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。

基于机器视觉掘进机位姿检测应用现状与趋势

基于机器视觉技术利用防爆相机获取巷道环境信息,安装方便且具有非接触、获取信息丰富的特点,在煤矿智能化进程中得到了广泛应用。在煤炭开采中,掘进机作为巷道掘进的主要装备,具有截割、转载、运输的功能,且掘进机的操作主要依赖人工操作,制约了巷道掘进的效率,而掘进机的位姿检测不仅为工人操作提供了参考,而且有利于掘进机的自动化以及智能化操作,进而有利于煤矿智能化进程的推进,不仅能缓解采掘失衡的矛盾,同时能降低工人的劳动强度。本文分析了近几年机器视觉技术在悬臂式掘进机位姿检测中的应用现状与发展趋势,研究了悬臂式掘进机各种位姿检测方法中所涉及的图像预处理以及位姿检测模型的共性问题,提出了机器视觉技术在掘进机位姿检测的应用中,图像采集硬件、位姿检测的冗余性以及特征提取的精确性方面仍需要进一步攻关与突破。

基于惯性测量的悬臂式掘进机位姿自动定位

采用陀螺仪、加速度计、里程计、视觉系统等多传感器冗余导航方式,检测悬臂式掘进机的水平偏角、水平偏距、俯仰角、横滚角、车前距的机身位姿参数,通过对悬臂式掘进机位置、姿态、截割臂运动参数的自动监控,实现悬臂式掘进机的自动姿态调整和自动纠偏,并可按照预先设定的巷道中心线作业。

基于捷联惯导和推移油缸信息融合的智能掘进机器人位姿测量方法

针对煤矿智能掘进机器人系统位姿实时精确测量问题,基于两级护盾结构相互推移油缸实现机器人行驶原理,提出了一种基于捷联惯导和推移油缸信息融合的智能掘进机器人位姿测量方法。利用捷联惯导实时测量智能掘进机器人的姿态信息,再结合推移油缸位移数据,进行航位推算。采用标准卡尔曼滤波算法将捷联惯导数据和油缸数据进行融合,抑制惯导测量误差,提高位姿测量精度。井下实验结果表明:在智能掘进机器人系统静止1h左右,惯导和油缸组合测量的俯仰角、横滚角和航向角的漂移量分别为0.018596°、0.004635°和0.011898°;在智能掘进机器人前进21m(截距为1m)的过程中,组合测量系统解算得到的位置误差在X轴和Y轴方向分别小于3.5cm和2cm。

悬臂掘进机自动截割控制关键技术

阐述了悬臂掘进机巷道自动截割控制的4个关键技术,即掘进巷道断面自动成形控制、截割头恒功率自动牵引调速控制、掘进机位姿检测控制以及掘进机定向掘进控制。其中前2个关键技术已在EBZ160、EBZ200和EBH300机型上得到实施,试验效果很好。认为,该关键技术的研究为实现掘进工作面智能化、自动化、信息化和无人化奠定了基础。

掘进机全站仪与捷联惯导组合定位方法

针对基于全站仪的掘进机定位方法因井下粉尘过大等导致光路被遮挡而无法进行定位、基于捷联惯导的掘进机定位方法累计误差随时间推移逐渐增大的问题,提出一种掘进机全站仪与捷联惯导组合定位方法。首先,采用全站仪测量掘进机位置参数,采用捷联惯导测量掘进机位姿参数并进行解算;然后,将捷联惯导测量的掘进机所在位置经纬度转换为西安80坐标系下的坐标值,实现与全站仪测量坐标系的统一;最后,采用卡尔曼滤波方法将全站仪与捷联惯导测量数据进行融合,获取掘进机位姿数据。试验结果表明该方法具有较高的定位精度:x方向的定位误差最大值为0.0291 m,最小值为0.0100 m,平均值为0.01993 m;y方向的定位误差最大值为0.0295 m,最小值为0.0110 m,平均值为0.01826 m。

数字孪生驱动掘进机远程自动截割控制技术

目前掘进机远程截割控制方法大多基于视频监控与平面信息,巷道断面成形质量取决于人工操作经验,可靠性较低。针对该问题,研究了数字孪生驱动掘进机远程自动截割控制技术,从数据感知、数据驱动、数据传输、远程自动截割控制等方面介绍了数字孪生驱动掘进机自动截割的实现过程。采用视觉测量技术获取掘进机位姿数据、气体传感器等获取掘进环境数据,构成数字孪生驱动的数据来源;建立掘进机虚拟模型和虚拟场景并完成虚拟模型动作编程及虚拟模型与虚拟场景的耦合,通过求解掘进机运动学正逆解,实现掘进机与虚拟模型交互;基于三次多项式方法进行巷道断面“S”形截割轨迹规划,设计反馈线性积分滑模控制器实现截割轨迹跟踪控制;采用MySQL数据库作为数据交互媒介,通过井下工业以太环网及矿用5G技术实现数据远程传输。实验结果表明,掘进机截割头能稳定跟随规划轨迹,且同一时刻虚拟界面显示的掘进机截割头位姿与实际位姿一致。

悬臂式掘进机惯性测量系统的改进与试验

大阳煤矿在采掘中主要采用EBZ-160悬臂式掘进机,但在实际应用中,由于工作环境恶劣、巷道断面自动切割技术对掘进机惯导系统的精度有更高的要求,悬臂式掘进机自动定位精度难免发生失准的情况。零速修正技术是一种误差补偿的校正技术,可以有效消除掘进机长时间工作而累积的误差。在顺利完成工业性试验后,最终实现了掘进机的位姿的自动调整和纠偏,具有高效安全的实际应用效果。