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      基于組合方式的掘進(jìn)機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)研究

      2022-05-06 02:14:52田立勇孫業(yè)新陳洪月馬春瑩
      關(guān)鍵詞:激光束標(biāo)靶掘進(jìn)機(jī)

      田立勇,孫業(yè)新,于 寧,陳洪月,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)

      煤炭資源是支撐國(guó)家繁榮和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ),開(kāi)采技術(shù)智能化是煤炭工業(yè)發(fā)展的重要方向[1-2]。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)智能化煤炭開(kāi)采技術(shù)的要求不斷提高。掘進(jìn)作業(yè)作為煤炭開(kāi)采過(guò)程中的重要環(huán)節(jié),其面臨的主要難題是“采掘失調(diào)”。因此,亟須實(shí)現(xiàn)煤礦巷道掘進(jìn)的自動(dòng)化、智能化[3-4],而自動(dòng)定向掘進(jìn)是實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面自動(dòng)化的核心技術(shù)[5]。

      掘進(jìn)機(jī)定向掘進(jìn)的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)位姿的自主測(cè)量。朱信平等[6]通過(guò)采用全站儀檢測(cè)目標(biāo)棱鏡,實(shí)現(xiàn)了對(duì)掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量。楊文娟等[7]利用機(jī)器視覺(jué)方法來(lái)測(cè)量掘進(jìn)機(jī)機(jī)身及截割頭的位姿,其以激光束與紅外光斑為特征,通過(guò)防爆相機(jī)采集圖像以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)位姿的測(cè)量。杜雨馨等[8]通過(guò)分析十字激光束在激光標(biāo)靶上的成像特征,解算得到掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿的相關(guān)參數(shù),完成了掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿的自主測(cè)量。吳淼等[9]利用空間交匯測(cè)量技術(shù)來(lái)獲取掘進(jìn)機(jī)的位姿,即通過(guò)激光接收器識(shí)別旋轉(zhuǎn)激光平面交匯區(qū)域,解算得到機(jī)身位姿參數(shù),從而獲得掘進(jìn)機(jī)的工作狀態(tài)。張旭輝等[10]結(jié)合超聲波傳感器和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)測(cè)量掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的位姿信息。毛清華等[11]將激光測(cè)距傳感器、超聲波測(cè)距傳感器、地磁傳感器和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合,用于測(cè)量掘進(jìn)機(jī)的位姿參數(shù)。Hargrave等[12]利用雷達(dá)定位技術(shù)來(lái)測(cè)量掘進(jìn)機(jī)的位姿,即通過(guò)雷達(dá)的反射信號(hào)得到掘進(jìn)機(jī)的位置和運(yùn)行軌跡信息。綜上所述,井下掘進(jìn)機(jī)位姿的自主測(cè)量大多以機(jī)器視覺(jué)技術(shù)和全站儀為主,但由于煤礦巷道的環(huán)境復(fù)雜、惡劣,照明不足,易對(duì)位姿測(cè)量結(jié)果造成影響。為此,筆者基于多傳感器融合思想[13],將多種測(cè)量技術(shù)相結(jié)合,以期能夠進(jìn)一步提高掘進(jìn)機(jī)位姿的測(cè)量精度,從而實(shí)現(xiàn)其定向掘進(jìn)。

      結(jié)合上述學(xué)者的研究成果,筆者提出一種基于組合方式的掘進(jìn)機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)(即組合導(dǎo)航系統(tǒng)):將自主研制的光電傳感器導(dǎo)航系統(tǒng)與光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合,用于測(cè)量掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的位姿。首先,以十字激光束作為光電傳感器導(dǎo)航系統(tǒng)的識(shí)別特征,建立掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿解算模型;然后,利用遞推最小二乘(recursive least square,RLS)算法對(duì)光電傳感器導(dǎo)航系統(tǒng)和光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理,以完成掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿解算;最后,利用PLC(programmable logic controller,可編程邏輯控制器)對(duì)掘進(jìn)機(jī)機(jī)身進(jìn)行糾偏控制,實(shí)現(xiàn)其定向掘進(jìn)。

      1 掘進(jìn)機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)總體方案

      鑒于光電傳感器導(dǎo)航系統(tǒng)是基于絕對(duì)基準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量的,無(wú)誤差累積影響,而光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)姿態(tài)角的測(cè)量精度高且不受外部信號(hào)干擾,但對(duì)位置的測(cè)量誤差會(huì)隨時(shí)間累積,本文將兩者組合使用,以彌補(bǔ)各導(dǎo)航系統(tǒng)的不足,從而提高對(duì)掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿的測(cè)量精度。

