基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的采煤機(jī)防爆定位裝置及其校準(zhǔn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種采煤機(jī)自主定位裝置，具體是一種基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的采煤機(jī)防 爆定位裝置及其校準(zhǔn)方法，屬于采煤機(jī)絕對自主定位技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 煤炭是我國重要的基礎(chǔ)能源和原料，W煤為主的能源結(jié)構(gòu)在相當(dāng)長時間內(nèi)不會改 變，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，煤炭的需求量越來越大，伴隨的煤礦安全事故也在不斷增多；煤 炭資源安全高效開發(fā)利用技術(shù)成為了國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點領(lǐng)域。
[0003] 綜采工作面是煤礦生產(chǎn)的核屯、區(qū)域，而作為綜采工作面機(jī)"的核屯、設(shè)備一采煤 機(jī)，承擔(dān)著破煤、裝煤的功能，起到關(guān)鍵性的作用。當(dāng)前大多數(shù)機(jī)"需要人工干預(yù)實現(xiàn)聯(lián) 動，而要想實現(xiàn)機(jī)"自動化與協(xié)同工作，W及實現(xiàn)液壓支架跟機(jī)自動化W及采煤機(jī)自適 應(yīng)記憶截割，其關(guān)鍵技術(shù)是采煤機(jī)在綜采工作面的精確位置確定。
[0004] 通過查閱現(xiàn)有的文獻(xiàn)及專利，對此類實驗裝置的研究比較少，大多集中于實驗方 法的研究，采煤機(jī)定位裝置的機(jī)械設(shè)計只是概念性的提出，其空間結(jié)構(gòu)、空間布局未進(jìn)行具 體研究與設(shè)計。
[0005] 例如中國專利申請?zhí)枮椋?01310353737. 7,名稱為；一種融合地質(zhì)環(huán)境信息的采 煤機(jī)絕對定位裝置與方法；又如中國專利【申請?zhí)枴?01110053172. 1，名稱為；一種綜采工作 面采煤機(jī)定位裝置及定位方法。上述專利主要是針對采煤機(jī)定位方法的研究，而對于整個 裝置的實現(xiàn)，特別是機(jī)械裝置部分卻并未設(shè)及，為下一步整個監(jiān)測裝置的實施帶來很大的 不便。
[0006] 采煤機(jī)防爆定位裝置安裝在井下惡劣環(huán)境的采煤機(jī)上，捷聯(lián)慣性導(dǎo)航單元的安裝 方式W及數(shù)據(jù)采集方式直接影響采煤機(jī)定位系統(tǒng)裝置的實現(xiàn)。因此，設(shè)計一種新的切實可 行的實驗裝置及數(shù)據(jù)采集方法，對于實現(xiàn)在真實煤礦環(huán)境下采煤機(jī)自主定位，具有很關(guān)鍵 的現(xiàn)實意義。
[0007] 由于受到捷聯(lián)慣性導(dǎo)航單元在密封防爆裝置中的安裝精度影響，使得定位裝置對 采煤機(jī)加速度W及角速度的測量產(chǎn)生偏差，目前針對捷聯(lián)慣性導(dǎo)航單元的定位裝置W及數(shù) 據(jù)采集存儲的自主定位系統(tǒng)校準(zhǔn)策略并未設(shè)及。并且由于煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，干擾較多，用 來補(bǔ)償慣導(dǎo)定位系統(tǒng)的技術(shù)較難實現(xiàn)，該就要求捷聯(lián)慣導(dǎo)定位裝置的校準(zhǔn)更加重要。
[000引隨著綜采工作面自動化程度的提高，對采煤機(jī)防爆定位裝置的精度、穩(wěn)定性提出 更高的要求，采煤機(jī)防爆定位裝置的安裝誤差角在一定程度上對系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的 影響，因此需要對其進(jìn)行校準(zhǔn)并進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的采煤機(jī)防爆 定位裝置及其校準(zhǔn)方法，能夠有效解決其抗沖擊性差、穩(wěn)定性和可靠性不足等缺陷，同時實 現(xiàn)采煤機(jī)防爆定位裝置與其內(nèi)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航間安裝角誤差校準(zhǔn)并進(jìn)行誤差補(bǔ)償。
