CN112762963A - 基于激光雷达的惯性导航标校方法及系统 - Google Patents

基于激光雷达的惯性导航标校方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于激光雷达的惯性导航标校方法及系统，系统包括惯性导航系统、激光雷达和标识物；所述惯性导航系统和激光雷达均设置在采煤机上；标识物设置在进、回风巷两巷帮上；至少两个激光雷达分别与进、回风巷两巷帮上标识物相对设置；激光雷达与惯性导航系统电连接。本发明系统可以对惯性导航系统在煤割完后会进行误差实时校准，使得煤割基准线始终保持准确性。

Description

基于激光雷达的惯性导航标校方法及系统
技术领域
本发明涉及采煤机技术领域，特别涉及一种基于激光雷达的惯性导航标校方法及系统。
背景技术
惯性导航系统是一种自主式的导航方法，它完全依靠载体上的设备自主地确定载体的航向、位置、姿态和速度等导航参数，而不需要借助外界任何的光、电、磁等信息。其基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度、角加速度，将它对时间进行一次积分，求得运动载体的速度、角速度，之后进行二次积分求得运动载体的位置信息，然后将其变换到导航坐标系，得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置信息等。
现阶段惯性导航存在问题是误差累加。假设以从A至Z为割一刀为准，现有惯性导航系统在这刀煤割完后会将误差带入下一刀煤中，这样循环下去会导致惯导系统误差增大，偏离原有基准线。然而现有技术方案针对矿井底部应用系统较为繁杂，需要布置较多的硬件设备，运维成本较高。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于激光雷达的惯性导航标校方法及系统。本发明系统可以对惯性导航系统在煤割完后会进行误差实时校准，解决惯性导航系统的快速标校，使得煤割基准线始终保持准确性。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于激光雷达的惯性导航标校系统，包括惯性导航系统、激光雷达和标识物；
所述惯性导航系统和激光雷达均设置在采煤机上；标识物设置在进、回风巷两巷帮上；至少两个激光雷达分别与进、回风巷两巷帮上标识物相对设置；
激光雷达与惯性导航系统电连接。
作为本发明的进一步改进，两个激光雷达分别设置在刮板输送机机头和机尾上。
作为本发明的进一步改进，刮板输送机机头上的第一激光雷达安装在转载机尾副帮侧，标识物安装在回风巷副帮上；第一激光雷达照射方向为回风巷副帮。
作为本发明的进一步改进，刮板输送机机尾上的第二激光雷达安装运输机尾减速机上；标识物安装在机尾副帮上；第二激光雷达照射方向为机尾副帮。
作为本发明的进一步改进，所述标识物为激光反射板。
作为本发明的进一步改进，所述标识物固定在主煤帮煤墙上网格型防护网上，与地面距离不小于50cm。
一种基于激光雷达的惯性导航标校方法，包括以下步骤：
实时获取采煤机上激光雷达测得的护帮板的两侧位移；
在每刀割煤完后对护帮板的两侧位移计算得到实时偏移量；进而得到得出工作面刮板输送机上窜下滑量；
通过上窜下滑量调整惯性导航系统的基准线的偏移量，以消除惯性导航系统的基准点误差；
进而通过惯性导航系统实时调整采煤工作面向前推进距离。
作为本发明的进一步改进，激光雷达通过发射并接收激光脉冲在被测目标距离走一个往返的时间来测定目标的距离，测量自发射光脉冲起始，到达目标并由目标返回到接收机的时间，由此计算出目标距离；设目标距离为R，光脉冲往返经过的时间为t，光在空气中传播速度为c，则：
Figure BDA0002920012630000031
