基于LINS/激光傳感器的掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)識(shí)別系統(tǒng)*

田立勇, 馬春瑩

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 阜新 123000)

0 引 言

隨著信息化與智能化的快速發(fā)展,也對掘進(jìn)機(jī)提出了安全、高效、智能化發(fā)展等技術(shù)要求[1～3]。要滿足以上要求,其關(guān)鍵因素就是實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的自主位姿檢測,以達(dá)到對掘進(jìn)作業(yè)的智能化控制,從而實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面的少人化、無人化,提高掘進(jìn)的安全性。其中偏向角的確定,更是直接影響著巷道的走向和巷道的成型質(zhì)量[4,5]。

近年來,有很多專家提出了多種技術(shù)和方法,對掘進(jìn)設(shè)備的位姿測量進(jìn)行研究,并取得了一定的研究成果。陶云飛等人[6]提出了一種基于室內(nèi)全球定位系統(tǒng)(indoor global positioning system,iGPS)的掘進(jìn)機(jī)單站多點(diǎn)分時(shí)機(jī)身位姿測量方法。杜雨馨等人[7]以十字激光器與激光標(biāo)靶為信息來源,提出了一種基于機(jī)器視覺的懸臂式掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿檢測系統(tǒng)。吳淼等人[8]利用搭載激光發(fā)射器,提出了基于空間交匯測量技術(shù)的機(jī)身位姿測量方法。朱信平等人[9]提出一種基于全站儀的掘進(jìn)機(jī)位姿檢測方法。陶云飛等人[10]提出基于慣性導(dǎo)航技術(shù)的掘進(jìn)機(jī)位姿測量系統(tǒng)研究。現(xiàn)階段,由于煤炭井下的環(huán)境惡劣多變,導(dǎo)致自動(dòng)測量精度低,這些技術(shù)在巷道綜掘工作面的實(shí)際應(yīng)用效果尚未達(dá)到無人化采掘的技術(shù)水平。

本文提出一種組合測量的掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)識(shí)別系統(tǒng),該系統(tǒng)是由輕型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(lightweight inertial navigation system,LINS)和激光傳感器導(dǎo)航系統(tǒng)組成,并從組合測量的工作原理,姿態(tài)解算數(shù)學(xué)模型和精度分析三個(gè)方面對掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1 組合測量系統(tǒng)工作原理

1.1 LINS工作原理

LINS是由慣性測量元件激光陀螺儀與加速度計(jì)組成,應(yīng)用相應(yīng)的計(jì)算算法及初始位姿信息來實(shí)時(shí)確定運(yùn)載體位姿自主式推算導(dǎo)航系統(tǒng)。激光陀螺儀和加速度計(jì)都是沿機(jī)體系三軸方向安裝,可以實(shí)時(shí)測量出運(yùn)載體在三個(gè)軸向方向上的運(yùn)動(dòng)角速度和加速度,經(jīng)過坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換,計(jì)算出姿態(tài)矩陣及各個(gè)姿態(tài)角,即偏向角α、俯仰角β、滾動(dòng)角γ[11]。LINS的工作原理框圖如圖1所示。

圖1 LINS的工作原理

1.2 激光傳感器導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理

激光傳感器[12]導(dǎo)航系統(tǒng)是由線形激光指向儀、兩臺(tái)激光接收橫向標(biāo)靶、雙軸傾角傳感器、控制箱和位姿解算計(jì)算機(jī)組成。其中每個(gè)激光接收橫向標(biāo)靶是由一個(gè)主板組成,一個(gè)主板上安裝若干個(gè)呈等間距線形排列的光電傳感器,每一只光電傳感器都對應(yīng)一個(gè)固定位置,且每兩只光電傳感器之間的間距都是固定的。其中兩臺(tái)激光接收橫向標(biāo)靶安裝在激光接收裝置中,而激光接收裝置固定安裝在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上,其系統(tǒng)安裝布置示意圖如圖2所示。

圖2 激光傳感器導(dǎo)航系統(tǒng)安裝布置示意

激光接收橫向標(biāo)靶主要負(fù)責(zé)測量掘進(jìn)機(jī)機(jī)身姿態(tài)的偏向狀況,雙軸傾角傳感器主要負(fù)責(zé)測量掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的俯仰和滾動(dòng)狀況。規(guī)定巷道坐標(biāo)系以掘進(jìn)機(jī)前進(jìn)方向?yàn)閅軸方向,巷道底板豎直指向頂板方向?yàn)閆軸方向,X坐標(biāo)軸與Y坐標(biāo)軸和Z坐標(biāo)軸的關(guān)系構(gòu)成左手坐標(biāo)系定則,以固定安裝在巷道后方頂板上的線形激光指向儀在巷道底板XOY平面上的投影作為巷道坐標(biāo)系原點(diǎn)位置。

