懸臂式掘進(jìn)機(jī)組合定位導(dǎo)航方案設(shè)計與試驗(yàn)

高 梓

(山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司 官地煤礦, 山西 太原 030024)

煤礦井下掘進(jìn)工作是煤礦開采的重要工作環(huán)節(jié),掘進(jìn)工藝以懸臂式掘進(jìn)機(jī)和單體錨桿鉆機(jī)配套作業(yè)為主。為保證懸臂式掘進(jìn)機(jī)沿規(guī)劃路徑和方向掘進(jìn),需采用先進(jìn)設(shè)備和技術(shù),在井下完全封閉空間內(nèi)準(zhǔn)確測量懸臂式掘進(jìn)機(jī)空間位置和運(yùn)行軌跡,實(shí)現(xiàn)懸臂式掘進(jìn)機(jī)自主導(dǎo)航,對構(gòu)建少人化、無人化掘進(jìn)工作面,降低掘進(jìn)作業(yè)風(fēng)險,推動掘進(jìn)工作面的技術(shù)革命具有重要意義。通過對基于慣性器件的懸臂式掘進(jìn)機(jī)組合定位導(dǎo)航技術(shù)方案進(jìn)行研究,并完成試驗(yàn)與工程實(shí)踐案例應(yīng)用分析,為懸臂式掘進(jìn)自主導(dǎo)航方案疊代提供參考,為掘進(jìn)工作面無人化進(jìn)程提供技術(shù)保障。

1 組合定位導(dǎo)航原理

懸臂式掘進(jìn)機(jī)組合定位導(dǎo)航方案基于捷聯(lián)慣導(dǎo)、里程計實(shí)現(xiàn)。捷聯(lián)慣導(dǎo)定位導(dǎo)航系統(tǒng)由X、Y、Z三軸光纖陀螺儀,X、Y、Z三軸加速度計,解算芯片組成可自主測量懸臂式掘進(jìn)機(jī)的航向角、解算位置、速度、姿態(tài)以及航向數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)靜態(tài)對準(zhǔn),動態(tài)測量。里程計定位導(dǎo)航系統(tǒng)由編碼器、張緊裝置以及測量輪等組成,通過編碼器檢測測量輪的旋轉(zhuǎn)圈數(shù),進(jìn)而計算懸臂式掘進(jìn)機(jī)在縱軸、橫軸方向的里程增量。捷聯(lián)慣導(dǎo)定位導(dǎo)航系統(tǒng)具有無源特性,滿足煤礦井下封閉空間內(nèi)的自主導(dǎo)航,但存在的問題是定位誤差累積嚴(yán)重。里程計定位導(dǎo)航系統(tǒng)精度高、自主性強(qiáng),但存在的問題是位姿感知能力受限。在捷聯(lián)慣導(dǎo)定位導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,引入里程計進(jìn)行輔助定位,實(shí)現(xiàn)懸臂式掘進(jìn)機(jī)在狹小密閉空間、復(fù)雜電磁環(huán)境、工況惡劣條件下的精準(zhǔn)導(dǎo)航,捷聯(lián)慣導(dǎo)與里程計組合定位導(dǎo)航原理見圖1.

圖1 捷聯(lián)慣導(dǎo)與里程計組合定位導(dǎo)航原理圖

2 組合定位導(dǎo)航方案設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

2.1.1 硬件選型

懸臂式掘進(jìn)機(jī)組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)硬件設(shè)計見圖2,捷聯(lián)慣導(dǎo)、里程計數(shù)據(jù)經(jīng)信號調(diào)理電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片后傳入數(shù)據(jù)采集與處理控制器進(jìn)行讀取、濾波、編碼。以中斷模式將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給解算與數(shù)據(jù)融合控制器進(jìn)行解碼、解算、融合、濾波、存儲。

圖2 懸臂式掘進(jìn)機(jī)組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

懸臂式掘進(jìn)機(jī)組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)核心硬件選型如下:

2) 加速度計。選用某型石英繞性擺式加速度計,量程為±30 g,偏值穩(wěn)定性<50 μg,偏執(zhí)溫度系數(shù)<50 μg/℃,標(biāo)度因數(shù)為1.1～1.4 mA/g,供電電源為±12 V.

3) 里程計。選用模型電磁式里程計,里程計線數(shù)為1 100,驅(qū)動輪半徑為75 mm,電機(jī)加速比為100∶1,輸出為正交碼脈沖信號,供電電源為+5 V.

4) 數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。選用AD7606-6數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片,采樣頻率為50 kHz,采樣數(shù)據(jù)寬度為16位,具備鉗位保護(hù)功能,供電電源為5 V.