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明在采煤机中安装惯性导航系统，实时采集采煤机的姿态信息(俯仰角、横滚角、航向角)，结合里程仪数据，实现综采设备在透明地质模型中的精准定位，通过记录惯性导航运行轨迹，为工作面自动找直控制提供技术支撑本发明系统可以对惯性导航系统在煤割完后会进行误差实时校准，使得煤割基准线始终保持准确性。通过机头、机尾安装的激光雷达实时识别工作面二端头推进度，待安装于采煤机内部的惯性导航系统跟随采煤机，到达机头、机尾时通过激光雷达控制系统将实际推进度测量值写入惯性导航系统，在1秒内完成惯性导航的零点标校。在透明地质模型、工作面实时监测数据的基础上，结合雷达测距数据和惯性导航三维姿态监测数据，通过大数据分析后得出的决策数据，来对采煤机截割曲线和液压支架自动跟机拉架、推溜行程等关键数据进行修正更新，从而达到动态生产过程中对综采设备精准控制和连续推的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为惯性导航找直系统结构框图；
图2激光雷达定位系统原理图；
图3距离分辨率示意图；
图4发射与回波脉冲；
图5激光雷达测量系统井下安装示意；
其中，1为副帮，2为进风巷，3为标识物(反射板)，4为运输机，5为运输机尾，6为运输机头，7为回风巷，8为破碎机，9为转载机，10为主帮，11为激光雷达。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
下面将结合附图及具体的实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的范围。
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
在采煤机中安装惯性导航系统，实时采集采煤机的姿态信息(俯仰角、横滚角、航向角)，结合里程仪数据，实现综采设备在透明地质模型中的精准定位，通过记录惯性导航运行轨迹，为工作面自动找直控制提供技术支撑。同时惯性导航X、Y、Z三个方向的位移变化，将能实时反映当前采煤机的三维位姿状况，通过位姿的变化情况，来进一步修正更新规划截割模型中的采高、坡度等数据，为精准控制提供依据。
惯性导航系统是一种自主式的导航方法，它完全依靠载体上的设备自主地确定载体的航向、位置、姿态和速度等导航参数，而不需要借助外界任何的光、电、磁等信息。其基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度、角加速度，将它对时间进行一次积分，求得运动载体的速度、角速度，之后进行二次积分求得运动载体的位置信息，然后将其变换到导航坐标系，得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置信息等。
因此，本发明首先提供一种基于激光雷达的惯性导航标校系统，包括惯性导航系统、激光雷达11和标识物3；
所述惯性导航系统和激光雷达11均设置在采煤机上；标识物3设置在进、回风巷两巷帮上；至少两个激光雷达11分别与进、回风巷两巷帮上标识物3相对设置；
激光雷达11与惯性导航系统电连接。
其中，两个激光雷达11分别设置在刮板输送机机头5和机尾6上。具体的，刮板输送机机头5上的第一激光雷达安装在转载机9尾副帮侧，标识物3安装在回风巷副帮上；第一激光雷达照射方向为回风巷副帮。刮板输送机机尾6上的第二激光雷达安装运输机尾5减速机上；标识物3安装在机尾副帮上；第二激光雷达照射方向为机尾副帮。
所述标识物3为激光反射板。标识物3固定在主煤帮煤墙上网格型防护网上，与地面距离不小于50cm。
通过在刮板输送机机头5和机尾6安装激光雷达，实时监测运输机机头和机尾距进、回风巷巷帮的距离，从而得出工作面刮板输送机上窜下滑量，为精准控制提供决策依据。同时在进、回风巷两巷帮等距离安装激光反射板，实时监测工作面向前推进距离，从而实现在透明地质模型中的精准定位，为下一刀煤的精准控制奠定了基础。
核心原理为：在每刀煤割完后利用激光雷达技术测量护帮板的两侧位移，计算偏移量，通过调整偏移量，消除惯性导航系统误差。
激光雷达测距原理，通过利用激光在空气中传播的速度特性，通过测试激光脉冲在被测目标距离走一个往返的时间来测定目标的距离。激光测距雷达对目标发射一个或一列很窄的光脉，测量自发射光脉冲起始，到达目标并由目标返回到接收机的时间。由此计算出目标距离。设目标距离为R，光脉冲往返经过的时间为t，光在空气中传播速度为c，则：
Figure BDA0002920012630000061
其中：
R单位是m；t单位是秒；c是光速；1/2为光波来回时间。
