吳 淼，沈 陽，吉曉冬,2，王鵬江，姜 海，鄭偉雄，李 悅

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機電與信息工程學(xué)院，北京 100083; 2.石家莊煤礦機械有限公司，河北 石家莊 050033)

巷道掘進(jìn)是煤礦開采中效率最低、危險度最高的前端生產(chǎn)環(huán)節(jié)。我國國有煤礦每年巷道掘進(jìn)量超過15 000 km，絕大部分采用以懸臂式掘進(jìn)機為主要開采設(shè)備的綜合機械化掘進(jìn)(綜掘)方式作業(yè)[1-2]。近年來，煤礦綜掘工作面的智能化、無人化需求日益迫切，其中最關(guān)鍵的是巷道精準(zhǔn)定向掘進(jìn)[3-4]。掘進(jìn)機姿態(tài)和位置信息的實時精準(zhǔn)感知是掘進(jìn)機自主行走控制和截割斷面誤差補償?shù)幕A(chǔ)，是巷道定向掘進(jìn)的先決條件。

目前，我國綜掘普遍采用的掘進(jìn)定向方法仍舊是傳統(tǒng)的“激光指向儀”指示法[5]。煤礦地測部門人員利用全站儀確定指向儀在巷道頂板的安裝位置，保證其指示方向與巷道設(shè)計中線方向完全一致，這樣指向儀在大地坐標(biāo)系下的絕對位置坐標(biāo)和指向的絕對角度值即為已知。

激光指向儀發(fā)射的激光光斑是掘進(jìn)定向的惟一依據(jù)，施工人員肉眼感知光斑位置，憑借經(jīng)驗操控掘進(jìn)走向。每一輪或幾輪斷面截割完成后，人工測量光斑與巷道兩幫的距離，以評估巷道走向是否存在偏差，并在此后掘進(jìn)中做出相應(yīng)調(diào)整，達(dá)到定向掘進(jìn)的目的。

上述方式存在較多的問題:

(1)只能對巷道設(shè)計方向進(jìn)行指示，與掘進(jìn)機本身位姿參數(shù)無任何聯(lián)系，無法為掘進(jìn)機自主導(dǎo)控和巷道偏差補償提供基準(zhǔn)參數(shù)。

(2)無法解讀激光光束所攜帶的基準(zhǔn)信息，僅憑司機肉眼觀察感知，憑經(jīng)驗操控向前掘進(jìn)。

(3)工作面粉塵質(zhì)量濃度大，作業(yè)現(xiàn)場光線差，司機視線受遮擋。

(4)屬于巷道掘后檢測，無法在掘進(jìn)過程中實時感知掘進(jìn)偏差。

(5)需多人員協(xié)助測量，危險系數(shù)高，勞動強度大，自動化水平低。

煤巷綜掘無人化、智能化的發(fā)展趨勢亟需發(fā)展巷道智能定向掘進(jìn)感知技術(shù)。許多國內(nèi)外學(xué)者都對掘進(jìn)機機身位姿參數(shù)的感知方法做了研究。

賈文浩等[6]提出了一種基于室內(nèi)定位系統(tǒng)(indoor Global Positioning System,iGPS)測量原理的掘進(jìn)機定位方法,實現(xiàn)了在狹長封閉巷道內(nèi)對掘進(jìn)機位置的絕對精度檢測。杜雨馨等[7-8]構(gòu)建了一種基于機器視覺技術(shù)的掘進(jìn)機機身位姿檢測系統(tǒng)，通過對十字光線成像特征的分析，在實驗室條件下實現(xiàn)了掘進(jìn)機機身位姿的測量。陶云飛[9]將高精度全自動全站儀應(yīng)用于掘進(jìn)機的位姿自動檢測中，通過測量安置在機身不同位置棱鏡的坐標(biāo)，解算出掘進(jìn)機的位置、姿態(tài)信息，一定程度上實現(xiàn)了掘進(jìn)機位姿參數(shù)的自動檢測。符世琛等[10-11]提出了一種基于超寬帶(Ultra Wide-Band，UWB)測距原理的掘進(jìn)機定位定向方法，建立了相關(guān)解算數(shù)學(xué)模型及誤差分布模型，為掘進(jìn)機行走控制提供位置狀態(tài)和位姿參數(shù)。馮大龍[12]較早的將捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)(捷聯(lián)慣導(dǎo))應(yīng)用在掘進(jìn)機的無人控制中，利用慣性測量單元測量掘進(jìn)機相對于慣性空間的運動參數(shù)，使掘進(jìn)機的無人作業(yè)成為了可能。

