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創(chuàng)新點(diǎn)

（1）分析了國內(nèi)外移動機(jī)器人及煤礦井下移動設(shè)備定位技術(shù)的特點(diǎn)，提出了一種基于空間陣列式慣性單元的防沖鉆孔機(jī)器人位姿解算方法。

（2）建立了空間陣列式慣性單元的數(shù)據(jù)融合模型，推導(dǎo)出角速度和比例加速度的融合方程，設(shè)計(jì)了空間陣列式慣性單元的位姿解算流程，并通過防沖鉆孔機(jī)器人的模擬運(yùn)動實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提方法的可行性和優(yōu)越性。

（3）搭建了防沖鉆孔機(jī)器人慣性單元位姿監(jiān)測實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行了防沖鉆孔機(jī)器人的直線行走實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：基于空間陣列式慣性單元解算的鉆孔機(jī)器人俯仰角、航偏角和橫滾角平均誤差均小于0.5°，在x、y、z三軸方向的位移平均誤差均小于2.00cm，位姿解算誤差均滿足實(shí)際要求，驗(yàn)證了所提解算方法的實(shí)用性。

基于空間陣列式慣性單元的防沖鉆孔機(jī)器人位姿解算方法

作者：王忠賓¹，司 壘¹，王 浩¹，張修峰²，趙世豪¹，魏 東¹，譚 超¹，閆海峰¹

單位：1.中國礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院；2.山東能源集團(tuán)有限公司

背 景

隨著我國煤礦開采深度和強(qiáng)度的不斷加大，沖擊地壓已成為我國深部煤礦開采中最嚴(yán)重的動力災(zāi)害之一，其發(fā)生頻次和破壞強(qiáng)度不斷增大，對深部煤層的安全開采造成了極大的影響。目前，我國煤礦企業(yè)進(jìn)行沖擊地壓鉆孔卸壓作業(yè)時(shí)，卸壓作業(yè)需要人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，卸壓過程中容易誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害，進(jìn)而造成較大的人員傷害事故。因此，迫切需要實(shí)現(xiàn)鉆孔卸壓作業(yè)的機(jī)器人化，而鉆孔卸壓區(qū)域的機(jī)器人化作業(yè)首要解決的關(guān)鍵技術(shù)便是鉆孔機(jī)器人的精確定位和定姿問題。

煤礦井下巷道空間狹小、環(huán)境復(fù)雜、工況惡劣，地面上常用的衛(wèi)星導(dǎo)航定位、無線通訊定位等常規(guī)定位技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)在狹長巷道中對鉆孔機(jī)器人進(jìn)行精確定位。由于慣性測量單元（IMU）不需要借助外界的信息，用于解算的初始數(shù)據(jù)來自元件自身，對外界環(huán)境依賴小，且不易受到外界環(huán)境干擾，也不需要與外 接設(shè)備交換信息，可以較好的適應(yīng)井下復(fù)雜環(huán)境。因此，慣性導(dǎo)航逐漸成為井下移動裝備自主導(dǎo)航的重要技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者針對基于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的井下移動裝備定位方法進(jìn)行了大量的研究。

盡管國內(nèi)外學(xué)者對移動機(jī)器人定位進(jìn)行了大量的研究工作，但仍然存在一些問題：①傳統(tǒng)的紅外定位、超聲波定位等移動機(jī)器人定位技術(shù)，在煤礦井下應(yīng)用時(shí)對實(shí)際工況與環(huán)境因素的依賴度較高，無法較好地適應(yīng)實(shí)際工作環(huán)境；②慣性導(dǎo)航系統(tǒng)容易隨時(shí)間產(chǎn)生累積誤差，目前針對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)累積誤差修正的方法主要集中在改進(jìn)慣性導(dǎo)航算法和利用輔助定位手段校正慣性導(dǎo)航誤差方面，缺少從慣性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上抑制累積誤差的方法。

摘 要

防沖鉆孔機(jī)器人是沖擊地壓礦井卸壓的關(guān)鍵設(shè)備，其準(zhǔn)確定位和定姿是實(shí)現(xiàn)卸壓作業(yè)無人化的基礎(chǔ)和前提。通過分析國內(nèi)外移動機(jī)器人及煤礦井下移動設(shè)備定位技術(shù)的特點(diǎn)，提出了一種基于空間陣列式慣性單元的防沖鉆孔機(jī)器人位姿解算方法。

在分析常規(guī)慣性傳感單元定位誤差類型及來源的基礎(chǔ)上，建立了空間陣列式慣性單元數(shù)據(jù)融合模型，推導(dǎo)出角速度和比例加速度的融合方程，設(shè)計(jì)了空間陣列式慣性單元位姿解算流程。

通過分析防沖鉆孔機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)行工況，模擬了防沖鉆孔機(jī)器人的曲線運(yùn)動軌跡，并對鉆孔機(jī)器人的位姿解算方法進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明，在曲線運(yùn)動時(shí),空間陣列式位姿解算方法的位移和姿態(tài)角解算精度均優(yōu)于原始位姿解算方法和差分式位姿解算方法。

