到規范要求的巷道斷面邊界精度[2]。

近十余年來，掘進機導航定位技術以光電技術為主[3-9]，其優點是在一定范圍內定位精度高。由于掘進工作面應用時存在一定的環境適應性問題，如低能見度、防護困難等，而慣性導航技術卻具有很好的環境適應性，又不依賴外部信息的自主檢測能力，故近年來慣性導航技術用于掘進機導航的研究成為了熱點，但慣性導航技術存在長時定位精度差的問題(純慣導系統定位偏差超過1 852 m/h)，因此，研究工作的重點集中在基于慣性器件的組合導航技術方面[10-14]，以彌補這一不足。從組合方式來看，主要是慣性技術與機器視覺、超聲波測距、激光掃描等技術的組合，雖然在一定程度上彌補了慣性技術長時定位精度差的不足，但帶入了機器視覺和激光掃描等光電技術，環境適應性的問題仍然未能解決。超聲波測距被用于檢測掘進機機身與巷道側壁之間的距離，巷道側壁的不規則對其檢測結果的可靠性有較大影響。

零速修正技術利用慣性器件誤差模型進行自動修正，可以提高定位精度，在車載慣性導航技術中有較廣泛的應用[15-18]，它在提高定位精度的同時保留了慣性器件環境適應性強的優點。為了驗證慣性導航技術用于掘進機定位導航時的定位精度，了解掘進機不同工況對慣性導航系統定位精度的影響，本文從分析掘進作業方式和掘進機運動特點入手，建立了掘進機慣性導航系統，完成了掘進機慣性導航工業性試驗。

1 掘進機運動特點分析

零速修正即利用載體停車時慣性系統的速度輸出作為系統速度誤差的觀測量，進而對其他各項誤差實現校正。文獻表明，零速修正通過停車點的速度測量，可以對時間相關的誤差源充分修正[15-18]。由于慣性系統的定位偏差隨運行時間延長而增加，故零速修正法應用的特點是，兩次修正之間的間隔時間越短，定位精度越高。

對掘進機而言，其運動方式大致可分為連續行進、連續截割、短距頻繁進退和長時間靜置4種。機位調動時需要掘進機進行連續較長距離的移動，移動速度約為6～10 m/min，其間需要不時停車以整理電纜；截割作業時則是短距間斷行進模式，截割時處于停車狀態，一個斷面截割完成后，短距前進后再停車截割；截割作業期間，為了修整斷面邊界，掘進機按照短距頻繁進退模式運動；掘進機完成2～3個斷面截割循環后，需要后撤5～10 m，讓出支護操作空間，按照“探-掘-支-錨-運”的掘進工作面作業工藝，掘進機大部分時間處于靜置狀態。掘進機的工作節拍能接受數分鐘甚至數十秒的停車間隔，這為掘進機慣性導航系統通過較頻繁的零速修正提高其定位精度到“厘米”級提供了可能。如圖1所示，掘進機各種運動模式可互相轉換，在連續行進期間可進行多次零速修正以保證慣性導航系統的定位精度，多次修正后，通過慣性導航系統初始化消除累積誤差。截割作業和短距頻繁進退模式下也可采用上述方式保持定位精度和消除累積誤差。

圖1 掘進機運動模式及定位誤差修正方式

2 掘進機慣性定位系統組成

掘進機慣性導航系統設備主要由慣性導航系統、掘進機機載控制/顯示模塊、掘進機行走系統等部分組成，如圖2所示。慣性導航系統由加速度計、陀螺儀和導航計算模塊組成，實時檢測掘進機的空間位置及航姿參數。掘進機機載控制/顯示模塊實時顯示導航參數和圖形化導航界面，除顯示導航參數外，掘進機機載控制/顯示模塊完成慣性導航系統的初始化參數輸入，并可將慣性導航系統輸出的導航數據用于掘進機運動和截割控制。掘進機行走系統為慣性導航系統提供掘進機停車信號，以便慣性導航系統完成周期性零速修正。

