一种基于惯性模块的矿用单轨吊机车定位方法技术

一种基于惯性模块的矿用单轨吊机车定位方法是首先通过九轴惯性模块采集机车运行的加速度、角速度、磁场强度、姿态角；其次，加速度数据在经过限幅滤波、卡尔曼滤波、去零偏处理的同时利用姿态角求出姿态矩阵，结合二者的数据并使用方向余弦矩阵法滤除加速度数据中的重力分量；最后，在积分测距的过程中完成加速度稳态误差的补偿和零速修正，对积分结果做误差补偿并由补偿后的结果和机车的起始位置更新机车的实时位置。本发明专利技术通过使用惯性模块检测和误差处理算法，降低了单轨吊机车的定位成本，实现了对矿用单轨吊机车的实时、精确定位。

【技术实现步骤摘要】
一种基于惯性模块的矿用单轨吊机车定位方法
本专利技术涉及一种矿用单轨吊机车的定位方法，尤其是一种用于矿井辅助运输系统的基于惯性模块的矿用单轨吊机车的定位方法。
技术介绍
矿用单轨吊机车以其安全性高、爬坡能力强、转弯灵活、运行速度快、不受巷道底板影响等特点，已成为一种重要的矿井辅助运输方式；然而现有煤矿井下辅助运输由于环境恶劣、技术手段滞后，经常会出现运输事故，且呈上升趋势，其中部分原因是由于辅助运输车辆定位精度低引起的，因此如何以先进的技术实现单轨吊机车的精确定位，是当前矿井单轨吊机车定位领域亟待解决的技术难题。现有技术，RFID定位技术和RSSI定位技术对矿用单轨吊车进行定位，然而这两种定位技术均存在成本高和精度低的不足；还有公开号为CN108594821A公开了“一种无人驾驶矿车定位和寻迹方法”，将含有惯导模块的移动站放置在矿车上用于采集数据，通过积分来实现测距与定位，但未对定位过程中的误差进行分析与处理，这样计算出的位移往往存在较大的误差，难以实现单轨吊机车的高精度定位；再有公开号为CN105651280A公开了“一种矿井无人电机车的组合定位方法”，该方法基于RFID定位、增量式光电编码器定位、惯性模块定位三部分，采用联邦滤波算法将这三种定位信息融合，实现了矿井无人电机车的定位；但在该方法中，每一部分定位数据的准确性都将影响最终的定位精度，而该方法未对惯性模块定位过程中的各种误差进行分析与处理，这导致最终的定位精度低，而且硬件设备多，定位成本高。上述现有技术无法同时满足低成本和高精度的定位要求，为此专利技术一种基于惯性模块的矿用单轨吊机车的定位方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的具体技术问题是现有矿用单轨吊机车定位方法中存在着定位成本高与定位精度低的问题，并提供一种基于惯性模块的矿用单轨吊机车定位方法。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案。一种基于惯性模块的矿用单轨吊机车定位方法，其特征在于：所述定位方法是按下列步骤进行的：（1）利用惯性模块采集加速度、角速度、磁场强度数据，并采用动态卡尔曼滤波算法解算出姿态角；（2）利用姿态角解算出姿态矩阵；对加速度数据进行预处理，预处理方法包括限幅滤波、卡尔曼滤波、去零偏处理；（3）结合姿态矩阵和加速度数据，采用方向余弦矩阵法滤除加速度数据中的重力分量；（4）通过加速度变化率的阈值和加速度数据的均值来消除机车静止和匀速直线运动时的加速度稳态误差；（5）采用积分法对加速度进行一重积分，从而得到机车的实时运行速度；（6）通过判断预处理和重力分量滤除后连续十个加速度数据的正负和速度的大小来消除机车停车时的速度误差，即零速修正；（7）采用积分法对已得到的速度进行一重积分，从而得到机车的行驶距离；（8）以10s为一个补偿周期，将10s内机车最大可能的行驶距离作为基准，对测距结果进行补偿并输出最终测距结果；（9）根据测距结果和机车的起始位置，从而得到机车的实时位置。在上述技术方案中，所述第四步，首先是对经过预处理和重力分量滤除的连续10个加速度数据进行存储；其次是利用相邻的两个加速度值和采样周期求出加速度变化率，一共得到9个加速度变化率值，如果有N个加速度变化率的绝对值超过0.1m/s3，就计数N，N最大为9；最后是如果N小于8且10个加速度数据均值的绝对值小于0.25m/s2，则将这10个加速度数据置0，否则不对加速度数据做处理。在上述技术方案中，所述第六步，判断预处理和重力分量滤除后连续十个加速度数据的正负，如果10个加速度数据都小于0且此时的速度小于0.005m/s，将速度置0，否则不对速度数据做处理。在上述技术方案中，所述第八步，以10s为一个补偿周期，以2m/s为机车最大行驶速度，如果10s内机车的行驶距离超过了20m，则将该行驶距离修改为20m，否则不对其进行处理。实施本专利技术所提供的一种基于惯性模块的矿用单轨吊机车定位方法，与现有技术相比，无需将惯性模块和增量式光电编码器融合来实现定位，因而降低了定位成本，通过误差补偿算法来提高定位精度，有效解决了现有矿用单轨吊机车定位技术无法同时满足低成本和高精度的问题。附图说明图1是本专利技术的定位方法框图。具体实施方式下面结合附图1对本专利技术的具体实施方式作进一步的说明，本专利技术具体实施方式如下：如附图1所示，一种基于惯性模块的矿用单轨吊机车定位方法，该方法是按下列步骤进行的：步骤一、利用WT931惯性模块采集单轨吊机车的加速度、角速度、磁场强度数据，该模块内部的动态卡尔曼滤波算法以这三种数据为条件可以解算出姿态角。