基于掘进机位姿测量系统的自主标定方法误差分析

围绕在狭长综掘巷道中掘进机位姿激光测量系统位姿参数高精度自动测量的问题,首先系统介绍了位姿测量系统,研究了位姿测量系统测站移站后高精度自动全站仪自主标定原理。依据激光测量原理及掘进机工作特点,构建了全站仪移站后全站仪设站点坐标与定位棱镜坐标测量误差数学平差模型,并通过Matlab进行了不同标定距离、不同测量距离对悬臂式掘进机位姿参数测量误差影响规律的仿真分析。分析结果表明:掘进方向的位姿误差比较大,掘进机姿态角误差均随测量距离和标定距离的增加而增加,且测量距离对姿态角误差影响更明显;姿态角的最大测量误差为航向角,测量误差为0. 015 7°。从而验证了激光导向系统自主标定的可行性,并由此提出了一种相对最优的自主标定策略。完全满足目前煤矿综掘工作面对悬臂式掘进机位姿测量精度的要求。     

基于激光测量技术的掘进机航向角精度研究

为实现悬臂式掘进机位姿的高精度自主测量,建立了基于激光测量技术的掘进机位姿检测系统,并对掘进机航向角精度进行研究。介绍了测量系统的组成和工作原理;由误差传递理论及掘进机航向角解算数学模型,推导出航向角误差传递方程;并应用MATLAB进行仿真分析研究。结果表明:实验仿真与实际理论分别得出的航向角在多因素条件下测量误差变化规律基本相同,此测量系统在目前的各类掘进机定位定向方法中测量精度是最高的。完全满足目前煤矿综掘工作面对悬臂式掘进机航向角测量精度的要求。     

基于iGPS的掘进机单站多点分时机身位姿测量方法

为实现掘进机机身位姿的高精度自主测量,提出了基于iGPS的掘进机单站多点分时机身位姿测量方法,并对其可行性进行分析,研究了其测量误差分布规律。分析了目前各种掘进机机身位姿测量方法及iGPS的应用方式,推导出掘进机的位姿计算参数。系统阐述了此测量方法的组成及工作原理,依据其工作原理及掘进机工作特点,建立接收器位置坐标的解算模型,通过Matlab进行仿真,得出了在不同测量距离下接收器各个轴向坐标测量误差的变化规律,结果表明：接收器各个轴向坐标测量误差随着测距的不断增大而增大,且y轴方向的测量误差增长速率大于x,z轴方向;随着测量次数的增多,测量误差有所减小,当测距为40 m,测量次数为200时,y轴方向的最大测量误差为0.070 m。将仿真结果与国家煤矿井巷工程验收标准值进行对比得出,应用此方法测量得出的最大测量误差值小于国家标准的规定值,能够满足掘进机的位姿测量要求。     

基于激光靶向跟踪的掘进机位姿测量方法

为了通过单点布站实现掘进机所有位姿参数的自动测量,在分析现有掘进机位姿测量方法的基础上,提出基于激光跟踪云台与激光标靶组合测量的掘进机位姿测量方法。阐述了测量系统的组成、工作原理及激光标靶提取光斑坐标的方法,通过研究掘进机位姿、激光标靶位姿、激光跟踪云台位姿以及巷道坐标系之间的转换关系,建立掘进机位姿测量系统的数学模型,解算出掘进机相对于巷道坐标系的绝对位姿的数学表达式,并采用Matlab分析了掘进机各位置和姿态参数的测量误差。实验结果表明:测量距离为60 m时的翻滚角误差小于0.7°,俯仰角误差小于0.7°,方向角误差小于0.2°,X轴误差小于10 mm,Y轴误差小于40 mm,Z轴误差小于30 mm,满足掘进机位姿测量的精度要求。     