將多種傳感器組合可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補，以應(yīng)對綜掘工作面粉塵大、空間小、振動強、光線弱的惡劣環(huán)境。因此，很多學(xué)者提出了多傳感器信息融合的掘進(jìn)機位姿感知方法。毛君等[13]提出了將陀螺儀與全站儀組合的掘進(jìn)機導(dǎo)向系統(tǒng)，實現(xiàn)了掘進(jìn)機姿態(tài)和位置信息的連續(xù)獲取。童敏明等[14]采用三軸加速度傳感器、單軸陀螺儀和超聲波測距傳感器構(gòu)建了掘進(jìn)機定位系統(tǒng)，將機身位姿、偏轉(zhuǎn)角度和位移等信息融合處理，得到了掘進(jìn)機的位置信息。黃東等[15]提出了一種基于機器視覺/捷聯(lián)慣導(dǎo)的掘進(jìn)機位姿組合測量方法，捷聯(lián)慣導(dǎo)測得姿態(tài)信息，單目視覺測得位置信息，從而實現(xiàn)掘進(jìn)機實時位姿5個自由度的測量。

雖然上述研究對于掘進(jìn)機位姿感知水平有了大幅提升，為巷道的精準(zhǔn)定向掘進(jìn)做出了很大貢獻(xiàn)，但由于綜掘工作面環(huán)境惡劣(高溫、高濕、高粉塵、光線昏暗、底板起伏大)，災(zāi)害頻發(fā)(瓦斯、冒頂、片幫、底臌)，裝備繁多(掘進(jìn)機、轉(zhuǎn)載機、帶式輸送機、刮板輸送機、臨時支架、鉆錨設(shè)備等)，空間狹小(狹長封閉空間)、工藝離散(掘-支-網(wǎng)-鉆-錨-運六大主要工藝環(huán)節(jié)彼此獨立)，目前還不能夠在綜掘流程中實現(xiàn)實時、自主、精準(zhǔn)感知掘進(jìn)機姿態(tài)和位置，生成行走軌跡為掘進(jìn)機的動態(tài)調(diào)整提供參考的實用方法。

另外，懸臂式掘進(jìn)機為主的綜掘工作面是一種間斷式的循環(huán)截割掘進(jìn)，可以由斷面截割補償掘進(jìn)機機身位姿的偏差。而上述研究只是檢測掘進(jìn)機的位姿參數(shù)，并未建立機身位姿參數(shù)與巷道定向掘進(jìn)的關(guān)系，不能為截割斷面誤差補償提供偏差參數(shù)。

再者，掘-支同步式快速掘進(jìn)新工藝已在普遍探索之中，有可能成為一種發(fā)展趨勢，新型快掘機組中的臨時支護(hù)設(shè)備將嚴(yán)重遮擋綜掘作業(yè)空間，造成 “外置式”位姿感知裝置嚴(yán)重受限，因此 “機載式”的位姿感知方法成為必然需求[16-17]。

