關(guān)于召開第六屆山西省煤炭總工程師論壇暨山西省煤炭安全綠色智能開采論壇的通知

導(dǎo)語：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)化果平臺推薦的《導(dǎo)航定位技術(shù)在煤礦井下掘進工作面的應(yīng)用》，介紹了常見導(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)測量，基于陣列式測距傳感器，基于UWB技術(shù)定位，基于視覺測量的定位技術(shù)，組合導(dǎo)航技術(shù)，掘進工作面對導(dǎo)航定位技術(shù)的要求，連采設(shè)備定位、導(dǎo)航系統(tǒng)，掘錨機及其后配套設(shè)備定位、導(dǎo)航系統(tǒng)，懸臂式掘進機定位、導(dǎo)航系統(tǒng)，基于導(dǎo)航定位的拓展，掘進設(shè)備的軌跡規(guī)劃與自主行走，炮頭絕對坐標(biāo)截割等系統(tǒng)。歡迎致電垂詢400-1817-969。

一、慣性導(dǎo)航技術(shù)簡介

1.常見導(dǎo)航技術(shù)

目前，常見導(dǎo)航技術(shù)有天文導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、無線電導(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，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)測量

以慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的航向角和姿態(tài)角作為掘進方向的參考。

（1）典型應(yīng)用：端幫開采。

（2）優(yōu)劣勢分析：

優(yōu)點：直接安裝在機體內(nèi)，無需外界輔助，集成度高；

缺點：僅能提供航向和姿態(tài)信息，無定位信息。

2.基于陣列式測距傳感器

通過測量車身上多個位置與兩幫的距離，反算車身在巷道中的航向信息和橫向定位信息。

（1）典型應(yīng)用：掘進機定位導(dǎo)航。

（2）優(yōu)劣勢分析：

優(yōu)點：成本低、機身集成

缺點：① 測距點云密度低；② 航向/定位誤差大；③ 沒有姿態(tài)和前后位置信息；④ 易受粉塵影響。

3.基于UWB技術(shù)定位

通過測量巷道內(nèi)部預(yù)先設(shè)置的已知位置的4個以上的基站發(fā)送的無線信號到達(dá)標(biāo)簽點（安裝在掘進機機身上）的時間差，解算進行定位。

（1）典型應(yīng)用：掘進面設(shè)備定位、工作面人員定位。

（2）優(yōu)劣勢分析：

優(yōu)點：成本低、可實現(xiàn)多目標(biāo)同時定位；

缺點：① 僅能提供定位信息，無姿態(tài)信息；② 定位精度（10~30cm）難以滿足掘進精度要求；③ 隨著工作面推進，基站需要跟隨移動。

4.基于視覺測量的定位技術(shù)

通過攝像機測量特定靶標(biāo)或者激光束，采用視覺測量技術(shù)解算靶標(biāo)位置和姿態(tài)，進而對載體（掘進機）進行定位和導(dǎo)航。

（1）典型應(yīng)用：掘進面設(shè)備定位、工作面人員定位。

（2）優(yōu)劣勢分析：

優(yōu)點：定位精度高、便于實施

缺點：①工作距離短，攝像機與靶標(biāo)距離越長，精度下降越多；②航向和姿態(tài)測量精度低；③易受遮擋；④ 受粉塵影響，難以實現(xiàn)連續(xù)測量。

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，實現(xiàn)對掘進設(shè)備的定位和導(dǎo)航。

（1）典型應(yīng)用：掘進設(shè)備導(dǎo)航定位

（2）優(yōu)劣勢分析：

優(yōu)點：定位/航向/姿態(tài)測量精度高；

缺點：① 全站儀操作復(fù)雜，對操作人員要求高；② 易受粉塵干擾，不能實現(xiàn)連續(xù)測量；③ 掘進設(shè)備快速移動會發(fā)生跟蹤丟失問題。

6.掘進工作面對導(dǎo)航定位技術(shù)的要求

（1）精度高、信息全：同時提供定位、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）/0.1°（掘錨、連采）。

（2）操作簡單、便于安裝：設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)自動對準(zhǔn)、標(biāo)校，無需或盡可能減少人工操作；設(shè)備運行內(nèi)部閉環(huán)，自成體系。

（3）環(huán)境實用性強：具備抗粉塵、抗振動、抗潮濕的能力；具備連續(xù)測量能力，可實時、連續(xù)輸出導(dǎo)航定位結(jié)果。

三、實際應(yīng)用情況及進展

1.連采設(shè)備定位、導(dǎo)航系統(tǒng)

1）連采機的工作特點分析

（1）掘進速率高，單日進尺多。連采機單巷的單日進尺在30米~60米；

（2）連采機工作時運動速度高、動態(tài)范圍大。由于連采機采用的雙刀、雙巷的掘進工藝，在工作過程中存在大范圍移機（同一個巷道）和巷道之間調(diào)機的情況，機身運動的速度快、范圍大；

（3）粉塵較小。主要由用于全煤巷截割，連采機除塵效果優(yōu)于懸臂式掘進機，工作過程中粉塵濃度相對較?。?

