基于慣性技術(shù)的端幫采煤機(jī)姿態(tài)測量儀設(shè)計(jì)*

孫　偉，閆慧芳，李瑞豹，丁　偉

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)測繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧阜新123000）

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基于慣性技術(shù)的端幫采煤機(jī)姿態(tài)測量儀設(shè)計(jì)*

孫偉*，閆慧芳，李瑞豹，丁偉

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)測繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧阜新123000）

摘要：針對端幫采煤機(jī)特殊的機(jī)械構(gòu)造及工作運(yùn)動模式對自身姿態(tài)信息獲取時效性和準(zhǔn)確性以及無人自主化提出的更高要求，設(shè)計(jì)一種基于慣性解算方法的姿態(tài)測量設(shè)備。利用慣導(dǎo)系統(tǒng)中的水平加速度計(jì)敏感重力分量完成載體水平對準(zhǔn)，根據(jù)加速度計(jì)敏感的采煤機(jī)運(yùn)動狀態(tài)實(shí)現(xiàn)載體靜止?fàn)顟B(tài)的辨別，引入零速修正的閉環(huán)卡爾曼濾波完成慣導(dǎo)解算姿態(tài)及慣性器件偏差信息的修正。搭建基于DSP+FPGA的導(dǎo)航信息采集與處理平臺并開展室內(nèi)轉(zhuǎn)臺實(shí)驗(yàn)和戶外模擬車載實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：采用零速修正的閉環(huán)卡爾曼組合方法可有效準(zhǔn)確地完成載體姿態(tài)信息的自主求取。

關(guān)鍵詞：端幫采煤；慣性導(dǎo)航；姿態(tài)；實(shí)驗(yàn)測試

端幫采煤技術(shù)是在傳統(tǒng)露天煤礦開采技術(shù)和井工開采技術(shù)之外，發(fā)展出的一種先進(jìn)、成熟的煤礦開采方式［1-3］。上世紀(jì)80年代開始，在螺旋鉆開采技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷的進(jìn)行研究和改進(jìn)，端幫開采技術(shù)因其安全、高效的特點(diǎn)，已經(jīng)成為露天煤、邊坡煤以及露天礦端幫壓覆煤開采的第一選擇。作為世界上最大的端幫開采設(shè)備生產(chǎn)商，美國比塞羅斯國際公司旗下的SHM露天聯(lián)合端幫開采系統(tǒng)就是這一領(lǐng)域的領(lǐng)軍者，其設(shè)備已在世界40多個地區(qū)平穩(wěn)運(yùn)行，經(jīng)過十多年的不斷研發(fā)、改進(jìn)、其掘進(jìn)深度已由最初的30 m提高到300 m以上，端幫開采技術(shù)理念逐步得到廣大用戶接受，成為現(xiàn)代礦山開采不可或缺的一部分［4-5］。

端幫采煤技術(shù)對于提高我國煤礦資源的回采率以及薄煤層露頭煤的開采，具有重大意義。我國擁有數(shù)量眾多的露天煤礦、端幫資源及露頭煤資源由于目前開采技術(shù)條件的限制不能有效地回收這些資源，造成資源的大量浪費(fèi)。近年來，國內(nèi)已有單位正在開展端幫采煤原理樣機(jī)的研制工作，但是端幫采煤機(jī)因工作環(huán)境復(fù)雜、惡劣，采煤路線和煤巖性質(zhì)的連續(xù)變化改變了設(shè)備運(yùn)行過程中的預(yù)定軌跡，而端幫采煤機(jī)采用直進(jìn)式采掘模式，特有的機(jī)械結(jié)構(gòu)及運(yùn)行模式對其自身行進(jìn)姿態(tài)信息的掌握提出了更高要求。

慣性技術(shù)依靠陀螺儀和加速度計(jì)完成對載體姿態(tài)信息的實(shí)時測取，以其具有工作獨(dú)立、實(shí)時連續(xù)的特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)端幫采煤機(jī)工作過程中姿態(tài)信息的獲取［6-8］。論文結(jié)合端幫采煤機(jī)工作時的運(yùn)動特征，設(shè)計(jì)采用零速修正的組合卡爾曼濾波姿態(tài)測量方法，根據(jù)端幫采煤機(jī)工作特點(diǎn)，開展戶外車載實(shí)驗(yàn)?zāi)M端幫采煤機(jī)工作模式，并利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證方案的可行性和有效性。

