組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)研究

1、組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)研究摘要掘進(jìn)機(jī)是煤礦生產(chǎn)的主要機(jī)械裝備之一，為使其高效、安全工作，滿足人工化和智能化的發(fā)展趨勢，設(shè)計瞭基於慣 性導(dǎo)航系統(tǒng)和全站儀的懸臂式掘進(jìn)機(jī)機(jī)身導(dǎo)航定位系統(tǒng)。本文將 掘進(jìn)機(jī)簡化成兩條履帶，其它部件略去，建立掘進(jìn)機(jī)機(jī)器人化數(shù) 學(xué)模型。分別分析瞭基於全站儀和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的掘進(jìn)機(jī)自動導(dǎo) 航和定位技術(shù)的原理和特點(diǎn)，結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)，將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和 全站儀有機(jī)結(jié)合，介紹兩系統(tǒng)相組合的巷道導(dǎo)航系統(tǒng)，並對組合 系統(tǒng)在掘進(jìn)機(jī)在使用中的導(dǎo)航和定位原理進(jìn)行說明關(guān)鍵詞智能控制；懸臂式掘進(jìn)機(jī)；全站儀；慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中圖分類號tp273文獻(xiàn)標(biāo)識碼aresearch of combined navigati

2、on and orientation system wang jing-jing 1 tong min-ming 1 liu bin 11 (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 ma

3、ke 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 stationn this paper, boom-type roadheader simplified into two crawlers to establish t

4、he 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 g

5、uide 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 system0引言隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，懸臂式掘進(jìn)機(jī)不僅廣泛應(yīng)用於煤 礦巷道掘進(jìn)工作中，而且在鐵路、公路等工程隧道施工中也有廣 闊的應(yīng)用

6、前景目前，掘進(jìn)機(jī)(boom-type roadheader)在我國掘進(jìn)工作得到 廣泛的應(yīng)用，特別是懸臂式部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)，但由於掘進(jìn)過程中 工作面粉塵較大，作業(yè)現(xiàn)場光線差,完全依賴掘進(jìn)機(jī)司機(jī)手工操 作，通過目視斷面上的激光光斑控制掘進(jìn)機(jī)截割頭在斷面上截 割,容易導(dǎo)致操作手勞動強(qiáng)度較大，舒適性較差，生產(chǎn)效率低、 出現(xiàn)巷道超截和欠截現(xiàn)象，掘進(jìn)工程質(zhì)量很大程度上取決於司 機(jī)的經(jīng)驗(yàn)和熟練程度。但隨著社會的不斷發(fā)展，要求巷道施工向 安全、舒適、高效等方向發(fā)展，因此，在煤礦工作中需要高自動 化、高智能化的采掘設(shè)備，而掘進(jìn)機(jī)自動導(dǎo)航和定位技術(shù)是實(shí)現(xiàn) 掘進(jìn)機(jī)自動化和智能化的基礎(chǔ)，因而掘進(jìn)機(jī)自動導(dǎo)航和定位技 術(shù)成

7、為研究熱點(diǎn)1基金項目：國傢863計劃重點(diǎn)項目：煤礦井下采掘裝備遙控 關(guān)鍵技術(shù)(2007aa06zx146x0)foundation items: the national 863 program: the keytech no logy of mining equipme nt remote control in coal mine.1掘進(jìn)機(jī)空間位姿的定義掘進(jìn)機(jī)自動導(dǎo)航和定位實(shí)質(zhì)上就是檢測掘進(jìn)機(jī)在設(shè)計巷 道中的位置和姿態(tài)（簡稱"位姿” b設(shè)計巷道坐標(biāo)系由激光指向儀所發(fā)出的激光束和巷道斷面設(shè)計參數(shù)決定。因此，掘進(jìn)機(jī)相對於 指向激光的位姿檢測成為掘進(jìn)機(jī)自動導(dǎo)航和定位技術(shù)的關(guān)鍵懸臂掘進(jìn)機(jī)機(jī)

8、身位姿參數(shù)由以下四個參數(shù)（）描述，如圖1 所示。為瞭實(shí)現(xiàn)對懸臂掘進(jìn)機(jī)的位姿糾偏、定向掘進(jìn)，需要實(shí)時 準(zhǔn)確獲取懸臂掘進(jìn)機(jī)的位姿參數(shù)信息。為瞭建立掘進(jìn)機(jī)機(jī)器人化 數(shù)學(xué)模型，對懸臂掘進(jìn)機(jī)做如下簡化：掘進(jìn)機(jī)由兩條履帶表示, 其它部件略去。的，正方向由巷道起點(diǎn)指向截割斷面；軸正 方向由地面指向巷道頂板，。懸臂掘進(jìn)機(jī)車體位姿描述為機(jī)體 坐標(biāo)系其中偏向角和偏向位移l會影響掘進(jìn)機(jī)施工時偏離設(shè)計巷道中線；俯仰角將會使得掘進(jìn)機(jī)切頂或者切底；橫滾角 將會直接造成就截割斷面不合格。因此通過對這四個參數(shù)的獲取完全可 以確定懸臂式掘進(jìn)機(jī)在巷道中的各種姿態(tài)假定測量坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系 經(jīng)過測量後獲得，根據(jù)坐標(biāo)變換原理，測量坐

