多传感器信息的悬臂式掘进机空间位姿监测系统研究

　第４６卷第１２期煤炭科学技术Ｖｏｌ􀆰４６　Ｎｏ􀆰１２　　２０１８年１２月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｄｅｃ.２０１８　多传感器信息的悬臂式掘进机空间位姿监测系统研究毛清华１ꎬ２ꎬ张旭辉１ꎬ２ꎬ马宏伟１ꎬ２ꎬ薛旭升１ꎬ２(１.西安科技大学机械工程学院ꎬ陕西西安　７１００５４ꎻ２.陕西省矿山机电装备智能监测重点实验室ꎬ陕西西安　７１００５４７)摘　要:根据煤矿综掘工作面悬臂式掘进机远程自动化开采需要实现掘进机空间位姿实时精确监测的需求ꎬ提出了一种多传感器信息的煤矿悬臂式掘进机空间位姿监测系统方案ꎬ建立了掘进机空间位姿数学模型ꎮ该系统运用油缸行程传感器检测截割臂姿态角ꎬ运用超声、激光和惯导与地磁融合的组合惯导检测掘进机机身空间位姿ꎮ构建了煤矿悬臂式掘进机远程监控试验平台ꎬ并对掘进机位姿传感检测系统进行了试验测试ꎮ试验结果表明:基于油缸行程传感器的截割臂升降角度模型误差为０.２３°ꎬ超声传感器的机身偏航位移检测误差为０.０２４ｍꎬ激光传感器的车前距检测误差为０.００６ｍꎬ惯导与地磁融合的组合惯导信号不仅不被防爆外壳屏蔽ꎬ而且克服了惯导航向角随时间产生累积误差的难题ꎬ航向角检测误差在０.２°范围内ꎮ关键词:悬臂式掘进机ꎻ多传感器ꎻ位姿监测ꎻ组合惯导ꎻ地磁中图分类号:ＴＤ４２１.５　　　文献标志码:Ａ　　　文章编号:０２５３－２３３６(２０１８)１２－００４１－０７Ｓｔｕｄｙｏｎｓｐａｔｉａｌｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｐｏｓｔｕｒｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｂｏｏｍ－ｔｙｐｅｒｏａｄｈｅａｄｅｒｂａｓｅｄｏｎｍｕｌｔｉｓｅｎｓｏｒｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＭＡＯＱｉｎｇｈｕａ１ꎬ２ꎬＺＨＡＮＧＸｕｈｕｉ１ꎬ２ꎬＭＡＨｏｎｇｗｅｉ１ꎬ２ꎬＸＵＥＸｕｓｈｅｎｇ１ꎬ２(１.ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＸｉ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＸｉ’ａｎ　７１００５４ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＳｈａａｎｘｉＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆＭｉｎｅＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔꎬＸｉ’ａｎ　７１００５４ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｒｅｍｏｔｅａｕｔｏｍａｔｉｃｍｉｎｉｎｇｏｆｂｏｏｍ－ｔｙｐｅｒｏａｄｈｅａｄｅｒｉｎｆｕｌｌｙｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｆａｃｅｏｆｃｏａｌｍｉｎｅꎬｔｈｅｒｅａｌ－ｔｉｍｅａｎｄｐｒｅｃｉｓｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｓｐａｔｉａｌｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｐｏｓｔｕｒｅｏｆｒｏａｄｈｅａｄｅｒｎｅｅｄｓｔｏｂｅｒｅａｌｉｚｅｄꎬａｓｙｓｔｅｍｓｃｈｅｍｅｏｆｓｐａｔｉａｌｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｐｏｓｔｕｒｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｂａｓｅｄｏｎｍｕｌｔｉｓｅｎｓｏｒｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄａｎｄｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃｍｏｄｅｌｏｆｓｐａｔｉａｌｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｐｏｓｔｕｒｅｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ.Ｉｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍꎬｃｕｔｔｉｎｇａｒｍａｔｔｉｔｕｄｅａｎｇｌｅｉｓｔｅｓｔｅｄｂｙｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓｅｎｓｏｒｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｙｌｉｎｄｅｒａｎｄｓｐａｔｉａｌｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｐｏｓｔｕｒｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｒｅｔｅｓｔｅｄｂｙｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓｅｎｓｏｒｓꎬｌａｓｅｒｓｅｎｓｏｒｓａｎｄｃｏｍｂｉｎｅｄｉｎｓｂａｓｅｄｏｎｆｕｓｉｏｎｏｆｉｎｓａｎｄｇｅｏｍａｇｎｅｔｉｃ.Ａｒｅｍｏｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｌａｔ￣ｆｏｒｍｏｆｂｏｏｍ－ｔｙｐｅｒｏａｄｈｅａｄｅｒｉｓｂｕｉｌｔａｎｄｔｈｅｔｅｓｔｉｎｇｏｆｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｐｏｓｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒｓｓｙｓｔｅｍｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ.Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｌｉｆｔａｎｇｌｅｔｅｓｔｉｎｇｅｒｒｏｒｏｆｃｕｔｔｉｎｇａｒｍｉｓ０.２３°ꎬｔｈｅｙａｗｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｔｅｓｔｉｎｇｅｒｒｏｒｏｆｔｈｅｒｏａｄｈｅａｄｅｒｂｏｄｙｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓｅｎｓｏｒｉｓ０.０２４ｍꎬｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｆｒｏｎｔｄｉｓｔａｎｃｅｔｅｓｔｉｎｇｅｒｒｏｒｉｓ０.００６ｍ.Ｃｏｍｂｉｎｅｄｉｎｓｓｉｇｎａｌｂａｓｅｄｏｎｆｕｓｉｏｎｏｆｉｎｓａｎｄｇｅｏｍａｇｎｅｔｉｃｉｓｎｏｔｏｎｌｙｎｏｔｂｅｓｈｉｅｌｄｅｄｆｒｏｍｔｈｅｅｘｐｌｏｓｉｏｎ－ｐｒｏｏｆｅｎｃｌｏｓｕｒｅꎬｂｕｔａｌｓｏｉｔｏｖｅｒｃｏｍｅｓｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｅｒｒｏｒｏｆｉｎｓｎａｖｉｇａｔｉｏｎａｎｇｌｅｗｉｔｈｔｉｍｅａｎｄｔｈｅｔｅｓｔｉｎｇｅｒｒｏｒｏｆｎａｖｉｇａｔｉｏｎａｎｇｌｅｉｓｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｏｆ０.