采煤機(jī)作為綜采工作面的重要設(shè)備,其位姿檢測是實(shí)現(xiàn)自動割煤的關(guān)鍵技術(shù)。在綜采工作面,實(shí)現(xiàn)"三機(jī)"聯(lián)動、記憶截割等技術(shù)的前提是采煤機(jī)位置和運(yùn)行姿態(tài)的確定。目前研究和使用的齒輪計數(shù)、紅外對射等檢測采煤機(jī)位姿方法無法實(shí)時的在三維方向上進(jìn)行采煤機(jī)位姿的確定。本文選用慧聯(lián)科技光纖組合慣導(dǎo)系統(tǒng)檢測采煤機(jī)位置和運(yùn)行姿態(tài),對慧聯(lián)科技光纖組合慣導(dǎo)系統(tǒng)在采煤機(jī)上應(yīng)用的進(jìn)行講解。 通過對采煤機(jī)截割工藝和位姿影響因素進(jìn)行分析,確定采煤機(jī)位姿為三維定位,在分析慧聯(lián)科技光纖組合慣導(dǎo)系統(tǒng)基本原理的基礎(chǔ)上,說明了慧聯(lián)科技光纖組合慣導(dǎo)系統(tǒng)在采煤機(jī)位姿檢測中的應(yīng)用原理。針對如何應(yīng)用慣性元件采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采煤機(jī)位姿解算做了研究,在定義坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上,仿真比較了姿態(tài)矩陣的更新算法,確定四階龍格庫塔法適合解算采煤機(jī)動態(tài)姿態(tài)角,給出采煤機(jī)位姿解算的基本方程和慧聯(lián)科技光纖組合慣導(dǎo)系統(tǒng)在采煤機(jī)上進(jìn)行初始對準(zhǔn)的方法；對采煤機(jī)動態(tài)姿態(tài)角、速度和位置進(jìn)行解算,用matlab模擬采煤機(jī)運(yùn)動軌跡,解算出慣性元件的輸出作為位姿算法仿真的輸入,進(jìn)行采煤機(jī)位姿解算算法仿真；搭建簡易模擬試驗(yàn)臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,利用小車模擬采煤機(jī)在可彎曲軌道上運(yùn)動,采集慣性元件測量數(shù)據(jù)進(jìn)行位姿解算,測量小車在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)實(shí)際的運(yùn)動軌跡和姿態(tài)角數(shù)據(jù)擬合曲線,與解算數(shù)據(jù)得到的曲線進(jìn)行對比。 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明慧聯(lián)科技光纖組合慣導(dǎo)系統(tǒng)可以用于解算采煤機(jī)位置和運(yùn)行姿態(tài)。

圖1 采煤機(jī)工作面三機(jī)工作示意圖

采煤機(jī)是采煤工作面割煤和裝煤的主要裝備，在綜合機(jī)械化的采煤過程中，要解決采煤機(jī)自動割煤和液壓支架自動移架等問題主要的技術(shù)就是要對采煤機(jī)的工作姿態(tài)和采煤機(jī)在工作面的位置進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)精確、高速定位導(dǎo)航。當(dāng)采煤機(jī)割煤位置和姿態(tài)能夠確定時，液壓支架才能及時根據(jù)采煤機(jī)此時的位置信息進(jìn)行及時的推溜支護(hù)，實(shí)現(xiàn)三機(jī)協(xié)同自動化。如圖1 所示，在采煤機(jī)在刮板輸送機(jī)上進(jìn)行割煤工作時，液壓支架對煤壁和頂板進(jìn)行支護(hù)，當(dāng)采煤機(jī)自左向右割煤時，在距離采煤機(jī)尾部 D 處，液壓支架開始推移中部槽，但 D 的值需根據(jù)采煤機(jī)此時的位置來確定。所以支架的跟機(jī)自動化由采煤機(jī)定位情況決定，而刮板機(jī)推中部槽又和液壓支架直接聯(lián)系，所以采煤工作面三機(jī)協(xié)同自動化控制的關(guān)鍵技術(shù)是采煤機(jī)定位。

采煤機(jī)的自動化控制是實(shí)現(xiàn)采煤工作面自動化的重點(diǎn)和難點(diǎn)，而采煤機(jī)自動化的關(guān)鍵則是滾筒的自動調(diào)高。國內(nèi)外采煤機(jī)自動化水平在滾筒調(diào)高技術(shù)上有很大的差距，主要表現(xiàn)在對采煤機(jī)運(yùn)行姿態(tài)和位置的檢測技術(shù)上。

在綜采工作面，采煤機(jī)位姿的檢測是在采煤機(jī)記憶截割和自適應(yīng)截割的前提和基
礎(chǔ)，采煤機(jī)上安裝了位置傳感器、油缸行程傳感器等傳感器，由司機(jī)根據(jù)煤層高低起伏操作采煤機(jī)先割一刀，各傳感器記錄相應(yīng)的運(yùn)動信息，然后存入計算機(jī)中，采煤機(jī)即可根據(jù)記憶控制采煤機(jī)進(jìn)行調(diào)高。采煤機(jī)位置和姿態(tài)參數(shù)是自適應(yīng)截割的重要信息，直接影響到采煤機(jī)的控制效果。

光纖組合慣導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用于采煤機(jī)

將光纖組合慣導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用在采煤機(jī)上，對其位置和姿態(tài)進(jìn)行檢測，實(shí)際上是應(yīng)用慣性元件（三軸陀螺儀和加速度計）檢測出采煤機(jī)相對于慣性空間旋轉(zhuǎn)的角速度和采煤機(jī)三個軸向的比力，通過計算得出采煤機(jī)的位姿信息。

       將三軸陀螺儀和三軸加速度計組成的慣導(dǎo)系統(tǒng)直接安裝在采煤機(jī)上，因?yàn)椴擅簷C(jī)的位置和運(yùn)行姿態(tài)是三維的，所以要將它們的敏感軸互相垂直放置，這樣就可以形成三維坐標(biāo)系。采煤機(jī)的三個軸的角速度可以用三軸陀螺儀敏感出來，并將這些信息傳輸至計算機(jī)計算出光纖組合慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)矩陣。然后把三軸加速度計測量的采煤機(jī)沿機(jī)體坐標(biāo)系軸向的加速度信息（比力）利用姿態(tài)矩陣變換到系統(tǒng)的導(dǎo)航坐標(biāo)系，再進(jìn)行導(dǎo)航計算。同時，在姿態(tài)矩陣中提取出姿態(tài)角和采煤機(jī)的航向信息。由上述可知，在光纖組合慣導(dǎo)系統(tǒng)中，光纖組合慣導(dǎo)系統(tǒng)完全代替了平臺系統(tǒng)中平臺的作用，使用的是“數(shù)學(xué)平臺”，大大降低了成本。