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煤矿护盾式掘进机器人系统精确定位研究

马宏伟 杨金科 毛清华 汪强

马宏伟,杨金科,毛清华,等. 煤矿护盾式掘进机器人系统精确定位研究[J]. 工矿自动化,2022,48(3):63-70.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021070082
引用本文: 马宏伟,杨金科,毛清华,等. 煤矿护盾式掘进机器人系统精确定位研究[J]. 工矿自动化,2022,48(3):63-70.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021070082
MA Hongwei, YANG Jinke, MAO Qinghua, et al. Research on precise positioning of shield roadheader robot system in coal mine[J]. Journal of Mine Automation,2022,48(3):63-70.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021070082
Citation: MA Hongwei, YANG Jinke, MAO Qinghua, et al. Research on precise positioning of shield roadheader robot system in coal mine[J]. Journal of Mine Automation,2022,48(3):63-70.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021070082

煤矿护盾式掘进机器人系统精确定位研究

doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2021070082
基金项目: 国家自然科学基金面上项目(52174150);陕西省创新人才计划项目(2018TD-032)。
详细信息
    作者简介:

    马宏伟(1957-),男,陕西兴平人,教授,博士,博士研究生导师,主要研究方向为煤矿智能化、智能检测与控制、机器人技术、现代无损检测与评价等,E-mail:mahw@xust.edu.cn

    通讯作者:

    杨金科(1995-),男,宁夏固原人,硕士研究生,主要研究方向为智能检测与控制,E-mail:1649757234@qq.com

  • 中图分类号: TD421

Research on precise positioning of shield roadheader robot system in coal mine

  • 摘要: 目前煤矿井下掘进装备定位方法大多采用机器视觉、里程计、全站仪等单一的辅助测量方式与惯导组合测量来抑制惯导解算随时间所产生的位置累计误差,但是单一的辅助测量方式易受井下环境的影响,位置测量存在一定的误差,从而导致与惯导组合测量方法的精度降低。针对上述问题,以煤矿护盾式掘进机器人系统为研究对象,提出了一种捷联惯导+数字全站仪+位移传感器的组合定位方法。首先采用捷联惯导解算出掘进机器人的位置与姿态角参数;然后利用数字全站仪测量的掘进机器人位置信息与位移传感器推算的掘进机器人位置信息对捷联惯导解算出的位置信息进行反馈修正,以减小惯导随时间所产生的位置累计误差;最后利用基于联邦滤波器的多信息融合算法将捷联惯导解算出的位置及姿态角信息、全站仪测量得到的位置信息及位移传感器推算得到的位置信息进行融合,从而得到掘进机器人准确的位姿信息。仿真及工业性试验结果表明:该组合定位方法能够很好地抑制纯惯导位置解算误差累计,实现煤矿护盾式掘进机器人的精确定位,x轴和y轴方向上的位置误差分别控制在±0.03 m和±0.02 m,满足井下掘进工作面要求。

     

  • 图  1  煤矿护盾式掘进机器人系统构成

    Figure  1.  Structure of coal mine shield roadheader robot system

    图  2  组合定位方法组成

    1−后视棱镜;2−数字全站仪;3−临时支护机器人Ⅱ;4−推移油缸;5−捷联惯导;6−前视棱镜;7−临时支护机器人Ⅰ;8−截割机器人;9−横滚角;10−航向角;11−俯仰角。

    Figure  2.  Composition of combination positioning method

    图  3  组合定位方法原理

    Figure  3.  Principle of combined positioning method

    图  4  基于联邦滤波器的多信息融合原理

    Figure  4.  Multi-information fusion principle based on federated filter

    图  5  组合定位方法下掘进机器人静态姿态角误差

    Figure  5.  Static attitude angle error of roadheader robot under combined positioning method

    图  6  组合定位方法下掘进机器人动态姿态角误差

    Figure  6.  Dynamic attitude angle error of roadheader robot under combined positioning method

    图  7  组合定位方法下掘进机器人位置解算误差

    Figure  7.  Position calculation error of roadheader robot under combined positioning method

    图  8  纯惯导定位位置解算误差

    Figure  8.  Position calculation error of pure inertial navigation positioning

    图  9  静止状态时姿态角变化趋势

    Figure  9.  Change trend of attitude angle in static state

    图  10  掘进状态时姿态角变化趋势

    Figure  10.  Change trend of attitude angle in driving state

    图  11  组合定位方法下煤矿护盾式掘进机器人位置曲线

    Figure  11.  Position curves of coal mine shield roadheader robot under combined positioning method

    图  12  组合定位方法下煤矿护盾式掘进机器人位置误差曲线

    Figure  12.  Position error curve of coal mine shield roadheader robot under combined positioning method

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出版历程
  • 收稿日期:  2021-07-29
  • 录用日期:  2022-03-05
  • 修回日期:  2022-01-20
  • 网络出版日期:  2022-03-11

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