導(dǎo)語(yǔ)：慣性導(dǎo)航技術(shù)及產(chǎn)品屬于典型軍轉(zhuǎn)民高科技技術(shù)產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于航空、航海、礦山、鐵路等領(lǐng)域。本期轉(zhuǎn)化果平臺(tái)推薦的《導(dǎo)航定位技術(shù)在煤礦井下掘進(jìn)工作面的應(yīng)用》，介紹了常見(jiàn)導(dǎo)航技術(shù)，慣性導(dǎo)航技術(shù)，慣性系統(tǒng)構(gòu)成，基于單慣導(dǎo)的航向和姿態(tài)測(cè)量，基于陣列式測(cè)距傳感器，基于UWB技術(shù)定位，基于視覺(jué)測(cè)量的定位技術(shù)，組合導(dǎo)航技術(shù)，掘進(jìn)工作面對(duì)導(dǎo)航定位技術(shù)的要求，連采設(shè)備定位、導(dǎo)航系統(tǒng)，掘錨機(jī)及其后配套設(shè)備定位、導(dǎo)航系統(tǒng)，懸臂式掘進(jìn)機(jī)定位、導(dǎo)航系統(tǒng)，基于導(dǎo)航定位的拓展，掘進(jìn)設(shè)備的軌跡規(guī)劃與自主行走，炮頭絕對(duì)坐標(biāo)截割等系統(tǒng)。歡迎致電垂詢(xún)400-1817-969。
一、慣性導(dǎo)航技術(shù)簡(jiǎn)介
1.常見(jiàn)導(dǎo)航技術(shù)
目前，常見(jiàn)導(dǎo)航技術(shù)有天文導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航。
2.慣性導(dǎo)航技術(shù)
3.慣性系統(tǒng)構(gòu)成
慣導(dǎo)系統(tǒng)的核心是陀螺儀和加速度計(jì)，兩者的精度決定了慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度，也決定了系統(tǒng)的成本；陀螺儀精度越高，慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度越高，航向、姿態(tài)、定位誤差發(fā)散的越慢。
二、掘進(jìn)工作面導(dǎo)航技術(shù)手段
1.基于單慣導(dǎo)的航向和姿態(tài)測(cè)量
以慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的航向角和姿態(tài)角作為掘進(jìn)方向的參考。
（1）典型應(yīng)用：端幫開(kāi)采。
（2）優(yōu)劣勢(shì)分析：
優(yōu)點(diǎn)：直接安裝在機(jī)體內(nèi)，無(wú)需外界輔助，集成度高；
缺點(diǎn)：僅能提供航向和姿態(tài)信息，無(wú)定位信息。
2.基于陣列式測(cè)距傳感器
通過(guò)測(cè)量車(chē)身上多個(gè)位置與兩幫的距離，反算車(chē)身在巷道中的航向信息和橫向定位信息。
（1）典型應(yīng)用：掘進(jìn)機(jī)定位導(dǎo)航。
（2）優(yōu)劣勢(shì)分析：
優(yōu)點(diǎn)：成本低、機(jī)身集成
缺點(diǎn)：① 測(cè)距點(diǎn)云密度低；② 航向/定位誤差大；③ 沒(méi)有姿態(tài)和前后位置信息；④ 易受粉塵影響。
3.基于UWB技術(shù)定位
通過(guò)測(cè)量巷道內(nèi)部預(yù)先設(shè)置的已知位置的4個(gè)以上的基站發(fā)送的無(wú)線(xiàn)信號(hào)到達(dá)標(biāo)簽點(diǎn)（安裝在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上）的時(shí)間差，解算進(jìn)行定位。
（1）典型應(yīng)用：掘進(jìn)面設(shè)備定位、工作面人員定位。
（2）優(yōu)劣勢(shì)分析：
優(yōu)點(diǎn)：成本低、可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)同時(shí)定位；
缺點(diǎn)：① 僅能提供定位信息，無(wú)姿態(tài)信息；② 定位精度（10~30cm）難以滿(mǎn)足掘進(jìn)精度要求；③ 隨著工作面推進(jìn)，基站需要跟隨移動(dòng)。
4.基于視覺(jué)測(cè)量的定位技術(shù)
通過(guò)攝像機(jī)測(cè)量特定靶標(biāo)或者激光束，采用視覺(jué)測(cè)量技術(shù)解算靶標(biāo)位置和姿態(tài)，進(jìn)而對(duì)載體（掘進(jìn)機(jī)）進(jìn)行定位和導(dǎo)航。
