一种采煤机机身与摇臂协同定位装置及定位方法制造方法及图纸

一种采煤机机身与摇臂协同定位装置及定位方法，包括在采煤机机身上安装的机身捷联惯导装置和无线传感锚节点；以及在采煤机割煤一侧的摇臂上安装的摇臂捷联惯导装置和无线传感移动节点；其中无线传感移动节点发射无线信号，无线传感锚节点接收无线信号；工作中，机身沿轨道移动，摇臂进行截割煤壁运动，摇臂捷联惯导装置测量采煤机摇臂的角速度和加速度信息，机身捷联惯导装置实时测量采煤机机身的角速度和加速度信息，利用捷联导航算法进行定位定姿；本发明专利技术具有定位、定姿精度高、综采工作效率高及远程自动控制的优点。

A kind of cooperative positioning device and positioning method of shearer body and rocker arm

【技术实现步骤摘要】
一种采煤机机身与摇臂协同定位装置及定位方法
本专利技术属于采煤机定位
，具体涉及一种采煤机机身与摇臂协同定位装置及定位方法。
技术介绍
采煤机、液压支架和刮板输送机是井下综采工作面最重要的三种设备，相互配合完成割煤、运煤和支护工作。其中采煤机为主导设备，是综采工作面割煤和装煤的主要设备，是一种高集成度综采设备。采煤机在工作时沿刮板输送机的轨道进行往复式割煤，液压支架支护顶板并推进工作面。为了实现综采工作面自动化、远程自动控制，需要对采煤机精确动态定位，而且，针对自动化采煤需求，需要同时对采煤机的机身和摇臂进行定位，所以采煤机机身和摇臂的定位技术是煤矿生产装备自动化的关键技术。煤矿综采工作面工况复杂，同时空间封闭，因此采煤机机身与摇臂定位是一个典型的复杂封闭环境下室内定位问题。在采煤机的采煤作业中，采煤机机身沿轨道移动；而摇臂进行割煤工作，其相对于采煤机机身存在相对运动。为了实现自动化采煤，必须同时测量采煤机机身和摇臂的位置和姿态。目前采煤机所用的定位方法主要包括捷联惯导定位法、红外定位法、超声波定位法、齿轮计数定位法、无线传感器网络定位法等。红外定位法由安装在采煤机上红外发射装置发射信号，液压支架上安装的接收装置接收信号，利用红外测距定位采煤机的位置，但其红外信号易受粉尘影响，且存在固有定位盲区，定位精度不高，因此使用有局限性。超声波定位法将超声波发射装置安装在工作面巷道中，当采煤机经过时，机身发射超声波，根据各位置超声波接收装置接收信号，利用超声波测距定位采煤机的位置，超声波的优点是可以穿透粉尘，但由于工作面较长，信号失信严重，其定位精度不高，因此使用有局限性。齿轮计数定位法是对采煤机行走齿轮的转动圈数进行计数，根据转动圈数和齿轮圆周长计算采煤机沿输送机轨道方向上的位移；但该方法只能用于定位采煤机沿轨道方向的一维位置，且受到齿轮计数误差影响，不能满足三维定位需要。无线传感器网络定位法是在液压支架上布置多个位置已知的无线传感器(称为锚节点)，在采煤机上布置待定位节点(称为移动节点)，移动节点发射无线信号，锚节点接收无线信号监测采煤机与液压支架间的位置关系，解算出采煤机的位置；但由于工作面环境复杂，无线定位数据不稳定，且锚节点随液压支架移动后会导致自身位置变化，需要更新锚节点位置信息，同时不能进行采煤机定姿，不能满足实时定位定姿需求。捷联惯导定位方法是一种全自主导航定位方法，无需借助外部信息，利用捷联惯导装置的三轴陀螺和三轴加速度计实时测量采煤机的角速度和线加速度，结合初始装订信息，通过姿态更新算法先解算出采煤机的运动姿态，然后将加速度根据姿态信息投影到导航坐标系，通过积分和二次积分获得采煤机的速度和位置等信息；高精度惯导虽然满足精度要求，但由于体积、重量等原因，一般只安装在采煤机的机身，无法用于采煤机摇臂的定位和定姿，或采煤机摇臂只能安装小型低精度惯导，其定位、定姿精度不能满足要求。
技术实现思路