悬臂式掘进机视觉导航与定向掘进控制技术

煤矿巷道掘进装备位姿测量是国内外目前研究的热点,不同的巷道快速掘进系统均面临定向导航难题。为解决煤矿井下悬臂式掘进机自动定向掘进控制难题,提出一种基于视觉导航的悬臂式掘进机自动定向掘进控制方法,利用单目视觉测量技术,以巷道中激光指向仪的激光点和激光束为特征构建基于门形结构的掘进机机身位姿视觉测量模型,通过空间矩阵变换解算巷道中机身位姿。根据悬臂式掘进机运动特点确定掘进机纠偏控制策略,基于悬臂式掘进机运动学建立掘进机定向掘进运动控制模型,采用backstepping方法,选取合适的Lyapunov函数设计掘进机轨迹跟踪控制器,有效解决掘进机轨迹跟踪控制问题。实验结果表明:悬臂式掘进机机身位姿视觉测量方法可有效实现井下工作环境中悬臂式掘进机机身的位姿测量,得到掘进机机身位置测量误差在±40 mm以内,姿态角角度测量误差在±0.3°以内;轨迹跟踪控制器可实现悬臂式掘进机的自动定向掘进功能,其运动控制精度在±20 mm以内,满足巷道施工的精度要求。该方法中工业相机固定安装于掘进装备机身,且利用激光指向仪点-线特征构建门型三线模型作为位姿测量基准,与相关研究对比,具有不易脱靶、标靶移动少等优点。     

基于机器视觉的悬臂式掘进机机身位姿检测系统

针对矿井巷道自动掘进的需求,为矿用悬臂式掘进机构建了一套机身位姿实时检测系统。该系统以十字激光器与激光标靶为信息来源,通过对标靶上十字光线成像特征的分析,建立了掘进机机身位姿空间解算模型。该模型利用机身与十字激光面的空间关系,使用空间矩阵变换方法,得到机身相对于巷道的三轴倾角以及在巷道断面上的偏离位移,实现了掘进机机身位姿的自动实时检测。最终,在实验室条件下,搭建了机身位姿自动检测试验平台,模拟掘进机在巷道内的姿态,试验结果表明:测量范围在2~100 m时,系统的角度测量误差在0.5°范围内,位移的检测误差小于20 mm,能够满足巷道施工过程中掘进机机身位姿自动、精确、实时测量的要求。     

悬臂式掘进机空间位姿的运动学模型与仿真

为实现掘进断面自动截割成形控制,达到无人采掘装备自主巡航目标,研究了悬臂式掘进机空间位姿运动学模型并进行了仿真。将悬臂式掘进机的机械机构简化为一系列平移或旋转关节串联而成的运动链,建立了掘进机空间位姿坐标体系;利用齐次坐标变换和机器人运动学相关理论建立了掘进机机身位姿和截割头相对于大地坐标系的空间位姿矩阵。采用D-H法求解了正向运动学问题即截割头空间位姿精确定位;采用代数法分析研究了逆向运动学问题即截割头轨迹规划及控制的数学模型。以EBZ200机型为例,实验仿真了类S形自下而上矩形截割断面工艺路径,并进行了现场多组试验。试验结果表明：设定巷道断面4 500 mm×4 000 mm,两帮综合最大误差为65 mm,相对控制最大误差为1.4%,达到煤巷断面质量精度要求,且重复精度高、无累计偏差。     

悬臂式掘进机机身及截割头位姿视觉测量系统研究

针对煤矿井下悬臂式掘进机机身及截割头位姿测量难题,提出一种基于激光束和红外光斑特征的悬臂式掘进机机身及截割头位姿视觉测量系统。在掘进工作面的巷道顶部安装3个激光指向仪,通过固定安装在掘进机机身上的防爆相机对激光束图像进行采集,利用改进的随机Hough变换对激光束进行直线检测,通过建立的基于两点三线的掘进机位姿解算模型得到掘进机机身在巷道坐标下的位姿。同时,通过防爆相机对截割部所安装的红外标靶图像进行采集,利用高斯曲面拟合算法对光斑进行中心定位,通过建立的基于对偶四元数的掘进机截割头位姿解算模型得到截割头在机身坐标系下的位姿,结合得到的机身坐标系与巷道坐标系间的转换关系,得到巷道坐标系下的截割头中心点位姿。最终,在实验室搭建了掘进机机身及截割头位姿视觉测量平台,并在该平台上模拟掘进机的实际工况位姿,结果表明,该方法测得的掘进机截割头中心点在巷道坐标系下的姿态测量误差在0.5°范围以内,位置测量误差在40 mm以内,可以满足掘进机机身及截割头位姿自动、准确、实时测量的要求。     

