一種慣性導(dǎo)航與激光掃描融合的采煤機(jī)定位裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種采煤機(jī)定位的裝置及方法，特別是一種慣性導(dǎo)航與激光掃描融合 的采煤機(jī)定位裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 定位技術(shù)，是指對(duì)目標(biāo)采取某種手段進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而獲得目標(biāo)位置信息的技術(shù)。隨 著現(xiàn)代技術(shù)的不斷進(jìn)步，在生產(chǎn)生活中，定位的地位也越來(lái)越高。在諸多定位領(lǐng)域中，對(duì)礦 井下各類設(shè)備的定位正慢慢步入人們的視野。由于近年來(lái)礦井下安全事故頻發(fā)、災(zāi)害嚴(yán)重 等問(wèn)題突出，因此對(duì)礦井下設(shè)備的定位顯得尤為重要，這同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)和安全 生產(chǎn)的前提條件。在煤炭資源的開(kāi)采過(guò)程中，采煤機(jī)是井下作業(yè)重要的設(shè)備之一，因此，對(duì) 采煤機(jī)的位置定位就顯得尤為重要。然而，由于礦井下的特殊條件，其環(huán)境的復(fù)雜性使得很 多通常采用的定位手段在礦井下達(dá)不到定位精度的要求，甚至在礦井下無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī) 位置的確定。在這種背景下，慣性導(dǎo)航定位、激光掃描定位等技術(shù)的不斷發(fā)展，使得對(duì)采煤 機(jī)位置的精確定位成為可能。
[0003] 在采煤機(jī)的傳統(tǒng)校準(zhǔn)方式中，往往不能實(shí)現(xiàn)精確校準(zhǔn)，存在固有誤差。當(dāng)前，煤礦 井下一般采用的采煤機(jī)定位方式主要有齒輪計(jì)數(shù)法、紅外對(duì)射法、超聲波反射法、無(wú)線傳感 網(wǎng)絡(luò)定位法及純慣性導(dǎo)航法。其中，采煤機(jī)齒輪計(jì)數(shù)定位法是通過(guò)對(duì)行走部齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的圈 數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并依據(jù)液壓支架來(lái)定位出采煤機(jī)的位置，這種方法比較簡(jiǎn)單，成本低，但由于 采煤機(jī)在作業(yè)過(guò)程中是沿著工作面橫向及縱向運(yùn)動(dòng)，而齒輪計(jì)數(shù)法只能確定采煤機(jī)行走路 程，因此造成定位不精確，產(chǎn)生很大誤差；紅外對(duì)射定位法則是在采煤機(jī)機(jī)身安裝紅外發(fā) 射裝置，在液壓支架固定有紅外接收裝置，在采煤機(jī)作業(yè)過(guò)程中，通過(guò)接收裝置對(duì)接收信號(hào) 強(qiáng)弱的分析，從而判斷采煤機(jī)具體位置，采用這個(gè)方法的缺點(diǎn)是不能連續(xù)的檢測(cè)采煤機(jī)的 位置，同時(shí)紅外信號(hào)的發(fā)射和接收必須處于同一水平面，否則很難有效的接收信號(hào)，因此在 實(shí)際的井下環(huán)境中，由于干擾因素眾多，往往也不能精確定位；無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)定位是通過(guò) WIFI、ZIGBEE、UWB或藍(lán)牙等技術(shù)對(duì)采煤機(jī)位置進(jìn)行定位，這種定位方式往往受制于定位系 統(tǒng)不穩(wěn)定以及技術(shù)研究不成熟、成本過(guò)高因此無(wú)法在井下運(yùn)用；純慣性定位法是利用加速 度計(jì)和陀螺儀得出采煤機(jī)的軸加速度及軸角速度，然后通過(guò)算法來(lái)確定采煤機(jī)的位置，這 種方法缺點(diǎn)是由于陀螺儀和加速度計(jì)存在漂移，累積誤差不斷增大，因此精度很難保證，也 無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的絕對(duì)定位。
[0004] 綜上所述，現(xiàn)有的采煤機(jī)定位方式，如齒輪計(jì)數(shù)法、紅外對(duì)射法、超聲波反射法、 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)定位法及純慣性導(dǎo)航法等，對(duì)礦井下采煤機(jī)的位置定位仍存在較大誤差，往 往受制于其檢測(cè)方式自身與礦井下檢測(cè)環(huán)境的影響，對(duì)采煤機(jī)的定位無(wú)法滿足對(duì)精度的要 求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種慣性導(dǎo)航 與激光掃描融合的采煤機(jī)定位裝置和方法，解決單純的采用慣性導(dǎo)航定位存在累積誤差不 斷增大的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的位置精確定位。
[0006] 技術(shù)方案：為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：該慣性導(dǎo)航與激光掃 描融合的采煤機(jī)定位裝置和定位方法；
[0007] 采煤機(jī)定位裝置包括：采煤機(jī)、慣性導(dǎo)航定位裝置、激光掃描裝置、定位裝置防爆 外殼及上位機(jī)；在采煤機(jī)機(jī)身上固定有定位裝置防爆外殼和激光掃描裝置的激光信號(hào)接收 模塊；慣性導(dǎo)航定位裝置安裝在定位裝置防爆外殼內(nèi)；
[0008] 所述的慣性導(dǎo)航定位裝置包括三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)、慣性導(dǎo)航微處理器；三 軸陀螺儀包括有三軸陀螺傳感器，三軸加速度計(jì)包括有三軸加速度傳感器；在采煤機(jī)運(yùn)行 過(guò)程中，慣性導(dǎo)航定位裝置通過(guò)三軸陀螺儀測(cè)得三個(gè)方向上的實(shí)時(shí)角速率，通過(guò)三軸加速 度計(jì)測(cè)得三個(gè)方向上的實(shí)時(shí)加速度值，并將三軸陀螺傳感器和三軸加速度傳感器的測(cè)量數(shù) 據(jù)采樣至慣性導(dǎo)航微處理器，慣性導(dǎo)航微處理器通過(guò)串口與上位機(jī)連接；