      掘進(jìn)機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的總體方案如圖1所示,其硬件結(jié)構(gòu)主要由光電傳感器導(dǎo)航系統(tǒng)(包含十字激光指向儀和激光接收標(biāo)靶)、光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(包含光纖陀螺儀和加速度計(jì))和輔助配套設(shè)備構(gòu)成;軟件程序可完成位姿解算,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示與PLC控制等功能,以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿的自主測(cè)量與糾偏調(diào)控。

      圖1 掘進(jìn)機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)總體方案Fig.1 Overall scheme of integrated navigation system of roadheader

      該組合導(dǎo)航系統(tǒng)的組成模塊及安裝方式如下。

      1)光電傳感器導(dǎo)航系統(tǒng)。將激光接收標(biāo)靶安裝在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上,十字激光指向儀固定于掘進(jìn)機(jī)后方的巷道頂板上,利用激光接收標(biāo)靶對(duì)定位激光束進(jìn)行接收和識(shí)別。

      2)光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。光纖陀螺儀和加速度計(jì)分別沿掘進(jìn)機(jī)前進(jìn)方向、偏移方向及垂直于底板方向安裝,用于測(cè)量掘進(jìn)機(jī)機(jī)身在這3個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)角速度和線(xiàn)加速度。

      3)通信傳輸模塊。測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)485總線(xiàn)傳輸?shù)絇LC,由狀態(tài)顯示界面顯示輸出數(shù)據(jù)及誤差提示,通過(guò)人工調(diào)控來(lái)控制掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行軌跡。

      在開(kāi)始測(cè)量前,測(cè)量人員將光電傳感器導(dǎo)航系統(tǒng)中的激光接收標(biāo)靶和光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)固定安裝在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上,并根據(jù)煤礦巷道設(shè)計(jì)信息確定十字激光指向儀在掘進(jìn)機(jī)巷道后方頂板上的安裝位置,以保證定位激光束發(fā)射的精確度。十字激光指向儀發(fā)射2個(gè)相互垂直的激光束,分別為沿掘進(jìn)方向的水平激光束和垂直激光束。掘進(jìn)機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

      圖2 掘進(jìn)機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of integrated navigation system of roadheader

      光電傳感器導(dǎo)航系統(tǒng)包含2個(gè)激光接收橫向標(biāo)靶和1個(gè)激光接收縱向標(biāo)靶,分別用于接收垂直和水平激光束。每臺(tái)激光接收標(biāo)靶由若干個(gè)光電傳感器線(xiàn)性陣列組成,各光電傳感器的間距為3 mm,如圖3所示。均勻排布的光電傳感器將識(shí)別的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后輸出,以確定激光束的落點(diǎn)位置,結(jié)合構(gòu)建的位姿解算模型獲取掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的位姿參數(shù)。

      圖3 激光接收標(biāo)靶組成示意Fig.3 Composition of laser receiving target

      光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)用于測(cè)量掘進(jìn)機(jī)沿不同方向的角速度和線(xiàn)加速度,通過(guò)解算可得到其機(jī)身的姿態(tài)角和實(shí)時(shí)位置。將光電傳感器導(dǎo)航系統(tǒng)和光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理,可實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿的自主、準(zhǔn)確測(cè)量。

      2 掘進(jìn)機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量原理

      2.1 坐標(biāo)系定義

      為實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿的測(cè)量,建立如圖4所示的空間直角坐標(biāo)系。其中:十字激光指向儀坐標(biāo)系O0-X0Y0Z0以激光束發(fā)射點(diǎn)為原點(diǎn);巷道坐標(biāo)系O-XYZ以十字激光指向儀安裝位置在巷道底板上的投影點(diǎn)為原點(diǎn);掘進(jìn)機(jī)機(jī)身坐標(biāo)系Ob-XbYbZb以其中心為原點(diǎn)。掘進(jìn)機(jī)機(jī)身坐標(biāo)系與巷道坐標(biāo)系的3個(gè)坐標(biāo)軸方向在起始條件下保持一致,即:Yb軸沿機(jī)身中軸線(xiàn)指向掘進(jìn)機(jī)前進(jìn)方向,Zb軸垂直機(jī)身中軸線(xiàn)指向巷道頂板方向,Xb、Yb、Zb軸的關(guān)系符合左手定則。在巷道坐標(biāo)系下,激光束發(fā)射點(diǎn)O0的坐標(biāo)為(0,0,z0),掘進(jìn)機(jī)機(jī)身中心Ob的坐標(biāo)為(x,y,z)。