基于iGPS的悬臂式掘进机位姿测定系统研究

煤矿掘进作业中,常常会出现巷道基准轴线与掘进机位姿测量不一致的情况。为了解决掘进作业中掘进机的位姿自动测定的问题,文章结合悬臂式掘进机的结构和工作方式,提出一种iGPS的悬臂式掘进机位姿测定系统,计算出了系统产生的误差:机身位姿误差约为0.01745m,控制系统误差小于0.15m。最后,在系统造价、环境适用性和安全性能3个方面论述了系统的可行性。     

基于惯性导航技术的掘进机位姿测量系统研究

为实现掘进机位姿无人化、高精度的自主测量功能,提出了基于惯性导航技术的掘进机位姿测量系统并对其可行性进行分析研究。根据掘进机实际工况,提出了掘进机空间位姿参数,建立了位姿测量系统的数学模型,应用MATLAB进行仿真分析研究,得出了掘进机空间位姿参数在不同掘进进尺及掘进时间情况下的变化规律。     

基于超宽带定位的掘进机姿态监测仿真与实验研究

考虑到目前煤矿井下掘进机姿态监测与定向装置自动化程度低,测量精度低等问题,对一种基于UWB定位技术的掘进机姿态测量方法进行研究,该方法通过跟随掘进机同步移动的测量装置实现掘进机与测量装置在巷道内交替进行姿态监测。通过Matlab仿真软件和实验方法对姿态测量技术进行实例分析,结果验证该方法的可行性。研究结果表明：增加基站与标签距离会降低姿态测量精度,因此需要合理设置掘进机与测量装置的间距;增加标签与标签距离会提高姿态测量精度,因此需要合理设置标签的安装位置;标签Z轴的测量精度较低,会影响姿态测量的精度,可通过融合多种测量技术的办法来提高掘进机姿态测量的精度。     

煤矿悬臂式掘进机截割头位置精确控制方法

针对煤矿悬臂式掘进机截割断面自动成形控制问题,建立了截割头控制系统传递函数模型,并提出了一种基于PID控制的悬臂式掘进机截割头位置精确控制方法。根据悬臂式掘进机截割部结构及其运动学分析,建立了掘进机截割头控制系统传递函数模型。为了验证建立的截割头控制系统传递函数模型的正确性和PID控制方法的效果,进行了仿真实验分析和在悬臂式掘进机实验平台上进行加入PID与否的对比实验验证。实验结果表明:在加入PID反馈控制后,截割头位置控制精度大大提高,竖直截割实验最大误差约为1%,水平截割最大误差约为1.7%,矩形断面截割高度和宽度最大误差均约为1%。因此,根据建立的控制系统传递函数模型和基于PID的控制方法实现了煤矿悬臂式掘进截割头位置的精确控制,对于实现掘进机的智能化和确保煤矿安全高效生产具有重要意义。     

