CN104964688A - 基于捷联惯性导航的采煤机防爆定位装置及其校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于捷联惯性导航的采煤机防爆定位装置，它包括防爆箱、导引支撑装置、电源模块、捷联惯性导航单元、可移动橡胶减震机构装置和导航数据处理模块；可移动橡胶减震机构装置通过防爆箱底部对称设有的固定安装孔固定安装在防爆箱右侧；捷联惯性导航单元固定在可移动橡胶减震机构装置上；电源模块固定在导引支撑装置上；导航数据处理模块通过防爆箱底部对称设有的模块固定安装孔固定安装在防爆箱左侧；同时还包括一种校准方法，本发明能够有效解决抗冲击性差、稳定性和可靠性不足等缺陷，具有安全性高、环境适应能力强、实时性好、稳定性好、操作简单、安装方便等特点。

Description

基于捷联惯性导航的采煤机防爆定位装置及其校准方法

技术领域

本发明涉及一种采煤机自主定位装置，具体是一种基于捷联惯性导航的采煤机防爆定位装置及其校准方法，属于采煤机绝对自主定位技术领域。

背景技术

煤炭是我国重要的基础能源和原料，以煤为主的能源结构在相当长时间内不会改变，随着国民经济的发展，煤炭的需求量越来越大，伴随的煤矿安全事故也在不断增多；煤炭资源安全高效开发利用技术成为了国内外学者研究的热点领域。

综采工作面是煤矿生产的核心区域，而作为综采工作面“三机”的核心设备—采煤机，承担着破煤、装煤的功能，起到关键性的作用。当前大多数“三机”需要人工干预实现联动，而要想实现“三机”自动化与协同工作，以及实现液压支架跟机自动化以及采煤机自适应记忆截割，其关键技术是采煤机在综采工作面的精确位置确定。

通过查阅现有的文献及专利，对此类实验装置的研究比较少，大多集中于实验方法的研究，采煤机定位装置的机械设计只是概念性的提出，其空间结构、空间布局未进行具体研究与设计。

例如中国专利申请号为：201310353737.7，名称为：一种融合地质环境信息的采煤机绝对定位装置与方法；又如中国专利申请号：201110053172.1，名称为：一种综采工作面采煤机定位装置及定位方法。上述专利主要是针对采煤机定位方法的研究，而对于整个装置的实现，特别是机械装置部分却并未涉及，为下一步整个监测装置的实施带来很大的不便。

采煤机防爆定位装置安装在井下恶劣环境的采煤机上，捷联惯性导航单元的安装方式以及数据采集方式直接影响采煤机定位系统装置的实现。因此，设计一种新的切实可行的实验装置及数据采集方法，对于实现在真实煤矿环境下采煤机自主定位，具有很关键的现实意义。

由于受到捷联惯性导航单元在密封防爆装置中的安装精度影响，使得定位装置对采煤机加速度以及角速度的测量产生偏差，目前针对捷联惯性导航单元的定位装置以及数据采集存储的自主定位系统校准策略并未涉及。并且由于煤矿井下环境复杂，干扰较多，用来补偿惯导定位系统的技术较难实现，这就要求捷联惯导定位装置的校准更加重要。

随着综采工作面自动化程度的提高，对采煤机防爆定位装置的精度、稳定性提出更高的要求，采煤机防爆定位装置的安装误差角在一定程度上对系统的稳定性产生很大的影响，因此需要对其进行校准并进行误差补偿。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于捷联惯性导航的采煤机防爆定位装置及其校准方法，能够有效解决其抗冲击性差、稳定性和可靠性不足等缺陷，同时实现采煤机防爆定位装置与其内捷联惯性导航间安装角误差校准并进行误差补偿。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于捷联惯性导航的采煤机防爆定位装置，