9、標(biāo)系 經(jīng)過四個步驟變換後就可以得到懸臂掘進(jìn)機(jī)坐標(biāo)系():o懸臂掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿可以表示為:2智能型全站儀測量的基本原理2.1全站儀的基本概念全站儀全稱為全站型電子速測儀(electronic totalstation)20它是由電子測角、電子測距、電子計算和數(shù)據(jù)存儲單元等組成的三維坐標(biāo)測量系統(tǒng)，測量結(jié)果能自動顯示，並能與 外圍設(shè)備交換信息。其基本功能是通過激光測距傳感器和2個角 位移傳感器獲取空間點(diǎn)坐標(biāo)。由於全站型電子速測儀比較完善地 實(shí)現(xiàn)瞭測量和處理過程的電子化和一體化，所以人們通常把它簡 稱為全站儀全站儀本身就是一個帶有特殊功能的微型計算機(jī)系統(tǒng)，主要由電子測角系統(tǒng)、電子測距系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3大

10、部分組成電子測角系統(tǒng)完成水平方向和垂直方向角度的測量電子測距系統(tǒng)完成儀器到目標(biāo)之間斜距的測量控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)測量過程控制、數(shù)據(jù)采集、誤差補(bǔ)償、數(shù)據(jù) 計算.數(shù)據(jù)存儲及通信傳輸?shù)取?.2全站儀測量原理智能型全站儀自動目標(biāo)識別(automatic targetrecognition ,簡稱atr)系統(tǒng)，利用儀器內(nèi)置的自控馬達(dá)和計算 機(jī)控制顯示(ccd)相機(jī)，具有即使在能見度差的條件下自動搜索 目標(biāo)、精確瞄準(zhǔn)目標(biāo)和鎖定合作目標(biāo)、跟蹤測量移動目標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)。其原理為：集成在望遠(yuǎn)鏡裡面的atr的激光束，同軸投射在望 遠(yuǎn)鏡軸上，從物鏡口發(fā)射出去，反射回來的光束形成光點(diǎn)，由內(nèi) 置ccd相機(jī)接收，其位置以ccd相機(jī)的中

11、心作為參考點(diǎn)來精 確地確定。假如ccd相機(jī)的中心與望遠(yuǎn)鏡光軸的調(diào)整是正確的, 則以atr方式測得的水平角和垂直角可從ccd相機(jī)上的光點(diǎn)的 位置直接計算出來全站儀用於懸臂掘進(jìn)機(jī)導(dǎo)航時，需要在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上設(shè)置若 幹棱鏡作為輔助檢測特征點(diǎn)，分別檢測機(jī)身上棱鏡的空間坐標(biāo) 以計算出機(jī)身在全站儀坐標(biāo)系中的位姿。為瞭建立全站儀所測數(shù) 據(jù)與巷道設(shè)計軸線之間的聯(lián)系，通常需要設(shè)置後視棱鏡以輔助 確定全站儀的測量坐標(biāo)系全站儀的精確度已完全滿足巷道施工的要求，但它不能對掘 進(jìn)機(jī)的位置進(jìn)行實(shí)時自動定位2.3用全站儀測量存在的問題同一時刻全站儀隻能檢測1個點(diǎn)的坐標(biāo)，而為瞭檢測掘進(jìn)機(jī) 機(jī)身姿態(tài)，需要檢測同一時刻離散分佈的若

12、幹點(diǎn)的空間坐標(biāo)，從 這個意義上講，全站儀更適合做掘進(jìn)機(jī)的靜態(tài)位姿檢測；全站儀在井下光線環(huán)境中對棱鏡的自動識別能力還有待驗(yàn)證3慣性導(dǎo)航定位的原理3.1慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本概念慣性導(dǎo)航系統(tǒng)4一般由加速度計（質(zhì)量作加速度的敏感元 件x陀螺平臺、計算機(jī)，以及控制、顯示部件等組成。它以牛 頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，利用加速度計測量出載體的加速度並由一積 分器積分成速度，再由另一積分器積分成位移，再將它變換到由 陀螺儀（高速旋轉(zhuǎn)的陀螺能夠保持其軸線指向不變）建立的導(dǎo)航 坐標(biāo)系中，就能夠得到載體在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位 置信息等從而得到定位和導(dǎo)航的指示3.2慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測量原理慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可測量機(jī)體三軸方向的

