基于可便携移动UWB基站台的采煤机定位修正系统及方法技术方案

技术编号:34140109 阅读:17 留言:0更新日期:2022-07-14 17:36
本发明专利技术公开了一种基于可便携移动UWB基站台的采煤机定位修正系统及方法。系统包括可便携移动UWB基站台、UWB定位标签、惯性导航系统、轮速里程计;可便携移动UWB基站台布置于采煤机工作面轨迹两端,包括:长宽高已知的长方体刚性支架、布置在长方体刚性支架上的若干UWB基站,以及固连于长方体刚性支架的惯性测量单元。UWB基站台完成姿态对准和位移对准后即可用于采煤机组合导航的末端位姿修正,将采煤机运行过程中实时保存的位姿、协方差等数据以及采煤机运行至末端通过UWB定位标签解算的位置数据,通过离线优化算法进行全局最优平滑解算,可得到末端修正优化后的工作面轨迹解算值。本发明专利技术操作简单,对UWB基站的坐标标定无需依赖全站仪、激光仪等设备。激光仪等设备。激光仪等设备。

Coal cutter positioning correction system and method based on portable UWB base platform

【技术实现步骤摘要】
基于可便携移动UWB基站台的采煤机定位修正系统及方法


[0001]本专利技术涉及基于惯性导航系统的采煤机工作面检测,具体涉及一种基于可便携移动UWB基站台的采煤机定位修正系统及方法。

技术介绍

[0002]“煤矿三机”指煤矿综采工作面的采煤机、刮板输送机及液压支架三种机械。采煤机和液压支架调高范围要适应煤层厚度及变化,液压支架移架要跟得上采煤机的牵引速度。采煤机依靠刮板输送机导向并在其上移动,刮板输送机依靠液压支架推移,液压支架又靠刮板输送机支承而移动。
[0003]为实现“煤矿三机”的联动,对采煤机的空间位置及姿态进行准确检测,即对采煤机进行空间动态定位具有重要意义。为实现采煤机位置及姿态精确检测,相关学者提出基于惯性导航定位的采煤机工作面检测方法。捷联惯性导航系统是指将三轴陀螺仪和加速度计直接固定在运载体上,利用陀螺仪和加速度计等惯性敏感器件对运行载体三轴角速度和三轴加速度信息进行实时测量,结合运行载体初始惯性信息,通过高速积分获得运动载体的姿态、速度及位置等导航信息。捷联惯性导航系统在工作时不依赖外界信息,也不向外界辐射能量,不易受到干扰破坏,是一种自主式导航系统,具有数据更新率高、数据全面以及短时定位精度高等优点。
[0004]但同时,对于纯惯性导航系统也存在着一定的问题,由于其位置、姿态数据是通过基于陀螺和加速度计测量数据的多重积分解算而得,传感器的测量误差随时间不断累积,故其解算位姿数据误差会随时间不断发散,因此,长时间运行过程中往往需要对其累积误差进行修正。申请号为:CN109931958A公开了一种基于UWB采煤机工作面端头校准装置及方法,在采煤机场景两侧巷道布置UWB(Ultra

Wide

Band)基站,采煤机机身加装UWB接收机,当采煤机运行至工作面轨迹两端时通过接收巷道的UWB信号实现末端的精确定位,该方法设置过程中需要将巷道两端的UWB基站固定在巷道内的滑轨上,且需要通过全站仪对其进行精确标定,操作较为复杂。