      圖4 掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿測(cè)量相關(guān)坐標(biāo)系定義Fig.4 Definition of coordinate systems related to position and attitude measurement of roadheader body

      由于組合導(dǎo)航系統(tǒng)固定安裝在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上,須確定機(jī)身坐標(biāo)系與巷道坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。以掘進(jìn)機(jī)機(jī)身姿態(tài)角為轉(zhuǎn)換角,用歐拉角α、β、γ表示。其中:α為機(jī)身偏向角,β為機(jī)身俯仰角,γ為機(jī)身滾動(dòng)角。則機(jī)身坐標(biāo)系相對(duì)于巷道坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣Jb可表示為:

      2.2 光電傳感器導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)量原理

      在光電傳感器導(dǎo)航系統(tǒng)中,激光接收標(biāo)靶通過(guò)識(shí)別定位激光束來(lái)測(cè)量掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的位姿參數(shù)。首先,定義各個(gè)激光接收標(biāo)靶在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身坐標(biāo)系下的坐標(biāo):激光接收橫向標(biāo)靶1中心Ob1的坐標(biāo)為(xb1,yb1,zb1),激光接收橫向標(biāo)靶2中心Ob2的坐標(biāo)為(xb2,yb2,zb2),其中xb2=xb1,yb2=yb1+e1,zb2=zb1+e2,e1和e2分別為2個(gè)激光接收橫向標(biāo)靶之間的水平和豎直距離,其具體數(shù)值與激光接收標(biāo)靶的安裝位置有關(guān);激光接收縱向標(biāo)靶中心Ob3的坐標(biāo)為(xb3,yb3,zb3)。光電傳感器導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)量原理如圖5所示。

      圖5 光電傳感器導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)量原理示意Fig.5 Schematic diagram of measurement principle of photoelectric sensor navigation system

      當(dāng)掘進(jìn)機(jī)開(kāi)始作業(yè)后,激光接收標(biāo)靶在巷道中的位置隨掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生變化。在掘進(jìn)機(jī)行進(jìn)過(guò)程中,2個(gè)激光接收橫向標(biāo)靶中心在巷道坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)可分別表示為:

      激光接收橫向標(biāo)靶1和2分別用矢量l1和l2來(lái)表示,垂直激光束所在平面的方程為X=p,則垂直激光束落點(diǎn)P1和P2分別為l1和l2與平面X=p的交點(diǎn)。l1和l2的表達(dá)式為:

      式中:μk為比例系數(shù)。

      將X=p代入式(4),求得落點(diǎn)P1與落點(diǎn)P2的坐標(biāo)(xPk,yPk,zPk)(k=1,2),可表示為:

      在巷道坐標(biāo)系下,垂直激光束在激光接收橫向標(biāo)靶上的落點(diǎn)與該標(biāo)靶中心之間的距離(d1和d2)可用兩點(diǎn)間距離公式計(jì)算,為:

      在掘進(jìn)機(jī)行進(jìn)過(guò)程中,激光接收橫向標(biāo)靶在巷道坐標(biāo)系中的橫向(X方向)位移等于其中心與垂直激光束落點(diǎn)的距離。聯(lián)立式(2)、式(3)和式(6),可得偏向角α:

      整理可得,在巷道坐標(biāo)系下掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的橫向、垂向位置分別為:

      式中:d3為水平激光束在激光接收縱向標(biāo)靶上的落點(diǎn)與該標(biāo)靶中心之間的距離。

      2.3 光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)量原理

      光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量得到的是掘進(jìn)機(jī)機(jī)身在地理坐標(biāo)系下的位姿信息,則須進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)機(jī)身坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換,其轉(zhuǎn)換矩陣可表示為[14]:

      綜合考慮姿態(tài)角解算的復(fù)雜度、計(jì)算量以及更新速率,本文采用四元數(shù)法[15]來(lái)解算掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的姿態(tài)角,并通過(guò)四階龍格庫(kù)塔方法實(shí)時(shí)求解四元數(shù)。定義四元數(shù)q0、q1、q2和q3,則轉(zhuǎn)換矩陣可表示為:

      通過(guò)解算可得掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的姿態(tài)角:

      通過(guò)比力積分運(yùn)算得到掘進(jìn)機(jī)在地理坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)速度,進(jìn)一步對(duì)速度進(jìn)行積分運(yùn)算獲得其地理位置[16-17]。掘進(jìn)機(jī)機(jī)身在地理坐標(biāo)系下的位置可表示為:

