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。     

面向掘进机的超宽带位姿协同检测方法

为符合安全高效生产对掘进机作业的要求,提出了一种面向掘进机的超宽带位姿协同检测方法。依据TDOA(波达时间差)定位原理及P440模块的测距信息建立定位模型,利用协同定位算法得到定位点坐标的最终估计值。对比Chan算法与协同算法的定位点仿真分布,并分析协同算法的三轴定位精度。建立了空间全断面定位误差场,得出协同算法的空间定位精度变化规律。对机身定位点进行布局设计,解算得到掘进机的姿态角。结果表明:在90 m范围内,协同算法的Y轴定位误差基本上可以保持2 mm,而X轴、Z轴定位误差由0. 4至4 cm呈线性增加。随测量距离的增大,在巷道X-Y断面上,定位误差呈线性增加;在巷道X-Z断面上,定位误差的随机性增加。姿态角误差均由0. 2°至1. 5°呈线性增加,满足掘进机位姿检测精度的需求。     

基于Chan算法的掘进机定位误差分析

为了研究掘进机的定位误差,利用Chan定位算法解算出其机身定位点的坐标估计值。仿真了定位点的空间分布,然后分别对3个坐标轴方向的定位误差进行分析,得出了误差分布规律,为掘进机的位姿参数检测建立了测量基础。     

基于自适应分类的井下移动节点无线定位算法

针对井下移动节点无线定位算法,在能量计算定位算法的基础上,设计了一种自适应分类选择的3点定位算法。算法将任意单点位置采集的N个点中能量距离信息通过排序的方法分类,将相似类中具有特征性强的保留并自适应选择3个特征强的位置点,再通过3个信标点定位算法获取目标点的准确位置。仿真计算了最小响应功率与路径损耗系数这2个重要参数对能量计算的影响。对不同环境下3个未知目标节点进行定位测试,测距结果显示随着距离的增大,测距精度降低,但在100 m范围内测距误差均低于4%。经3点定位算法分析计算后,被测目标的坐标与真实目标位置误差小于1.0 m。     

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。     

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。     

悬臂式掘进机视觉定位方法研究

高精度定位是实现掘进机自动截割和无人化掘进的前提,为此研究了掘进机机器视觉技术定位方法。分析了系统定位原理,提出等效横向偏移量和等效距离的概念,推导了等效横向偏移量与横向偏移量以及等效距离和距离的数学关系。通过仿真,研究了目标偏航角对等效横向偏移量和等效距离2个定位参数检测的影响。仿真结果表明,所提出方法在掘进机机身偏航角不超过15°、距离为55m时,对等效横向偏移量的估计偏差在0.03 m以内,对等效距离的估计偏差可达1.90 m。搭建了试验装置,并用全站仪对这一方法的准确性进行了验证,试验结果与仿真结果基本一致,证明该方法的准确性。     

基于TOA的无线定位技术及应用

简单介绍了井下人员定位系统,从理论上分析研究了基于TOA的定位方案,提出了利用传输延时测量距离原理及关于时间测量的误差模型,详述了基于TOA的定位原理及采用的误差消除技术,讨论了TOA定位技术及LSE定位算法的应用,分析了测距误差对定位误差的影响。仿真结果显示测距误差增大定位误差随着增大,通过增加参考结点的数量改善定位误差。     

悬臂式掘进机惯性定位技术研究与试验

在巷道断面自动截割技术中,掘进机定位精度直接影响断面成型精度。分析了掘进机的运动特点,建立了掘进机惯性定位系统,将PHINS惯性导航系统用于掘进机自动定位,利用零速修正法提高其定位精度并完成工业性试验。试验结果表明,修正间隔时间为60 s时,北向定位偏差均值约0. 031 1 m,东向定位偏差均值约0. 062 4 m;在约2 h试验期间,掘进机间断行进约42 m,北向定位偏差累积约为0. 249 m,东向定位偏差累积约为0. 49 m;小范围连续运动超过10 min时,定位精度明显变差,定位偏差超过5 m。试验结果证明,60 s零速修正间隔可以满足掘进机对短时定位精度的要求,长时定位精度若要满足自动截割要求,仍需要进一步改进零速修正算法或融合其他定位方法。     