为了克服上述现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种采煤机机身与摇臂协同定位装置及定位方法，能够利用采煤机机身和摇臂上的捷联惯导装置和无线测距传感器，同时实现采煤机机身与摇臂的定位定姿，具有定位定姿精度高、综采工作效率高及远程自动控制的优点。为了实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：一种采煤机机身与摇臂协同定位装置，包括在采煤机机身5上安装的机身捷联惯导装置1和无线传感锚节点2；以及在采煤机割煤一侧的摇臂6上安装的摇臂捷联惯导装置3和无线传感移动节点4；其中无线传感移动节点4发射无线信号，无线传感锚节点2接收无线信号。所述机身捷联惯导装置1包括三只陀螺和三只加速度计。基于上述的采煤机机身与摇臂协同定位装置的定位方法，具体包括以下步骤：步骤一、定义坐标系1)定义采煤机机身坐标系b1：Ob1Xb1Yb1Zb1：坐标系原点Ob1固连在机身捷联惯导装置1中心，Xb1轴正向由采煤机指向煤壁，Yb1轴垂直于Xb1轴向上，Zb1轴与Xb1轴、Yb1轴构成右手坐标系，构成前上右坐标系，下标1表示该坐标系为机身坐标系；2)定义采煤机摇臂坐标系b2：Ob2Xb2Yb2Zb2；坐标系原点Ob2固连在摇臂捷联惯导装置3中心，Xb2轴正向由摇臂指向煤壁，Yb2轴垂直于Xb2轴向上，Zb2轴与Xb2轴、Yb2轴构成右手坐标系，构成前上右坐标系，下标2表示该坐标系为摇臂坐标系；3)定义导航坐标系n：OnXnYnZn：北天东地理坐标系，Xn轴指向地理北向，Yn轴指向天向，Zn轴指向地理东向；4)导航坐标系n经过三次旋转后与采煤机机身坐标系b1重合，三次旋转的角度即为机身航向角ψ1、俯仰角θ1和滚动角γ1；类似地，导航坐标系n经过三次旋转后与采煤机摇臂坐标系b2重合，三次旋转的角度即为摇臂航向角ψ2、俯仰角θ2和滚动角γ2；步骤二、计算采煤机机身信息采煤机机身捷联惯导装置1利用陀螺和加速度计测量信息，解算采煤机机身姿态俯仰角θ1、航向角ψ1和滚动角γ1，计算机身的速度位置和经度λ1、纬度高度h1；1)机身捷联惯导装置1接收初始装订信息：初始位置和初始姿态其中上标1表示机身捷联惯导，N,U,E分别表示导航坐标系下北向、天向和东向位置；同时由于采煤机初始处于停止状态，初始速度V1＝[000]T；2)机身捷联惯导装置1的三只陀螺测量采煤机机身三个轴的角速度向量三只加速度计测量采煤机机身三个轴向的加速度向量3)机身捷联惯导装置1首先更新采煤机机身b1坐标系相对于导航坐标系n的角速度向量其中，表示机身捷联惯导装置1纬度，为机身捷联惯导装置1姿态矩阵，ωie是地球自转角速度，R为地球半径，和表示机身捷联惯导装置1东向速度和北向速度；4)更新四元数q1＝[q0q1q2q3]T其中，T表示姿态计算周期；5)更新机身捷联惯导装置1相对于导航坐标系的姿态矩阵其中q1＝[q0q1q2q3]T，令其中i,j＝1,2,36)根据计算机身姿态角：俯仰角θ1＝sin-1(C12)航向角滚动角7)利用将加速度计输出的加速度向量投影到导航坐标系8)更新机身捷联惯导装置1的速度位置和经度λ1、纬度高度h1，步骤三、计算采煤机摇臂信息采煤机摇臂捷联惯导装置3利用陀螺和加速度计测量信息，解算采煤机摇臂姿态俯仰角θ2、航向角ψ2和滚动角γ2，计算摇臂的速度位置和经度λ2、纬度高度h2；摇臂捷联惯导装置3接收初始装订信息：初始位置和初始姿态其中上标2表示摇臂捷联惯导，N,U,E分别表示导航坐标系下北向、天向和东向位置；同时由于采煤机初始处于停止状态，初始速度V2＝[000]T；摇臂捷联惯导装置3与机身捷联惯导装置1采用相同的位置和姿态解算方法，将步骤二中1)至8)中变量上标1更换为2，即为摇臂捷联惯导装置3的位置和姿态解算方法；步骤四、计算采煤机机身与摇臂的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采煤机机身与摇臂协同定位装置，其特征在于：包括在采煤机机身(5)上安装的机身捷联惯导装置(1)和无线传感锚节点(2)；以及在采煤机割煤一侧的摇臂(6)上安装的摇臂捷联惯导装置(3)和无线传感移动节点(4)；其中无线传感移动节点(4)发射无线信号，无线传感锚节点(2)接收无线信号。/n