（1）典型應(yīng)用：掘進(jìn)面設(shè)備定位、工作面人員定位。
（2）優(yōu)劣勢(shì)分析：
優(yōu)點(diǎn)：定位精度高、便于實(shí)施
缺點(diǎn)：①工作距離短，攝像機(jī)與靶標(biāo)距離越長(zhǎng)，精度下降越多；②航向和姿態(tài)測(cè)量精度低；③易受遮擋；④ 受粉塵影響，難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量。
5.組合導(dǎo)航技術(shù)
以慣導(dǎo)系統(tǒng)為核心，融合其他上述測(cè)量方法，采用組合導(dǎo)航技術(shù)，發(fā)揮各種導(dǎo)航方法的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)設(shè)備的定位和導(dǎo)航。
（1）典型應(yīng)用：掘進(jìn)設(shè)備導(dǎo)航定位
（2）優(yōu)劣勢(shì)分析：
優(yōu)點(diǎn)：定位/航向/姿態(tài)測(cè)量精度高；
缺點(diǎn)：① 全站儀操作復(fù)雜，對(duì)操作人員要求高；② 易受粉塵干擾，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量；③ 掘進(jìn)設(shè)備快速移動(dòng)會(huì)發(fā)生跟蹤丟失問(wèn)題。
6.掘進(jìn)工作面對(duì)導(dǎo)航定位技術(shù)的要求
（1）精度高、信息全：同時(shí)提供定位、航向、姿態(tài)信息；橫向定位精度優(yōu)于5cm；航向定位精度優(yōu)于0.5°（掘進(jìn)）/0.1°（掘錨、連采）。
（2）操作簡(jiǎn)單、便于安裝：設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)、標(biāo)校，無(wú)需或盡可能減少人工操作；設(shè)備運(yùn)行內(nèi)部閉環(huán)，自成體系。
（3）環(huán)境實(shí)用性強(qiáng)：具備抗粉塵、抗振動(dòng)、抗潮濕的能力；具備連續(xù)測(cè)量能力，可實(shí)時(shí)、連續(xù)輸出導(dǎo)航定位結(jié)果。
三、實(shí)際應(yīng)用情況及進(jìn)展
1.連采設(shè)備定位、導(dǎo)航系統(tǒng)
1）連采機(jī)的工作特點(diǎn)分析
（1）掘進(jìn)速率高，單日進(jìn)尺多。連采機(jī)單巷的單日進(jìn)尺在30米~60米；
（2）連采機(jī)工作時(shí)運(yùn)動(dòng)速度高、動(dòng)態(tài)范圍大。由于連采機(jī)采用的雙刀、雙巷的掘進(jìn)工藝，在工作過(guò)程中存在大范圍移機(jī)（同一個(gè)巷道）和巷道之間調(diào)機(jī)的情況，機(jī)身運(yùn)動(dòng)的速度快、范圍大；
（3）粉塵較小。主要由用于全煤巷截割，連采機(jī)除塵效果優(yōu)于懸臂式掘進(jìn)機(jī)，工作過(guò)程中粉塵濃度相對(duì)較??；
（4）需要考慮梭車(chē)和電纜的影響。連采機(jī)跟機(jī)電纜需要司機(jī)監(jiān)測(cè)和拖拽的，在智能化改造過(guò)程中也需要考慮如何實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作。
2）連采機(jī)定位導(dǎo)航
“光斑測(cè)量+目標(biāo)跟蹤+粉塵自適應(yīng)”的環(huán)境適應(yīng)性提升技術(shù)。
3）關(guān)鍵技術(shù)
（1）“光學(xué)測(cè)量+慣導(dǎo)”的組合定位導(dǎo)航方式；
（2）“目標(biāo)識(shí)別+定位測(cè)量+控制反饋”的目標(biāo)跟蹤方法；
（3）粉塵濃度自適應(yīng)技術(shù)。
4）連采工作面定位導(dǎo)航
連續(xù)采煤機(jī)、電纜收放車(chē)、梭車(chē)、錨桿鉆車(chē)、破碎機(jī)皮帶機(jī)、集控中心。
本套產(chǎn)品已經(jīng)在神東等多個(gè)煤礦進(jìn)行井下使用，并通過(guò)各級(jí)驗(yàn)收。同時(shí)也是國(guó)內(nèi)首套在井下獲得應(yīng)用的連采機(jī)定位導(dǎo)航產(chǎn)品。
2.掘錨機(jī)及其后配套設(shè)備定位、導(dǎo)航系統(tǒng)
1）掘錨機(jī)的工作特點(diǎn)分析
（1）掘進(jìn)速率高，工作距離長(zhǎng)
連采機(jī)單巷的單日進(jìn)尺在50米以上，假設(shè)慣導(dǎo)的航向誤差為0.1°，掘進(jìn)100米后由于慣導(dǎo)航向誤差產(chǎn)生的橫向偏移測(cè)量誤差為17.5cm。因此必須考慮慣導(dǎo)航向誤差造成的橫向偏移累計(jì)；