２°ꎮＫｅｙｗｏｒｄｓ:ｂｏｏｍ－ｔｙｐｅｒｏａｄｈｅａｄｅｒꎻｍｕｌｔｉｓｅｎｓｏｒꎻｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｐｏｓｔｕｒｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇꎻｃｏｍｂｉｎｅｄｉｎｓꎻｇｅｏｍａｇｎｅｔｉｃ收稿日期:２０１８－０６－０３ꎻ责任编辑:赵　瑞　　ＤＯＩ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１８􀆰１２􀆰００７基金项目:国家工信部绿色制造系统集成资助项目(工信部节函[２０１７]３２７号)ꎻ西安市科技局高校院所人才服务企业工程资助项目(２０１７０７９ＣＧ/ＲＣ０４２(ＸＡＫＤ００２))ꎻ陕西省创新人才计划资助项目(２０１８ＴＤ－０３２)ꎻ陕西省创新能力支撑计划资助项目(２０１８ＴＤ－０３２)作者简介:毛清华(１９８４—)ꎬ男ꎬ江西吉安人ꎬ副教授ꎬ博士ꎮＥ－ｍａｉｌ:[e-mail]引用格式:毛清华ꎬ张旭辉ꎬ马宏伟ꎬ等􀆰多传感器信息的悬臂式掘进机空间位姿监测系统研究[Ｊ]􀆰煤炭科学技术ꎬ２０１８ꎬ４６(１２):４１－４７􀆰ＭＡＯＱｉｎｇｈｕａꎬＺＨＡＮＧＸｕｈｕｉꎬＭＡＨｏｎｇｗｅｉꎬｅｔａｌ􀆰Ｓｔｕｄｙｏｎｓｐａｔｉａｌｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｐｏｓｔｕｒｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｂｏｏｍ－ｔｙｐｅｒｏａｄｈｅａｄｅｒｂａｓｅｄｏｎｍｕｌｔｉｓｅｎｓｏｒｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ[Ｊ]􀆰ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１８ꎬ４６(１２):４１－４７􀆰０　引　　言目前ꎬ我国煤矿巷道掘进以悬臂式掘进机为主ꎮ我国悬臂式掘进机与奥地利、德国等国外先进装备相比ꎬ在远程控制技术、自动控制技术及可靠性方面还存在一定的差距ꎮ目前ꎬ悬臂式掘进机主要采用人工１４２０１８年第１２期煤炭科学技术第４６卷目视截割断面的激光光斑进行操作ꎬ操作人员劳动强度较大、舒适性较差、生产率较低[１－３]ꎮ煤矿掘进工作面仍然是我国煤矿事故多发区ꎬ２０１０—２０１４年期间ꎬ煤矿掘进工作面事故造成３人以上死亡人数ꎬ所占煤矿所有造成３人以上事故的比例超过了４０％[４]ꎮ因此ꎬ亟需提高掘进装备自动化和智能化水平ꎬ对于确保我国煤矿安全高效生产具有极其重要的意义ꎮ悬臂式掘进机空间位姿远程监测是实现掘进机远程控制、定向掘进和截割断面自动成形控制的基础ꎮ目前ꎬ煤矿悬臂式掘进机截割头和机身空间位姿检测成为研究热点[５－７]ꎮ对于截割头位姿检测主要采用角度传感器、三轴加速度传感器或液压油缸行程传感器检测截割臂水平回转和升降角度ꎬ建立截割臂正运动学模型ꎬ并运用Ｄ－Ｈ法解算得出截割头空间位置模型[８－９]ꎮ对于掘进机机身空间位姿检测ꎬ先进检测方法主要有:吴淼等[１０]研究了基于空间交汇测量技术的悬臂式掘进机位姿自主测量方法ꎬ该方法由悬臂式掘进机搭载激光发射器和在已成型煤巷顶部安装激光接收器ꎬ并将激光接收器的若干点的三维坐标代入位姿解算模型ꎬ得到悬臂式掘进机机身空间位姿ꎮ杜雨馨[１１]研究了基于机器视觉的悬臂式掘进机机身位姿检测系统ꎬ该系统以十字激光器与激光标靶为信息来源ꎬ通过对标靶上十字光线成像特征的分析ꎬ从而得出机身空间位姿ꎮ以上方法具有较多优点ꎬ然而ꎬ煤矿掘进工作面环境恶劣、粉尘浓度大ꎬ激光和机器视觉传感器容易受粉尘干扰ꎮ符世琛等[１２]研究了一种基于超宽带定位技术的悬臂式掘进机自主定位定向方法ꎬ该方法可有效扩大测量范围到４００ｍꎬ但是由于基站布局的限制ꎬ横滚角与俯仰角的解算精度不高ꎮ惯性导航传感器具有不需要任何外界信息就能得到位姿参量的特点ꎬ在采煤机、机器人等领域实现了精确定位ꎬ但是惯导传感器航向角存在随时间产生累积误差的缺点[１３－１５]ꎮ因此ꎬ笔者运用惯导与地磁融合的组合惯导ꎬ该组合惯导采用三轴地磁传感器数据对惯导进行校正ꎬ克服了惯导传感器航向角随时间产生累积误差的难题ꎮ笔者构建了多传感器信息的煤矿悬臂式掘进机空间位姿监测系统ꎬ以期为实现悬臂式掘进机的自动化和智能化提供技术参考ꎮ１　