[0010] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的采煤機(jī) 防爆定位裝置，
[0011] 它包括防爆箱、導(dǎo)引支撐裝置、電源模塊、捷聯(lián)慣性導(dǎo)航單元、可移動橡膠減震機(jī) 構(gòu)裝置W及導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理模塊；
[0012] 所述的可移動橡膠減震機(jī)構(gòu)裝置通過防爆箱底部對稱設(shè)有的固定安裝孔固定安 裝在防爆箱右側(cè)；
[0013] 所述的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航單元固定在所述可移動橡膠減震機(jī)構(gòu)裝置上；
[0014] 所述的電源模塊固定在導(dǎo)引支撐裝置上；
[0015] 所述的導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理模塊通過防爆箱底部對稱設(shè)有的模塊固定安裝孔固定安裝 在防爆箱左側(cè)。
[0016] 所述的導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理模塊包括集成于一體的微處理單元、信號指示燈與顯示輸 出、報警電路、實時時鐘、光電隔離電路、數(shù)據(jù)存儲單元和通訊模塊。
[0017] 所述的導(dǎo)引支撐裝置包括電源支撐架槽和燕尾槽型支撐骨架。
[001引所述的可移動橡膠減震機(jī)構(gòu)裝置包括上圓柱減震橡膠、可調(diào)節(jié)柔性支撐架W及下 圓柱減震橡膠。
[0019] 本裝置采用離線數(shù)據(jù)采集和實時數(shù)據(jù)采集相結(jié)合的傳輸工作方式，W針對采煤機(jī) 在特殊環(huán)境下數(shù)據(jù)無法實時傳輸?shù)膯栴}。
[0020] 所述的防爆箱規(guī)格為300mmX200mmX180mm;電源模塊采用5V，DC電源、用于對導(dǎo) 航數(shù)據(jù)處理模塊和捷聯(lián)慣性導(dǎo)航單元供電。
[0021] 一種基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的采煤機(jī)防爆定位裝置的校準(zhǔn)方法，包括W下步驟：
[0022] 1)首先準(zhǔn)備一個S維旋轉(zhuǎn)平臺，該S維旋轉(zhuǎn)平臺可繞著自身的橫軸、縱軸、豎軸進(jìn) 行旋轉(zhuǎn)且旋轉(zhuǎn)角度能夠精確實時測量；
[0023] 2)將上述的采煤機(jī)防爆定位裝置固定在=維旋轉(zhuǎn)平臺上，并確保該裝置坐標(biāo)系與 =維旋轉(zhuǎn)平臺坐標(biāo)系完全重合；
[0024] 3)對采煤機(jī)防爆定位裝置中捷聯(lián)慣性導(dǎo)航單元進(jìn)行上電操作，待其內(nèi)置=軸加速 度計和巧螺儀工作穩(wěn)定后，測量其在地球重力作用下的=軸加速度分量；若捷聯(lián)慣性導(dǎo)航 單元存在安裝偏差角，則其自身X'軸和Y'軸均有分量輸出；否則，只有Z'軸加速度計輸 出重力加速度g測量值；
[0025] 4)第一次校準(zhǔn)；若存在安裝偏差角，=維旋轉(zhuǎn)平臺先繞自身X軸逆時針旋轉(zhuǎn)，直到 Y'軸加速度輸出為0,其次=維旋轉(zhuǎn)平臺繞自身Y軸順時針旋轉(zhuǎn)，直到X'軸加速度輸出也 為0,記兩次旋轉(zhuǎn)的角度分別為a和0 ;
[0026] 5)第二次校準(zhǔn)；=維旋轉(zhuǎn)平臺繞自身的X軸順時針旋轉(zhuǎn)90°，此時Y軸指向天，類 似地=維旋轉(zhuǎn)平臺繞自身Z軸逆時針旋轉(zhuǎn)，使得X'軸和Z'軸的加速度輸出為0,記此次旋 轉(zhuǎn)的角度分別為T;
[0027] 6)在慣導(dǎo)坐標(biāo)系與S維旋轉(zhuǎn)平臺坐標(biāo)系重合后，利用S維旋轉(zhuǎn)平臺圍繞自 身Y軸勻速旋轉(zhuǎn)，由于存在臂桿效應(yīng)，重力加速度g的數(shù)值會有脈沖突變，而根據(jù)公式 "、.，=<?,?W,2，可求出兩坐標(biāo)系Y軸之間的垂直距離IV同樣的方法可求出兩坐標(biāo)系X軸、Z 軸之間的垂直距離r,和r,，利用幾何關(guān)系可求出兩質(zhì)屯、之間的相對位置；
[002引 7)根據(jù)步驟4)-6)中求得的旋轉(zhuǎn)角度a、0、丫和相對位置r,、Ty和r,，并通過 矩陣乘法和幾何關(guān)系，實現(xiàn)采煤機(jī)防爆定位裝置與其內(nèi)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航單元間安裝角誤差校 正。