它包括防爆箱、导引支撑装置、电源模块、捷联惯性导航单元、可移动橡胶减震机构装置以及导航数据处理模块；

所述的可移动橡胶减震机构装置通过防爆箱底部对称设有的固定安装孔固定安装在防爆箱右侧；

所述的捷联惯性导航单元固定在所述可移动橡胶减震机构装置上；

所述的电源模块固定在导引支撑装置上；

所述的导航数据处理模块通过防爆箱底部对称设有的模块固定安装孔固定安装在防爆箱左侧。

所述的导航数据处理模块包括集成于一体的微处理单元、信号指示灯与显示输出、报警电路、实时时钟、光电隔离电路、数据存储单元和通讯模块。

所述的导引支撑装置包括电源支撑架槽和燕尾槽型支撑骨架。

所述的可移动橡胶减震机构装置包括上圆柱减震橡胶、可调节柔性支撑架以及下圆柱减震橡胶。

本装置采用离线数据采集和实时数据采集相结合的传输工作方式，以针对采煤机在特殊环境下数据无法实时传输的问题。

所述的防爆箱规格为300mm×200mm×180mm；电源模块采用5V，DC电源、用于对导航数据处理模块和捷联惯性导航单元供电。

一种基于捷联惯性导航的采煤机防爆定位装置的校准方法，包括以下步骤：

1)首先准备一个三维旋转平台，该三维旋转平台可绕着自身的横轴、纵轴、竖轴进行旋转且旋转角度能够精确实时测量；

2)将上述的采煤机防爆定位装置固定在三维旋转平台上，并确保该装置坐标系与三维旋转平台坐标系完全重合；

3)对采煤机防爆定位装置中捷联惯性导航单元进行上电操作，待其内置三轴加速度计和陀螺仪工作稳定后，测量其在地球重力作用下的三轴加速度分量；若捷联惯性导航单元存在安装偏差角，则其自身X′轴和Y′轴均有分量输出；否则，只有Z′轴加速度计输出重力加速度g测量值；

4)第一次校准：若存在安装偏差角，三维旋转平台先绕自身X轴逆时针旋转，直到Y′轴加速度输出为0，其次三维旋转平台绕自身Y轴顺时针旋转，直到X′轴加速度输出也为0，记两次旋转的角度分别为α和β；

5)第二次校准：三维旋转平台绕自身的X轴顺时针旋转90°，此时Y轴指向天，类似地三维旋转平台绕自身Z轴逆时针旋转，使得X′轴和Z′轴的加速度输出为0，记此次旋转的角度分别为γ；

6)在惯导坐标系与三维旋转平台坐标系重合后，利用三维旋转平台围绕自身Y轴匀速旋转，由于存在臂杆效应，重力加速度g的数值会有脉冲突变，而根据公式可求出两坐标系Y轴之间的垂直距离r_y，同样的方法可求出两坐标系X轴、Z轴之间的垂直距离r_x和r_z，利用几何关系可求出两质心之间的相对位置；

7)根据步骤4)-6)中求得的旋转角度α、β、γ和相对位置r_x、r_y和r_z，并通过矩阵乘法和几何关系，实现采煤机防爆定位装置与其内捷联惯性导航单元间安装角误差校正。

与现有的装置及方法相比，本发明能够直接应用于恶劣环境下采煤机的定位跟踪，惯性导航系统封装成一个独立的测量系统，整个装置运行之前能够对其进行校准并消除安装角偏差，减少了高振动环境下惯性导航的安装误差对系统测量稳定性的影响，提高了对复杂环境的适应性，为采煤机自主定位的研究打下坚实的基础；具有安全性高、环境适应能力强、实时性好、稳定性好、操作简单、安装方便等特点。

附图说明

图1为本发明结构主视图；

图2为图1的A向视图；

图3为图1的B向视图；

图4为本发明中导航数据处理模块结构与连接图；

图5为本发明三维示意图；

图6为本发明中各坐标系的示意图；

图7为本发明方法流程图；

图8为臂杆效应检测方法原理图。

图中：1、防爆箱，2、导引支撑装置，2-1、电源支撑架槽，2-2、燕尾槽型支撑骨架，3、固定安装孔，4、电源模块，5、捷联惯性导航单元，6、可移动橡胶减震机构装置，6-1、上圆柱减震橡胶，6-2、可调节柔性支撑架，6-3、下圆柱减震橡胶，7、导航数据处理模块，7-1、微处理单元，7-2、信号指示灯与显示输出，7-3、报警电路，7-4、实时时钟，7-5、光电隔离电路，7-6、数据储存单元，7-7、电源电路，8、模块固定安装孔，9、三维旋转平台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示，一种基于捷联惯性导航的采煤机防爆定位装置，

它包括防爆箱1、导引支撑装置2、电源模块4、捷联惯性导航单元5、可移动橡胶减震机构装置6以及导航数据处理模块7；

所述的可移动橡胶减震机构装置6通过防爆箱1底部对称设有的固定安装孔3固定安装在防爆箱1右侧；

所述的捷联惯性导航单元5固定在所述可移动橡胶减震机构装置6上；

所述的电源模块4固定在导引支撑装置2上；

所述的导航数据处理模块7通过防爆箱1底部对称设有的模块固定安装孔8固定安装在防爆箱1左侧。

如图4，导航数据处理模块7包括集成于一体的微处理单元7-1、信号指示灯与显示输出7-2、报警电路7-3、实时时钟7-4、光电隔离电路7-5、数据存储单元7-6、电源电路7-7和通讯模块7-8；本装置采用离线数据采集和实时数据采集相结合的传输工作方式，以针对采煤机在特殊环境下数据无法实时传输的问题，主要包括捷联惯导数据高速实时采集与高速存储、离线惯导数据解算以及信号指示灯与显示输出7-2显示功能，其中的通讯模块7-8为RS458通讯模块。