針對上述問題，筆者提出一種能夠適用于量大面廣的懸臂式掘進(jìn)機的行走軌跡及偏差感知技術(shù)，可以實時、自主、準(zhǔn)確、直接地獲取掘進(jìn)機行走軌跡，同時給出掘進(jìn)機縱向軸線與巷道設(shè)計中線的偏差角、掘進(jìn)機質(zhì)心與巷道中線的偏差距離等位姿偏差信息。根據(jù)行走軌跡動態(tài)調(diào)整掘進(jìn)機位姿并對位姿殘余偏差進(jìn)行反向截割補償，保證巷道定向掘進(jìn)精度。

1 偏差的描述及影響分析

獲取掘進(jìn)機機身位姿參數(shù)是為了給巷道精準(zhǔn)掘進(jìn)提供糾偏參數(shù)。以往的研究[18]已經(jīng)提出了一套符合實際工況且精準(zhǔn)、簡便、易測的掘進(jìn)機位姿參數(shù)體系，定義了橫滾角、俯仰角、車前距、偏角、偏距5個掘進(jìn)機機身位姿參數(shù)，它們可全面描述掘進(jìn)機機身在煤巷內(nèi)的位置和姿態(tài)。

偏角和偏距2個參數(shù)描述了懸臂式掘進(jìn)機在掘進(jìn)方位上的偏差，準(zhǔn)確地反映了掘進(jìn)機實際掘進(jìn)方向偏離巷道設(shè)計中線的情況，是定向掘進(jìn)最重要的參數(shù)。將偏角和偏距統(tǒng)稱為掘進(jìn)機方位偏差。

1.1 坐標(biāo)系定義

1.1.1 地心慣性坐標(biāo)系

地心慣性坐標(biāo)系記為i系(Xi,Yi,Zi)，其坐標(biāo)原點為地心，Zi軸沿地球自轉(zhuǎn)軸指向北極，Xi,Yi軸在赤道平面內(nèi)，分別指向慣性空間的兩顆恒星。慣性坐標(biāo)系不參與地球自轉(zhuǎn)，其3個坐標(biāo)軸在慣性空間內(nèi)的指向固定不變。

1.1.2 大地坐標(biāo)系

大地坐標(biāo)系記為d系(Xd,Yd,Zd)，其坐標(biāo)原點為地心，Zd軸沿地球自轉(zhuǎn)軸指向北極，Xd,Yd軸在赤道平面內(nèi)分別指向本初子午線和東經(jīng)90°。大地坐標(biāo)系固聯(lián)在地球上，隨地球自轉(zhuǎn)。煤礦中巷道設(shè)計的位置和方向都是在大地坐標(biāo)系中設(shè)計并標(biāo)識的。

1.1.3 巷道坐標(biāo)系

巷道坐標(biāo)系記為h系(Xh,Yh,Zh)，其坐標(biāo)原點在巷道設(shè)計中線上，并由掘進(jìn)機初始位置確定，Xh軸指向巷道左側(cè)，Yh軸沿巷道設(shè)計中線指向掘進(jìn)方向，Zh軸豎直向上與Xh,Yh軸符合右手定則。

1.1.4 機體坐標(biāo)系

機體坐標(biāo)系記為b系(Xb,Yb,Zb)，其坐標(biāo)原點在機身幾何重心處，Xb軸沿機身橫軸指向機身左側(cè)，Yb軸沿機身縱軸指向機頭方向，Zb與Xb,Yb軸符合右手定則。機體坐標(biāo)系固聯(lián)在掘進(jìn)機機身，跟隨掘進(jìn)機移動。

1.2 掘進(jìn)機方位偏差的描述

為簡便起見，在上述巷道坐標(biāo)系中只保留掘進(jìn)機履帶部分來表示掘進(jìn)機機身。

1.2.1 偏角

掘進(jìn)機機身中線與煤巷設(shè)計中線在煤巷底板平面XOY上投影的夾角α,定義為掘進(jìn)機的偏角，如圖1所示。偏角反映了掘進(jìn)機實際朝向與煤巷設(shè)計方向之間的角度偏差值。

