组合导航定位系统研究|北斗导航定位系统下载
时间：2020-03-11 07:17:41 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要 掘进机是煤矿生产的主要机械装备之一，为使其高效、安全工作，满足人工化和智能化的发展趋势，设计了基于惯性导航系统和全站仪的悬臂式掘进机机身导航定位系统。本文将掘进机简化成两条履带，其它部件略去，建立掘进机机器人化数学模型。分别分析了基于全站仪和惯性导航系统的掘进机自动导航和定位技术的原理和特点, 结合两者优点，将惯性导航系统和全站仪有机结合，介绍两系统相组合的巷道导航系统，并对组合系统在掘进机在使用中的导航和定位原理进行说明。
关键词 智能控制；悬臂式掘进机；全站仪；惯性导航系统
中图分类号 TP273 文献标识码A
Research of Combined Navigation and Orientation System
WANG Jing-jing 1 TONG Min-ming 1 Liu Bin 1
1(School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008，China)
【Abstract 】 The boom-type roadheader is one of the important machine equipment of colliery production. In order to make it more safety and high efficiency and to meet the development trend of artificialization and intelligent, we designed a navigation and orientation system based on inertial navigation system and electronic total station.In this paper, boom-type roadheader simplified into two crawlers to establish the mathematical model.This paper analyzed boom-type roadheader’s navigation and orientation technology based on inertial navigation system and electronic total station respectively,combined inertial navigation system and electronic total station considering their advantages,introduced a tunnel guide system composed of inertial navigation system and electronic total station, and explained its application to boom-type roadheader.
【Key words】 Intelligent Control Boom-type Roadheader Electronic Total Station Inertial navigation system
0 引 言
随着科学技术的不断发展，悬臂式掘进机不仅广泛应用于煤矿巷道掘进工作中, 而且在铁路、公路等工程隧道施工中也有广阔的应用前景。
目前，掘进机(boom-type roadheader)在我国掘进工作得到广泛的应用，特别是悬臂式部分断面掘进机，但由于掘进过程中工作面粉尘较大, 作业现场光线差,完全依赖掘进机司机手工操作，通过目视断面上的激光光斑控制掘进机截割头在断面上截割，容易导致操作手劳动强度较大，舒适性较差，生产效率低、出现巷道超截和欠截现象, 掘进工程质量很大程度上取决于司机的经验和熟练程度。但随着社会的不断发展，要求巷道施工向安全、舒适、高效等方向发展，因此，在煤矿工作中需要高自动化、高智能化的采掘设备, 而掘进机自动导航和定位技术是实现掘进机自动化和智能化的基础, 因而掘进机自动导航和定位技术成为研究热点[1]。
基金项目: 国家863计划重点项目：煤矿井下采掘装备遥控关键技术 (2007AA06ZX146110)
Foundation Items: The National 863 Program: The Key Technology of Mining Equipment Remote Control in Coal Mine.
1 掘进机空间位姿的定义
掘进机自动导航和定位实质上[1]就是检测掘进机在设计巷道中的位置和姿态（简称“位姿”）。设计巷道坐标系由激光指向仪所发出的激光束和巷道断面设计参数决定。因此, 掘进机相对于指向激光的位姿检测成为掘进机自动导航和定位技术的关键。
悬臂掘进机机身位姿参数由以下四个参数（ ）描述，如图1所示。为了实现对悬臂掘进机的位姿纠偏、定向掘进，需要实时准确获取悬臂掘进机的位姿参数信息。为了建立掘进机机器人化数学模型，对悬臂掘进机做如下简化：掘进机由两条履带表示，其它部件略去。 的 ，正方向由巷道起点指向截割断面； 轴正方向由地面指向巷道顶板， 。悬臂掘进机车体位姿描述为机体坐标系 。
其中偏向角 和偏向位移L会影响掘进机施工时偏离设计巷道中线；俯仰角 将会使得掘进机切顶或者切底；横滚角 将会直接造成就截割断面不合格。因此通过对这四个参数的获取完全可以确定悬臂式掘进机在巷道中的各种姿态。
假定测量坐标系 和大地坐标系 经过测量后获得，根据坐标变换原理，测量坐标系 经过四个步骤变换后就可以得到悬臂掘进机坐标系 （ ）： ， ， ， 。悬臂掘进机机身位姿可以表示为:
2 智能型全站仪测量的基本原理
2.1 全站仪的基本概念
