導語：慣性導航技術及產(chǎn)品屬于典型軍轉民高科技技術產(chǎn)品，廣泛應用于航空、航海、礦山、鐵路等領域。本期轉化果平臺推薦的《導航定位技術在煤礦井下掘進工作面的應用》，介紹了常見導航技術，慣性導航技術，慣性系統(tǒng)構成，基于單慣導的航向和姿態(tài)測量，基于陣列式測距傳感器，基于UWB技術定位，基于視覺測量的定位技術，組合導航技術，掘進工作面對導航定位技術的要求，連采設備定位、導航系統(tǒng)，掘錨機及其后配套設備定位、導航系統(tǒng)，懸臂式掘進機定位、導航系統(tǒng)，基于導航定位的拓展，掘進設備的軌跡規(guī)劃與自主行走，炮頭絕對坐標截割等系統(tǒng)。歡迎致電垂詢400-1817-969。
一、慣性導航技術簡介
1.常見導航技術
目前，常見導航技術有天文導航、衛(wèi)星導航、無線電導航、慣性導航。
2.慣性導航技術
3.慣性系統(tǒng)構成
慣導系統(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、掘進工作面導航技術手段
1.基于單慣導的航向和姿態(tài)測量
以慣導系統(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）典型應用：掘進機定位導航。
（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技術定位
通過測量巷道內(nèi)部預先設置的已知位置的4個以上的基站發(fā)送的無線信號到達標簽點（安裝在掘進機機身上）的時間差，解算進行定位。
（1）典型應用：掘進面設備定位、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
通過攝像機測量特定靶標或者激光束，采用視覺測量技術解算靶標位置和姿態(tài)，進而對載體（掘進機）進行定位和導航。
（1）典型應用：掘進面設備定位、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.組合導航技術
以慣導系統(tǒng)為核心，融合其他上述測量方法，采用組合導航技術，發(fā)揮各種導航方法的優(yōu)勢，實現(xiàn)對掘進設備的定位和導航。
（1）典型應用：掘進設備導航定位
（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 掘進設備快速移動會發(fā)生跟蹤丟失問題。
6.掘進工作面對導航定位技術的要求
（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：設備能夠?qū)崿F(xiàn)自動對準、標校，無需或盡可能減少人工操作；設備運行內(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)輸出導航定位結果。
三、實際應用情況及進展
1.連采設備定位、導航系統(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）連采機定位導航
“光斑測量+目標跟蹤+粉塵自適應”的環(huán)境適應性提升技術。
3）關鍵技術
（1）“光學測量+慣導”的組合定位導航方式；
（2）“目標識別+定位測量+控制反饋”的目標跟蹤方法；
（3）粉塵濃度自適應技術。
4）連采工作面定位導航
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)首套在井下獲得應用的連采機定位導航產(chǎn)品。
2.掘錨機及其后配套設備定位、導航系統(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，假設慣導的航向誤差為0.1°，掘進100米后由于慣導航向誤差產(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航定位與自動控制，還需要考慮對運錨機的導航定位與聯(lián)動控制；
2）掘錨機導航定位方案
（1）采用“激光導引+慣導”的組合導航技術，實現(xiàn)掘錨機和錨桿轉載機互為基準的精準定位，進而實現(xiàn)定步距行走、自動跟隨行走。
“互為基準” 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)導航定位及自動控制，無需人工干預。
（2）采用“視覺+激光+慣導”的組合測量技術，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）掘錨機定位導航
3.懸臂式掘進機定位、導航系統(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用場景，設備工作條件惡劣，存在比較強烈的振動和濃度較大的粉塵工況。
（3）關注導航定位設備的成本
由于掘進機自身造價低，因此關注于導航定位設備的成本。
2）掘進機定位導航
掘進機導航定位系統(tǒng)由激光導引裝置和掘進機位姿測量裝置兩部分構成。
四、基于導航定位的拓展
1.掘進設備的軌跡規(guī)劃與自主行走
智能化作業(yè)中，對掘進設備的行走智能化要求：
（1）所有掘進設備的精準進刀步進行走控制；
（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.炮頭絕對坐標截割
1）智能化作業(yè)中，對掘進設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）需在考慮掘進設備位置、姿態(tài)的基礎上，根據(jù)截割斷面要求，實時調(diào)整炮頭坐標。
2）基于掘進機機身幾何參數(shù)與導航定位系統(tǒng)的測量結果，建立掘進設備炮頭的運動學正解和反解模型：
（1）解算出炮頭在巷道坐標系內(nèi)的絕對坐標（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要求，精確解算出炮頭旋轉臺的旋轉角度，使炮頭準確的達到截割位置。
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