圖1 偏角Fig.1 Deviation angle

1.2.2 偏距

機身中心點C與煤巷設(shè)計中線在煤巷底板平面XOY上投影的距離l，定義為掘進(jìn)機的偏距，如圖2所示。

圖2 偏距Fig.2 Deviation distance

1.3 掘進(jìn)機方位偏差與巷道定向掘進(jìn)的關(guān)系

偏角和偏距體現(xiàn)了掘進(jìn)機偏離巷道設(shè)計中線的情況，一旦出現(xiàn)偏差，將導(dǎo)致實際掘進(jìn)方向偏離設(shè)計掘進(jìn)方向，影響整個采區(qū)的正常生產(chǎn)，嚴(yán)重時還可能引發(fā)巷道內(nèi)地質(zhì)災(zāi)難，造成井下安全事故。李睿[18]通過激光位姿檢測系統(tǒng)實現(xiàn)了偏角和偏距的檢測，但不能形成掘進(jìn)機動態(tài)行走軌跡，不能為掘進(jìn)機前后調(diào)動提供實時參考。

動態(tài)的掘進(jìn)機行走軌跡和方位偏差信息可以在掘進(jìn)機向截割斷面行走過程中實時為掘進(jìn)機機身位姿調(diào)整提供參考，以盡可能減小掘進(jìn)機方位偏差。由于巷道內(nèi)空間有限以及驅(qū)動掘進(jìn)機行走的液壓馬達(dá)難以精確控制，掘進(jìn)機機身方位偏差很難徹底消除?？筛鶕?jù)殘余掘進(jìn)機方位偏差信息調(diào)整巷道截割斷面的位置以反向補償巷道掘進(jìn)偏差，從而達(dá)到巷道精準(zhǔn)定向掘進(jìn)的目的。

因此，需要研發(fā)一種可以自主動態(tài)感知掘進(jìn)機行走軌跡、同時給出掘進(jìn)機偏角和偏距的位姿感知系統(tǒng)。

2 行走軌跡及偏差感知系統(tǒng)組成

掘進(jìn)機行走軌跡及偏差感知系統(tǒng)主要由激光偏距感知系統(tǒng)、捷聯(lián)慣導(dǎo)、二維里程計、解算主機等組成，如圖3所示。

2.1 激光偏距感知系統(tǒng)

激光偏距感知系統(tǒng)在以往基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，由一臺扇形激光發(fā)射器、一臺激光標(biāo)靶組成，如圖3所示。地測人員按照巷道設(shè)計要求將扇形激光發(fā)射器精確安裝在后方巷道頂部中線上(已知精確偏距亦可)，發(fā)出的扇形激光作為巷道設(shè)計中線基準(zhǔn)傳遞媒介。激光標(biāo)靶平行安裝在掘進(jìn)機機身已知位置且與機身中線垂直。扇形激光在激光標(biāo)靶上形成線型光斑，被光敏元件感知，通過內(nèi)部控制器解算，得到掘進(jìn)機相對于巷道中線的偏差距離。偏距感知系統(tǒng)僅在掘進(jìn)初始位置使用，提供巷道坐標(biāo)系下初始位置的橫坐標(biāo)。

圖3 系統(tǒng)組成Fig.3 System compositions

2.2 捷聯(lián)慣導(dǎo)

捷聯(lián)慣導(dǎo)由三軸光纖陀螺儀、三軸加速度計以及解算芯片組成，安裝在掘進(jìn)機機身頂部中心，可自主測得大地坐標(biāo)系下掘進(jìn)機相對于正北方向的航向角，還可解算出掘進(jìn)機在大地坐標(biāo)系下的航向、姿態(tài)、速度、位置等信息[19]。其航向角及姿態(tài)角的測量精度很高，而速度、位置的誤差隨時間增加會逐漸增大。捷聯(lián)慣導(dǎo)使用前需輸入當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度坐標(biāo)，經(jīng)過3 min的初始自對準(zhǔn)(自對準(zhǔn)過程中保證掘進(jìn)機靜止)，自主尋得掘進(jìn)機相對于正北方向的航向角，以及初始的俯仰角和橫滾角;初始自對準(zhǔn)完成后，可實時精準(zhǔn)測得掘進(jìn)機在大地坐標(biāo)系下的運動信息，從而實現(xiàn)“靜態(tài)對準(zhǔn)，動態(tài)測量”。