全站仪全称为全站型电子速测仪(Electronic Total Station)[2]。它是由电子测角、电子测距、电子计算和数据存储单元等组成的三维坐标测量系统，测量结果能自动显示，并能与外围设备交换信息。其基本功能是通过激光测距传感器和2个角位移传感器获取空间点坐标。由于全站型电子速测仪比较完善地实现了测量和处理过程的电子化和一体化，所以人们通常把它简称为全站仪。
全站仪本身就是一个带有特殊功能的微型计算机系统，主要由电子测角系统、电子测距系统和控制系统3大部分组成。
⑴电子测角系统完成水平方向和垂直方向角度的测量。
⑵电子测距系统完成仪器到目标之间斜距的测量。
⑶控制系统负责测量过程控制、数据采集、误差补偿、数据计算、数据存储及通信传输等。
2.2 全站仪测量原理
智能型全站仪[3]自动目标识别(Automatic Target Recognition，简称ATR)系统，利用仪器内置的自控马达和计算机控制显示(CCD)相机，具有即使在能见度差的条件下自动搜索目标、精确瞄准目标和锁定合作目标、跟踪测量移动目标等优点。其原理为：集成在望远镜里面的ATR的激光束，同轴投射在望远镜轴上，从物镜口发射出去，反射回来的光束形成光点，由内置CCD相机接收，其位置以CCD相机的中心作为参考点来精确地确定。假如CCD相机的中心与望远镜光轴的调整是正确的，则以ATR方式测得的水平角和垂直角可从CCD相机上的光点的位置直接计算出来。
全站仪用于悬臂掘进机导航时, 需要在掘进机机身上设置若干棱镜作为辅助检测特征点, 分别检测机身上棱镜的空间坐标以计算出机身在全站仪坐标系中的位姿。为了建立全站仪所测数据与巷道设计轴线之间的联系, 通常需要设置后视棱镜以辅助确定全站仪的测量坐标系。
全站仪的精确度已完全满足巷道施工的要求，但它不能对掘进机的位置进行实时自动定位。
2.3 用全站仪测量存在的问题
同一时刻全站仪只能检测1个点的坐标, 而为了检测掘进机机身姿态, 需要检测同一时刻离散分布的若干点的空间坐标, 从这个意义上讲, 全站仪更适合做掘进机的静态位姿检测；
全站仪在井下光线环境中对棱镜的自动识别能力还有待验证。
3 惯性导航定位的原理
3.1 惯性导航系统的基本概念
惯性导航系统[4]一般由加速度计（质量作加速度的敏感元件）、陀螺平台、计算机，以及控制、显示部件等组成。它以牛顿力学定律为基础，利用加速度计测量出载体的加速度并由一积分器积分成速度，再由另一积分器积分成位移，再将它变换到由陀螺仪（高速旋转的陀螺能够保持其轴线指向不变）建立的导航坐标系中，就能够得到载体在导航坐标系中的速度、偏航角和位置信息等从而得到定位和导航的指示。
3.2 惯性导航系统测量原理
惯性导航系统可测量机体三轴方向的加速度信号和角速度信号, 再经导航解算可得掘进机机体实时坐标位置, 从车体实时位置信息可获得车体的实时偏航角、俯仰角和横滚角。掘进机机体的位姿信息经坐标变换可产生实时的控制偏差量, 反馈到驱动及控制系统, 实现掘进机的位姿调整。
惯性导航系统无需任何辐射能量、激光以及无线电等辅助外界环境，故导航精度完全取决于元件本身，所有惯性导航系统不受外界干扰，隐蔽性好，且能提供位置、速度、航向和姿态角数据。
3.3 用惯性导航系统测量存在的问题
由于导航信息经过时间积分而产生, 定位误差随时间而增大。因此, 其用于长程连续导航时通常需要对惯性导航系统进行定时修正, 以获取持续准确的位置参数。
由此我设计出将惯性导航系统和全站仪组合起来用于掘进机的导航和定位。
4 组合导航系统
将全站仪和惯性导航系统结合起来测量掘进机位姿。
全站仪用于采集掘进机相关特征点的数据，根据录入系统的线性数据和其他相关参数自动算出掘进机的位置和姿态。在开始新的测站时，要手动测量一次目标的方向和距离信息。
惯性导航系统用于实现系统的导航，将惯性坐标中当前的三维坐标和给定的中心轨迹进行比较，便可以获得当前位置相对于给定轨迹的实际偏差。
比较惯性导航系统的初始数据和全站仪得到的姿势角，如果相差比较大，就需要补正，将两者差值作为补正角。掘进机按照惯性导航系统测出的姿势角减去补正角后的方向进行掘进。
采用组合导航系统，全站仪测量可以消除惯性导航系统的累积误差。当视觉距离达到巷道内的限距时，将全站仪向前移至新的基准点，开始新的一个循环。
5 结论
悬臂式掘进机机身前后方向的水平可由掘进机本身设有的铲板升降油缸和后支撑油缸来调节；机身左右方向的水平可由机身两侧各安装的一组液压油缸来调节；惯性导航系统可测量机身横向和纵向的水平倾角。
5.1 整 平
读取惯性导航系统测量的机身横向和纵向的水平倾角，横向水平倾角的数据通过给左支撑或右支撑油缸输油调节至零；纵向水平倾角的数据通过给铲板升降油缸或后支撑油缸输油调节至零，以确保掘进机机身的稳定。
5.2 对 中
巷道内预先设置好一组巷道设计中心点[3]，如图3所示，整平后，惯性导航系统实时监测这一组中心点，惯性导航系统将测得的B点和D点相对于机身中心点的俯仰角、机身中心线和BD连线的水平夹角、机身中心点到BD线的垂直距离传给计算机系统，运算后得到机身位置偏移值，然后通过操纵行走履带来分三步来实现对中：首先，让掘进机绕机身中心点旋转一定的角度，使机身预定点位于机身中心线或其延长线上；其次，移动机身中心点到预定点上；最后，使机身中心线和BD连线重合。
要使得掘进机机身中心线和巷道设计中心线重合，且机身中心点位于预定点位上，可能需要多次整平和对中。
参考文献
[1] 田原.悬臂掘进机自动导航和定位技术探索[J].工矿自动化，2010，8（8）：26-29.
[2] 陈加胜.悬臂式掘进机行走和截割智能控制研究[D].西安：西安科技大学，2006.
[3] 毛君，李申岩.陀螺仪和全站仪组合的导航系统[J].煤矿机电，2007，5（5）：54-56.
[4] 胡宁.掘进机自动掘进系统的研究与应用[D].重庆：重庆大学，2006.
作者简介: 王晶晶，女，（1987-），研究生，研究方向：检测技术与自动化装置；
童敏明，男，博导，研究方向：传感器应用；
刘彬，男，研究生，研究方向：检测技术与自动化装置。
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