步骤二、利用已知的姿态角解算出姿态矩阵；对加速度数据进行预处理，预处理方法包括限幅滤波、卡尔曼滤波、去零偏处理。步骤三、结合姿态矩阵和加速度数据，采用方向余弦矩阵法滤除加速度数据中的重力分量。步骤四、通过加速度变化率的阈值和加速度数据的均值来消除加速度稳态误差，首先，对经过预处理和重力分量滤除的连续10个加速度数据进行存储；其次，利用相邻的两个加速度值和采样周期求出9个加速度变化率，如果有N个加速度变化率的绝对值超过0.1m/s3，就计数N，N最大为9；最后，如果N小于8且10个加速度数据均值的绝对值小于0.25m/s2，则将这10个加速度数据置0，否则不对加速度数据做处理。步骤五、采用积分法对加速度进行一重积分，从而得到机车的实时运行速度。步骤六、消除机车停车时的速度误差，即零速修正，判断预处理和重力分量滤除后连续十个加速度数据的正负，如果10个加速度数据都小于0且此时的速度小于0.005m/s，将速度置0，否则不对速度数据做处理。步骤七、采用积分法对已得到的速度进行一重积分，从而得到机车的行驶距离。步骤八、以10s为一个补偿周期，对测距误差进行补偿并输出最终测距结果，单轨吊车的最大行驶速度一般为2m/s，因此，以10s为一个补偿周期时，10s内最大行驶距离为20m，如果10s内机车的行驶距离超过了20m，则将该行驶距离修改为20m，否则不对其进行处理，处理后的数据即为最终测距结果。步骤九、根据测距结果和机车的起始位置，从而得到机车的实时位置。本专利技术上述所实施的一种基于惯性模块的矿用单轨吊机车定位方法，该方法以惯性模块采集的数据为基础，重点对误差进行了分析与补偿，不仅提高了定位精度，而且无需将增量式光电编码器与惯性模块融合来实现定位，降低了定位成本，满足了矿用单轨吊机车低成本和高精度的定位要求。尽管上面结合附图对本专利技术进行了描述，但本专利技术并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本专利技术的启示下，在不脱离本专利技术宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本专利技术的保护之内，凡利用此构思对本专利技术进行非实质性的改动，均应属于侵犯本专利技术保护范围的行为。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于惯性模块的矿用单轨吊机车定位方法，其特征在于：所述定位方法是按下列步骤进行的：/n（1）利用惯性模块采集加速度、角速度、磁场强度数据，并采用动态卡尔曼滤波算法解算出姿态角；/n（2）利用姿态角解算出姿态矩阵；对加速度数据进行预处理，预处理方法包括限幅滤波、卡尔曼滤波、去零偏处理；/n（3）结合姿态矩阵和加速度数据，采用方向余弦矩阵法滤除加速度数据中的重力分量；/n（4）通过加速度变化率的阈值和加速度数据的均值来消除机车静止和匀速直线运动时的加速度稳态误差；/n（5）采用积分法对加速度进行一重积分，从而得到机车的实时运行速度；/n（6）通过判断预处理和重力分量滤除后连续十个加速度数据的正负和速度的大小来消除机车停车时的速度误差，即零速修正；/n（7）采用积分法对已得到的速度进行一重积分，从而得到机车的行驶距离；/n（8）以10s为一个补偿周期，将10s内机车最大可能的行驶距离作为基准，对测距结果进行补偿并输出最终测距结果；/n（9）根据测距结果和机车的起始位置，从而得到机车的实时位置。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于惯性模块的矿用单轨吊机车定位方法，其特征在于：所述定位方法是按下列步骤进行的：
（1）利用惯性模块采集加速度、角速度、磁场强度数据，并采用动态卡尔曼滤波算法解算出姿态角；
（2）利用姿态角解算出姿态矩阵；对加速度数据进行预处理，预处理方法包括限幅滤波、卡尔曼滤波、去零偏处理；
（3）结合姿态矩阵和加速度数据，采用方向余弦矩阵法滤除加速度数据中的重力分量；
（4）通过加速度变化率的阈值和加速度数据的均值来消除机车静止和匀速直线运动时的加速度稳态误差；
（5）采用积分法对加速度进行一重积分，从而得到机车的实时运行速度；
（6）通过判断预处理和重力分量滤除后连续十个加速度数据的正负和速度的大小来消除机车停车时的速度误差，即零速修正；
（7）采用积分法对已得到的速度进行一重积分，从而得到机车的行驶距离；
（8）以10s为一个补偿周期，将10s内机车最大可能的行驶距离作为基准，对测距结果进行补偿并输出最终测距结果；
（9）根据测距结果和机车的起始位置，从而得到机车的实时位置。


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【专利技术属性】
技术研发人员：宋建成，郭梁，耿蒲龙，宁振兵，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14