CN108180904A - 一种采煤机多惯导定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采煤机多惯导定位装置及方法，属于采煤机惯性定位技术领域。以两个惯导为例，在采煤机前端和后端分别固定防爆外壳，其中前端防爆外壳内安装主惯导和解算系统，后端防爆外壳内安装从惯导和解算系统，轴编码器安装在采煤机行走部。解算系统采集惯导姿态角和轴编码器速度数据，采用航位推算法解算主惯导和从惯导的位置坐标并传输到扩展卡尔曼滤波器。滤波器输出为主惯导和从惯导北东天的位置坐标，将主惯导北东天的位置坐标传输到数据采集显示系统作为采煤机的定位结果。扩展卡尔曼滤波器是根据两个惯导安装后相对距离为固定值的约束条件建立的。该方法用低成本的从惯导校准中等成本的主惯导，达到高精度定位。

Description

一种采煤机多惯导定位装置及方法

技术领域

本发明涉及一种采煤机多惯导定位装置及方法，属于采煤机惯性定位技术领域。

背景技术

基于惯性导航与轴编码器组合的采煤机惯性定位是综采工作面可行的采煤机定位技术。惯性导航是采煤机定位技术的核心设备，其长时定位存在累计误差，长时定位精度差。根据综采工作面采煤工艺，采煤机每刀截割大约运行1小时，且因井下环境恶劣，可利用的外部传感器很少，使得单个惯性导航的定位精度不能满足综采工作面自动化的要求。

发明内容

发明目的：为了解决单个惯性导航定位精度差，不能满足综采工作面自动化要求的问题，本发明提供了一种采煤机多惯导定位装置及方法，以多个惯导安装后相互之间距离为固定值的约束条件，实现用低成本惯导校准中等成本惯导的作用，达到高精度定位，

满足综采工作面定位精度要求。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

采煤机多惯导定位装置包括：主惯导、从惯导、轴编码器、解算系统、滤波器、数据采集显示系统和防爆外壳；在采煤机前端和后端分别固定防爆外壳，其中前端防爆外壳内安装有主惯导和解算系统，后端防爆外壳内安装有从惯导和解算系统；轴编码器安装在采煤机行走部；滤波器安装在采煤机电气控制柜中；数据采集显示系统安装在顺槽的工控机上。

采煤机多惯导定位方法，主惯导和从惯导分别安装在采煤机前端和后端，两个惯导的相对距离为固定值，以此作为约束条件，提高双惯导定位精度。

具体步骤如下：

1)以两个惯导为例，解算系统采集惯导姿态角和轴编码器速度数据，采用航位推算法解算位置坐标；解算系统将主惯导和从惯导的位置坐标传输到滤波器；

2)滤波器状态方程由航位推算法推导；根据航位推算法，定位方程可简写为 其中下标k-1、k分别表示k-1时刻和k时刻；状态量X＝[N₁E₁U₁N₂E₂U₂]^T，N₁、E₁、U₁分别为主惯导北、东、天方向位置坐标，N₂、E₂、U₂分别为从惯导北、东、天方向位置坐标；v为轴编码器输出的速度值；T为采样周期；θ分别为惯导输出的航向角和俯仰角；W为状态噪声；以此定位方程作为扩展卡尔曼滤波器的状态方程；

3)以两个惯导安装后相对距离为固定值的约束条件推导滤波器量测方程；记固定值为r，其满足如下关系式：

式(1)可简写为Z_k＝h(X_k)+V_k，其中下标k表示k时刻；量测量Z＝[r]；V为量测噪声；以此方程作为扩展卡尔曼滤波器的量测方程；

4)滤波器输出为主惯导和从惯导北、东、天的位置坐标，将主惯导北、东、天的位置坐标传输到数据采集显示系统作为采煤机的定位结果。

所述步骤(1)中，航位推算法如下所示：

其中下标k-1、k分别表示k-1时刻和k时刻；N、E、U分别为惯导北、东、天方向位置坐标；v为轴编码器输出的速度值；T为采样周期；θ分别为惯导输出的航向角和俯仰角。

有益效果：本发明提供的采煤机多惯导定位装置及方法，以两个惯性导航为例，利用主惯导和从惯导两个惯导安装后相对距离为固定值的约束条件，用低成本的从惯导校准中等成本的主惯导，达到高精度定位，使其满足煤矿井下对于采煤机定位精度的要求，为实现综采工作面智能化奠定了基础。

附图说明

图1为采煤机多惯导定位装置。

图2为采煤机多惯导定位方法原理框图。

图中：1、为主惯导；2、为解算系统；3、为从惯导；4、为轴编码器；5、为滤波器；6、为防爆外壳；7、为数据采集显示系统；8、为采煤机电气控制柜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