基于捷联惯导的悬臂式掘进机位姿解算算法研究

针对煤矿井下高煤尘、光线暗的恶劣环境中掘进机无法实现动态位姿检测的问题，提出了基于捷联惯导的悬臂式掘进机位姿检测方法并对其解算算法做了对比研究。捷联惯导是通过三轴陀螺仪和三轴加速度计实时测得掘进机的角速度和加速度，根据位姿解算算法动态输出掘进机的姿态和位置信息。位姿解算算法很大程度决定着姿态和位置的精度，因此结合掘进机实际掘进工艺的特点，围绕位姿解算算法的适用性和优劣性，对比了四元数和等效旋转矢量两种位姿解算算法，分析了姿态解算误差的影响因素。在有噪声正弦运动和模拟掘进机行走运动两种情况下进行仿真并搭建了利用小车循迹代替掘进机掘进的实验平台进行实验，结果表明，两种算法均能满足掘进机姿态角的解算精度要求，四元数法的姿态解算精度高于等效旋转矢量法|位置的解算误差较大且呈发散状态，这有待于进一步研究。     

基于超宽带技术的掘进机自主定位定向方法研究

针对煤矿井下综掘工作面的实际工况,提出了一种基于超宽带定位技术的悬臂式掘进机自主定位定向方法,建立了该方法的数学计算模型及误差随距离分布模型,并验证了该方法的可行性。分析结果表明：在满足煤炭巷道成型标准的情况下,该系统的自主探测范围可达400 m左右。为了进一步提高自主测量范围,提出了一种定位基站自主标定方法,可实现掘进机巡航参数的跟随性测量,减少综掘人员的井下作业时间。该项研究可有效防止因偏掘引起的巷道错位,实时提供掘进机位置状态及位姿参数,为实现掘进机自主巡航奠定基础,满足深部危险煤层开采的无人化需求。     

基于TSOA定位原理混合算法的掘进机位姿检测方法

为实现掘进机的位姿检测,提出了一种面向掘进机的混合算法的位姿检测方法。基于超宽带(Ultra-wideband)测距和(Time Summation of Arrival,TSOA)定位原理,系统地推导了混合算法的计算过程,将间接法得到的定位点初始坐标代入Taylor级数展开法,循环迭代,通过混合算法得到了掘进机的坐标值,将坐标值代入姿态角解算公式得到了掘进机的姿态角。实际实验中需要其他测量方式的标定才可验证真值,且任何测量方式均有误差,因此基于MATLAB进行仿真分析研究规律。绘制了混合算法程序流程图,仿真对比了间接法和混合算法在15 m和90 m的定位点空间分布状态、三轴误差,以及2种算法在10～100 m的测量范围内定位点均方根误差和三轴均方根误差变化情况,分析了混合算法在15 m和90 m的姿态角精度,仿真结果表明:混合算法的定位性能优于间接法,精度高于间接法,姿态角误差可控制在0. 008°以下。搭建了掘进机位姿检测系统实验平台,在模拟巷道中进行了实验验证,完整地采集了UWB测距的相关数据,在MATLAB中通过曲线拟合绘制了误差随距离变化的曲线图,得到了误差随测量距离变化的规律,实验结果表明:在3～94 m测量范围内,X轴误差可控制在4 cm以内,Y轴误差可达到毫米级,Z轴误差随测量距离增大而增大。为实现综掘装备的自主导控提供了理论基础。     

基于捷联惯导的采煤机定位定姿技术实验研究

针对煤矿井下"三机"自动化中的采煤机定位精度较低的问题,根据采煤机工作环境恶劣、空间封闭、干扰较多的特点,提出了一种基于捷联惯性导航(SINS)的采煤机位姿定位方法。该方法利用捷联惯性导航系统中的三轴加速度计和三轴陀螺仪实时测量采煤机的加速度和角速度信息,并根据四元数捷联惯导位姿解算方法解算出采煤机的实时位置和姿态信息,得到精确的采煤机运动轨迹,实现对采煤机的实时体定位。对定位平台进行仿真和利用综采工作面"三机"实验装置搭建采煤机捷联惯导定位实验平台进行实验,结果表明,采煤机捷联惯导定位系统能够准确跟踪基准轨迹,采煤机沿工作面方向运行20 m,位置姿态跟踪误差分别为0.5 m和0.7°,满足煤矿采煤机定位精度要求,该系统能够实现采煤机的实时精确定位。