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。     

矿井工作面掘进机瞬变电磁响应规律试验研究

掘进机是掘进巷道工作面附近的良导电体,瞬变电磁超前探测时,对数据采集和解释精度有严重影响,有效规避或者消除其影响就显得尤为重要。采用矿井试验方法,基于Terra 瞬变电磁仪器,使用边长为2 m、收发均为30匝的方形重叠回线装置,其中线圈平面垂直于掘进机,紧贴工作面放置,等间隔2 m向后移动掘进机,分析其瞬变电磁响应的幅度及变化规律。试验结果表明,巷道掘进机的瞬变电磁响应与线圈的摆放位置有关,当掘进机撤离工作面7 m后,其干扰就可以忽略不计,在煤矿中的应用成果也证明了试验结论的正确性。研究为矿井瞬变电磁超前探测规避掘进机的影响提出了解决方法。     

掘进机截割电机机壳有限元分析

掘进机截割电机机壳结构特殊且受力状态复杂,为确保其设计性能满足掘进机截割的各种工况条件,需要对其应力分布规律进行全面了解.对掘进机截割电机机壳建立有限元分析模型,并进行多工况多位置应力分析研究,通过讨论有限元计算结果,从VON MISES等效应力分布出发,全面分析了掘进机截割电机机壳的强度、刚度等结构力学性能.分析结果表明,该截割电机机壳结构设计合理,具有足够的强度和刚度.     

多传感器的掘进机定位系统研究

研究的定位系统采用三轴加速度传感器、单轴陀螺仪和超声波测距传感器,通过掘进机的位姿、转向角度和位移的多信息融合处理,得到掘进机的位置,当发现掘进机偏离预设行走轨迹时,通过整平与对中的控制,对掘进机实现纠偏,为掘进机的自动前移提供技术保障。     

采煤机惯性导航定位动态零速修正技术

基于捷联惯性导航与轴编码器组合的采煤机惯性导航定位是综采工作面可行的采煤机定位技术。惯性导航提供姿态角参数,轴编码器提供速度参数,采煤机惯性导航定位利用航位推算算法解算出东北天坐标系下的位置坐标。为了进一步提高定位精度,在消除确定性偏差的基础上,根据惯性导航姿态误差方程,以东、北、天3个方向的平台失准角为状态量构建状态方程,根据动态零速修正技术的非完整约束条件,以采煤机坐标系横向和垂直方向速度值为观测量构建量测方程,建立卡尔曼滤波模型,并进行移动平台模拟采煤机运行试验验证。在试验条件下,第3刀导航东、北方向最大误差分别由0.639 7,0.856 7 m减小为0.456 4,0.594 2 m。第4刀导航东、北方向最大误差分别由0.644 4,0.910 6 m减小为0.466 5,0.603 0 m。东、北方向定位精度提升了30%。     

基于空间交汇测量技术的悬臂式掘进机位姿自主测量方法

根据深部危险煤层无人化开采的需求,要实现无人环境下对悬臂式掘进机位姿的高精度测量。提出一种基于空间交汇测量技术的悬臂式掘进机自主位姿测量方法,由悬臂式掘进机搭载激光发射器并发射旋转激光平面,在其后方安装位置固定的激光接收器并通过激光平面获取激光发射器相对于其自身的方位,从而得到悬臂式掘进机相对于由激光接收器确定的巷道坐标系的位姿状态。构建悬臂式掘进机位姿测量的数学模型,运用仿真软件对该模型进行仿真并分析位姿测量精度。仿真表明：在激光发射器与激光接收器相距25 m时悬臂式掘进机定位点的最大测量误差在X轴,测量误差为0.082 3 m;姿态角的最大测量误差为横滚角,测量误差为2.018 4°。基本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。     

悬臂掘进机巷道自动截割成形控制方法的探索

文章以EBZ-150型掘进机为研究对象,进行自动截割成形控制方法的探索。首先对摆动机构进行工作分析,明确悬臂运动关系;然后论述了自动截割成形控制方案,并强调在掘进机定位的基础上才能实现巷道断面自动截割成形控制。该方面的研究不仅顺应大型煤矿机械的发展趋势,而且有助于提高掘进机安全、有效工作,并为实现无人掘进奠定一定的实践基础。