而实时时钟7-4主要通过UART模块实现惯导数据与上位机进行实时通信、在线数据解算以及上位机定位结果实时显示等功能。其中的报警电路7-3主要是针对微处理单元7-1采集不到数据、显示模块出故障及通信故障等问题进行实时报警；而光电隔离电路7-5主要提高微处理单元7-1的抗干扰能力及电绝缘能力。

进一步，导引支撑装置2包括电源支撑架槽2-1和燕尾槽型支撑骨架2-2。

进一步，所述的可移动橡胶减震机构装置6包括上圆柱减震橡胶6-1、可调节柔性支撑架6-2以及下圆柱减震橡胶6-3；所述捷联惯性导航单元5通过上圆柱减震橡胶6-1和下圆柱减震橡胶6-3固连在可调节柔性支撑架6-2。

基于捷联惯性导航的采煤机防爆定位装置放在煤矿井下综采工作面上，因此该装置防爆性能要高：防爆箱1规格为300mm×200mm×180mm；电源模块4采用5V、DC电源、用于对导航数据处理模块7和捷联惯性导航单元5供电；在此基础上分析恶劣环境下采煤机防爆定位装置的振动特性以及捷联惯性导航单元5的检测特性，通过静力学受力分析以及动态环境下的安全可靠性分析对燕尾槽型支撑骨架2-2和可调节柔性支撑架6-2进行设计。

如图5至图8所示：一种基于捷联惯性导航的采煤机防爆定位装置的校准方法，包括以下步骤：

1)首先准备一个三维旋转平台9，该三维旋转平台9可绕着自身横轴、纵轴、竖轴进行旋转且旋转角度能够通过其三个角度传感器测量，并称该三维旋转平台9的坐标系称为平台坐标系；

2)将上述采煤机防爆定位装置固定在三维旋转平台9上，并确保该装置坐标系与三维旋转平台9坐标系完全重合，记为O-X,Y,Z，惯导坐标系记为O′-X′,Y′,Z′；

3)对采煤机防爆定位装置中捷联惯性导航单元5进行上电操作，待其内置三轴加速度计和陀螺仪工作稳定后，测量其在地球重力作用下的三轴加速度分量，若捷联惯性导航单元5存在安装偏差角，则其自身X′轴和Y′轴均有分量输出；否则，只有Z′轴加速度计输出重力加速度g测量值；

4)若存在安装偏差角，三维旋转平台9先绕自身X轴逆时针旋转，直到Y′轴加速度输出为0，其次三维旋转平台9绕自身Y轴顺时针旋转，直到X′轴加速度输出也为0，记两次旋转的角度分别为α和β，该过程称为第一次校准：根据姿态变换误差模型，可求出姿态变换偏差矩阵C₁和C₂。

$C_1=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}\\ 0& -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right],C_2=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\β}& 0& -\sin \mathrm{\β}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\β}& 0& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right],$ 分别求出姿态变换偏差矩阵；

5)三维旋转平台9绕自身的X轴顺时针旋转90°，此时Y轴指向天，类似地三维旋转平台绕自身Z轴逆时针旋转，使得X′轴和Z′轴的加速度输出为0，记此次旋转的角度为γ，该过程称为第二次校准；按照步骤4，同样可求出姿态变换偏差矩阵C₃，系统姿态矩阵的解算过程中需要乘以姿态变换偏差矩阵C＝C₃C₂C₁；

6)在惯导坐标系即捷联惯性导航单元5固有坐标系与三维旋转平台9坐标系重合后，利用三维旋转平台9围绕自身Y轴匀速旋转，由于存在臂杆效应，加速度计的数值会有脉冲突变，而根据公式a_x,y＝r_y·ω_y ²，可求出两坐标系Y轴之间的垂直距离r_y，同样的方法可求出两坐标系X轴、Z轴之间的垂直距离r_x和r_z，利用几何关系可求出两质心之间的相对位置；

6)根据步骤4)-6)中求得的旋转角度α、β、γ和相对位置r_x、r_y和r_z，并通过步骤5中矩阵乘法可求出姿态变换偏差矩阵，此时保证惯导坐标系和装置坐标系即三维旋转平台9坐标系的三轴重合，但原点不重合；通过几何计算可求出两原点之间的矢量从而实现采煤机防爆定位装置与其内捷联惯性导航单元5间安装角误差校正。