圖2 掘進機慣性導航系統組成

3 試驗及數據分析

為了驗證零速修正方法在掘進工況下的有效性，搭載PHINS SURFACE慣性導航系統的掘進機在鄂爾多斯某煤礦進行了工業性試驗并進行了標定試驗。試驗中，通過零速修正算法提高系統定位精度，零速信號由掘進機行走系統提供，修正間隔約為60 s，修正時間約為20 s。利用全站儀測定慣性導航系統的位置，作為慣性導航系統定位精度評價的參考基準，其中，全站儀的方位測量基準為正北方向，以掘進機初始位置為位置基準，全站儀測量時間與慣性導航系統測量時間嚴格對準。

試驗初始化階段，全站儀測量慣性導航系統空間位置，將其輸入慣性導航系統作為初始位置，將巷道設計方位角輸入慣性導航系統作為其導航界面上顯示的掘進機的方位控制基準。

如圖3所示，掘進機行進路徑由“1”到“5”，全長約80 m。圖4為慣性導航系統輸出定位參數與全站儀測定值對比，采用相對起始點的方式表示，圖中“TS緯距X+”表示全站儀測量的慣性導航系統在北向上前進的距離，“Northing+”表示慣性導航系統輸出的北向前進距離，“TS經距Y+”表示全站儀測量的慣性導航系統在東向上前進的距離，“Easting+”表示慣性導航系統輸出的東向前進距離。

圖3 行走路線

(a) 北向位移對比

(b) 東向位移對比

試驗中，前9組數據嚴格按照60 s間隔進行零速修正，第9組與第10組數據測量間隔遠大于60 s(小范圍連續運動超過10 min)，此外，前9組數據對應掘進機空載行進(即軌跡“1”和“2”，方位角接近正北，大約為181°0′6″)，后2組數據對應掘進機截割工況(軌跡“5”)。

表1中的數據為以出發位置為基準的相對定位精度對比，從4個多小時的試驗過程中可以看出慣性導航系統的定位偏差累積情況：北向定位偏差累積為0.508 m，東向定位偏差則超過5.9 m，這是因為第9和第10個測量點之間修正間隔遠超過60 s(小范圍連續運動超過10 min)，造成較大的定位偏差，前9組數據測量期間北向定位偏差累積為0.249 m，東向定位偏差累積為0.49 m。

表1 以出發位置為基準的相對定位精度對比 m

表2中的數據為每一測量點相對上一測量點的定位精度對比，數據表明慣性導航系統在60 s修正間隔時的定位偏差(第9、第10除外)，可以看出11個測量點相對上一測量點的北向和東向平均定位偏差是0.050 8 m和-0.592 9 m，其標準差分別為0.071 0 m和1.687 4 m，前9個測量點的北向和東向平均定位偏差是0.031 1 m和-0.061 3 m，其標準差分別是0.062 4 m和0.064 0 m，第11測量點相對第10測量點的東向和北向定位偏差分別是-0.054 m和0.093 m，數據表明：受振動影響，截割工況的定位偏差高于空載行進的定位偏差。

表2 相對上一測量點的定位精度對比 m

4 結論

本文將PHINS 慣性導航系統用于掘進機自動定位，利用零速修正法提高其定位精度并完成工業性試驗，試驗結果表明：

1) 零速修正間隔為60 s時，北向定位偏差均值約0.031 1 m，東向定位偏差均值約0.061 3 m。

2) 零速修正間隔為60 s時，在約2 h試驗期間，掘進機行進約42 m，北向定位偏差累積約為0.249 m，東向定位偏差累積約為0.49 m。

3) 試驗期間，修正間隔遠大于60 s(小范圍連續運動超過10 min)時，東向定位偏差超過5 m，北向定位偏差超過0.15 m，表明修正時間間隔延長時，零速修正算法對提高慣性導航系統定位精度的有效性明顯降低。

4) 受振動影響，截割工況的定位偏差高于空載行進的定位偏差。

試驗結果證明，60 s零速修正間隔在短時間內可以滿足掘進機自動截割對定位精度的要求，而長時定位精度若要滿足自動截割要求，還需要進一步改進零速修正算法或融合其他定位方法。