1　端幫采煤機(jī)運(yùn)動特征分析

端幫采煤機(jī)由采掘頭車、多節(jié)鏈接式被動運(yùn)輸車、運(yùn)輸車對接平臺和能源動力及操控平臺組成。采掘頭車具備開采動力和牽引能力，通過拖拽運(yùn)輸車沿直線前行實(shí)現(xiàn)煤炭開采及輸送。一個完整采掘環(huán)節(jié)可描述為：采掘頭車靜止后掘進(jìn)臂伸展性開采，達(dá)到掘進(jìn)臂伸展極限長度時，復(fù)位于采掘頭車初始位置，頭車拖動運(yùn)輸車前進(jìn)到掘進(jìn)臂伸展長度后，開展下一周期采掘工作。由于依靠伸縮臂實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒推動工作面前進(jìn)，機(jī)體本身處于靜止的時間遠(yuǎn)超于行進(jìn)時間。采掘頭車與運(yùn)輸車采用鉸鏈連接，當(dāng)頭車探入煤層深度達(dá)到幾十米時，其運(yùn)行姿態(tài)的變化如果得不到及時修正將會阻礙設(shè)備前行甚至引起垮塌事故。

圖1　端幫采掘頭車工作示意

2　測姿系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)初始化與姿態(tài)解算

由于MEMS導(dǎo)航系統(tǒng)中的陀螺儀精度低，無法有效敏感地球自轉(zhuǎn)角速度，傳統(tǒng)自對準(zhǔn)方案無法實(shí)現(xiàn)初始方位角的獲?。?2-14］。而且端幫采煤機(jī)需要確定載體自身相對初始時刻夾角，因此可將初始方位角裝訂為0度，完成慣導(dǎo)系統(tǒng)初始化。

圖2　慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)解算方案

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的解算過程主要集中在捷聯(lián)矩陣的更新，根據(jù)圖2描述的慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)解算方案可以看出，姿態(tài)基準(zhǔn)更新過程實(shí)質(zhì)是依據(jù)三軸陀螺儀輸出信息完成基于四元數(shù)的更新過程，設(shè)采煤機(jī)坐標(biāo)系相對導(dǎo)航坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動四元數(shù)為：

其中，q0、q1、q2、q3為4個實(shí)數(shù)；ib、jb、kb表示與采煤機(jī)坐標(biāo)系相一致的四元數(shù)基，Q的即時修正可通過四元數(shù)微分方程來實(shí)現(xiàn)：

進(jìn)一步可求取采煤機(jī)方位角φ、俯仰角和橫滾角的計(jì)算形式：

2.2閉環(huán)卡爾曼濾波器設(shè)計(jì)

由端幫采煤機(jī)運(yùn)動特征分析可知，設(shè)備工作過程中處于靜止和運(yùn)動狀態(tài)更替，且機(jī)體靜止過程中的時間遠(yuǎn)長于運(yùn)動狀態(tài)。根據(jù)這一運(yùn)動特征，提出采用零速修正技術(shù)實(shí)現(xiàn)對慣導(dǎo)系統(tǒng)中慣性器件偏差和解算姿態(tài)信息的修正。系統(tǒng)采用“速度匹配”卡爾曼濾波方案，對各誤差參數(shù)進(jìn)行實(shí)時估計(jì)并閉環(huán)修正。

導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)方程為：

該方案采用15階導(dǎo)航誤差模型，選取15個誤差狀態(tài)變量為：

式中：δVF、δVU、δVR分別表示慣導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)航系3個方向的速度誤差；δF、δU、δR分別表示3個方向的位移誤差；?F、?U、?R分別表示3個方向的失準(zhǔn)角；?x、?y、?z分別表示載體坐標(biāo)系內(nèi)x、y、z方向的加速度計(jì)零偏；εx、εy、εz分別表示載體坐標(biāo)系內(nèi)x、y、z 3個方向的陀螺漂移。

狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣F表達(dá)式為

W為導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)噪聲向量，主要為陀螺儀和加速度計(jì)噪聲經(jīng)矩陣在導(dǎo)航系的投影；考慮各陀螺及加速度計(jì)的噪聲水平相同，認(rèn)為在導(dǎo)航系下各方向的等效陀螺和加速度計(jì)噪聲相同，因此作出如下簡化：

式中，ωa表示加速度計(jì)隨機(jī)游走零偏；ωg表示陀螺隨機(jī)游走漂移。

導(dǎo)航系統(tǒng)量測方程為

其中，Z為導(dǎo)航系三個方向的速度測量信息，即

量測矩陣H為

V表示導(dǎo)航系統(tǒng)量測噪聲向量。工程應(yīng)用中，通常都無法準(zhǔn)確知道卡爾曼濾波狀態(tài)變量的真實(shí)值，在此情況下，卡爾曼濾波初始狀態(tài)變量初值可設(shè)置為零。

零速修正由靜止檢測觸發(fā)，即通過在檢測為靜止的時間區(qū)間內(nèi)將速度計(jì)算結(jié)果重置為0，達(dá)到修正速度誤差的目的，這是零速修正的最直接目的也是最簡單的方法。為充分利用靜止檢測的檢測結(jié)果估計(jì)更多的誤差參數(shù)，結(jié)合零速修正工作原理，對卡爾曼濾波器做出改良：在卡爾曼更新時刻，若靜態(tài)檢測結(jié)果為運(yùn)動狀態(tài)，則濾波器只進(jìn)行時間更新；若靜態(tài)檢測結(jié)果為靜止?fàn)顟B(tài)，則濾波器做完整更新（即時間更新+量測更新），并閉環(huán)修正導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)誤差及器件誤差。

式中，

得到更新后的捷聯(lián)矩陣：

當(dāng)加速度計(jì)零偏和陀螺漂移進(jìn)行閉環(huán)修正時，將每步預(yù)測的慣性器件偏差狀態(tài)量X相疊加，由疊加后的值對加速度計(jì)輸出量fi(i=x,y,z)和陀螺儀輸出量ωi(i=x,y,z)進(jìn)行修正，即

修正后將修正所對應(yīng)的一步預(yù)測狀態(tài)量設(shè)為0。

3　系統(tǒng)解算平臺設(shè)計(jì)

3.1慣性信號采集電路設(shè)計(jì)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的陀螺儀和加速度計(jì)均采用MEMS器件，其輸出的加速度、溫補(bǔ)和陀螺儀信號均為模擬電流量，需要將模擬信號經(jīng)過信號調(diào)理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后才可進(jìn)行載體姿態(tài)信息的解算。

ADS1258提供單/雙極性輸入模式，針對本系統(tǒng)中陀螺儀和加速度計(jì)的輸出信號特征，選用圖4所示單極性輸入模式，八路模擬輸入信號的正向端“AINP”接經(jīng)信號調(diào)理電路輸出的模擬信號，信號使能端“AINCOM”接+2.5 V；該+2.5 V是由電壓基準(zhǔn)芯片AD780輸出的+ 2.5 V，經(jīng)過運(yùn)算放大器OPA2365跟隨后提供。ADS1258的管腳連線如圖4所示。

圖3　慣性器件輸出信息的模數(shù)轉(zhuǎn)換

圖4　ADS1258管腳連接圖

3.2導(dǎo)航計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)

為滿足慣性系統(tǒng)對于運(yùn)動信息獲取響應(yīng)速度快、體積小、功耗低、可靠性高的要求，提出基于DSP+FPGA的實(shí)時信號處理平臺設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5。

采用TI公司32位高性能浮點(diǎn)數(shù)字信號處理器TMS320C6713B；外擴(kuò)1片NOR Flash-AM29LV800B作為程序存儲器，采用引導(dǎo)加載方式，系統(tǒng)上電后TMS320C6713B將該Flash中的程序自動加載到片內(nèi)高速存儲器RAM中，程序在片內(nèi)RAM中高速運(yùn)行；FPGA選用Altera公司的EP2C35F484C8N；外接1片1 G×8 Bit的NAND Flash-K9K8G08U0M作為數(shù)據(jù)存儲器；數(shù)據(jù)回收模塊由Altera公司的EP2C35F484C8N（FGPA）和Cypress公司的CY7C68013組成。