（4）需要考慮梭車和電纜的影響。連采機跟機電纜需要司機監(jiān)測和拖拽的，在智能化改造過程中也需要考慮如何實現(xiàn)無人操作。

2）連采機定位導(dǎo)航

“光斑測量+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)測量+慣導(dǎo)”的組合定位導(dǎo)航方式；

（2）“目標(biāo)識別+定位測量+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、電纜收放車、梭車、錨桿鉆車、破碎機皮帶機、集控中心。

本套產(chǎn)品已經(jīng)在神東等多個煤礦進行井下使用，并通過各級驗收。同時也是國內(nèi)首套在井下獲得應(yīng)用的連采機定位導(dǎo)航產(chǎn)品。

2.掘錨機及其后配套設(shè)備定位、導(dǎo)航系統(tǒng)

1）掘錨機的工作特點分析

（1）掘進速率高，工作距離長

連采機單巷的單日進尺在50米以上，假設(shè)慣導(dǎo)的航向誤差為0.1°，掘進100米后由于慣導(dǎo)航向誤差產(chǎn)生的橫向偏移測量誤差為17.5cm。因此必須考慮慣導(dǎo)航向誤差造成的橫向偏移累計；

（2）掘錨機與運錨機交替前進的運動方式       

實際工況中，掘錨機與運錨機是交替前進的，不僅需要考慮對掘錨機的導(dǎo)航定位與自動控制，還需要考慮對運錨機的導(dǎo)航定位與聯(lián)動控制；

2）掘錨機導(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)，實現(xiàn)掘錨機和錨桿轉(zhuǎn)載機互為基準(zhǔn)的精準(zhǔn)定位，進而實現(xiàn)定步距行走、自動跟隨行走。

“互為基準(zhǔn)” 式的交替定位方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對掘錨機和運錨機實時、連續(xù)導(dǎo)航定位及自動控制，無需人工干預(yù)。

（2）采用“視覺+激光+慣導(dǎo)”的組合測量技術(shù)，解決長距離、快速推進條件下累計誤差的校正。

3）系統(tǒng)方案

4）掘錨機定位導(dǎo)航

3.懸臂式掘進機定位、導(dǎo)航系統(tǒng)

1）懸臂式掘進機的工作特點分析

（1）掘進速率低

通常單日掘進進尺在20米以下。

 （2）環(huán)境惡劣，強振動、大粉塵       

有半煤巖航和巖巷的應(yīng)用場景，設(shè)備工作條件惡劣，存在比較強烈的振動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       

由于掘進機自身造價低，因此關(guān)注于導(dǎo)航定位設(shè)備的成本。

2）掘進機定位導(dǎo)航

掘進機導(dǎo)航定位系統(tǒng)由激光導(dǎo)引裝置和掘進機位姿測量裝置兩部分構(gòu)成。

四、基于導(dǎo)航定位的拓展

1.掘進設(shè)備的軌跡規(guī)劃與自主行走

智能化作業(yè)中，對掘進設(shè)備的行走智能化要求：

（1）所有掘進設(shè)備的精準(zhǔn)進刀步進行走控制；

（2）懸臂式掘進機的二次前進截割、截割完成后的后退貼幫；

（3）連采機“切槽->掃幫”的橫向移機要求；

（4）掘錨機、運錨機前進時的貼近巷道中線要求。

基于精準(zhǔn)位置和航向測量的軌跡控制算法的“U型”移機路徑規(guī)劃算法。

2.炮頭絕對坐標(biāo)截割

1）智能化作業(yè)中，對掘進設(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）需在考慮掘進設(shè)備位置、姿態(tài)的基礎(chǔ)上，根據(jù)截割斷面要求，實時調(diào)整炮頭坐標(biāo)。

2）基于掘進機機身幾何參數(shù)與導(dǎo)航定位系統(tǒng)的測量結(jié)果，建立掘進設(shè)備炮頭的運動學(xué)正解和反解模型：

（1）解算出炮頭在巷道坐標(biāo)系內(nèi)的絕對坐標(biāo)（相對于巷道中線，而不是機體本身），便于實時監(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)臺的旋轉(zhuǎn)角度，使炮頭準(zhǔn)確的達(dá)到截割位置。

轉(zhuǎn)化果平臺咨詢電話：400-1817-969