根据激光雷达工作原理及特性，将其应用于煤矿进行工作面，用于实现工作面推进度的测量。其系统原理如图2所示。
(1)距离分辨率
距离分辨率，表示为ΔR，是描述雷达将相互非常接近的两个目标检测为不同目标的能力，也称为距离分辨力。或者理解为最小可以区分同一方向上两个目标之间的最小距离。考虑位于距离R1与R2处的两个目标，分别对应时间延迟为t1和t2，将这两个距离的差表示为如下
Figure BDA0002920012630000062
δt表示回波最小时间差。设两个目标之间的时间间隔只有δt＝cτ，那么经过第一个目标的反射信号与第二个目标反射的信号刚好可以分辨。目标间隔时间为δt<cτ第一个目标反射脉冲信号与第二个目标反射信号发生重合不能分辨。如图3所示。
所以雷达最小分辨率ΔR应改大于
Figure BDA0002920012630000063
因为雷达的带宽为B等于1/τ，所以
Figure BDA0002920012630000064
从上式可以看到如果需要提高雷达的距离分辨率，ΔR变小，需要增大雷达的带宽B，带宽B增大的同时，脉宽时间τ减小，发射的占空比减小，激光器平均能量减小。获得好的距离分辨率的同时维持足够的平均发射功率，可以通过使用脉冲压缩技术来实现。
(2)雷达距离模糊
如图4所示，脉冲的宽度为τ，脉冲周期为T，则得到脉冲频率为
Figure BDA0002920012630000071
激光发射的占空比为η＝τ/T，峰值功率为Pt，平均功率为：
Pav＝Ptη 4-11
脉冲内的能量：
Et＝Ptτ＝PtηT＝Pavfr 4-12
当激光发射第一个宽度为τ的脉冲到反射面，反射面反射脉冲的宽度还是τ。激光发射第二个脉冲到达同一个反射面。第一个脉冲反射产生的距离为：
Figure BDA0002920012630000072
第二个脉冲得到的距离为
Figure BDA0002920012630000073
式中tr为测得得回波信号与发射脉冲间的时延。此时产生了距离模糊，为了使得不产生距离模糊，第二个脉冲反射的时间必须等待足够长的时间，以使最大距离处目标的反射信号在下一个脉冲发射前返回接收系统。因此等待时间为：
Figure BDA0002920012630000074
最大不模糊的距离为：
Figure BDA0002920012630000075
从上式子可以看到最大探测距离由发射周期决定。
(3)测距误差
在测量目标的距离时，不可避免的产生误差，它从数量上说明了测距精度，是雷达的主要参数之一。
由测距公式可以看出影响测量精度的因素。求全微分，得到：
Figure BDA0002920012630000081
用增量代替微分，可得到测距误差为
Figure BDA0002920012630000082
式中，Δc为电波传播速度平均值的误差；ΔtR为测量目标回波延迟时间的误差。从上式子可以看到测距误差由光波传播速度c的变化Δc以及测时误差ΔtR两部分组成：光波传播速度变化产生的误差；大气折射引起的误差。由于光波速度等同光速，其产生误差可以忽略不计。
激光雷达测量系统井下安装示意如图5所示。通过激光雷达可以得到测量数据图谱。
通过连续测量三天共计9刀数据，实测进、回风巷道的累计推进度和距副帮侧的距离，测试数据及误差对比见表1与表2。
表1激光雷达探测数据
单位(m)
Figure BDA0002920012630000083
Figure BDA0002920012630000091
表2激光雷达探测数据
单位(m)
Figure BDA0002920012630000092
如表1所示，激光雷达探测工作面累计推进度的精度在0.05米以内；如表2所示，激光雷达探测工作面距副帮侧的距离精度在0.05以内。测量结果均在误差测量范围内，能够满足生产应用的需要。
本发明还提供一种基于激光雷达的惯性导航标校方法，包括以下步骤：
实时获取采煤机上激光雷达测得的护帮板的两侧位移；
在每刀割煤完后对护帮板的两侧位移计算得到实时偏移量；进而得到得出工作面刮板输送机上窜下滑量；
通过上窜下滑量调整惯性导航系统的基准线的偏移量，以消除惯性导航系统的基准线误差；
进而通过惯性导航系统实时调整采煤工作面向前推进距离。