（2）掘錨機(jī)與運(yùn)錨機(jī)交替前進(jìn)的運(yùn)動(dòng)方式
實(shí)際工況中，掘錨機(jī)與運(yùn)錨機(jī)是交替前進(jìn)的，不僅需要考慮對(duì)掘錨機(jī)的導(dǎo)航定位與自動(dòng)控制，還需要考慮對(duì)運(yùn)錨機(jī)的導(dǎo)航定位與聯(lián)動(dòng)控制；
2）掘錨機(jī)導(dǎo)航定位方案
（1）采用“激光導(dǎo)引+慣導(dǎo)”的組合導(dǎo)航技術(shù)，實(shí)現(xiàn)掘錨機(jī)和錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)互為基準(zhǔn)的精準(zhǔn)定位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定步距行走、自動(dòng)跟隨行走。
“互為基準(zhǔn)” 式的交替定位方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)掘錨機(jī)和運(yùn)錨機(jī)實(shí)時(shí)、連續(xù)導(dǎo)航定位及自動(dòng)控制，無(wú)需人工干預(yù)。
（2）采用“視覺(jué)+激光+慣導(dǎo)”的組合測(cè)量技術(shù)，解決長(zhǎng)距離、快速推進(jìn)條件下累計(jì)誤差的校正。
3）系統(tǒng)方案
4）掘錨機(jī)定位導(dǎo)航
3.懸臂式掘進(jìn)機(jī)定位、導(dǎo)航系統(tǒng)
1）懸臂式掘進(jìn)機(jī)的工作特點(diǎn)分析
（1）掘進(jìn)速率低
通常單日掘進(jìn)進(jìn)尺在20米以下。
（2）環(huán)境惡劣，強(qiáng)振動(dòng)、大粉塵
有半煤巖航和巖巷的應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)備工作條件惡劣，存在比較強(qiáng)烈的振動(dòng)和濃度較大的粉塵工況。
（3）關(guān)注導(dǎo)航定位設(shè)備的成本
由于掘進(jìn)機(jī)自身造價(jià)低，因此關(guān)注于導(dǎo)航定位設(shè)備的成本。
2）掘進(jìn)機(jī)定位導(dǎo)航
掘進(jìn)機(jī)導(dǎo)航定位系統(tǒng)由激光導(dǎo)引裝置和掘進(jìn)機(jī)位姿測(cè)量裝置兩部分構(gòu)成。
四、基于導(dǎo)航定位的拓展
1.掘進(jìn)設(shè)備的軌跡規(guī)劃與自主行走
智能化作業(yè)中，對(duì)掘進(jìn)設(shè)備的行走智能化要求：
（1）所有掘進(jìn)設(shè)備的精準(zhǔn)進(jìn)刀步進(jìn)行走控制；
（2）懸臂式掘進(jìn)機(jī)的二次前進(jìn)截割、截割完成后的后退貼幫；
（3）連采機(jī)“切槽->掃幫”的橫向移機(jī)要求；
（4）掘錨機(jī)、運(yùn)錨機(jī)前進(jìn)時(shí)的貼近巷道中線(xiàn)要求。
基于精準(zhǔn)位置和航向測(cè)量的軌跡控制算法的“U型”移機(jī)路徑規(guī)劃算法。
2.炮頭絕對(duì)坐標(biāo)截割
1）智能化作業(yè)中，對(duì)掘進(jìn)設(shè)備的截割智能化要求：
（1）截割炮頭位置影響截割工程質(zhì)量；
（2）需在考慮掘進(jìn)設(shè)備位置、姿態(tài)的基礎(chǔ)上，根據(jù)截割斷面要求，實(shí)時(shí)調(diào)整炮頭坐標(biāo)。
2）基于掘進(jìn)機(jī)機(jī)身幾何參數(shù)與導(dǎo)航定位系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果，建立掘進(jìn)設(shè)備炮頭的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解和反解模型：
（1）解算出炮頭在巷道坐標(biāo)系內(nèi)的絕對(duì)坐標(biāo)（相對(duì)于巷道中線(xiàn)，而不是機(jī)體本身），便于實(shí)時(shí)監(jiān)控；
（2）根據(jù)截割斷面的尺寸和坐標(biāo)要求，精確解算出炮頭旋轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度，使炮頭準(zhǔn)確的達(dá)到截割位置。
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