留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于非完整性约束的采煤机定位方法

宋单阳 杨金衡 陶心雅 卢春贵 田慕琴 宋建成

宋单阳,杨金衡,陶心雅,等. 基于非完整性约束的采煤机定位方法[J]. 工矿自动化,2022,48(7):52-57.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022020006
引用本文: 宋单阳,杨金衡,陶心雅,等. 基于非完整性约束的采煤机定位方法[J]. 工矿自动化,2022,48(7):52-57.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022020006
SONG Danyang, YANG Jinheng, TAO Xinya, et al. Shearer positioning method based on non-holonomic constraints[J]. Journal of Mine Automation,2022,48(7):52-57.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022020006
Citation: SONG Danyang, YANG Jinheng, TAO Xinya, et al. Shearer positioning method based on non-holonomic constraints[J]. Journal of Mine Automation,2022,48(7):52-57.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022020006

基于非完整性约束的采煤机定位方法

doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022020006
基金项目: 山西省重点研发计划项目(202102010101005)。
详细信息
    作者简介:

    宋单阳(1992—),男,山西太原人,博士研究生,研究方向为矿用智能电器技术,E-mail:136862475@qq.com

  • 中图分类号: TD679

Shearer positioning method based on non-holonomic constraints

  • 摘要: 目前基于惯性导航系统和里程计组合的采煤机定位方法直接用里程计输出对惯性导航系统推算得到的采煤机前进速度进行修正,但抑制惯性导航系统误差发散的能力非常有限。采煤机在运动过程中满足非完整性约束的特点,即在采煤机不发生跳跃和侧滑的情况下,牵引齿轮和履带连接处的侧向和垂向速度为零。基于该特点,在惯性导航系统和里程计组合定位的基础上,提出了一种基于非完整性约束的采煤机定位方法。安装于采煤机机身中部的惯性测量单元输出经机械编排获得采煤机姿态、速度和位置信息;安装于采煤机牵引齿轮上的里程计输出用于计算采煤机瞬时速度。使用惯性导航系统的机械编排结果和误差传播模型建立卡尔曼滤波状态方程,在采煤机牵引齿轮和履带的连接处引入非完整性约束,利用惯性导航系统投影在连接处的速度与里程计输出的速度之差作为观测向量,建立卡尔曼滤波观测方程;将卡尔曼滤波算法处理后的结果作为误差反馈,对惯性导航系统的输出进行修正,得到采煤机姿态、速度和位置的最优估计。实验结果表明,相较于传统惯性导航系统和里程计组合的定位方法,加入非完整性约束后定位误差没有随时间发散,对实际轨迹具有良好的追踪性能;采煤机在前向、侧向、垂向上的定位误差分别降低了66%,62%,67%。

     

  • 图  1  基于非完整性约束的采煤机定位方法原理

    Figure  1.  Principle of shearer positioning method based on non-holonomic constraints

    图  2  坐标系

    Figure  2.  Coordinate systems

    图  3  采煤机行驶轨迹

    Figure  3.  Shearer running trajectory

    图  4  采煤机定位误差

    Figure  4.  Shearer positioning error

    表  1  惯性测量单元性能参数

    Table  1.   Performance parameters of inertial measurement unit

    参数陀螺仪加速度计
    动态范围$ \pm 500 $ °/s$ \pm 2g $
    零偏$\pm 0.5 $ °/s$ \pm 0.025g $
    随机误差$0.24 $ °/$\sqrt{\mathrm{h} } $9 μm·$ \sqrt{\mathrm{h}}/\mathrm{s} $
    比例因子误差$\pm 0.82{\text{%}}$$\pm 1.46{\text{%}}$
    下载: 导出CSV

    表  2  采煤机定位误差最大值

    Table  2.   The maximum positioning error of shearer m

    方向定位误差最大值
    传统方法本文方法
    x0.880.30
    y0.080.03
    z0.120.04
    下载: 导出CSV
  • [1] 王世博,葛世荣,王世佳,等. 长壁综采工作面无人自主开采发展路径与挑战[J]. 煤炭科学技术,2022,50(2):231-243. doi: 10.13199/j.cnki.cst.2020-1150

    WANG Shibo,GE Shirong,WANG Shijia,et al. Development and chanllege of unmanned autonomous longwall fully-mechanized coal mining face[J]. Coal Science and Technology,2022,50(2):231-243. doi: 10.13199/j.cnki.cst.2020-1150
    [2] 周开平. 薄煤层综采工作面采煤机组合定位方法研究[J]. 工矿自动化,2019,45(6):52-57,68. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019010096

