SINS-WSN組合定位下采煤機(jī)精確位姿感知理論及技術(shù)研究.pdf

1、隨著近年來(lái)國(guó)家能源戰(zhàn)略的發(fā)展實(shí)施，使得煤炭開(kāi)采逐步從高產(chǎn)量向綠色開(kāi)采、安全高效開(kāi)采發(fā)展。煤礦井下綜采工作面的自動(dòng)化和智能化是實(shí)現(xiàn)礦井無(wú)人化、安全高效開(kāi)采的關(guān)鍵步驟，也是發(fā)展“數(shù)字礦山”，提高礦井機(jī)電裝備信息化和自動(dòng)化水平的重要組成部分。本文在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目的資助下，以綜采工作面“三機(jī)”裝備-采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架為研究對(duì)象，以捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)井下綜采“三機(jī)”自動(dòng)化為目標(biāo)，開(kāi)展采煤機(jī)

2、復(fù)雜環(huán)境下的精確位姿感知技術(shù)研究。通過(guò)建立采煤機(jī)動(dòng)力學(xué)模型和“三機(jī)”運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上研究采煤機(jī)復(fù)雜振動(dòng)環(huán)境下的捷聯(lián)慣導(dǎo)誤差補(bǔ)償策略及多約束定位解算策略，構(gòu)建采煤機(jī)SINS/WSN組合定位模型，在此基礎(chǔ)上分析異類傳感器數(shù)據(jù)傳輸特性以及井下工作面無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位影響因素，提出組合定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)異步融合方法以及WSN不同失效情況下的緊耦合容錯(cuò)組合定位方法來(lái)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)復(fù)雜環(huán)境下的定位定姿。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴采煤機(jī)動(dòng)力學(xué)模型

3、下捷聯(lián)慣導(dǎo)解算誤差補(bǔ)償策略研究。建立了采煤機(jī)的多剛體動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算下的采煤機(jī)機(jī)身振動(dòng)形式求解。分析了動(dòng)力學(xué)模型下的采煤機(jī)機(jī)身振動(dòng)形式，設(shè)計(jì)了針對(duì)采煤機(jī)機(jī)身的等效二階振動(dòng)模型。利用等效的機(jī)身角振動(dòng)和線振動(dòng)特性，構(gòu)建了基于四元數(shù)多子樣算法的捷聯(lián)慣導(dǎo)圓錐誤差和劃船誤差補(bǔ)償模型。⑵采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)約束下的捷聯(lián)慣導(dǎo)測(cè)量誤差校正研究。分析了捷聯(lián)慣導(dǎo)加速度計(jì)和陀螺儀的測(cè)量偏差特性，提出了基于中值濾波的采煤機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)檢測(cè)方法，利用采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)前期

4、的靜止?fàn)顟B(tài)，構(gòu)建了基于最小二乘法的加速度計(jì)和陀螺儀靜態(tài)測(cè)量偏差校正模型。利用采煤機(jī)的行駛速度特性，建立了基于模糊推理機(jī)制的加速度動(dòng)態(tài)測(cè)量偏差實(shí)時(shí)校正模型。研究了采煤機(jī)受刮板機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束特性，針對(duì)采煤機(jī)工作時(shí)停車速度為零的特點(diǎn)，構(gòu)建了基于采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)輔助下的捷聯(lián)慣導(dǎo)零速校正模型。⑶時(shí)間異步傳輸下SINS/WSN組合定位策略研究。建立了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署與定位解算模型，分析了組合定位系統(tǒng)中SINS和WSN之間的時(shí)間配準(zhǔn)誤差以及傳統(tǒng)同步

5、融合算法下引入的異步數(shù)據(jù)定位誤差，構(gòu)建了基于融合周期的批處理數(shù)據(jù)偽量測(cè)模型，研究了融合周期中WSN量測(cè)數(shù)據(jù)采樣特性，設(shè)計(jì)了基于批處理異步融合與單慣導(dǎo)狀態(tài)更新自動(dòng)切換的定位模型，實(shí)現(xiàn)了量測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間異步下基于無(wú)跡卡爾曼濾波的組合定位系統(tǒng)融合解算。⑷WSN失效下采煤機(jī)多模型容錯(cuò)組合定位策略研究。研究了WSN在定位過(guò)程中粗大定位誤差和定位數(shù)據(jù)丟失的情況，建立了基于WSN定位失效情況下決策樹(shù)容錯(cuò)判斷策略，構(gòu)建了基于卡爾曼濾波的容錯(cuò)組合定位模型。研