在透明地质模型、工作面实时监测数据的基础上，结合雷达测距数据和惯性导航三维姿态监测数据，通过大数据分析后得出的决策数据，来对采煤机截割曲线和液压支架自动跟机拉架、推溜行程等关键数据进行修正更新，从而达到动态生产过程中对综采设备精准控制和连续推的目的。
以下给出具体的安装实施例对本发明进行详细说明。
实施例
1)机头回风巷道雷达A(机尾副帮距离及标识物识别雷达)安装位置。
雷达A照射方向副帮煤墙，雷达A拟定安装在转载机尾副帮侧，标识物安装在回风巷副帮上。
水平方向扫射，与煤壁距离约为40cm，与副帮距离约为130cm；
上方雷达与地面距离约为90cm；下方雷达与地面距离约为83cm。
2)机尾雷达B(机头副帮距离及标识物识别雷达)安装位置。
雷达B安装位置，雷达B照射方向煤墙，安装运输机尾减速机上；标识物安装在机尾副帮上，照射方向为机尾副帮。
水平方向扫射，与工作面煤壁延长线垂直距离约为350cm；与机尾主帮延长线垂直距离约为215cm；与副帮距离约为284cm；上方雷达与地面距离约为68cm；下方雷达与地面距离约为59cm。
3)标识牌安装位置，使用扎线将标识牌固定在主煤帮煤墙上网格型防护网上，与地面距离不小于50cm。
回风巷标识牌安装位置，选择安装在进风巷煤墙防护网上。
本发明可以实现采煤机自动定位、提供工作面自动找直所需位移信息，实现工作面推进长距离无人或少人干预，方便进行生产管理。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
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 (8)

1.一种基于激光雷达的惯性导航标校系统，其特征在于，包括惯性导航系统、激光雷达(11)和标识物(3)；
所述惯性导航系统和激光雷达(11)均设置在采煤机上；标识物(3)设置在进、回风巷两巷帮上；至少两个激光雷达(11)分别与进、回风巷两巷帮上标识物(3)相对设置；
激光雷达(11)与惯性导航系统电连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的惯性导航标校系统，其特征在于，两个激光雷达(11)分别设置在刮板输送机机头(5)和机尾(6)上。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光雷达的惯性导航标校系统，其特征在于，刮板输送机机头(5)上的第一激光雷达安装在转载机(9)尾副帮侧，标识物(3)安装在回风巷副帮上；第一激光雷达照射方向为回风巷副帮。
4.根据权利要求2所述的一种基于激光雷达的惯性导航标校系统，其特征在于，刮板输送机机尾(6)上的第二激光雷达安装运输机尾(5)减速机上；标识物(3)安装在机尾副帮上；第二激光雷达照射方向为机尾副帮。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的惯性导航标校系统，其特征在于，所述标识物(3)为激光反射板。
6.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的惯性导航标校系统，其特征在于，所述标识物(3)固定在主煤帮煤墙上网格型防护网上，与地面距离不小于50cm。
7.一种基于激光雷达的惯性导航标校方法，其特征在于，包括以下步骤：
实时获取采煤机上激光雷达测得的护帮板的两侧位移；
在每刀割煤完后对护帮板的两侧位移计算得到实时偏移量；进而得到得出工作面刮板输送机上窜下滑量；
通过上窜下滑量调整惯性导航系统的基准线的偏移量，以消除惯性导航系统的基准点误差；
进而通过惯性导航系统实时调整采煤工作面向前推进距离。
8.根据权利要求7所述的一种基于激光雷达的惯性导航标校方法，其特征在于，激光雷达通过发射并接收激光脉冲在被测目标距离走一个往返的时间来测定目标的距离，测量自发射光脉冲起始，到达目标并由目标返回到接收机的时间，由此计算出目标距离；设目标距离为R，光脉冲往返经过的时间为t，光在空气中传播速度为c，则：
Figure FDA0002920012620000021
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