【技术特征摘要】
1.一种采煤机机身与摇臂协同定位装置，其特征在于：包括在采煤机机身(5)上安装的机身捷联惯导装置(1)和无线传感锚节点(2)；以及在采煤机割煤一侧的摇臂(6)上安装的摇臂捷联惯导装置(3)和无线传感移动节点(4)；其中无线传感移动节点(4)发射无线信号，无线传感锚节点(2)接收无线信号。


2.根据权利要求1所述的一种采煤机机身与摇臂协同定位装置，其特征在于：所述机身捷联惯导装置(1)包括三只陀螺和三只加速度计。


3.基于权利要求1或2所述的采煤机机身与摇臂协同定位装置的定位方法，具体包括以下步骤：
步骤一、定义坐标系
1)定义采煤机机身坐标系b1：Ob1Xb1Yb1Zb1：坐标系原点Ob1固连在机身捷联惯导装置1中心，Xb1轴正向由采煤机指向煤壁，Yb1轴垂直于Xb1轴向上，Zb1轴与Xb1轴、Yb1轴构成右手坐标系，构成前上右坐标系，下标1表示该坐标系为机身坐标系；
2)定义采煤机摇臂坐标系b2：Ob2Xb2Yb2Zb2；坐标系原点Ob2固连在摇臂捷联惯导装置中心，Xb2轴正向由摇臂指向煤壁，Yb2轴垂直于Xb2轴向上，Zb2轴与Xb2轴、Yb2轴构成右手坐标系，构成前上右坐标系，下标2表示该坐标系为摇臂坐标系；
3)定义导航坐标系n：OnXnYnZn：北天东地理坐标系，Xn轴指向地理北向，Yn轴指向天向，Zn轴指向地理东向；
4)导航坐标系n经过三次旋转后与采煤机机身坐标系b1重合，三次旋转的角度即为机身航向角ψ1、俯仰角θ1和滚动角γ1；类似地，导航坐标系n经过三次旋转后与采煤机摇臂坐标系b2重合，三次旋转的角度即为摇臂航向角ψ2、俯仰角θ2和滚动角γ2；
步骤二、计算采煤机机身信息
采煤机机身捷联惯导装置1利用陀螺和加速度计测量信息，解算采煤机机身姿态俯仰角θ1、航向角ψ1和滚动角γ1，计算机身的速度位置和经度λ1、纬度高度h1；
1)机身捷联惯导装置1接收初始装订信息：初始位置和初始姿态其中上标1表示机身捷联惯导，N,U,E分别表示导航坐标系下北向、天向和东向位置；同时由于采煤机初始处于停止状态，初始速度V1＝[000]T；
2)机身捷联惯导装置1包括三只陀螺和三只加速度计，三只陀螺测量采煤机机身三个轴的角速度向量三只加速度计测量采煤机机身三个轴向的加速度向量
3)机身捷联惯导装置1首先更新采煤机机身b1坐标系相对于导航坐标系n的角速度向量



其中，表示机身捷联惯导装置1纬度，为机身捷联惯导装置1姿态矩阵，ωie是地球自转角速度，R为地球半径，和表示机身捷联惯导装置1东向速度和北向速度；
4)更新四元数q1＝[q0q1q2q3]T



其中，T表示姿态计算周期；
5)更新机身捷联惯导装置1相对于导航坐标系的姿态矩阵



其中q1＝[q0q1q2q3]T，令其中i,j＝1,2,3
6)根据计算机身姿态角：
俯仰角θ1＝sin-1(C12)
航向角
滚动角
7)利用将加速度计输出的加速度向量投影到导航坐标系



8)更新机身捷联惯导装置1的速度位置和经度λ1、纬度高度h1，















步骤三、计算采煤机摇臂信息
采煤机摇臂捷联惯导装置3利用陀螺和加速度计测量信息，解算采煤机摇臂姿态俯仰角θ2、航向角ψ2和滚动角γ2，计算摇臂的速度位置和经度λ2、纬度高度h2；
摇臂捷联惯导装置3接收初始装订信息：初始位置和初始姿态其中上标2表示摇臂捷联惯导，N,U,E分别表示导航坐标系下北向、天向和东向位置；同时由于采煤机初始处于停止状态，初始速度V2＝[0...

【专利技术属性】
技术研发人员：党宏涛，杜轶琛，杨建业，许孝敏，刘静超，
申请(专利权)人：西京学院，
类型：发明
国别省市：陕西;61