基于組合定位技術的采煤機姿態監測系統研究

張俊青

（寧武縣中小企業服務中心， 山西 寧武 036700）

引言

作為煤礦井下綜采作業的核心設備，采煤機綜采作業效率和自動化程度直接關系到綜采面上綜采作業的效率和經濟性，采煤機截割作業時需要根據井下不同環境不斷調整截割姿態，滿足截割安全性的需求，因此對采煤機截割姿態的精確監測是實現采煤機自動截割作業的基礎，傳統的采煤機姿態監測方案主要采用捷聯慣導定位技術，但該方案需要不斷對定位精度進行修正，避免累積誤差增多，而且只能對采煤機的姿態進行局部定位監測，無法實現絕對姿態位姿監測，難以滿足井下采煤機、液壓支架聯動控制需求，因此本文提出一種基于組合定位技術的采煤機姿態監測系統。

1 組合定位方案

結合煤礦井下實際環境和對采煤機截割作業過程中的位姿監測需求，本文所提出的全站儀和無載波通信（UWB）組合定位方案整體結構如圖1所示[1]。

在該組合定位方案中，對全站儀和無載波通信（UWB）設備的布置主要是依據井下地質環境和測量精確性的需求。在井下運輸平巷內，能見度高、粉塵濃度低，但空間較為狹小，因此采用了全站儀定位方案來實現對無載波通信（UWB）固定基站的定位。在綜采面上作業環境較為惡劣，能見度低，除了要滿足定位精確性的需求外還需要滿足隨著采煤機移動方便、連續可靠的定位需求，因此采用了無載波通信（UWB）定位系統對各個定位節點進行定位。在采用該無載波通信（UWB）對采煤機截割作業姿態進行動態定位的過程中需要設置最少三組定位節點[2]，以滿足對采煤機運行過程中姿態角的結算需求，為了提升結算精度，在采煤機上同步設置了傾角傳感器和尋北儀對采煤機運行時的姿態角進行測定，滿足定位精確性的需求。

圖1 煤礦井下組合定位技術方案示意圖

2 采煤機位姿監測原理

在實際應用過程中采用無載波通信（UWB）技術來對基站群坐標系內各個定位節點的坐標位姿進行測定，然后利用全站儀對無載波通信（UWB）基站在系統內的絕對坐標位姿進行測定。采煤機在進行截割作業過程中機身位姿和搖臂傾角均會隨著綜采作業的進行而不斷變化，然后利用傾角傳感器來對采煤機工作過程中的俯仰角變化情況進行測定，輔以尋北儀即可測定采煤機運行過程中的姿態，其綜合位姿監測原理如圖2所示[3]。

由圖2可知，在實際運行中采煤機的位置定位包括采煤機的姿態角和采煤機的空間坐標兩個部分，采煤機姿態角的確定是通過設置在采煤機上的傾角傳感器和尋北儀共同確定的，利用尋北儀來測量采煤機的陀螺角的速度變化情況來確定航向角。利用傾角傳感器，通過機身工作時的振動情況來改變重力軸和靈敏軸之間的夾角，通過數據運算處理后，測出采煤機機身的橫滾角和俯仰角，再結合對采煤機航向角的判斷結果，最終可獲取采煤機工作時的姿態角。采煤機工作時的空間坐標系則是先利用無載波通信（UWB）確定基站群的相對空間位置，然后利用全站儀對其在井下巷道內的絕對空間位置進行測定，從而滿足在采煤機運行情況下對其控制位置的精確測定。

圖2 采煤機位姿定位原理示意圖

3 位姿檢測系統設備布置

為了確保對采煤機位姿檢測的精確性，在布置各類傳感器設備時需要根據煤礦井下的地質環境和測量需求進行靈活的配置[4]，從而確保測量精確性的需求，各監測設備的布置如圖3所示。

由圖3可知，無載波通信（UWB）定位系統的固定基站主要設置在平巷和綜采面的交叉口的位置，為了滿足對采煤機在移動狀態下的可靠定位，在液壓支架的頂部和底部分別設置有無載波通信（UWB）定位基站和定位節點。全站儀設置在運行平巷和運輸上山的交叉口處，作為構建采煤機運行姿態監測的絕對位置坐標系。為了實現對采煤機運行過程中姿態角的可靠監測，尋北儀和傾角傳感器均設置到采煤機的機身位置，為了確保測定結果的準確性，一般選擇安裝在采煤機搖臂下側位置，滿足測量精度和測量穩定性的需求。

為了對該組合式的采煤機姿態監測體系應用效果進行分析，以某型采煤機為研究對象，安裝相應的設備后，對運行過程中的姿態情況進行監測，根據實際監測結果，采煤機在運行過程中的絕對定位精度小于±0.2 m，采煤機機身的俯仰角跟蹤精度小于±0.12°，其航向角的跟蹤定位精度小于±0.07°，完全滿足煤礦井下自動截割控制時的定位精度需求，為實現井下的無人化綜采作業奠定了基礎。

圖3 采煤機位姿監測設備布置結構示意圖

4 結論

1）該組合定位方案中，對全站儀和無載波通信（UWB）設備的布置主要是依據井下地質環境和測量精確性的需求，全站儀設置在運行平巷和運輸上山的交叉口處，作為構建采煤機運行姿態監測的絕對位置坐標系，無載波通信（UWB）定位系統的固定基站主要設置在平巷和綜采面的交叉口的位置。

2）采煤機的位置定位包括采煤機的姿態角和采煤機的空間坐標兩個部分，采煤機姿態角的確定是通過設置在采煤機上的傾角傳感器和尋北儀共同確定的，絕對空間位置是通過全站儀進行測定的，從而滿足在采煤機運行情況下的精確定位需求。

3）采煤機在運行過程中的絕對定位精度小于±0.2m，采煤機機身的俯仰角跟蹤精度小于±0.12°，其航向角的跟蹤定位精度小于±0.07°，完全滿足煤礦井下自動截割控制時的定位精度需求。