所述的一種慣性導(dǎo)航與激光掃描融合的采煤機(jī)定位裝置，其特征 是：所述的激光掃描裝置包括激光掃描基站、激光信號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)身上的激光信號接收模塊進(jìn)行接收，接收到的時間信息被激光掃描微處理器進(jìn)行采集處 理；上位機(jī)通過對數(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) 行定位評估的融合算法以最終確定采煤機(jī)位置，實現(xiàn)精確定位。4. 權(quán)利要求1所述的一種慣性導(dǎo)航與激光掃描融合的采煤機(jī)定位裝置的定位方法，其 特征是：采煤機(jī)定位方法，包括如下步驟： A. 采煤機(jī)機(jī)身上安裝固定有定位裝置防爆外殼，將整個慣性導(dǎo)航定位裝置安裝在防爆 外殼內(nèi)；定位裝置通過三軸陀螺儀、三軸加速度計分別測得三個方向上的實時角速率、實時 加速度值，并將測量值送入慣性導(dǎo)航微處理器，通過算法解算，得到慣性導(dǎo)航測量的采煤機(jī) 定位結(jié)果； 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)身上安裝激光信號接收模塊，同 時將激光掃描微處理器固定在防爆外殼內(nèi)，以實現(xiàn)激光掃描的采煤機(jī)定位。 C. 慣性導(dǎo)航微處理器、激光掃描微處理器通過串口與上位機(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)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互； D. 在上位機(jī)的采煤機(jī)定位控制系統(tǒng)中，根據(jù)實際工作區(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)以實現(xiàn)定位數(shù)據(jù)分類，精確測量激光 掃描基站的三維位置坐標(biāo)輸入激光掃描系統(tǒng)，精確測量采煤機(jī)初始位置坐標(biāo)輸入慣性導(dǎo)航 系統(tǒng)； E. 采煤機(jī)正常工作，采煤機(jī)定位系統(tǒng)運(yùn)行。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種慣性導(dǎo)航與激光掃描融合的采煤機(jī)定位方法，其特征在 于，所述的步驟B中，包含以下步驟： BI.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)行過程中每一 點(diǎn)都能被兩個以上的基站掃描到的原則進(jìn)行布置，同時考慮到基站成本問題，以布置3個 基站實現(xiàn)定位； B2.采煤機(jī)機(jī)身上安裝激光信號接收模塊，模塊數(shù)量為3個，以實現(xiàn)對激光信號的接 收；防爆外殼內(nèi)的激光掃描微處理器通過串口與激光信號接收模塊相連接，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的 讀?。? B3.激光掃描微處理器包含信號閾值設(shè)定部分，由于激光信號容易受到粉塵、遮蔽物 的影響，當(dāng)激光信號較差，強(qiáng)度較低無法達(dá)到定位所需信號的要求，微處理器不進(jìn)行數(shù)據(jù)解 算；設(shè)定信號閾值為S，當(dāng)接收信號強(qiáng)度大于δ時，微處理器進(jìn)行定位數(shù)據(jù)解算，通過算法 解算出采煤機(jī)位置信息。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種慣性導(dǎo)航與激光掃描融合的采煤機(jī)定位方法，其特征在 于，所述的步驟E中包含以下步驟： EL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)有信號閾值判斷，當(dāng)信號強(qiáng)度滿足情況下，兩個系統(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)信號強(qiáng)度不滿足激光掃描的需求時，只采用慣性導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)作為采煤 機(jī)位置信息； Ε2.假設(shè)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)定位采煤機(jī)位置為（Xl、yi、Zl)，激光掃描系統(tǒng)采煤機(jī)定位位置為 (x2、y2、Z2)，貝帳據(jù)當(dāng)前檢測條件，分配權(quán)值系數(shù)a、b，即采煤機(jī)位置坐標(biāo)（X、y、z): (x、y、z) =B(XpypZ1Ht)(XryrZ2) 同時滿足系數(shù)a+b = 1 ; E3.權(quán)值系數(shù)的分配采用最小二乘法確定，并采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對分配后的系數(shù) 及定位位置進(jìn)行評估，最終實現(xiàn)對采煤機(jī)位置定位； 最小二乘法原理：假設(shè)有函數(shù)：其中，aQ，ai，…，an為系數(shù)常數(shù)，Pn(X)為展開多項式。