实施例1：如图1所示，以两个惯导为例，采煤机多惯导定位装置包括：主惯导1、从惯导3、轴编码器4、解算系统2、滤波器5、数据采集显示系统7、防爆外壳6。

所述的主惯导1为中等成本的惯性导航，所述的从惯导3为低成本的惯性导航。

在采煤机前端和后端分别固定防爆外壳6，其中前端防爆外壳6内安装有主惯导1和解算系统2，后端防爆外壳6内安装有从惯导3和解算系统2；轴编码器4安装在采煤机行走部；滤波器5安装在采煤机电气控制柜8中；数据采集显示系统7安装在顺槽的工控机上。

如图2所示，本发明的一种采煤机多惯导定位方法，包括以下步骤：

1)以两个惯导为例，解算系统2采集惯导姿态角和轴编码器4速度数据，采用航位推算法解算位置坐标。解算系统将主惯导1和从惯导3的位置坐标(P主、P从)传输到滤波器5。

2)滤波器5状态方程由航位推算法推导。根据航位推算法，定位方程可简写为 其中下标k-1、k分别表示k-1时刻和k时刻；状态量X＝[N₁E₁U₁N₂E₂U₂]^T，N₁、E₁、U₁分别为主惯导1北、东、天方向位置坐标，N₂、E₂、U₂分别为从惯导3北、东、天方向位置坐标；v为轴编码器4输出的速度值；T为采样周期；θ分别为惯导输出的航向角和俯仰角；W为状态噪声。以此定位方程作为扩展卡尔曼滤波器5的状态方程。

3)以主惯导1和从惯导3安装后相对距离为固定值的约束条件推导滤波器5量测方程。记固定值为r，其满足如下关系式：

式(1)可简写为Z_k＝h(X_k)+V_k，其中下标k表示k时刻；Z＝[r]；V为量测噪声。以此方程作为扩展卡尔曼滤波器5的量测方程。

4)滤波器5输出为主惯导1和从惯导3北东天的位置坐标，将主惯导1北东天的位置坐标(P主)传输到数据采集显示系统7作为采煤机的定位结果。

所述步骤(1)中，航位推算法如下所示：

其中下标k-1、k分别表示k-1时刻和k时刻；N、E、U分别为惯导北、东、天方向位置坐标；v为轴编码器4输出的速度值；T为采样周期；θ分别为惯导输出的航向角和俯仰角。

本专利是以两个惯导为例来说明采煤机多惯导定位装置及方法，对于三个及以上的多惯导定位本专利同样适用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种采煤机多惯导定位装置，其特征是：采煤机多惯导定位装置包括：主惯导、从惯导、轴编码器、解算系统、滤波器、数据采集显示系统和防爆外壳；

在采煤机前端和后端分别固定防爆外壳，其中前端防爆外壳内安装主惯导和解算系统，后端防爆外壳内安装从惯导和解算系统；轴编码器安装在采煤机行走部；滤波器安装在采煤机电气控制柜中；数据采集显示系统安装在顺槽的工控机上。

2.一种采用权利要求1所述的采煤机多惯导定位装置的定位方法，其特征是：主惯导和从惯导分别安装在采煤机前端和后端，两个惯导的相对距离为固定值，以此作为约束条件，提高双惯导定位精度。

3.根据权利要求2所述的一种采煤机多惯导定位装置的定位方法，其特征是，包括如下步骤：

1)以两个惯导为例，解算系统采集惯导姿态角和轴编码器速度数据，采用航位推算法解算位置坐标；解算系统将主惯导和从惯导的位置坐标传输到滤波器；

2)滤波器状态方程由航位推算法推导；根据航位推算法，定位方程可简写为其中下标k-1、k分别表示k-1时刻和k时刻；状态量X＝[N₁ E₁ U₁ N₂E₂ U₂]^T，N₁、E₁、U₁分别为主惯导北、东、天方向位置坐标，N₂、E₂、U₂分别为从惯导北、东、天方向位置坐标；v为轴编码器输出的速度值；T为采样周期；θ分别为惯导输出的航向角和俯仰角；W为状态噪声；以此定位方程作为扩展卡尔曼滤波器的状态方程；

3)以两个惯导安装后相对距离为固定值的约束条件推导滤波器量测方程；记固定值为r，其满足如下关系式：

式(1)可简写为Z_k＝h(X_k)+V_k，其中下标k表示k时刻；量测量Z＝[r]；V为量测噪声；以此方程作为扩展卡尔曼滤波器的量测方程；

4)滤波器输出为主惯导和从惯导北、东、天的位置坐标，将主惯导北、东、天的位置坐标传输到数据采集显示系统作为采煤机的定位结果。

4.根据权利要求3所述的一种采煤机多惯导定位装置的定位方法，其特征是：所述步骤(1)中，航位推算法如下所示：

其中下标k-1、k分别表示k-1时刻和k时刻；N、E、U分别为惯导北、东、天方向位置坐标；v为轴编码器输出的速度值；T为采样周期；θ分别为惯导输出的航向角和俯仰角。