激光接收橫向標(biāo)靶的測量原理為：當(dāng)線形激光指向儀發(fā)射的定位激光束照射在激光接收橫向標(biāo)靶上時(shí),在主板上會(huì)形成激光帶,被激光帶照射到的光電傳感器會(huì)對激光進(jìn)行接收和識(shí)別,并將其位置信息傳輸給位姿解算計(jì)算機(jī),通過計(jì)算機(jī)對姿態(tài)的解算,得到掘進(jìn)機(jī)的偏向角數(shù)值。

雙軸傾角傳感器的測量原理為：傾角傳感器安裝的角度檢測方向分別為與機(jī)身中線平行的方向和與機(jī)身中線垂直的方向。與機(jī)身中線平行的方向的輸出信號(hào)應(yīng)反映掘進(jìn)機(jī)機(jī)身中線在巷道坐標(biāo)系YOZ平面的投影與初始狀態(tài)下機(jī)身中線在巷道坐標(biāo)系YOZ平面的投影之間的夾角；與機(jī)身中線垂直的方向的輸出信號(hào)應(yīng)反映掘進(jìn)機(jī)機(jī)身水平中線在巷道坐標(biāo)系XOZ平面的投影與初始狀態(tài)下機(jī)身水平中線在巷道坐標(biāo)系XOZ平面的投影之間的夾角。

1.3 組合測量系統(tǒng)工作原理

組合測量系統(tǒng)中,LINS是不依賴于任何外部信息的自主式導(dǎo)航系統(tǒng),抗干擾能力強(qiáng)[13],因此，在環(huán)境多變的井下工作也能充分發(fā)揮其作用,但該系統(tǒng)的位姿解算方法是對時(shí)間進(jìn)行積分,且誤差會(huì)隨時(shí)間累積增加,在實(shí)際工程中應(yīng)用需結(jié)合其他測量系統(tǒng)組合應(yīng)用；激光傳感器導(dǎo)航系統(tǒng),是以激光作為光源,利用激光的高方向性、高單色性與高亮度等優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行測量的傳感器,是一種新型測量儀表,它具有速度快,實(shí)現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離測量,精度高等優(yōu)點(diǎn)[14],適用于煤礦巷道復(fù)雜的工礦的測量,且激光測量精度可達(dá)到毫米,但由于激光束容易被遮擋,會(huì)出現(xiàn)無法測量的情況,此時(shí)可用LINS進(jìn)行暫時(shí)性測量。因此，利用組合測量掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)角信息,可以減少兩個(gè)系統(tǒng)單獨(dú)使用時(shí)出現(xiàn)的誤差過大或無法測量的情況,并可以將兩個(gè)系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)信息融合,減小測量誤差,且在掘進(jìn)機(jī)偏離預(yù)設(shè)掘進(jìn)方向時(shí)進(jìn)行調(diào)整,以達(dá)到巷道成型要求。組合測量系統(tǒng)工作流程圖如圖3所示。

圖3 組合測量系統(tǒng)工作流程

2 姿態(tài)解算模型

2.1 LINS姿態(tài)解算模型

由姿態(tài)角的定義可知,掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)角是地理坐標(biāo)系與機(jī)身坐標(biāo)系各軸之間的角度關(guān)系,且地理坐標(biāo)系可通過連續(xù)旋轉(zhuǎn)各個(gè)姿態(tài)角得到機(jī)身坐標(biāo)系。因此,建立地理坐標(biāo)系與機(jī)身坐標(biāo)系之間的姿態(tài)矩陣,便可求出各個(gè)姿態(tài)角的大小[15,16]。

(1)

(2)

(3)

2.2 激光傳感器導(dǎo)航系統(tǒng)姿態(tài)解算模型

激光傳感器導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)解算與激光接收裝置在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上的位置有關(guān),設(shè)光電傳感器原點(diǎn)位置與經(jīng)過測繪標(biāo)定的線形激光指向儀發(fā)射的激光束在同一個(gè)豎直平面內(nèi),在掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)工作之前進(jìn)行調(diào)整,以確保參數(shù)的準(zhǔn)確性。

定義機(jī)身坐標(biāo)系原點(diǎn)在巷道坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為Ob0(dx,dy,dz),激光接收橫向標(biāo)靶1,2的原點(diǎn)在機(jī)身坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分別為Ob1(xb1,yb1,zb1),Ob2(xb2,yb2,zb2)且xb2=xb1,yb2=yb1+e1,zb2=zb1+e2,其中,xb1,yb1,zb1,e1,e2的數(shù)值與光電傳感器在機(jī)身上的位置有關(guān),當(dāng)安裝位置固定時(shí),其數(shù)值為已知。初始狀態(tài)下,令機(jī)身坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)和巷道坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)重合,則機(jī)身坐標(biāo)系下的坐標(biāo)即巷道坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

當(dāng)掘進(jìn)工作開始后,掘進(jìn)機(jī)位置會(huì)發(fā)生變化,機(jī)身上的激光接收裝置也隨之變化,故激光接收橫向標(biāo)靶坐標(biāo)原點(diǎn)即光電傳感器坐標(biāo)原點(diǎn)在巷道坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為式(4)