圖5　導(dǎo)航計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

3.3上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

為提高系統(tǒng)可操作性，利用MFC對話編輯框中的變量實(shí)時獲取接收的數(shù)據(jù)，通過調(diào)用UpdateData（）函數(shù)刷新界面實(shí)現(xiàn)解算數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示功能，其中包括三維陀螺儀、三維加速度計(jì)、三維磁力計(jì)信息，以及慣導(dǎo)解算后得到的三維姿態(tài)信息（如圖6）。

要先在MFC中構(gòu)建OPENGL框架：

①將工程所需的OpenGL文件和庫添加到工程（setupapi.lib、OpenGL32.lib、GLu32.lib、GLaux.lib），并在工程中加入頭文件

②添加WM_CREATE、WM_DESTROY、 WM_SIZE、WM_ERASEBACKGROUND的消息處理函數(shù)

③定義SetWindowPixelFormat函數(shù)定義像素格式

BOOL CSanWeiView：：SetWindowPixelFormat（HDC hDC）

④定義InitOpenGL（）函數(shù)創(chuàng)建并初始化渲染環(huán)境

完成OPENGL框架的建立，將慣導(dǎo)系統(tǒng)解算得到的載體運(yùn)動信息數(shù)據(jù)傳遞給Device context，實(shí)現(xiàn)載體三維姿態(tài)信息的實(shí)時顯示。

圖6　上位機(jī)系統(tǒng)控制軟件

4　模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1初始姿態(tài)獲取實(shí)驗(yàn)

慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始化精度和穩(wěn)定性直接影響慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)解算精度，為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的初始化方法，將MEMS慣性測量單元安置于三軸慣性測試轉(zhuǎn)臺中心后保持轉(zhuǎn)臺歸零狀態(tài)（如圖7），分別采集21次慣性器件輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行初始水平姿態(tài)信息的求取，得到的姿態(tài)信息如圖8。

通過對圖8分析可看出，將21次對準(zhǔn)得到的水平姿態(tài)信息求平均值和方差，得到的結(jié)果如表1。

圖7　轉(zhuǎn)臺實(shí)驗(yàn)環(huán)境

圖8　多次對準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1　水平對準(zhǔn)過程中姿態(tài)角均值和標(biāo)準(zhǔn)差

通過對圖表的分析可以看出：基于水平加速度計(jì)敏感重力分量的對準(zhǔn)方法產(chǎn)生的姿態(tài)角具有很好的穩(wěn)定性，方差優(yōu)于2.013 7×10-4，這樣的對準(zhǔn)結(jié)果滿足MEMS慣導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)航解算對于初始姿態(tài)信息精度的要求。

4.2載體零速檢測與姿態(tài)求取實(shí)驗(yàn)

采用零速修正方法實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差參數(shù)修正是不依賴任何外界信息提高慣導(dǎo)姿態(tài)解算精度的有效方法。因此，載體零速信息獲取的準(zhǔn)確程度就顯得尤為重要。采煤機(jī)應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，為模擬端幫采煤機(jī)間歇性行進(jìn)模式，使結(jié)果更具有說服力。為模擬端幫采煤機(jī)間歇性行進(jìn)模式，將慣導(dǎo)系統(tǒng)安裝于原理測試車后采用行進(jìn)10 m、停頓1 min循環(huán)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑瑴y試車的行進(jìn)速度為10 km/h。

采集慣性器件輸出，得到載體運(yùn)行狀態(tài)下對應(yīng)的加速度計(jì)輸出信息（如圖9），試驗(yàn)過程中載體的間歇性運(yùn)動可以被有效的區(qū)分。其中，載體靜止過程中的曲線相對平穩(wěn)，保持在9.8 m/s2小幅度均勻波動；載體處于運(yùn)動過程中，由于加減速過程的影響，其加速度變化劇烈，與載體靜止?fàn)顟B(tài)的加速度信息產(chǎn)生明顯比對。根據(jù)載體不同運(yùn)動狀態(tài)下的加速度變化特征，通過設(shè)計(jì)閾值可實(shí)現(xiàn)載體靜止?fàn)顟B(tài)的檢測。