13、加速度信號和角速度信 號，再經(jīng)導(dǎo)航解算可得掘進(jìn)機(jī)機(jī)體實(shí)時坐標(biāo)位置，從車體實(shí)時位 置信息可獲得車體的實(shí)時偏航角、俯仰角和橫滾角。掘進(jìn)機(jī)機(jī)體 的位姿信息經(jīng)坐標(biāo)變換可產(chǎn)生實(shí)時的控制偏差量，反饋到驅(qū)動及控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的位姿調(diào)整慣性導(dǎo)航系統(tǒng)無需任何輻射能量、激光以及無線電等輔助外界環(huán)境，故導(dǎo)航精度完全取決於元件本身，所有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)不受外界幹?jǐn)_，隱蔽性好，且能提供位置、速度、航向和姿態(tài)角數(shù) 據(jù)3.3用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測量存在的問題由於導(dǎo)航信息經(jīng)過時間積分而產(chǎn)生，定位誤差隨時間而增 大。因此，其用於長程連續(xù)導(dǎo)航時通常需要對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行 定時修正，以獲取持續(xù)準(zhǔn)確的位置參數(shù)由此我設(shè)計出將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和全

14、站儀組合起來用於掘進(jìn)機(jī) 的導(dǎo)航和定位4組合導(dǎo)航系統(tǒng)將全站儀和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合起來測量掘進(jìn)機(jī)位姿全站儀用於采集掘進(jìn)機(jī)相關(guān)特征點(diǎn)的數(shù)據(jù)，根據(jù)錄入系統(tǒng)的 線性數(shù)據(jù)和其他相關(guān)參數(shù)自動算出掘進(jìn)機(jī)的位置和姿態(tài)。在開始 新的測站時，要手動測量一次目標(biāo)的方向和距離信息慣性導(dǎo)航系統(tǒng)用於實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的導(dǎo)航，將慣性坐標(biāo)中當(dāng)前的三 維坐標(biāo)和給定的中心軌跡進(jìn)行比較，便可以獲得當(dāng)前位置相對於 給定軌跡的實(shí)際偏差比較慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的初始數(shù)據(jù)和全站儀得到的姿勢角，如果 相差比較大，就需要補(bǔ)正，將兩者差值作為補(bǔ)正角。掘進(jìn)機(jī)按照 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測出的姿勢角減去補(bǔ)正角後的方向進(jìn)行掘進(jìn)采用組合導(dǎo)航系統(tǒng)，全站儀測量可以消除慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的累 積

15、誤差。當(dāng)視覺距離達(dá)到巷道內(nèi)的限距時，將全站儀向前移至新 的基準(zhǔn)點(diǎn)，開始新的一個循環(huán)5結(jié)論懸臂式掘進(jìn)機(jī)機(jī)身前後方向的水平可由掘進(jìn)機(jī)本身設(shè)有的鏈 板升降油缸和後支撐油缸來調(diào)節(jié)；機(jī)身左右方向的水平可由機(jī)身 兩側(cè)各安裝的一組液壓油缸來調(diào)節(jié)；慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可測量機(jī)身橫 向和縱向的水平傾角5.1整平讀取慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測量的機(jī)身橫向和縱向的水平傾角，橫向 水平傾角的數(shù)據(jù)通過給左支撐或右支撐油缸輸油調(diào)節(jié)至零；縱向 水平傾角的數(shù)據(jù)通過給鐘板升降油缸或後支撐油缸輸油調(diào)節(jié)至 零，以確保掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的穩(wěn)定5.2對中巷道內(nèi)預(yù)先設(shè)置好一組巷道設(shè)計中心點(diǎn)3,如圖3所示，整 平後，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測這一組中心點(diǎn)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)將測 得的b點(diǎn)和d點(diǎn)相對於機(jī)身中心點(diǎn)的俯仰角、機(jī)身中心線和bd 連線的水平夾角、機(jī)身中心點(diǎn)到bd線的垂直距離傳給計算機(jī)系 統(tǒng)，運(yùn)算後得到機(jī)身位置偏移值，然後通過操縱行走履帶來分三 步來實(shí)現(xiàn)對中：首先，讓掘進(jìn)機(jī)繞機(jī)身中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)一定的角度, 使機(jī)身預(yù)定點(diǎn)位於機(jī)身中心線或其延長線上；其次，移動機(jī)身中 心點(diǎn)到預(yù)定點(diǎn)上；最後，使機(jī)身中心線和bd連線重合要使得掘進(jìn)機(jī)機(jī)身中心線和巷道設(shè)計中心線重合，且機(jī)身中 心點(diǎn)位於預(yù)定點(diǎn)位上，可能需要多次整平和對中參考文獻(xiàn)1 田原懸臂