[0009] 所述的激光掃描裝置包括激光掃描基站、激光信號(hào)接收模塊和激光掃描微處理 器；激光掃描基站布置在采煤機(jī)工作區(qū)域；激光掃描微處理器安裝在定位裝置防爆外殼 內(nèi)；激光信號(hào)接收模塊與激光掃描微處理器連接，激光掃描微處理器通過(guò)串口與上位機(jī)連 接，將激光掃描定位數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)中采煤機(jī)定位控制系統(tǒng)；激光掃描基站發(fā)射的激光由 采煤機(jī)機(jī)身上的激光信號(hào)接收模塊進(jìn)行接收，接收到的時(shí)間信息被激光掃描微處理器進(jìn)行 采集處理；上位機(jī)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行判別處理，采用最小二乘法確定系數(shù)權(quán)值、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 算法進(jìn)行定位評(píng)估的融合算法以最終確定采煤機(jī)位置，實(shí)現(xiàn)精確定位。
[0010] 采煤機(jī)定位方法，包括如下步驟：
[0011] A.采煤機(jī)機(jī)身上安裝固定有定位裝置防爆外殼，將整個(gè)慣性導(dǎo)航定位裝置安裝在 防爆外殼內(nèi)；定位裝置通過(guò)三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)分別測(cè)得三個(gè)方向上的實(shí)時(shí)角速率、 實(shí)時(shí)加速度值，并將測(cè)量值送入慣性導(dǎo)航微處理器，通過(guò)算法解算，得到慣性導(dǎo)航測(cè)量的采 煤機(jī)定位結(jié)果；
[0012] B.在采煤機(jī)工作區(qū)域布置激光掃描基站，在采煤機(jī)機(jī)身上安裝激光信號(hào)接收模 塊，同時(shí)將激光掃描微處理器固定在防爆外殼內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)激光掃描的采煤機(jī)定位。
[0013] C.慣性導(dǎo)航微處理器、激光掃描微處理器通過(guò)串口與上位機(jī)連接，建立數(shù)據(jù)通訊， 分別將各自解算得到的采煤機(jī)定位結(jié)果傳送至上位機(jī)采煤機(jī)定位控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交 互；
[0014] D.在上位機(jī)的采煤機(jī)定位控制系統(tǒng)中，根據(jù)實(shí)際工作區(qū)域及裝置布置情況，建立 采煤機(jī)定位模型，模型中包括激光掃描系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)定位數(shù)據(jù)分類，精確測(cè)量 激光掃描基站的三維位置坐標(biāo)輸入激光掃描系統(tǒng)，精確測(cè)量采煤機(jī)初始位置坐標(biāo)輸入慣性 導(dǎo)航系統(tǒng)；
[0015] E.采煤機(jī)正常工作，采煤機(jī)定位系統(tǒng)運(yùn)行。
[0016] 所述的步驟B中，包含以下步驟：
[0017] B1.激光掃描基站的布置應(yīng)根據(jù)當(dāng)前采煤機(jī)的工作環(huán)境，按照采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中 每一點(diǎn)都能被兩個(gè)以上的基站掃描到的原則進(jìn)行布置，同時(shí)考慮到基站成本問(wèn)題，以布置3 個(gè)基站實(shí)現(xiàn)定位；
[0018] B2.采煤機(jī)機(jī)身上安裝激光信號(hào)接收模塊，模塊數(shù)量為3個(gè)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光信號(hào)的 接收；防爆外殼內(nèi)的激光掃描微處理器通過(guò)串口與激光信號(hào)接收模塊相連接，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù) 的讀?。?br>[0019] B3.激光掃描微處理器包含信號(hào)閾值設(shè)定部分，由于激光信號(hào)容易受到粉塵、遮蔽 物的影響，當(dāng)激光信號(hào)較差，強(qiáng)度較低無(wú)法達(dá)到定位所需信號(hào)的要求，微處理器不進(jìn)行數(shù)據(jù) 解算；設(shè)定信號(hào)閾值為S，當(dāng)接收信號(hào)強(qiáng)度大于δ時(shí)，微處理器進(jìn)行定位數(shù)據(jù)解算，通過(guò)算 法解算出采煤機(jī)位置信息。
[0020] 所述的步驟Ε中包含以下步驟：
[0021] Ε1.采煤機(jī)正常工作，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、激光掃描系統(tǒng)正常運(yùn)行，由于在激光掃描微 處理器內(nèi)有信號(hào)閾值判斷，當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度滿足情況下，兩個(gè)系統(tǒng)給出的采煤機(jī)定位數(shù)據(jù)送入 融合算法，進(jìn)行優(yōu)化；當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度不滿足激光掃描的需求時(shí)，只采用慣性導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)作為 采煤機(jī)位置信息；
[0022] Ε2.假設(shè)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)定位采煤機(jī)位置為（Xl、yi、 Z