      式中:T為解算周期;λ、L和h分別為地理坐標(biāo)系下掘進(jìn)機(jī)機(jī)身在經(jīng)度、緯度和高度方向上的位置;λ0、L0和h0分別為地理坐標(biāo)系下掘進(jìn)機(jī)機(jī)身在經(jīng)度、緯度和高度方向上的初始位置;RN、RM分別為地球卯酉圈和子午圈的曲率半徑;vx、vy和vz分別為掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動(dòng)速度沿地理坐標(biāo)系的3個(gè)坐標(biāo)軸方向的分量。

      設(shè)地理坐標(biāo)系與巷道坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣為M,則掘進(jìn)機(jī)機(jī)身在巷道坐標(biāo)系下的位置可表示為:

      3 基于RLS算法的數(shù)據(jù)融合處理

      光電傳感器導(dǎo)航系統(tǒng)在解算掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿時(shí)采用的俯仰角β和滾動(dòng)角γ由光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)得,這是因?yàn)槭旨す庵赶騼x發(fā)射的激光束會(huì)被遮擋,從而無(wú)法測(cè)量這2個(gè)姿態(tài)角,結(jié)合光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可彌補(bǔ)該缺陷。因此須對(duì)2個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理,實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿的準(zhǔn)確測(cè)量。本文采用RLS算法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。

      3.1 RLS算法原理

      RLS算法是一種自適應(yīng)高斯-牛頓算法,其可使實(shí)際及期望信號(hào)與融合后輸出信號(hào)之差的平方和最小,每次融合過(guò)程均直接求解最佳權(quán)重系數(shù)[18]。

      經(jīng)RLS算法融合處理后,輸出信號(hào)y(i)可表示為[19-20]:

      式中:X(i)為i時(shí)刻的輸入信號(hào),i=1,2,…,n;w(n)為權(quán)重系數(shù)向量。

      定義誤差e(i)為i時(shí)刻期望信號(hào)d(i)與融合后輸出信號(hào)y(i)之間的誤差,構(gòu)建RLS算法的代價(jià)函數(shù)J(n):

      式中:η為遺忘因子,0<η<1。

      對(duì)代價(jià)函數(shù)關(guān)于權(quán)重求導(dǎo),并令導(dǎo)數(shù)值為0。由此可得,權(quán)重系數(shù)向量的最優(yōu)解為:

      根據(jù)Q(n)定義增益向量K(n):

      則Q-1(n)可表示為:

      則權(quán)重系數(shù)向量的最優(yōu)解可表示為:

      式中:e′(n)為先驗(yàn)估計(jì)誤差。

      綜上,基于RLS算法的數(shù)據(jù)融合流程為:首先計(jì)算先驗(yàn)估計(jì)誤差e′(n),并將輸入信號(hào)作為期望信號(hào);然后更新增益向量K(n),并更新權(quán)重系數(shù)向量w(n);最后更新Q-1(n)。

      3.2 數(shù)據(jù)融合效果分析

      構(gòu)建初始模擬信號(hào)(數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)m=2,遺忘因子η=0.97),融合當(dāng)前時(shí)刻與前一時(shí)刻的數(shù)據(jù),對(duì)應(yīng)權(quán)重系數(shù)分別為w1和w2。采用二階自回歸方程生成非平穩(wěn)隨機(jī)輸入信號(hào),采樣點(diǎn)數(shù)為3 000個(gè),得到如圖6所示的初始模擬信號(hào)和RLS融合信號(hào)的均方誤差曲線(xiàn)。由圖可見(jiàn),相較于初始模擬信號(hào),RLS融合信號(hào)的均方誤差明顯下降。

      圖6 初始模擬信號(hào)和RLS融合信號(hào)的均方誤差對(duì)比Fig.6 Comparison of mean square error between initial analog signal and RLS fusion signal

      鑒于RLS算法中遺忘因子η的取值不同時(shí)會(huì)得到不同的融合處理結(jié)果,設(shè)定3個(gè)不同的遺忘因子,通過(guò)仿真分析其對(duì)權(quán)重系數(shù)的影響(已知最優(yōu)權(quán)重系數(shù)為1.4)。不同遺忘因子下權(quán)重系數(shù)的收斂曲線(xiàn)如圖7所示。

      圖7 不同遺忘因子下權(quán)重系數(shù)的收斂曲線(xiàn)Fig.7 Convergence curves of weight coefficient under different forgetting factors

