葛世荣院士：智能采运机组自主定位原理与技术

近日，葛世荣院士在《煤炭学报》2022年第1期发表研究成果《智能采运机组自主定位原理与技术》，对目前国内外采煤机自主定位技术进行了梳理归纳，系统阐述了采煤机自主定位解算原理及定位误差补偿算法，提出了基于惯导与UWB组合的采煤机自主精确定位技术，给出了刮板输送机轨迹定位监测算法，为实现智能采运机组自主定位导航、自动驾驶、自适截割和自动纠偏提供可借鉴的理论基础。

智采工作面装备运行的2个核心问题是控制工作面开采装备在煤层中自适应截割、保持采运机组在连续推进过程中的直线度。

研究指出解决这2个问题必须实时获取采煤机在工作面空间的准确定位信息。通过对比分析国内外采煤机定位系统的技术原理和硬件架构，发现开发采煤机定位误差消减算法是在井下GPS拒止环境下保证采煤机长时定位精度的关键途径。

根据采煤机定位原理可知，采煤机定位误差主要来源于惯性导航安装偏差和惯性导航系统随机误差。惯性导航安装偏差是确定性误差，采用基于两点法的确定性偏差补偿算法可使定位误差减小99.12％。针对采煤机运行状态的非完整性约束特点，基于采煤机运动学模型的闭合路径优化算法和动态零速校正算法分别使采煤机定位误差降低了50%和30%。

采用信息滤波模型将闭合路径优化算法和动态零速校正算法进一步融合，抑制了惯性导航系统航向角的漂移，抑制了惯性导航系统航向角的漂移。

利用UWB基站群自主迁移方法实现了采煤机在工作面端头定位，采用VB－UKF算法平滑采煤机定位过程中时变的测量噪声，增加了运动轨迹的平滑性，使得 IMU／UWB紧融合的定位轨 迹更加精确，为惯性导航系统提供校准的基准。

基于采煤机定位轨迹的刮板输送机轨迹检测方法实现了刮板输送机形状在线监测，为综采工作面弯曲度自动化检测和校直提供理论基础和试验数据。

葛世荣院士团队的采煤机定位技术

葛世荣院士团队借鉴无人驾驶汽车原理，首先结合精细物探技术构建了工作面煤层三维模型，以此作为采煤机定位导航地图。该煤层模型顶底板曲面以0.8 m×0.8 m栅格形式存储，与煤层钻探数据对比，平均煤厚误差0.02 m，高程平均误差±0.125 m。

该煤层模型以2000国家大地坐标系为参考坐标系，经过坐标变换可转换为局部东北天地理坐标系，作为长壁综采工作面导航系统的定位参考坐标系。然后开发了长壁综采工作面导航系统（Longwall Mining Workface Navigation System，LMWNS）。

长壁综采工作面导航系统基本原理是，利用安装于采煤机机身的具有自动寻北功能的惯性导航装置测量采煤机机身的运行方位与姿态、采煤机行走部轴编码器和截割部轴编码器测量的行走距离和摇臂摆角，通过相关算法实现采煤机在工作面煤层中的定位，获得采煤机的运行轨迹和截割轨迹。LMWNS-II由惯性导航系统、嵌入式服务器和电源系统构成。

工作面煤层及煤层顶底板三维模型

长壁综采工作面导航系统

采煤机与刮板输送机配套正等侧视图和俯视图

  现场综采工作面刮板输送机轨道检测布置

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