(1)

(2)

式中，L，g和ωie分別為當(dāng)?shù)鼐暥?、重力加速度和地球自轉(zhuǎn)角速率;ωiecosL和ωiesinL分別為地球自轉(zhuǎn)角速度在北向和天向的分量。

(3)

整合可得

(4)

式(4)展開為

(5)

(6)

式中，γ，θ，φ分別為載體的滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和航向角。

將Tij的值與式(6)中的元素對應(yīng)，即可求得掘進(jìn)機的初始航向和姿態(tài)信息。

經(jīng)過上述粗對準(zhǔn)過程，由于陀螺儀和加速度計會受到角晃動和線晃動的干擾以及慣性器件本身的測量誤差，導(dǎo)致捷聯(lián)慣導(dǎo)獲得的航向角和姿態(tài)角存在一定的失準(zhǔn)角誤差。通過進(jìn)一步的濾波精對準(zhǔn)過程，可減小失準(zhǔn)角誤差的影響，得到精準(zhǔn)的航向、姿態(tài)信息[20-21]。

初始自對準(zhǔn)完成后，掘進(jìn)機開始向前行走，可用四元數(shù)法對掘進(jìn)機進(jìn)行實時姿態(tài)角更新[22]。

在捷聯(lián)慣導(dǎo)解算中常用四元數(shù)表示載體的姿態(tài)。四元數(shù)由1個實數(shù)部分和3個虛數(shù)部分組成，它將載體的三維姿態(tài)表示為載體繞固定點的旋轉(zhuǎn)，可完整描述載體的姿態(tài)信息。四元數(shù)Q的形式為

Q=q0+q1i+q2j+q3k

(7)

式中，q0，q1，q2，q3為實數(shù);i，j，k既是相互正交的單位向量，又是虛數(shù)單位。

捷聯(lián)慣導(dǎo)姿態(tài)更新可由下式表示:

Q(tk+1)=Q(tk)?q(h)

(8)

式中，Q(tk+1)和Q(tk)分別為tk+1時刻和tk時刻的姿態(tài)四元數(shù);?為四元數(shù)的乘法;q(h)為[tk，tk+1]時間段內(nèi)的姿態(tài)變化四元數(shù)。

(9)

式中，Ф為機體坐標(biāo)系tk時刻和tk+1時刻的等效旋轉(zhuǎn)矢量;Ф為Ф的模。

(10)

利用式(6)，(10)中對應(yīng)元素相等，可得姿態(tài)角與四元數(shù)的關(guān)系為

(11)

θ=arcsin(2q0q1+2q2q3)

(12)

(13)

這樣得到了掘進(jìn)機在大地坐標(biāo)系下動態(tài)的航向角、橫滾角和俯仰角。由于高精度的捷聯(lián)慣導(dǎo)價格昂貴，而掘進(jìn)機行走軌跡及偏差的感知只需利用其航向信息，因此，可研發(fā)航向角單一參數(shù)測量裝置及其解算模型，大大降低成本，滿足綜掘工作面的需求。

2.3 二維里程計

二維里程計主要由編碼器、測量輪、支架、張緊裝置組成，如圖4所示，安裝在掘進(jìn)機底部，處于捷聯(lián)慣導(dǎo)的正下方，其兩測量輪的對稱線與掘進(jìn)機縱軸線重合，測量輪與掘進(jìn)機縱軸線呈45°，如圖5所示。兩測量輪跟隨掘進(jìn)機的前進(jìn)轉(zhuǎn)動，帶動編碼器旋轉(zhuǎn)，得到測量輪的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，通過計算可得掘進(jìn)機在單位時間內(nèi)沿機身縱軸前進(jìn)方向和橫軸方向的里程增量。二維里程的精準(zhǔn)感知有效解決了傳統(tǒng)里程計無法感知掘進(jìn)機發(fā)生側(cè)向滑動的難題。

圖4 二維里程計結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure diagram of two-dimensional odometer

圖5 二維里程計安裝位置Fig.5 Installation location diagram of two-dimensional odometer

3 行走軌跡及偏差感知系統(tǒng)原理

3.1 系統(tǒng)原理

巷道中線方向角以大地坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，而捷聯(lián)慣導(dǎo)輸出大地坐標(biāo)系下的航向角，兩者的差即為掘進(jìn)機的偏角，如圖6所示。二維里程計通過編碼器可實時感知掘進(jìn)機在機身縱軸和橫軸2個方向的里程增量。將偏角和里程增量信息結(jié)合，利用航位推算算法對二維里程增量進(jìn)行累加，可得掘進(jìn)機在巷道坐標(biāo)系下的行走軌跡，其縱坐標(biāo)為掘進(jìn)距離，橫坐標(biāo)為偏距，并將所得的位置、方向、姿態(tài)等信息發(fā)送至遠(yuǎn)端顯示，為掘進(jìn)糾偏提供基準(zhǔn)參數(shù)。在實際工況下，也可以用上述偏角和激光測出的偏距作為輸入值計算掘進(jìn)糾偏量對巷道兩幫進(jìn)行修正，實現(xiàn)誤差補償。系統(tǒng)原理如圖7所示。

圖6 巷道坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系關(guān)系Fig.6 Schematic diagram of the relationship between the road-way coordinate system and the geodetic coordinate system

圖7 系統(tǒng)原理Fig.7 Diagram of system principle

設(shè)由二維里程測量裝置所得里程增量分別為ΔSOD1和ΔSOD2，根據(jù)圖5中測量裝置與掘進(jìn)機的位置關(guān)系，將兩里程增量合并，可得掘進(jìn)機機體坐標(biāo)系二維里程增量矢量ΔSOD為

(14)

將機體坐標(biāo)系里程增量轉(zhuǎn)換到巷道坐標(biāo)系h系:

(15)

將巷道坐標(biāo)系下的里程增量累加，可得掘進(jìn)機在巷道中的軌跡坐標(biāo):

(16)

式中，Ph0為h系下掘進(jìn)機的位置坐標(biāo)，其橫坐標(biāo)由激光偏距感知系統(tǒng)提供的初始偏距，縱坐標(biāo)設(shè)為0;ΔPh(i-1)掘進(jìn)機位置坐標(biāo)增量。

其中，初始位置P0的橫坐標(biāo)由激光偏距感知系統(tǒng)提供的初始偏距確定，縱坐標(biāo)設(shè)為0。

3.2 系統(tǒng)流程

本系統(tǒng)的流程如下:掘進(jìn)機行走前，捷聯(lián)慣導(dǎo)進(jìn)行3 min的初始對準(zhǔn)，自主感知掘進(jìn)機的初始航向角;激光偏距感知系統(tǒng)提供初始偏距信息，作為掘進(jìn)機初始位置的橫坐標(biāo)，其初始縱坐標(biāo)記為0。掘進(jìn)機開始向前行走后，捷聯(lián)慣導(dǎo)、二維里程計將測得的原始數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)綑C載控制器進(jìn)行位姿參數(shù)計算，得到掘進(jìn)機實時位置坐標(biāo)，橫坐標(biāo)為實時偏距，縱坐標(biāo)為豎直掘進(jìn)距離，同時可得掘進(jìn)機的偏角、航向角和姿態(tài)角等信息。掘進(jìn)機行駛至巷道斷面開始掏槽前，通過偏角和偏距等信息判斷掘進(jìn)機位姿偏差程度，若偏差較大，對掘進(jìn)機位置、方向進(jìn)行粗調(diào)整后，再進(jìn)行掏槽;掏槽完成后，根據(jù)此時的偏角和偏距調(diào)整截割參數(shù)以反向補償掘進(jìn)機位姿偏差，保證巷道精準(zhǔn)掘進(jìn)。圖8為掘進(jìn)機實時行走軌跡及偏差示意圖。