5) 控制器。數(shù)據(jù)采集與處理控制器選用TMS320F28335 32位浮點(diǎn)DSP,主頻為150 M,集成256KFLASH、34KSRAM,支持SCI、SPI接口,支持2*8、12位ADC. 解算與數(shù)據(jù)融合控制器選用TMS320C6784 32位浮點(diǎn)低功耗DSP,主頻位300 M,適用于復(fù)雜算法及數(shù)據(jù)處理。

6) 存儲器。選用K9F1G08U0B工業(yè)級FLASH存儲芯片,存儲空間位128 MB,具有抗壓、抗沖擊、抗強(qiáng)震、抗超低溫等特性。

7) 觸摸屏。選用3.5英寸液晶觸摸屏,實(shí)時顯示參數(shù)設(shè)定以及導(dǎo)航信息。

8) 電源模塊。選用REG1117-3.3/1.8電源管理芯片,可輸出3.3 V、1.8 V電壓。選用線性穩(wěn)壓芯片MC78M05BDT輸出5 V電壓。

2.1.2 關(guān)鍵電路

1) 數(shù)據(jù)處理電路。

數(shù)據(jù)處理電路包括AD7606配置為16位并行輸出,采樣頻率位50 kHz. K9F1G08U0B一次可存儲8位數(shù)據(jù),需對數(shù)據(jù)進(jìn)行單字節(jié)處理,進(jìn)行高低字節(jié)分割。

2) 電源電路。

三軸陀螺儀的供電電壓為5 V,由芯片MC78-M05BDT將7.4 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V電壓。兩個控制器以及其他大部分元件的供電電壓為3.3 V,由REG1117-3.3將7.4 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V電壓,電路原理見圖3.

2.2 軟件設(shè)計

懸臂式掘進(jìn)機(jī)組合定位導(dǎo)航方案軟件程序位于數(shù)據(jù)采集與處理控制器、解算與數(shù)據(jù)融合控制器內(nèi),基于CCS10.1.0開發(fā)平臺實(shí)現(xiàn),仿真器為XDS510,軟件程序設(shè)計框圖見圖4.

數(shù)據(jù)采集與處理控制器軟件模塊主要有:1) uint16 SelfTest(void)系統(tǒng)自檢函數(shù)。2) void Coding(void)數(shù)據(jù)編碼函數(shù)。3) uint16*AccFilter(uint16*Acc)加速度濾波函數(shù)。4) uint16*GyroFilter(uint16*Gyro)陀螺儀濾波函數(shù)。5) uint16*OdoFilter(uint16*odo)里程計濾波函數(shù)。由上述函數(shù)完成系統(tǒng)自檢、慣性導(dǎo)航/里程計數(shù)據(jù)讀取以及濾波,與解算與數(shù)據(jù)融合控制器時序同步等功能。

解算與數(shù)據(jù)融合控制器軟件模塊主要有:1) uint16 Decoding(void)解碼函數(shù)。2) void IntegData(void)8位數(shù)據(jù)合成16位函數(shù)。3) void SplitData(void)16位分解位8位數(shù)據(jù)函數(shù)。4) uint16*SINS(uint16*sinsin)捷聯(lián)慣導(dǎo)解算函數(shù)。5) *ODO(uint16*odoin)里程計解算函數(shù)。6) uint16*KalmanFileter(uint16*kalmanin)Kalman濾波函數(shù)。7) k9flg08u0b.c Flash讀寫函數(shù)。8) ManMacinterf.c觸摸屏接口函數(shù)。由上述函數(shù)完成系統(tǒng)自檢、數(shù)據(jù)解碼、捷聯(lián)慣導(dǎo)/里程計數(shù)據(jù)解算、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)輸出及顯示等功能。

除上述自定義函數(shù)外,還需調(diào)用DSP系統(tǒng)的引腳初始化函數(shù)、中斷服務(wù)子程序函數(shù)、ADC驅(qū)動函數(shù)以及延時函數(shù)等。

3 應(yīng)用案例

3.1 試驗(yàn)平臺

試驗(yàn)時,以EBZ315型懸臂式掘進(jìn)機(jī)為對象,采用組合定位導(dǎo)航方案,搭載FOG型捷聯(lián)慣導(dǎo)、二維里程測量裝置,采用基于模糊推理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合算法對系統(tǒng)信號進(jìn)行濾波處理。試驗(yàn)平臺實(shí)物見圖5. 捷聯(lián)慣導(dǎo)定位導(dǎo)航系統(tǒng)安裝于懸臂式掘進(jìn)機(jī)機(jī)身頂部中心。二維里程計定位導(dǎo)航安裝于懸臂式掘進(jìn)機(jī)機(jī)身底部,位于捷聯(lián)慣導(dǎo)定位導(dǎo)航系統(tǒng)正下方,精確位置為:測量輪與懸臂式掘進(jìn)機(jī)縱軸線夾角為45°,兩個測量輪的對稱線與縱軸線重合。