[0029] 與現(xiàn)有的裝置及方法相比，本發(fā)明能夠直接應(yīng)用于惡劣環(huán)境下采煤機(jī)的定位跟 蹤，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)封裝成一個獨立的測量系統(tǒng)，整個裝置運(yùn)行之前能夠?qū)ζ溥M(jìn)行校準(zhǔn)并消 除安裝角偏差，減少了高振動環(huán)境下慣性導(dǎo)航的安裝誤差對系統(tǒng)測量穩(wěn)定性的影響，提高 了對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性，為采煤機(jī)自主定位的研究打下堅實的基礎(chǔ)；具有安全性高、環(huán)境適 應(yīng)能力強(qiáng)、實時性好、穩(wěn)定性好、操作簡單、安裝方便等特點。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)主視圖；
[003U圖2為圖1的A向視圖；
[003引圖3為圖1的B向視圖；
[0033] 圖4為本發(fā)明中導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理模塊結(jié)構(gòu)與連接圖；
[0034] 圖5為本發(fā)明S維示意圖；
[0035] 圖6為本發(fā)明中各坐標(biāo)系的示意圖；
[0036] 圖7為本發(fā)明方法流程圖；
[0037] 圖8為臂桿效應(yīng)檢測方法原理圖。
[003引圖中；1、防爆箱，2、導(dǎo)引支撐裝置，2-1、電源支撐架槽，2-2、燕尾槽型支撐骨架， 3、固定安裝孔，4、電源模塊，5、捷聯(lián)慣性導(dǎo)航單元，6、可移動橡膠減震機(jī)構(gòu)裝置，6-1、上圓 柱減震橡膠，6-2、可調(diào)節(jié)柔性支撐架，6-3、下圓柱減震橡膠，7、導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理模塊，7-1、微 處理單元，7-2、信號指示燈與顯示輸出，7-3、報警電路，7-4、實時時鐘，7-5、光電隔離電路， 7-6、數(shù)據(jù)儲存單元，7-7、電源電路，8、模塊固定安裝孔，9、=維旋轉(zhuǎn)平臺。
【具體實施方式】
[0039] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0040] 如圖1、圖2所示，一種基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的采煤機(jī)防爆定位裝置，
[0041] 它包括防爆箱1、導(dǎo)引支撐裝置2、電源模塊4、捷聯(lián)慣性導(dǎo)航單元5、可移動橡膠減 震機(jī)構(gòu)裝置6W及導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理模塊7 ;
[0042] 所述的可移動橡膠減震機(jī)構(gòu)裝置6通過防爆箱1底部對稱設(shè)有的固定安裝孔3固 定安裝在防爆箱1右側(cè)；
[0043] 所述的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航單元5固定在所述可移動橡膠減震機(jī)構(gòu)裝置6上；
[0044] 所述的電源模塊4固定在導(dǎo)引支撐裝置2上；
[0045] 所述的導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理模塊7通過防爆箱1底部對稱設(shè)有的模塊固定安裝孔8固定 安裝在防爆箱1左側(cè)。
[0046] 如圖4,導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理模塊7包括集成于一體的微處理單元7-1、信號指示燈與顯 示輸出7-2、報警電路7-3、實時時鐘7-4、光電隔離電路7-5、數(shù)據(jù)存儲單元7-6、電源電路 7-7和通訊模塊7-8 ;本裝置采用離線數(shù)據(jù)采集和實時數(shù)據(jù)采集相結(jié)合的傳輸工作方式，W 針對采煤機(jī)在特殊環(huán)境下數(shù)據(jù)無法實時傳輸?shù)膯栴}，主要包括捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)高速實時采集 與高速存儲、離線慣導(dǎo)數(shù)據(jù)解算W及信號指示燈與顯示輸出7-2顯示功能，其中的通訊模 塊7-8為RS458通訊模塊。
[0047] 而實時時鐘7-4主要通過UART模塊實現(xiàn)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)與上位機(jī)進(jìn)行實時通信、