王 兴

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿， 山西 吕梁 033602）

引言

采煤机是矿井开采的关键设备之一，采煤机与刮板输送机、液压支架统称为矿井综采“三机”，其中采煤机主要组成包括行走部、截割部、电控系统、液压系统及辅助装置等，对应采煤机的工作原理是：对于行走部，行走部包含内外牵引两部分，内牵引控制采煤机的运动速度，外牵引可直接驱使采煤机移动；对于截割部，截割部包含左、右截割部两部分，可实现采煤机割煤、落煤、装煤等作业工序的完成；对于电控系统，组成部分有牵引变频器、高压开关、电流互感器、变压器、机载控制器等，主要控制采煤机的各种运行动作，同时，可对采煤机的运行和故障状态进行监测；对于液压系统，包含截割滚筒调高系统、牵引制动系统、破碎调高系统等，实际开采时，电机驱动泵站吸取液压油，通过液压管路、各阀组为调高油缸、制动器提供充足的液压动力；对于辅助装置，有挡煤板、底托架、拖缆装置、喷雾系统、照明系统、润滑系统等[1]。

此外，采煤机定位方法有超声波定位法、红外定位法、齿轮计数定位法、无线传感器网络定位法和惯导定位法等，为保证采煤机快速准确定位，完成截割、智能调高和调速等工序[2]，本文采用多惯导冗余定位法，分析不同惯导间距对采煤机定位精度的影响，进而提高采煤机的定位精度，保证煤矿开采的高产高效。

1 采煤机多惯导冗余定位的原理

采煤机惯导定位是实现井下综采自动化的关键技术，为克服井下不能接收无线电信号及同时满足采煤机定位精度的提升需求和惯导冗余结构的可靠性，多数采用的是多套惯导系统冗余结构技术，以组合惯导与轴码器定位为前提，以惯导间距为约束条件，提出多惯导冗余采煤机定位的技术[3]。采煤机多惯导冗余定位的原理是：采煤机坐标系到导航坐标系的方向余弦矩阵可依据三套惯导输出的姿态角计算取得，采煤机坐标系中的速度可采用轴编码器计算取得，接着将采煤机坐标系中的速度利用方向余弦矩阵导入导航坐标系中，并积累至三套惯导的初始位置，获得导航坐标系中三套惯导的位置。将此位置信息作为状态量，惯导间距引入卡尔曼滤波器，经此获得三套惯导的位置，其中卡尔曼滤波是线性系统状态方程，通过测量输入输出的数据，从而获得系统状态最优的算法[4]。本文通过引入卡尔曼滤波器，并应用到多惯导冗余算法的惯导间距中，从而保证获得的位置输出更加精确。采煤机多惯导冗余定位原理的示意图如图1 所示。

图1 采煤机多惯导冗余定位原理

2 不同惯导间距对采煤机定位精度的影响

为研究不同惯导间距对采煤机定位精度的影响，本文采用的采煤机设计具体参数是：运行速度为6 m/min，航向角与俯仰角都是0°，模拟时间1 000 s，且惯导间距离r12=r13，依据以上的参数设计，三套惯导都在采煤机平面坐标系XbObYb内，研究惯导间距从0.1 m 增加至1 m，且每个变化梯度为0.1 m，对采煤机定位精度的影响变化。采煤机惯导安装的间距变化示意图如图2 所示。

图2 采煤机不同惯导间安装距离的变化示意图

对于多惯导冗余算法处理前，由于单一惯导与轴编码器组合的采煤机，其导航位算法与三套惯导间距无关，因此本质上就是一套惯导，精度不会发生变化。本文通过多惯导冗余算法处理前后，得到不同惯导间距离对采煤机惯导定位精度的影响曲线图，如图3 所示。

图3 惯导间距对多惯导冗余算法定位精度的影响曲线

由图3 可知，对比多惯导冗余算法处理前后的误差，三套惯导得到的采煤机定位精度都有所提升，其中，惯导1（采煤机）的球概率误差处理前后分别是0.49 m 和0.31～0.36 m，平均减小34.69%；惯导2的球概率误差处理前后分别是0.51m 和0.34～0.35 m，平均减小32.02%；惯导3 的球概率误差处理前后分别是0.47 m 和0.29～0.34 m，平均减小30.40%。此外，经多惯导冗余算法处理后，随着惯导间距的增大，惯导1（采煤机）、惯导3 的球概率误差是先减小再增大，在惯导间距是0.2 m 时，球概率误差出现最小值；在间距增加至0.3 m 后，球概率误差逐渐趋于稳定。由此对比可知，在惯导间距为0.2 m 时，采煤机的定位精度达到最高。同样，多惯导冗余算法处理后，随着惯导间距的增大，惯导2 在0.3 m 之前的球概率误差是逐渐增大的，在间距增加至0.3 m 后，同样趋于稳定。

对比不同惯导之间的距离，得到估计三角形所在平面法向量平均偏移角度，其变化曲线如图4 所示。

图4 不同惯导间距时估计三角形所在平面法向量平均偏移角度

由图4 可知，在惯导间距是0.2 m 时，平均偏移角度最小，因此，取得平均偏移角度最小值时惯导间距与取得最小精度值保持一致，但是还存在不同点，就是在惯导间距是0.3 m 位置后，平均偏移角度存在起伏波动，而三套惯导的定位精度基本不变，这可能是因为估计三角形所在平面法向量偏移和估计三角形位置的偏移共同作用的结果。

3 结论

1）经多惯导冗余算法处理后，三套惯导得到的采煤机定位精度都有所提升。

随着惯导间距的增大，惯导1（采煤机）、惯导3的球概率误差是先减小再增大；在惯导间距是0.2 m时，球概率误差最小；而惯导2 在0.3 m 之前的球概率误差是逐渐增大的，但三套惯导都在间距增加至0.3 m 后，误差趋于稳定。

2）在惯导间距是0.2 m 时，估计三角形所在平面法向量平均偏移角度最小，同取得最小精度值保持一致。

3）惯导间距是0.2 m 时，采煤机的定位精度最高。