多传感器信息的掘进机空间位姿监测系统设计　　掘进机空间位姿监测主要监测掘进机截割头和机身空间位姿ꎬ构建的多传感器信息的煤矿悬臂式掘进机空间位姿监测系统方案如图１所示ꎬ系统主要由传感器检测系统、机载信号处理器和掘进机空间位姿监测上位软件３大部分组成ꎬ系统各个部分组成及功能如下:图１　掘进机位姿监测系统方案Ｆｉｇ.１　Ｒｏａｄｈｅａｄｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｐｏｓｔｕｒｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓｃｈｅｍｅ　　１)传感检测模块功能及传感器选型ꎮ①截割头位姿检测ꎮ根据悬臂式掘进机结构分析ꎬ截割头位姿检测关键是检测截割臂升降角度、水平回转角度和截割头伸缩油缸位移ꎮ考虑截割臂工作过程中振动较大ꎬ运用角度传感器检测截割臂升降角度与水平回转角度容易损坏ꎮ因此ꎬ选用磁致伸缩油缸行程传感器安装在液压缸内部ꎬ间接检测截割臂升降角度与水平回转角度ꎬ传感器采用４~２０ｍＡ模拟量输出ꎮ②机身位姿检测ꎮ掘进机沿巷道底板前进ꎬ掘进机机身偏离巷道设计中线ꎬ不考虑浮煤的影２４毛清华等:多传感器信息的悬臂式掘进机空间位姿监测系统研究２０１８年第１２期响ꎬ可采用机身航向角、机身俯仰角、机身横滚角、机身偏航位移和车前距等５个参数完全描述[１６－１８]ꎮ本系统在掘进机机身左右两端各布置量程为６ｍ的本安型超声传感器ＧＵＣ６检测机身偏航位移ꎬ在掘进机前端布置量程为５ｍ的２个本安型激光传感器ＧＪＪ－５检测车前距ꎮ因为超声传感器具有发散角ꎬ安装在机身前端容易被截割臂挡住ꎬ因此机身前端左右两侧各布置１个激光传感器检测车前距ꎮ采用ＴｒａｎｓｄｕｃｅｒＭ系列的惯导与地磁融合的组合惯导ＴＭ３５２检测机身航向角、俯仰角和机横滚角ꎮ２)机载信号处理模块ꎮ机载信号处理模块主要由Ａ/Ｄ转换模块、ＲＳ４８５通信模块、核心处理器和以太网通信模块组成ꎬＡ/Ｄ转换模块主要采集掘进机截割臂油缸行程传感器数据ꎬＲＳ４８５通信模块主要获取掘进机机身姿态检测传感器数据ꎬ以太网通信模块主要将掘进机位姿检测数据传输到上位监测软件ꎮ３)掘进机空间位姿监测上位软件ꎮ掘进空间机位姿监测上位软件主要由数据库存车模块、截割头空间位姿解算模块、机身空间位姿解算模块和位姿监测数据显示模块等构成ꎮ首先ꎬ将机载信号处理器传输过来的掘进机位姿监测数据存储到数据库中ꎮ然后ꎬ运用截割头空间位姿解算模块和机身空间位姿解算模块得出截割头和机身空间位姿ꎬ并将计算结果存储到数据库中ꎮ位姿监测数据显示模块实时显示掘进机位姿监测数据与历史查询数据ꎬ以及报警提示等ꎮ２　掘进机空间位姿解算模型２.１　基于油缸行程传感器的截割头空间位姿解算模型　　通过油缸行程传感器得出截割头空间位姿ꎬ需要建立掘进机坐标系统ꎬ并通过Ｄ－Ｈ法解算才能得到截割头位姿检测模型ꎮ掘进机坐标系统及连杆参数如图２所示ꎮ图２　掘进机坐标系统及连杆参数Ｆｉｇ.２　ＣｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍａｎｄｐａｒａｍｅｔｅｒｏｆＲｏａｄｈｅａｄｅｒ掘进机坐标系统主要包括掘进机机身坐标系Ｏ０ｘ０ｙ０ｚ０、回转台坐标系Ｏ１ｘ１ｙ１ｚ１、升降回转中心坐标系Ｏ２ｘ２ｙ２ｚ２、伸缩油缸坐标系Ｏ３ｘ３ｙ３ｚ３、截割头坐标系Ｏ４ｘ４ｙ４ｚ４ꎮ坐标系的建立原则是ｚ轴与各个关节旋