(4)

Jb=

式中Jb為機(jī)身坐標(biāo)系相對于巷道坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。

當(dāng)掘進(jìn)機(jī)開始工作后,線形激光指向儀發(fā)射的激光束會(huì)照射在光電傳感器上,設(shè)激光束照射在激光接收橫向標(biāo)靶1上的落點(diǎn)為P1,照射在激光接收橫向標(biāo)靶2上的落點(diǎn)為P2,其原理如圖4所示。

圖4 激光傳感器姿態(tài)測量原理

(5)

(6)

代入x=p,得

(7)

則落點(diǎn)P1,P2的坐標(biāo)為

(8)

式中k=1,2。在巷道坐標(biāo)系下,線形激光指向儀發(fā)射的激光束在激光接收橫向標(biāo)靶1,2上的落點(diǎn)與原點(diǎn)之間的距離d1,d2分別為

(9)

在巷道坐標(biāo)系下,線形激光指向儀發(fā)射激光束的入射點(diǎn)距原點(diǎn)的距離與光電傳感器內(nèi)部二者之間的距離是相等的,基于此原理,可知掘進(jìn)機(jī)機(jī)身偏向角的表達(dá)式。

將u1,u2代入式(9)并整理得

(10)

式中 俯仰角β和滾動(dòng)角γ由雙軸傾角傳感器測得,直接代入,即可得出掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的姿態(tài)角。

2.3 組合測量系統(tǒng)姿態(tài)解算模型

對于組合測量來說,最重要的是將有效數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,以降低或消除系統(tǒng)中各個(gè)方法的測量誤差,從而求解出最優(yōu)的姿態(tài)參數(shù)。針對目前數(shù)據(jù)融合的方法,掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)測量系統(tǒng)采用加權(quán)平均融合的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理最為適合[18,19]。

以偏向角為例,加權(quán)平均融合解算模型為

(11)

(12)

偏向角的測量誤差會(huì)受到融合權(quán)值系數(shù)的影響,設(shè)兩種測量方法的測量精度相同,則兩種方法的測量系數(shù)均取0.5。同理,可得俯仰角與滾動(dòng)角的數(shù)據(jù)融合解算模型。

3 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

3.1 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)依托于張家峁掘錨一體機(jī)快速掘進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)裝備,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 測試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場

實(shí)驗(yàn)選用SANDVIK的MB670型掘錨一體機(jī),實(shí)驗(yàn)工況與理論工況保持一致：初始狀態(tài)下,線形激光指向儀發(fā)射的定位激光束落在光電傳感器的原點(diǎn)位置,掘錨機(jī)機(jī)身中線與巷道設(shè)計(jì)中線在同一垂直平面內(nèi)。確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)過程包括對掘錨機(jī)機(jī)身的偏向、俯仰和滾動(dòng)狀況進(jìn)行識(shí)別分析,測量數(shù)據(jù)通過人機(jī)交互界面顯示,如圖6所示。還可通過界面的數(shù)據(jù),分析掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)偏離預(yù)設(shè)軌道情況,并進(jìn)行相應(yīng)姿態(tài)調(diào)控,實(shí)現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)的導(dǎo)航。

圖6 數(shù)據(jù)顯示界面

為分析系統(tǒng)的測量誤差,分別取10組不同距離的測量數(shù)據(jù),其測量結(jié)果如下：偏向角受巷道寬度和激光橫向標(biāo)靶的尺寸限制,其測量范圍為±15°,俯仰角受巷道高度影響,其測量范圍為±20°,滾動(dòng)角受巷道高度和寬度影響,其測量范圍為±20°,為分析系統(tǒng)姿態(tài)角測量誤差,將姿態(tài)角真實(shí)值與各個(gè)系統(tǒng)測量值對比,對比結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?機(jī)身姿態(tài)角的組合測量誤差均在±0.15°以內(nèi),姿態(tài)角精度均滿足巷道成型的精度要求。

圖7 各系統(tǒng)測量誤差對比

4 結(jié) 論

本文提出一種掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)組合測量系統(tǒng),組合系統(tǒng)由LINS和激光傳感器導(dǎo)航系統(tǒng)組成,該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。同時(shí)為驗(yàn)證組合系統(tǒng)的可行性,依托于項(xiàng)目背景進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn),并對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場在不同掘進(jìn)距離所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析。結(jié)果表明：組合系統(tǒng)姿態(tài)角測量精度均在0.15°范圍內(nèi),彌補(bǔ)了組合系統(tǒng)中單個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的測量缺陷,且滿足巷道精度要求,實(shí)現(xiàn)了礦井掘進(jìn)機(jī)機(jī)身姿態(tài)角的精準(zhǔn)檢測技術(shù),通過姿態(tài)調(diào)控完成掘進(jìn)機(jī)的糾偏,為實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)無人化,智能化和自動(dòng)化提供了前提基礎(chǔ)。