圖8 掘進(jìn)機行進(jìn)軌跡及偏差示意Fig.8 Diagram of roadheader trajectory and deviation

4 實驗驗證

為了驗證所提出的掘進(jìn)機行走軌跡及偏差感知系統(tǒng)的有效性，并探究其對行走軌跡追蹤和掘進(jìn)方位偏差感知精度，搭建了行走軌跡及偏差感知精度驗證實驗系統(tǒng)，在模擬煤礦綜掘工作面真實工況的條件下對本文所提系統(tǒng)輸出的偏角、偏距、軌跡坐標(biāo)精度進(jìn)行了實驗驗證。

4.1 實驗配置

行走軌跡及偏差實驗驗證系統(tǒng)主要包括激光偏距感知系統(tǒng)、捷聯(lián)慣導(dǎo)、二維里程計、機載控制器、井上和井下可視化遠(yuǎn)程控制平臺、全站儀等。

(1)激光偏距感知系統(tǒng)。激光偏距感知系統(tǒng)中的激光標(biāo)靶和扇形激光發(fā)射器均為自主研發(fā)，如圖9，10所示。其基本性能參數(shù)見表1。

圖9 激光標(biāo)靶Fig.9 Laser target

(2)光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)。捷聯(lián)慣導(dǎo)選用光纖型捷聯(lián)慣導(dǎo)，如圖11所示。其基本性能參數(shù)見表2。

圖10 扇形激光發(fā)射器Fig.10 Fan laser transmitter

表 1 激光偏距感知系統(tǒng)性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of laser deviation distance perception system

表2 捷聯(lián)慣導(dǎo)性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of strapdown inertial navigation

(3)二維里程測量裝置。二維里程計為自主研發(fā)，如圖12所示。其中編碼器選用光電多圈高精度絕對值編碼器，測量輪選用大承重的全向輪，基本參數(shù)見表3，4。

表3 編碼器性能參數(shù)Table 3 Performance parameters of Encoder

圖12 二維里程計Fig.12 Two-dimensional odometer

(4)全站儀。全站儀作為掘進(jìn)機位姿參數(shù)基準(zhǔn)參考測量儀器，基本參數(shù)見表5。全站儀和3個棱鏡的布置方式如圖13所示，測量棱鏡 1，2，3 固定在掘進(jìn)機機身不共線的3個位置上，其中棱鏡1固定在激光標(biāo)靶中點上部，可用棱鏡1的位置變化代表掘進(jìn)機的運動。全站儀放置在掘進(jìn)機正后方，可測得全站儀與機載棱鏡的距離S、水平角β、垂直角γ，并通過式(17)完成棱鏡相對于全站儀的坐標(biāo)測量工作[23]。

圖13 全站儀及棱鏡布置Fig.13 Layout of total station and prisms

表4 測量輪性能參數(shù)Table 4 Performance parameters of measuring wheel

表5 全站儀性能參數(shù)Table 5 Performance parameters of total station

(17)

根據(jù)以上原理測得3個棱鏡的相對全站儀的坐標(biāo)，并將它們轉(zhuǎn)換到巷道坐標(biāo)系，得到3個棱鏡在巷道坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分別為(xh1,yh1,zh1),(xh2,yh2,zh2)和(xh3,yh3,zh3)。全站儀測得的基準(zhǔn)機身偏角α′可通過式(18)求出;基準(zhǔn)軌跡為棱鏡1的水平坐標(biāo)，其中橫坐標(biāo)xh1為基準(zhǔn)偏距。