圖9　載體運(yùn)行加速度特征

利用測試車處于靜止?fàn)顟B(tài)真實(shí)參考速度為零的特點(diǎn)，將慣導(dǎo)解算速度與參考速度的差值作為卡爾曼濾波組合修正的觀測量，通過閉環(huán)反饋實(shí)現(xiàn)慣性器件偏差和姿態(tài)誤差修正，得到的姿態(tài)曲線如圖10所示。

圖10　系統(tǒng)姿態(tài)變化曲線

結(jié)合圖9和圖10可看出，由于測試車的運(yùn)動狀態(tài)變化過程中90%以上的時間段內(nèi)是處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時慣導(dǎo)系統(tǒng)工作在采用零速修正閉環(huán)卡爾曼組合導(dǎo)航狀態(tài)，因此慣性器件誤差和姿態(tài)誤差可得到連續(xù)的修正，有效地避免了姿態(tài)誤差的發(fā)散。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了零速修正閉環(huán)卡爾曼濾波方法對于實(shí)現(xiàn)載體姿態(tài)信息提取的可行性。

5　結(jié)論

端幫采煤技術(shù)的應(yīng)用使得露頭煤、邊坡煤以及露天礦端幫壓覆煤的開采成為可能，論文設(shè)計(jì)零速修正的閉環(huán)卡爾曼組合測姿方案可保證端幫采煤機(jī)的安全連續(xù)施工，設(shè)計(jì)低功耗的導(dǎo)航解算平臺實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)集成的同時又可滿足礦井瓦斯安全的要求。實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)臺與車載實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用加速度計(jì)敏感重力分量可有效地確定水平姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準(zhǔn)；通過加速度計(jì)檢測載體不同運(yùn)行狀態(tài)下的加速度變化特征，實(shí)現(xiàn)零速信息的檢測并采用閉環(huán)卡爾曼組合完成姿態(tài)信息的有效獲取，避免了姿態(tài)信息的發(fā)散。該研究成果可為端幫采煤機(jī)姿態(tài)信息的獲取提供技術(shù)支撐。開展實(shí)地采掘?qū)嶒?yàn)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無人化操作將是本課題下一步工作重點(diǎn)。

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孫　偉（1984-），男，教授，博士生導(dǎo)師，黑龍江蘿北縣人。中國宇航學(xué)會會員，中國慣性技術(shù)協(xié)會會員；2007年于哈爾濱工程大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2011年于哈爾濱工程大學(xué)獲得博士學(xué)位。主持國家級、省部級科研項(xiàng)目8項(xiàng)；發(fā)表學(xué)術(shù)論文四十余篇，其中SCI收錄6篇，EI收錄20篇。長期從事慣性導(dǎo)航技術(shù)研究，sunwei-3775235@163.com；

閆慧芳（1991-），女，河南上蔡市人?，F(xiàn)為遼寧工程技術(shù)大學(xué)測繪與地理科學(xué)學(xué)院學(xué)生。從事慣性數(shù)據(jù)處理方法研究。

The Design of Attitude Determination Instrument for End Slope Coal Mining Machine Based on Inertial Technology*

SUN Wei*，YAN Huifang，LI Ruibao，DING Wei
（School of Geomatics，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin Liaoning 123000，China）

Abstract：According to the special mechanical structure，motion work mode and the requirement of timing and accuracy for un?manned attitude determination of the end slope coal mining.The attitude determined machine based on inertial resolution was designed in this paper.The level alignment with gravity sensed by accelerometers was carried out.The state identification for vehicle could be detected by sensationed of coal cutter motion state based on the inertial navigation system.The zero detected closed-loop Kalman filter was introduced to revise the inertial bias and attitude errors.Turntable and mobile vehicle experiments were carried out based on data collection and processing platform with DSP and FPGA.Experiment results show that，the zero detected closed loop Kalman filter could be used to finish the attitude detection effectively and accurately.

Key words：end slope coal mining；inertial navigation；attitude；experiment testing

doi：EEACC：7120；7230M；7320E10.3969/j.issn.1004-1699.2016.02.026

收稿日期：2015-09-12修改日期：2015-10-14

中圖分類號：TP212

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-1699（2016）02-0306-07

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