综上所述：

本发明能够直接应用于恶劣环境下采煤机的定位跟踪，惯性导航系统封装成一个独立的测量系统，整个装置运行之前需要对其进行校准并消除安装角偏差，减少了高振动环境下惯性导航的安装误差对系统测量稳定性的影响，提高了对复杂环境的适应性，为采煤机自主定位的研究打下坚实的基础；具有安全性高、环境适应能力强、实时性好、稳定性好、操作简单、安装方便等特点。

Claims (7)

1.一种基于捷联惯性导航的采煤机防爆定位装置，其特征在于，

它包括防爆箱(1)、导引支撑装置(2)、电源模块(4)、捷联惯性导航单元(5)、可移动橡胶减震机构装置(6)以及导航数据处理模块(7)；

所述的可移动橡胶减震机构装置(6)通过防爆箱(1)底部对称设有的固定安装孔(3)固定安装在防爆箱(1)右侧；

所述的捷联惯性导航单元(5)固定在所述可移动橡胶减震机构装置(6)上；

所述的电源模块(4)固定在导引支撑装置(2)上；

所述的导航数据处理模块(7)通过防爆箱(1)底部对称设有的模块固定安装孔(8)固定安装在防爆箱(1)左侧。

2.根据权利要求1所述的一种基于捷联惯性导航的采煤机防爆定位装置，其特征在于，所述的导航数据处理模块(7)包括集成于一体的微处理单元(7-1)、信号指示灯与显示输出(7-2)、报警电路(7-3)、实时时钟(7-4)、光电隔离电路(7-5)、数据存储单元(7-6)、电源电路(7-7)和通信模块(7-8)。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于捷联惯性导航的采煤机防爆定位装置，其特征在于，所述的导引支撑装置(2)包括电源支撑架槽(2-1)和燕尾槽型支撑骨架(2-2)。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于捷联惯性导航的采煤机防爆定位装置，其特征在于，所述的可移动橡胶减震机构装置(6)包括上圆柱减震橡胶(6-1)、可调节柔性支撑架(6-2)以及下圆柱减震橡胶(6-3)；所述捷联惯性导航单元(5)通过上圆柱减震橡胶(6-1)和下圆柱减震橡胶(6-3)固连在可调节柔性支撑架(6-2)。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于捷联惯性导航的采煤机防爆定位装置，其特征在于，本装置采用离线数据采集和实时数据采集相结合的传输工作方式，以针对采煤机在特殊环境下数据无法实时传输的问题。

6.根据权利要求1或2所述的一种基于捷联惯性导航的采煤机防爆定位装置，其特征在于，所述的防爆箱(1)规格为300mm×200mm×180mm；电源模块(4)采用5V、DC电源、用于对导航数据处理模块(7)和捷联惯性导航单元(5)供电。

7.一种基于捷联惯性导航的采煤机防爆定位装置的校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)首先准备一个三维旋转平台(9)，该三维旋转平台(9)可绕着自身的横轴、纵轴、竖轴进行旋转且旋转角度能够精确实时测量；

2)将权利要求1所述的采煤机防爆定位装置固定在三维旋转平台(9)上，并确保该装置坐标系与三维旋转平台(9)坐标系完全重合；

3)对采煤机防爆定位装置中捷联惯性导航单元(5)进行上电操作，待其内置三轴加速度计和陀螺仪工作稳定后，测量其在地球重力作用下的三轴加速度分量；若捷联惯性导航单元(5)存在安装偏差角，则其自身X′轴和Y′轴均有分量输出；否则，只有Z′轴加速度计输出重力加速度g测量值；

4)第一次校准：若存在安装偏差角，三维旋转平台(9)先绕自身X轴逆时针旋转，直到Y′轴加速度输出为0，其次三维旋转平台(9)绕自身Y轴顺时针旋转，直到X′轴加速度输出也为0，记两次旋转的角度分别为α和β；

5)第二次校准：三维旋转平台(9)绕自身的X轴顺时针旋转90°，此时Y轴指向天，类似地三维旋转平台(9)绕自身Z轴逆时针旋转，使得X′轴和Z′轴的加速度输出为0，记此次旋转的角度分别为γ；

6)在惯导坐标系与三维旋转平台(9)坐标系重合后，利用三维旋转平台(9)围绕自身Y轴匀速旋转，由于存在臂杆效应，重力加速度g的数值会有脉冲突变，而根据公式a_x,y＝r_y·ω_y ²，可求出两坐标系Y轴之间的垂直距离r_y，同样的方法可求出两坐标系X轴、Z轴之间的垂直距离r_x和r_z，利用几何关系可求出两质心之间的相对位置；

7)根据步骤4)-6)中求得的旋转角度α、β、γ和相对位置r_x、r_y和r_z，并通过矩阵乘法和几何关系，实现采煤机防爆定位装置与其内捷联惯性导航单元(5)间安装角误差校正。