一种惯性导航与激光扫描融合的采煤机定位装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种采煤机定位的装置及方法，特别是一种惯性导航与激光扫描融合 的采煤机定位装置及方法。
【背景技术】
[0002] 定位技术，是指对目标采取某种手段进行测量，进而获得目标位置信息的技术。随 着现代技术的不断进步，在生产生活中，定位的地位也越来越高。在诸多定位领域中，对矿 井下各类设备的定位正慢慢步入人们的视野。由于近年来矿井下安全事故频发、灾害严重 等问题突出，因此对矿井下设备的定位显得尤为重要，这同时也是实现自动化生产和安全 生产的前提条件。在煤炭资源的开采过程中，采煤机是井下作业重要的设备之一，因此，对 采煤机的位置定位就显得尤为重要。然而，由于矿井下的特殊条件，其环境的复杂性使得很 多通常采用的定位手段在矿井下达不到定位精度的要求，甚至在矿井下无法实现对采煤机 位置的确定。在这种背景下，惯性导航定位、激光扫描定位等技术的不断发展，使得对采煤 机位置的精确定位成为可能。
[0003] 在采煤机的传统校准方式中，往往不能实现精确校准，存在固有误差。当前，煤矿 井下一般采用的采煤机定位方式主要有齿轮计数法、红外对射法、超声波反射法、无线传感 网络定位法及纯惯性导航法。其中，采煤机齿轮计数定位法是通过对行走部齿轮转动的圈 数进行计数，并依据液压支架来定位出采煤机的位置，这种方法比较简单，成本低，但由于 采煤机在作业过程中是沿着工作面横向及纵向运动，而齿轮计数法只能确定采煤机行走路 程，因此造成定位不精确，产生很大误差；红外对射定位法则是在采煤机机身安装红外发 射装置，在液压支架固定有红外接收装置，在采煤机作业过程中，通过接收装置对接收信号 强弱的分析，从而判断采煤机具体位置，采用这个方法的缺点是不能连续的检测采煤机的 位置，同时红外信号的发射和接收必须处于同一水平面，否则很难有效的接收信号，因此在 实际的井下环境中，由于干扰因素众多，往往也不能精确定位；无线传感网络定位是通过 WIFI、ZIGBEE、UWB或蓝牙等技术对采煤机位置进行定位，这种定位方式往往受制于定位系 统不稳定以及技术研究不成熟、成本过高因此无法在井下运用；纯惯性定位法是利用加速 度计和陀螺仪得出采煤机的轴加速度及轴角速度，然后通过算法来确定采煤机的位置，这 种方法缺点是由于陀螺仪和加速度计存在漂移，累积误差不断增大，因此精度很难保证，也 无法实现对采煤机的绝对定位。
[0004] 综上所述，现有的采煤机定位方式，如齿轮计数法、红外对射法、超声波反射法、 无线传感网络定位法及纯惯性导航法等，对矿井下采煤机的位置定位仍存在较大误差，往 往受制于其检测方式自身与矿井下检测环境的影响，对采煤机的定位无法满足对精度的要 求。
【发明内容】
[0005] 技术问题：本发明的目的是为了克服现有技术中存在的不足，提供一种惯性导航 与激光扫描融合的采煤机定位装置和方法，解决单纯的采用惯性导航定位存在累积误差不 断增大的问题，实现对采煤机的位置精确定位。
[0006] 技术方案：为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：该惯性导航与激光扫 描融合的采煤机定位装置和定位方法；
[0007] 采煤机定位装置包括：采煤机、惯性导航定位装置、激光扫描装置、定位装置防爆 外壳及上位机；在采煤机机身上固定有定位装置防爆外壳和激光扫描装置的激光信号接收 模块；惯性导航定位装置安装在定位装置防爆外壳内；
[0008] 所述的惯性导航定位装置包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、惯性导航微处理器；三 轴陀螺仪包括有三轴陀螺传感器，三轴加速度计包括有三轴加速度传感器；在采煤机运行 过程中，惯性导航定位装置通过三轴陀螺仪测得三个方向上的实时角速率，通过三轴加速 度计测得三个方向上的实时加速度值，并将三轴陀螺传感器和三轴加速度传感器的测量数 据采样至惯性导航微处理器，惯性导航微处理器通过串口与上位机连接；
[0009] 所述的激光扫描装置包括激光扫描基站、激光信号接收模块和激光扫描微处理 器；激光扫描基站布置在采煤机工作区域；激光扫描微处理器安装在定位装置防爆外壳 内；激光信号接收模块与激光扫描微处理器连接，激光扫描微处理器通过串口与上位机连 接，将激光扫描定位数据传至上位机中采煤机定位控制系统；激光扫描基站发射的激光由 采煤机机身上的激光信号接收模块进行接收，接收到的时间信息被激光扫描微处理器进行 采集处理；上位机通过对数据信息进行判别处理，采用最小二乘法确定系数权值、神经网络 算法进行定位评估的融合算法以最终确定采煤机位置，实现精确定位。
[0010] 采煤机定位方法，包括如下步骤：
[0011] A.采煤机机身上安装固定有定位装置防爆外壳，将整个惯性导航定位装置安装在 防爆外壳内；定位装置通过三轴陀螺仪、三轴加速度计分别测得三个方向上的实时角速率、 实时加速度值，并将测量值送入惯性导航微处理器，通过算法解算，得到惯性导航测量的采 煤机定位结果；
[0012] B.在采煤机工作区域布置激光扫描基站，在采煤机机身上安装激光信号接收模 块，同时将激光扫描微处理器固定在防爆外壳内，以实现激光扫描的采煤机定位。
[0013] C.惯性导航微处理器、激光扫描微处理器通过串口与上位机连接，建立数据通讯， 分别将各自解算得到的采煤机定位结果传送至上位机采煤机定位控制系统，实现数据的交 互；
[0014] D.在上位机的采煤机定位控制系统中，根据实际工作区域及装置布置情况，建立 采煤机定位模型，模型中包括激光扫描系统、惯性导航系统以实现定位数据分类，精确测量 激光扫描基站的三维位置坐标输入激光扫描系统，精确测量采煤机初始位置坐标输入惯性 导航系统；
[0015] E.采煤机正常工作，采煤机定位系统运行。
[0016] 所述的步骤B中，包含以下步骤：
[0017] B1.激光扫描基站的布置应根据当前采煤机的工作环境，按照采煤机运行过程中 每一点都能被两个以上的基站扫描到的原则进行布置，同时考虑到基站成本问题，以布置3 个基站实现定位；
[0018] B2.采煤机机身上安装激光信号接收模块，模块数量为3个，以实现对激光信号的 接收；防爆外壳内的激光扫描微处理器通过串口与激光信号接收模块相连接，以实现数据 的读取；
[0019] B3.激光扫描微处理器包含信号阈值设定部分，由于激光信号容易受到粉尘、遮蔽 物的影响，当激光信号较差，强度较低无法达到定位所需信号的要求，微处理器不进行数据 解算；设定信号阈值为S，当接收信号强度大于δ时，微处理器进行定位数据解算，通过算 法解算出采煤机位置信息。
[0020] 所述的步骤Ε中包含以下步骤：
[0021] Ε1.采煤机正常工作，惯性导航系统、激光扫描系统正常运行，由于在激光扫描微 处理器内有信号阈值判断，当信号强度满足情况下，两个系统给出的采煤机定位数据送入 融合算法，进行优化；当信号强度不满足激光扫描的需求时，只采用惯性导航定位数据作为 采煤机位置信息；
[0022] Ε2.假设惯性导航系统定位采煤机位置为（Xl、yi、 Z