為了驗(yàn)證所提方法的可行性，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況搭建了移動載體運(yùn)動工況模擬實(shí)驗(yàn)臺，根據(jù)設(shè)定的真實(shí)軌跡曲線進(jìn)行軌跡跟隨及監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：空間陣列式慣性單元的位姿解算精度較高，在x，y，z三軸方向的位移平均誤差分別為5.83，8.76和0.84 cm，俯仰角、航偏角和橫滾角的平均誤差分別為0.07°，0.15°和0.06°。 為了進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法的實(shí)用性，搭建了防沖鉆孔機(jī)器人慣性單元位姿監(jiān)測實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行了防沖鉆孔機(jī)器人的直線行走實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于空間陣列式慣性單元解算的鉆孔機(jī)器人俯仰角、航偏角和橫滾角平均誤差均小于0.5°，在x，y，z三軸方向的位移平均誤差均小于2.00 cm，位姿解算誤差均滿足實(shí)際要求，驗(yàn)證了所提防沖鉆孔機(jī)器人位姿解算方法的可行性和有效性。

圖 片

坐標(biāo)系建立

空間陣列式慣性單元布局方式

曲線運(yùn)動的解算結(jié)果

模擬曲線運(yùn)動的位姿解算對比結(jié)果

移動載體運(yùn)動工況模擬實(shí)驗(yàn)臺

模擬運(yùn)動軌跡

位姿解算結(jié)果對比

現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)平臺

位移監(jiān)測結(jié)果

姿態(tài)監(jiān)測結(jié)果

第一作者簡介

王忠賓，男，1972年03月17日生，安徽宿州人，教授/博士生導(dǎo)師，中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院院長，江蘇省高校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人。主持國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“智能機(jī)器人”重點(diǎn)專項(xiàng)、國家發(fā)改委智能制造裝備專項(xiàng)課題、國家自然科學(xué)基金、霍英東基金優(yōu)選資助課題等項(xiàng)目，以及企業(yè)委托項(xiàng)目20余項(xiàng)。發(fā)表SCI/EI論文40余篇，授權(quán)發(fā)明專利50余件。獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎1項(xiàng)（排名第2）、江蘇省科學(xué)技術(shù)二等獎2項(xiàng)（排名第1）、山東省科學(xué)技術(shù)二等獎1項(xiàng)（排名第3）、中國煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)二等獎1項(xiàng)（排名第1）。入選江蘇省“333高層次人才培養(yǎng)工程”中青年學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人、江蘇省“青藍(lán)工程”中青年學(xué)術(shù)帶頭人、江蘇省“六大人才高峰”高層次人才。

研究方向

智能化礦山機(jī)電裝備，復(fù)雜環(huán)境機(jī)器人技術(shù)，制造系統(tǒng)集成技術(shù)

主要成果

致力于煤礦智能化開采技術(shù)及成套裝備的研究，取得多項(xiàng)創(chuàng)新性成果，解決了采煤成套裝備的自主感控性弱、協(xié)同性差、運(yùn)維可靠性低等技術(shù)難題，引領(lǐng)了我國高端采煤裝備的技術(shù)進(jìn)步；在復(fù)雜環(huán)境機(jī)器人技術(shù)方面，獲得了多項(xiàng)專利，研發(fā)了煤礦井下復(fù)雜環(huán)境智能感知技術(shù)及機(jī)器人精確定位系統(tǒng)，取得明顯創(chuàng)新性成果，為煤礦高效、安全生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)保障。

通訊作者簡介

司壘，男，1987年07月01日生，江蘇徐州人，副教授，博士生導(dǎo)師，江蘇省智能礦山裝備工程研究中心副主任，江蘇省高等學(xué)校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)骨干成員，《煤炭工程》青年編委，《智能礦山》特約編輯。主持國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題、中國博士后科學(xué)基金特別資助項(xiàng)目（第13批）、江蘇省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、中國博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目（第58批、第66批）、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目、校企合作項(xiàng)目等。近5年，以第一作者或通訊作者在國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文17篇；以第一發(fā)明人授權(quán)發(fā)明專利17件。入選江蘇省科協(xié)青年科技人才托舉工程，獲江蘇省科技進(jìn)步二等獎1項(xiàng)（R3），全國煤炭行業(yè)教學(xué)成果一等獎1項(xiàng)，中國煤炭工業(yè)協(xié)會科技進(jìn)步三等獎1項(xiàng)（R3）。

研究方向

智能化礦山機(jī)電裝備，復(fù)雜環(huán)境機(jī)器人技術(shù)

主要成果

多年來一直致力于研究煤礦智能化開采的關(guān)鍵技術(shù)，突破了一系列技術(shù)難題，在采煤裝備精確定位、狀態(tài)智能感知、自適應(yīng)控制等方面取得了多項(xiàng)創(chuàng)新性成果，并與相關(guān)企業(yè)進(jìn)行技術(shù)推廣及應(yīng)用，為促進(jìn)煤礦智能化的快速發(fā)展提供有力的技術(shù)保障。

來源：

王忠賓，司壘，王浩，等. 基于空間陣列式慣性單元的防沖鉆孔機(jī)器人位姿解算方法［J］. 煤炭學(xué)報(bào),2022,47(1):598-609.

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