    ZHOU Kaiping. Research on combined positioning method of shearer on fully mechanized mining face of thin coal seam[J]. Industry and Mine Automation,2019,45(6):52-57,68. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019010096
    [3] 张守祥,李森,宋来亮. 基于惯性导航和里程仪的煤矿采掘设备定位[J]. 工矿自动化,2018,44(5):52-57. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2018010042

    ZHANG Shouxiang,LI Sen,SONG Lailiang. Positioning of coal mining equipments based on inertial navigation and odometer[J]. Industry and Mine Automation,2018,44(5):52-57. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2018010042
    [4] 夏婷. 综采工作面刮板输送机直线度检测方法研究[D]. 徐州: 中国矿业大学, 2019.

    XIA Ting. Study on the measurement method of scraper conveyor straightness in fully mechanized mining face[D]. Xuzhou: China University of Mining and Technology, 2019.
    [5] 许晓伟,赖际舟,吕品,等. 基于采煤机工作面端头量测的改进因子图高精度自主定位方法研究[J]. 控制与决策,2022,37(8):2170-2176.

    XU Xiaowei,LAI Jizhou,LYU Pin,et al. High-precision autonomous positioning method based on improved factor graph of measurements at both ends of shearer working face[J]. Control and Decision,2022,37(8):2170-2176.
    [6] YANG Hai,LUO Tao,LI Wei,et al. A stable SINS/UWB integrated positioning method of shearer based on the multi-model intelligent switching algorithm[J]. IEEE Access,2019,7:29128-29138. doi: 10.1109/ACCESS.2019.2898212
    [7] 万文辉,李宇,胡文敏,等. 基于联邦滤波进行立体相机/IMU/里程计运动平台组合导航定位[J]. 武汉大学学报(信息科学版),2018,43(1):101-106.

    WAN Wenhui,LI Yu,HU Wenmin,et al. Mobile platform localization by integration of stereo cameras,IMU and wheel qdometer based on federated filter[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University,2018,43(1):101-106.
    [8] 鲁程,王世博,葛世荣,等. 多惯导冗余的采煤机定位原理及其合理性分析[J]. 煤炭学报,2019,44(增刊2):746-753. doi: 10.13225/j.cnki.jccs.2019.0491

    LU Cheng,WANG Shibo,GE Shirong,et al. Redundant multi-INS positioning algorithm of shearer and analysis of its rationality[J]. Journal of China Coal Society,2019,44(S2):746-753. doi: 10.13225/j.cnki.jccs.2019.0491
    [9] WANG Shijia. Research on shearer positioning with double-INS[J]. Sensor Review,2019,39(4):577-584. doi: 10.1108/SR-12-2018-0318
    [10] 秦永元, 张洪钺, 汪叔华. 卡尔曼滤波与组合导航原理[M]. 3版. 西安: 西北工业大学出版社, 2015.

    QIN Yongyuan, ZHANG Hongyue, WANG Shuhua. Kalman filtering and integrated navigation principle[M]. 3rd ed. Xi'an: Northwestern Polytechnical University Press, 2015.
    [11] 郑江涛,李四海,刘士明,等. 基于惯导和激光雷达的采煤机定位方法[J]. 中国惯性技术学报,2020,28(5):595-602. doi: 10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2020.05.005

    ZHENG Jiangtao,LI Sihai,LIU Shiming,et al. Positioning method of a shearer based on inertial navigation and lidar[J]. Journal of Chinese Inertial Technology,2020,28(5):595-602. doi: 10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2020.05.005
    [12] 沈阳,王鹏江,吉晓冬,等. 二维里程辅助的掘进机自主导航方法研究[J]. 仪器仪表学报,2021,42(11):96-105. doi: 10.19650/j.cnki.cjsi.J2107815

    SHEN Yang,WANG Pengjiang,JI Xiaodong,et al. Research on autonomous navigation method of roadheader aided by two-dimensional mileage[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument,2021,42(11):96-105. doi: 10.19650/j.cnki.cjsi.J2107815
  • 加载中
图(4) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  291
  • HTML全文浏览量:  44
  • PDF下载量:  22
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2022-02-07
  • 修回日期:  2022-07-15
  • 网络出版日期:  2022-03-15

目录

    /

    返回文章
    返回