(18)

4.2 實驗方案

實驗地點地理位置為北緯37.92°,東經(jīng)114.52°。以掘進(jìn)機起點為坐標(biāo)原點，初始朝向為巷道設(shè)計方向，按照一般巷道外形尺寸在地面確定掘進(jìn)機移動邊界，并建立巷道坐標(biāo)系。通過井上可視化控制平臺操控掘進(jìn)機按井下實際工況所需操縱掘進(jìn)機行走，同時系統(tǒng)傳感器所采集到的原始數(shù)據(jù)在機載控制器計算后，通過光纖傳輸回井上可視化控制平臺，實時顯示出掘進(jìn)機行進(jìn)軌跡及方位偏差值，并將所測數(shù)據(jù)保存。

掘進(jìn)機行走過程中，通過全站儀測量掘進(jìn)機機身上3個棱鏡坐標(biāo)，以作為掘進(jìn)機機身位姿基準(zhǔn)參考點。全站儀進(jìn)行坐標(biāo)測量時掘進(jìn)機需要短暫停止。人為不定時控制掘進(jìn)機停止，并記錄相應(yīng)時刻，可得到一系列掘進(jìn)機位姿基準(zhǔn)參考點。一共進(jìn)行5組實驗。

4.3 實驗結(jié)果

圖14為掘進(jìn)機實際軌跡與系統(tǒng)測量顯示軌跡對比圖，左邊紅色軌跡為掘進(jìn)機實際軌跡，右圖為本文所提系統(tǒng)測得軌跡在遠(yuǎn)程可視化控制平臺的顯示，從定性的角度來看本文所提系統(tǒng)能夠較好地感知掘進(jìn)機機身的實時位姿。將以本文所提方法測得的5組位姿數(shù)據(jù)與相對應(yīng)基準(zhǔn)參考點數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，結(jié)果見表6。

圖14 掘進(jìn)機實際軌跡與系統(tǒng)測量顯示軌跡對比Fig.14 Comparison diagram of the actual trajectory of roadheader and the measured trajectory of the system

表6 測量誤差統(tǒng)計特性Table 6 Statistical characteristics of measurement errors

偏角測量誤差的最大值為0.104°，均值為0.052°，方差為0.100°;偏距(橫坐標(biāo))測量誤差的最值為0.084 m，均值為0.048 m,方差為0.077 m;縱坐標(biāo)測量誤差的最大值為0.099 m，均值為0.055 m,方差為0.068 m?？梢缘贸觯疚乃岱椒ǖ钠罡兄葷M足巷道定向掘進(jìn)對于掘進(jìn)機定位定向要求，可使所掘巷道達(dá)到國家煤礦井巷工程驗收標(biāo)準(zhǔn)[24-25]。

5 結(jié) 論

(1)基于已往研究，在巷道坐標(biāo)系下描述了偏角和偏距，闡述了掘進(jìn)機方位偏差與巷道定向掘進(jìn)之間的關(guān)系。

(2)搭建了一種可以自主、動態(tài)感知掘進(jìn)機行走軌跡、偏角和偏距的位姿感知系統(tǒng)，提出了基于激光偏距感知、捷聯(lián)慣導(dǎo)、二維里程計的掘進(jìn)機方位偏差感知方法及相應(yīng)的自主精準(zhǔn)定向掘進(jìn)策略。

(3)實驗結(jié)果表明，所提方法實現(xiàn)了掘進(jìn)機機身偏角0.052°、偏距(橫坐標(biāo))0.048 m、縱坐標(biāo)0.055 m的感知精度，驗證了所提方法的可行性及優(yōu)越性，感知精度滿足巷道定向掘進(jìn)對于掘進(jìn)機定位定向要求。

(4)基于所提系統(tǒng)開發(fā)了遠(yuǎn)程可視化操控平臺，實現(xiàn)了掘進(jìn)機位姿狀態(tài)在井上、下的實時顯示。