      由圖7可知:η取值越大,權(quán)重系數(shù)越收斂于最優(yōu)權(quán)重系數(shù);當(dāng)η=0.99時(shí),權(quán)重系數(shù)最接近于最優(yōu)權(quán)重系數(shù),故本文取η=0.99。仿真結(jié)果表明:RLS算法具有較高的收斂速度和估計(jì)精度,在迭代過(guò)程中產(chǎn)生的均方誤差較小,能夠精準(zhǔn)快速地從帶噪信號(hào)中恢復(fù)真值,對(duì)非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的適應(yīng)性強(qiáng)。故選取RLS算法作為組合導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的融合處理方法可行。

      4 掘進(jìn)機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

      為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)的合理性與精確度,以陜煤集團(tuán)張家峁煤礦15212掘進(jìn)工作面為依托,以SANDNIK公司生產(chǎn)的MB670型掘錨一體機(jī)為掘進(jìn)設(shè)備,開(kāi)展組合導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。

      圖8 掘進(jìn)機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)Fig.8 Test site of integrated navigation system of roadheader

      按照MB670型掘錨一體機(jī)機(jī)身的空間尺寸,激光接收標(biāo)靶的長(zhǎng)度設(shè)定為600 mm,經(jīng)過(guò)地面安裝調(diào)試后與光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)一起固定安裝在機(jī)身上,保證其對(duì)定位激光束的接收功能;十字激光指向儀安裝在機(jī)身后方的巷道頂板上,發(fā)射波長(zhǎng)為650 nm的紅色激光束。在組合導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量的同時(shí),利用全站儀對(duì)MB670型掘錨一體機(jī)進(jìn)行位姿標(biāo)定。

      通過(guò)對(duì)比組合導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果與全站儀的標(biāo)定結(jié)果,分析組合導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)量誤差。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,MB670型掘錨一體機(jī)共行進(jìn)50 m,每間隔10 m進(jìn)行一次標(biāo)定;組合導(dǎo)航系統(tǒng)在同一位置處的測(cè)量次數(shù)不少于30次。MB670型掘錨一體機(jī)機(jī)身位姿的標(biāo)定值與測(cè)量值(平均值)的對(duì)比如表1所示。相同位置處MB670型掘錨一體機(jī)機(jī)身的位置測(cè)量誤差和姿態(tài)角測(cè)量誤差分別如圖9和圖10所示??紤]到在井下測(cè)量機(jī)身姿態(tài)角較為困難,故僅給出30組測(cè)量誤差,結(jié)果由人機(jī)交互界面輸出顯示。

      圖9 MB670型掘錨一體機(jī)機(jī)身位置測(cè)量誤差Fig.9 Measurement error of position of MB670 anchor digging machine body

      圖10 MB670型掘錨一體機(jī)機(jī)身姿態(tài)角測(cè)量誤差Fig.10 Measurement error of attitude angle of MB670 anchor digging machine body

      表1 MB670型掘錨一體機(jī)機(jī)身位姿的標(biāo)定值與測(cè)量值對(duì)比Table 1 Comparison between calibrated and measured values of position and attitude of MB670 anchor digging machine body

      由圖9可知:對(duì)于MB670型掘錨一體機(jī)機(jī)身的位置,X方向的最大測(cè)量誤差為17.5 mm,Y方向的最大測(cè)量誤差為14.8 mm,Z方向的最大測(cè)量誤差為13.9 mm,3個(gè)方向上的位置測(cè)量誤差均在±20 mm內(nèi)波動(dòng)。由圖10可知:對(duì)于MB670型掘錨一體機(jī)機(jī)身的姿態(tài)角,偏向角的最大測(cè)量誤差為0.13°,俯仰角的最大測(cè)量誤差為0.13°,滾動(dòng)角的最大測(cè)量誤差為0.14°,3個(gè)姿態(tài)角的測(cè)量誤差均在±0.15°內(nèi)波動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確測(cè)量。

      5 結(jié) 論

      本文采用理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法對(duì)掘進(jìn)機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了研究,獲得了以下結(jié)論。

      1)基于激光接收標(biāo)靶測(cè)量技術(shù)研制了光電傳感器導(dǎo)航系統(tǒng),并結(jié)合光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)建了組合導(dǎo)航系統(tǒng),其對(duì)掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿參數(shù)的測(cè)量精度高且可靠性好。

      2)推導(dǎo)了掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的位姿解算模型,并采用RLS算法對(duì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理,有效提高了位姿的測(cè)量精度。

      3)依托于陜煤集團(tuán)張家峁煤礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:組合導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的位置測(cè)量誤差在±20 mm以?xún)?nèi),對(duì)姿態(tài)角的測(cè)量誤差在±0.15°以?xún)?nèi),滿(mǎn)足巷道施工精度要求,能夠?qū)崿F(xiàn)掘進(jìn)機(jī)定向掘進(jìn)。

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