技术实现思路

[0005]针对单纯依赖惯性导航系统的采煤机位姿检测误差随时间不断累积问题,本专利技术提供一种基于可便携移动UWB基站台的采煤机定位修正系统及方法。
[0006]一种基于可便携移动UWB基站台的采煤机定位修正系统,包括可便携移动UWB基站台、UWB定位标签、惯性导航系统、轮速里程计;所述的可便携移动UWB基站台为一台或者多台,布置于采煤机工作面轨迹两端;所述的UWB定位标签、惯性导航系统、轮速里程计分别布置于采煤机上;所述的可便携移动UWB基站台包括:长宽高已知的长方体刚性支架、布置在长方体刚性支架上的若干UWB基站,以及固连于长方体刚性支架的惯性测量单元,所述的惯性测量单元含IMU模块。
[0007]所述的IMU模块与长方体刚性支架固连,且IMU模块坐标系与支架坐标系严格重合。
[0008]一种所述的基于可便携移动UWB基站台的采煤机定位修正系统的采煤机定位修正方法,可便携移动的UWB基站台投入辅助定位之前,首先对基站台进行坐标系对准,包括姿态对准和位移对准,过程如下:姿态对准过程如下:通过基站台固连IMU模块,静态对准解算得支架坐标系相对于东北天坐标系的姿态转换矩阵,该矩阵将UWB基站在支架坐标系下三维坐标转换至东北天地理坐标系;位移对准过程如下:通过采煤机机载惯性导航系统、轮速里程计组合导航系统和UWB定位标签,对UWB基站台支架坐标系进行位移对准,在起点处采煤机机载惯性导航系统完成初始对准解算后的初始位置与机载UWB定位标签解算的位置作差得的位移差分矢量即为起点位移补偿矢量;然后采煤机运行至工作面轨迹终点处,通过机载惯性导航系统、轮速里程计组合导航的解算位置与机载UWB定位标签解算位置计算出终点位移补偿矢量,将两端基站台的UWB基站坐标通过姿态对准矩阵和位移补偿矢量,便可转换至东北天地理坐标系。
[0009]所述的采煤机定位修正方法,假设X
B
为UWB基站在基站台坐标系下坐标,X
E
为UWB基站在东北天地理坐标系下坐标,为基站台内置IMU模块静态对准解算的基站台坐标系和东北天地理坐标系姿态转换矩阵,Δb为位移补偿量,对准算法如下:。
[0010]所述的采煤机定位修正方法,步骤如下:步骤1)采煤机运行之前,首先将两台可便携移动UWB基站台分别放置于工作面轨迹两端,通过UWB基站台内置的IMU模块和采煤机机载惯性导航系统、轮速里程计组合导航系统、机载UWB定位标签对UWB基站台进行姿态对准和位移对准,将基站台UWB基站在支架坐标系的位置坐标转换到东北天地理坐标系;步骤2)采煤机在截割运动过程中,惯性导航系统和轮速里程计进行实时融合定位解算,计算机保存实时解算的位姿及对应协方差数据;步骤3)当采煤机运行至工作面轨迹末端时,采煤机机载UWB标签通过接收基站台UWB基站发送的无线信号完成精确位置解算;步骤4)将保存的惯导/里程计组合位姿数据、协方差数据与通过UWB定位标签解算的位置数据,通过离线优化算法进行全局最优平滑解算,得到末端修正优化后的工作面轨迹解算值。
[0011]所述的采煤机定位修正方法,步骤5)随着采煤机来回切割,工作面轨迹沿着煤壁方向不断推进,一旦采煤机离UWB基站台距离远至影响定位精度时,将工作面轨迹两端的UWB基站台沿工作面轨迹推进方向往前移动,若需移动UWB基站台则重复1)~4)步骤,若无需移动UWB基站台则重复2)~4)步骤。
[0012]本专利技术操作简单,对UWB基站的坐标标定无需依赖全站仪、激光仪等设备。
附图说明
[0013]图1为一种基于可便携移动UWB基站台的采煤机定位修正系统的结构示意图;图中,1为可便携移动UWB基站台,2 为UWB基站台内置惯性测量单元,3为布置于基站台上UWB基站,4为UWB定位标签,5采煤机机载惯性导航系统,6为轮速里程计。
[0014]图2为可便携移动UWB基站台的一种结构示意图。
[0015]图3为惯性导航系统、UWB定位标签、轮速里程计在采煤机的安装示意图。
[0016]图4 为UWB基站台标定流程示意图。
[0017]图5 为基于可便携移动UWB基站台末端位姿修正的惯导/轮速组合导航方案原理图。
具体实施方式
[0018]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚,以下根据各图结合具体实施例对本专利技术进行进一步的阐述。
[0019]如图1、2、3所示,一种基于可便携移动UWB基站台的采煤机定位修正系统,主要包括布置于采煤机工作面轨迹两端的可便携移动UWB基站台1,和布置于采煤机机身上的UWB定位标签4、惯性导航系统5、轮速里程计6。可便携移动基站台1放置于工作轨迹两端巷道内,可在轨迹两端各布置一台,也可仅在轨迹一端布置一台,取决于采煤机机载惯性导航系统精度及整体定位精度需求。
[0020]首先设计了一种可便携移动的UWB基站台1,如图2所示,该基站台包括三部分:一长宽高精确已知的长方体刚性支架、布置在支架上的若本文档来自技高网
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于可便携移动UWB基站台的采煤机定位修正系统,其特征是:包括可便携移动UWB基站台、UWB定位标签、惯性导航系统、轮速里程计;所述的可便携移动UWB基站台为一台或者多台,布置于采煤机工作面轨迹两端;所述的UWB定位标签、惯性导航系统、轮速里程计分别布置于采煤机上;所述的可便携移动UWB基站台包括:长宽高已知的长方体刚性支架、布置在长方体刚性支架上的若干UWB基站,以及固连于长方体刚性支架的惯性测量单元,所述的惯性测量单元含IMU模块。2.根据权利要求1所述一种基于可便携移动UWB基站台的采煤机定位修正系统,其特征是:所述的IMU模块与长方体刚性支架固连,且IMU模块坐标系与支架坐标系严格重合。3.一种根据权利要求1所述的基于可便携移动UWB基站台的采煤机定位修正系统的采煤机定位修正方法,其特征是:可便携移动的UWB基站台投入辅助定位之前,首先对基站台进行坐标系对准,包括姿态对准和位移对准,过程如下:姿态对准过程如下:通过基站台固连IMU模块,静态对准解算得支架坐标系相对于东北天坐标系的姿态转换矩阵,该矩阵将UWB基站在支架坐标系下三维坐标转换至东北天地理坐标系;位移对准过程如下:通过采煤机机载惯性导航系统、轮速里程计组合导航系统和UWB定位标签,对UWB基站台支架坐标系进行位移对准,在起点处采煤机机载惯性导航系统完成初始对准解算后的初始位置与机载UWB定位标签解算的位置作差得的位移差分矢量即为起点位移补偿矢量;然后采煤机运行至工作面轨迹终点处,通过机载惯性导航系统、轮速里程计组合导航的解算位置与机载UWB定位标签解算位置计算出终点位移补偿矢量,将两端基站台的UWB基站坐标通过姿态对准矩阵和位移补...

【专利技术属性】
技术研发人员:李冠男陈少华杨志怀刘瑞郑毅刘聪张启志胡慧珠
申请(专利权)人:中煤科工集团上海有限公司
类型:发明
国别省市:

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