创新点
（1）提出了一种可以自主、动态感知悬臂式掘进机行走轨迹、偏角和偏距的位姿感知方法，为掘进机定向掘进提供纠偏基准参数。
（2）搭建了基于激光偏距感知、捷联惯导、二维里程计的行走轨迹及偏差感知系统，制定了基于此系统的掘进机自主定向掘进策略。
（3）研制了掘进机位姿参数交互式远程显示系统，实现了掘进机位动态位姿参数的远程可视化，为掘进机无人控制奠定了基础。
作者
吴淼1，沈阳1，吉晓冬1,2，王鹏江1，姜海1，郑伟雄1，李悦1
单位
1.中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院；2.石家庄煤矿机械有限公司
研究背景
目前,我国综掘普遍采用的掘进定向方法仍旧是传统的“激光指向仪”指示法。煤矿地测部门人员利用全站仪确定指向仪在巷道顶板的安装位置,保证其指示方向与巷道设计中线方向完全一致,这样指向仪在大地坐标系下的绝对位置坐标和指向的绝对角度值即为已知。
激光指向仪发射的激光光斑是掘进定向的惟一依据,施工人员肉眼感知光斑位置,凭借经验操控掘进走向。每一轮或几轮断面截割完成后,人工测量光斑与巷道两帮的距离,以评估巷道走向是否存在偏差,并在此后掘进中做出相应调整,达到定向掘进的目的。
上述方式存在较多的问题
1)只能对巷道设计方向进行指示,与掘进机本身位姿参数无任何联系,无法为掘进机自主导控和巷道偏差补偿提供基准参数。(2)无法解读激光光束所携带的基准信息,仅凭司机肉眼观察感知,凭经验操控向前掘进。(3)工作面粉尘质量浓度大,作业现场光线差,司机视线受遮挡。(4)属于巷道掘后检测,无法在掘进过程中实时感知掘进偏差。(5)需多人员协助测量,危险系数高,劳动强度大,自动化水平低。
煤巷综掘无人化、智能化的发展趋势亟需发展巷道智能定向掘进感知技术。以往的研究对于掘进机位姿感知水平有了大幅提升,为巷道的精准定向掘进做出了很大贡献,但由于综掘工作面环境恶劣(高温、高湿、高粉尘、光线昏暗、底板起伏大),灾害频发(瓦斯、冒顶、片帮、底臌),装备繁多(掘进机、转载机、带式输送机、刮板输送机、临时支架、钻锚设备等),空间狭小(狭长封闭空间)、工艺离散(掘-支-网-钻-锚-运六大主要工艺环节彼此独立),目前还不能够在综掘流程中实现实时、自主、精准感知掘进机姿态和位置,生成行走轨迹为掘进机的动态调整提供参考的实用方法。
另外,悬臂式掘进机为主的综掘工作面是一种间断式的循环截割掘进,可以由断面截割补偿掘进机机身位姿的偏差。而上述研究只是检测掘进机的位姿参数,并未建立机身位姿参数与巷道定向掘进的关系,不能为截割断面误差补偿提供偏差参数。
再者,掘-支同步式快速掘进新工艺已在普遍探索之中,有可能成为一种发展趋势,新型快掘机组中的临时支护设备将严重遮挡综掘作业空间,造成“外置式”位姿感知装置严重受限,因此“机载式”的位姿感知方法成为必然需求。
摘要
悬臂式掘进机机身位姿参数的实时精准感知是煤矿巷道定向掘进,乃至综掘工作面智能化、无人化建设的关键环节,在综掘工作面复杂工况下目前还不能真正实现掘进机机身位姿实时、自主、精准感知。提出了一种悬臂式掘进机行走轨迹及偏差感知方法,旨在实时确定掘进机机身的方位偏差,为掘进机定向掘进提供纠偏基准参数。
在以往研究的基础上,搭建了基于激光偏距感知、捷联惯导、二维里程计的掘进机行走轨迹及偏差感知系统,分析了掘进机机身方位偏差与巷道定向掘进的关系,制定了基于此系统的掘进机自主定向掘进策略;基于捷联式惯性导航系统在综掘工作面的适用改进推导了其初始粗对准和姿态更新算法,确立了掘进机航向角与偏角的联系;研制的二维里程计可同时测量掘进机横向和纵向里程增量,推导了基于二维里程和偏角的航位推算算法,得到了掘进机实时位置坐标。
研发了掘进机位姿参数可视化交互式远程显示系统,搭建了包括掘进机井下、井上可视化远程控制平台、全站仪在内的掘进机行走轨迹及偏差感知精度验证实验系统。工业性实验结果表明所提方法实现了掘进机机身偏角、偏距(横坐标)、纵坐标的精准感知,验证了所提方法的可行性及优越性,满足巷道掘进对于掘进机机身定位定向要求。
部分图片
掘进机偏角
掘进机偏距
系统组成
二维里程计结构
二维里程计安装位置
巷道坐标系与大地坐标系关系
系统原理
掘进机行进轨迹及偏差示意
激光标靶
扇形激光发射器
光纤捷联惯导
二维里程计
全站仪及棱镜布置
掘进机实际轨迹与系统测量显示轨迹对比
作者简介
吴淼，男，年4月生，山东泰安人，博士，教授，博士生导师。中国矿业大学（北京）党委委员、校学位委员会委员、北京市自然基金第五届委员会顾问、煤炭行业机械与电气专家委员会委员。曾担任中国矿业大学机电学院副院长、科研处副处长、计算机科学与技术系学院院长兼书记、中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院院长兼书记。获得国务院“政府特殊津贴”、原煤炭工业部“业务拔尖人才”等荣誉。获得省部级科技和教学奖励14项。发表学术论文余篇，授权专利60余项。出版《中国现代采煤机械》等专著4部。
研究方向
矿山设备智能化技术，设备状态监测与故障诊断，高浓度粘稠固废管道输送与处置利用
主要成果
致力于煤矿综掘悬臂式掘进机行走、纠偏及截割精准智能测控原理与方法研究，攻克的悬臂式掘进机位姿感知与智能截割遥控关键技术在行业内具有显著的示范性和先进性；研发的机器人化掘-支-锚-护联合机组样机及其协同控制策略，引领了国内综掘机器人化的装备研究；研发的设备“粘稠物料输送新技术—煤泥管道输送系统（MNS-20/16）”被列为国家重点新产品计划。
来源：
吴淼,沈阳,吉晓冬,等.悬臂式掘进机行走轨迹及偏差感知方法[J].煤炭学报,,46(7):-.
WUMiao,SHENYang,JIXiaodong,etal.Trajectoryanddeviationperceptionmethodofboom-typeroadheader[J].JournalofChinaCoalSociety,,46(7):-.
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