圖5 懸臂式掘進(jìn)機(jī)定位導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)圖

3.2 試驗(yàn)方案

懸臂式掘進(jìn)機(jī)初始航向角為-74.119°,橫滾角為0.351°,俯仰角為-0.557°. 根據(jù)掘進(jìn)工作面“探-掘-支-錨-運(yùn)”巷道掘進(jìn)工藝,通過遠(yuǎn)程遙控操作控制懸臂式掘進(jìn)機(jī)慢速前進(jìn)、轉(zhuǎn)向、停止等工況,試驗(yàn)時長為300 s. 試驗(yàn)時,采用單捷聯(lián)慣導(dǎo)、組合定位導(dǎo)航兩種模式采集懸臂式掘進(jìn)機(jī)導(dǎo)航角、東向位移、北向位移以及掘進(jìn)軌跡數(shù)據(jù),解算掘進(jìn)機(jī)的位置坐標(biāo)并以Modbus TCP通訊模式發(fā)送至遠(yuǎn)端監(jiān)控設(shè)備,同時標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)形成掘進(jìn)機(jī)位置軌跡,見圖6.

圖6 懸臂式掘進(jìn)機(jī)定位導(dǎo)航實(shí)際位置軌跡圖

3.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)持續(xù)300 s后,實(shí)測懸臂式掘進(jìn)機(jī)東向行進(jìn)位移為10.10 m,北向位移為1.31 m,航向角變化為22.77°. 圖7所示為FOG捷聯(lián)慣導(dǎo)、組合定位兩種模式時掘進(jìn)機(jī)航向角曲線圖,隨著時間的累加,FOG型捷聯(lián)慣導(dǎo)獲取的航向角與實(shí)際航向角偏離程度逐漸增加。組合定位導(dǎo)航獲取的航向角與實(shí)際航向角更加接近,最大誤差為0.672°.

圖7 懸臂式掘進(jìn)機(jī)航向角曲線圖

試驗(yàn)300 s后,懸臂式掘進(jìn)機(jī)的東向位移、北向位移見圖8、圖9. 由圖8、圖9可知,隨著時間的累加,FOG型捷聯(lián)慣導(dǎo)獲取的懸臂式掘進(jìn)機(jī)東向位移、北向位移與全站儀獲取的實(shí)際位移的偏差逐漸增加;組合定位導(dǎo)航獲取的東向、北向位移值與實(shí)際值更加接近,東向位移平均誤差為0.167 2 m,北向位移平均誤差為0.120 9 m.

圖8 懸臂式掘進(jìn)機(jī)東向位移曲線圖

圖9 懸臂式掘進(jìn)機(jī)北向位移曲線圖

試驗(yàn)300 s后,懸臂式掘進(jìn)機(jī)的軌跡曲線見圖10,由圖8、圖9組合得到,組合定位導(dǎo)航獲取的掘進(jìn)機(jī)軌跡與全站儀獲取的實(shí)際軌跡更加吻合。

圖10 懸臂式掘進(jìn)機(jī)軌跡圖

3.4 實(shí)際應(yīng)用

應(yīng)用懸臂式掘進(jìn)機(jī)的定位導(dǎo)航方案已經(jīng)在霍州煤電集團(tuán)辛置礦、團(tuán)柏礦,寧煤集團(tuán)的烏蘭礦、梅花井礦,兗州煤業(yè)的鮑店礦、南屯礦、興隆莊礦等進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。據(jù)現(xiàn)場反應(yīng),可滿足掘進(jìn)機(jī)智能控制所需的定位精度,為掘進(jìn)工作面的少人化、無人化奠定了技術(shù)保障基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

設(shè)計了一種由捷聯(lián)慣導(dǎo)、里程計結(jié)合的懸臂式掘進(jìn)機(jī)組合定位導(dǎo)航方案,通過試驗(yàn)驗(yàn)證可知,組合定位導(dǎo)航方案精度高。采用組合定位導(dǎo)航方案后,懸臂式掘進(jìn)機(jī)航向角偏差可控制在0.672°以內(nèi),行進(jìn)軌跡與全站儀獲取的實(shí)際軌跡更加接近。