則假定數(shù)組為{( Xl，yi)|i = l， 2…，m} 選擇常數(shù)a。，S1，…，an使得方差最小，即其中S為方差，為了使S最小化，滿足對于系數(shù)常數(shù)a。，ai，…，an，則確定多項 式Pn (X)，進(jìn)而可求得權(quán)重系數(shù)a、b ; 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法：結(jié)合采煤機(jī)定位實際要求，建立采煤機(jī)融合定位系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模 型，其輸入層為分配好權(quán)值的兩個定位坐標(biāo)，即輸入層向量P如下： P - [a(x^ Y1N Z1) N b (x2n Y2'' ^2) I 輸出層〇為想要得到的采煤機(jī)位置坐標(biāo)，即：〇 = [ (X、y、Z)] 根據(jù)經(jīng)驗公式式中，m指輸入層的節(jié)點(diǎn)數(shù)，η為輸出層的節(jié)點(diǎn)數(shù)，c為1一 10之內(nèi)的常數(shù)，L為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)，選擇隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為3,則根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法要求，建立 豐旲型； P.,表示輸入層第j個節(jié)點(diǎn)的輸入，j = 1、2 u表示隱含層第i個節(jié)點(diǎn)到輸入層第j個 節(jié)點(diǎn)之間的權(quán)值；Θ i表示隱含層第i個節(jié)點(diǎn)的閾值；01?表示隱含層的激勵函數(shù);W1表示 輸出層到隱含層第i個節(jié)點(diǎn)之間的權(quán)值，i = 1、2、3 ; τ表示輸出層的閾值；辦:雄表示輸出 層的激勵函數(shù)；O表示輸出層的輸出；對于辦一般取為（〇，1)內(nèi)連續(xù)取值的sigmoid函 數(shù)：對于疇_,:-般采用purelin函數(shù)，選則 (1) 信號的前向傳播過程 隱含層第i個節(jié)點(diǎn)的輸入neti:net i= W I1PJwi2P2+ Θ i;隱含層第i個節(jié)點(diǎn)的輸出:輸出層輸入net:輸出層 輸出〇:(2) 誤差的反向傳播過程 對于每一個輸入的位置信息，且假設(shè)每次只有一組樣本，定義誤差函數(shù)：其中，T指的是預(yù)期的輸出值，E為誤差值大??； 根據(jù)誤差梯度下降原理，輸出層權(quán)值變化Aw1公式：隱含層閾值變化A Q1 調(diào)整公式：最終經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，輸出采煤機(jī)坐標(biāo)向量0= [(x、y、z)]; E4.將算法處理后的采煤機(jī)定位結(jié)果通過串口輸入至慣性導(dǎo)航微處理器，作為下一次 慣性導(dǎo)航微處理單元進(jìn)行位置解算的初值，同時，在采煤機(jī)定位模型中給出定位結(jié)果； E5.當(dāng)采煤機(jī)運(yùn)行至端頭位置，采煤機(jī)處于停止工作狀態(tài)，此時慣性導(dǎo)航系統(tǒng)停止工 作，由激光掃描進(jìn)行多次重復(fù)測量，剔除錯誤數(shù)據(jù)后采用最小包容圓算法得到采煤機(jī)位置， 并將此位置結(jié)果賦值給慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中采煤機(jī)位置初值；采煤機(jī)繼續(xù)工作，重復(fù)El~E4。
【專利摘要】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，屬于采煤機(jī)定位的裝置及方法。定位裝置：在采煤機(jī)機(jī)身上固定有定位裝置防爆外殼、激光信號接收模塊；慣性導(dǎo)航定位裝置、激光掃描微處理器安裝在防爆裝置內(nèi)；當(dāng)采煤機(jī)工作時，慣性導(dǎo)航定位裝置通過傳感器得到實時角速率、實時加速度，并將數(shù)據(jù)傳至慣性導(dǎo)航微處理器；激光掃描裝置中，激光掃描基站布置在采煤機(jī)工作區(qū)域，其激光信號被激光信號接收模塊接收，同時數(shù)據(jù)傳至激光掃描微處理器；微處理器通過串口與上位機(jī)連接，將各自采集的定位數(shù)據(jù)傳至采煤機(jī)定位控制系統(tǒng)以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理，其采用基于最小二乘法—神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的融合算法確定采煤機(jī)位置，實現(xiàn)精確定位。優(yōu)點(diǎn)是：定位精確、安全可靠。
【IPC分類】G01C21/16
【公開號】CN105352504
【申請?zhí)枴緾N201510870392
【發(fā)明人】劉萬里, 劉一鳴, 張博淵, 楊濱海, 左雪, 李雨潭
【申請人】中國礦業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年2月24日
【申請日】2015年12月1日