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基于非完整性约束的采煤机定位方法

宋单阳 杨金衡 陶心雅 卢春贵 田慕琴 宋建成

宋单阳,杨金衡,陶心雅,等. 基于非完整性约束的采煤机定位方法[J]. 工矿自动化,2022,48(7):52-57.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022020006
引用本文: 宋单阳,杨金衡,陶心雅,等. 基于非完整性约束的采煤机定位方法[J]. 工矿自动化,2022,48(7):52-57.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022020006
SONG Danyang, YANG Jinheng, TAO Xinya, et al. Shearer positioning method based on non-holonomic constraints[J]. Journal of Mine Automation,2022,48(7):52-57.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022020006
Citation: SONG Danyang, YANG Jinheng, TAO Xinya, et al. Shearer positioning method based on non-holonomic constraints[J]. Journal of Mine Automation,2022,48(7):52-57.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022020006

基于非完整性约束的采煤机定位方法

doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022020006
基金项目: 山西省重点研发计划项目(202102010101005)。
详细信息
    作者简介:

    宋单阳(1992—),男,山西太原人,博士研究生,研究方向为矿用智能电器技术,E-mail:136862475@qq.com

  • 中图分类号: TD679

Shearer positioning method based on non-holonomic constraints

  • 摘要: 目前基于惯性导航系统和里程计组合的采煤机定位方法直接用里程计输出对惯性导航系统推算得到的采煤机前进速度进行修正,但抑制惯性导航系统误差发散的能力非常有限。采煤机在运动过程中满足非完整性约束的特点,即在采煤机不发生跳跃和侧滑的情况下,牵引齿轮和履带连接处的侧向和垂向速度为零。基于该特点,在惯性导航系统和里程计组合定位的基础上,提出了一种基于非完整性约束的采煤机定位方法。安装于采煤机机身中部的惯性测量单元输出经机械编排获得采煤机姿态、速度和位置信息;安装于采煤机牵引齿轮上的里程计输出用于计算采煤机瞬时速度。使用惯性导航系统的机械编排结果和误差传播模型建立卡尔曼滤波状态方程,在采煤机牵引齿轮和履带的连接处引入非完整性约束,利用惯性导航系统投影在连接处的速度与里程计输出的速度之差作为观测向量,建立卡尔曼滤波观测方程;将卡尔曼滤波算法处理后的结果作为误差反馈,对惯性导航系统的输出进行修正,得到采煤机姿态、速度和位置的最优估计。实验结果表明,相较于传统惯性导航系统和里程计组合的定位方法,加入非完整性约束后定位误差没有随时间发散,对实际轨迹具有良好的追踪性能;采煤机在前向、侧向、垂向上的定位误差分别降低了66%,62%,67%。

     

  • 图  1  基于非完整性约束的采煤机定位方法原理

    Figure  1.  Principle of shearer positioning method based on non-holonomic constraints

    图  2  坐标系

    Figure  2.  Coordinate systems

    图  3  采煤机行驶轨迹

    Figure  3.  Shearer running trajectory

    图  4  采煤机定位误差

    Figure  4.  Shearer positioning error

    表  1  惯性测量单元性能参数

    Table  1.   Performance parameters of inertial measurement unit

    参数陀螺仪加速度计
    动态范围$ \pm 500 $ °/s$ \pm 2g $
    零偏$\pm 0.5 $ °/s$ \pm 0.025g $
    随机误差$0.24 $ °/$\sqrt{\mathrm{h} } $9 μm·$ \sqrt{\mathrm{h}}/\mathrm{s} $
    比例因子误差$\pm 0.82{\text{%}}$$\pm 1.46{\text{%}}$
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    表  2  采煤机定位误差最大值

    Table  2.   The maximum positioning error of shearer m

    方向定位误差最大值
    传统方法本文方法
    x0.880.30
    y0.080.03
    z0.120.04
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-02-07
  • 修回日期:  2022-07-15
  • 网络出版日期:  2022-03-15

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