井下采煤机捷联惯导系统的组合初始对准系统及对准方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种井下采煤机定位导航初始对准系统及对准方法，特别是一种井下 采煤机捷联惯导系统的组合初始对准系统及对准方法。
【背景技术】
[0002] 煤炭是我国重要的基础能源和原料，以煤为主的能源结构在相当长时间内不会改 变，随着国民经济的发展，煤炭的需求量越来越大，伴随的煤矿安全事故也在不断增多。煤 炭资源安全高效开发利用技术成为了国内外学者研究的热点领域。最有效的解决方案之一 是实现煤矿生产装备机械化及自动化，从而实现井下综采工作面无人或少人开采，其中对 采矿三机的信息感知技术是实现采矿三机自动化的关键技术。
[0003] 为了实现采煤机位置及姿态检测，有学者提出了采煤机惯性导航定位方法。捷联 惯性导航系统是指将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] 但是由于捷联惯导系统是一个增量解算过程，通过每次利用对加速度和角速度进 行积分得到运动载体的位置增量和姿态角增量，从而进行捷联惯导的位置和姿态更新。因 此能够精确测量捷联惯导在定位初始时刻的定位参数的初始值，能够决定后面定位运行过 程的精度。并且捷联惯导在长时间运行下由于累计误差导致定位精度严重下降，因此需要 寻求外部定位方法对其位置结果进行校正。
[0005] 无线传感器网络作为集分布式、智能化、网络化等特点的定位系统，在短距离定位 领域表现出很大的潜力。目前在煤矿巷道中，基于无线传感器网络的人员定位技术是煤矿 安全开采技术中的重要组成部分，因此利用无线传感器网络对采煤机的三维位置进行测 量，为捷联惯导提供初始对准的位置信息。由于无线传感器网络无法提供运动载体的姿态 信息，并且捷联惯导的初始姿态矩阵直接影响加速度下的速度和位置解算，必须利用外部 倾角传感器和地球磁场传感器分别进行采煤机捷联惯导的横滚角、俯仰角以及偏航角的测 量，进而得到采煤机的初始姿态信息。建立组合定位系统，利用动基座初始对准算法对捷联 惯导进行初始定位参数的解算，实现捷联惯导的组合初始对准。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是要提供一种井下采煤机捷联惯导系统的组合初始对准系统及对 准方法，解决采煤机捷联惯导定位系统初始对准无法依靠传统GPS定位的前提下，动基座 精确初始对准的问题。
[0007] 本发明的目的是这样实现的：组合初始对准系统包括：采煤机1、地磁传感器2、倾 角传感器3、捷联惯性导航系统4、无线传感器网络移动节点5、刮板输送机6、液压支架7和 无线传感器网络锚节点8 ;地磁传感器2、倾角传感器3、捷联惯性导航系统4和无线传感器 网络移动节点5连接在采煤机1上，采煤机1骑在刮板输送机6上进行往复割煤运动；液 压支架7上连接有无线传感器网络锚节点8 ;所述的无线传感器网络锚节点由屏蔽网线进 行连接，并通过交换机对无线数据进行传输至定位主机中；所述的捷联惯导系统、倾角传感 器、地磁场传感器通过一个无线数据发送模块将定位数据传送至远端的定位主机中。
[0008] 组合初始对准方法，在捷联惯导粗对准后利用无线传感器网络测量采煤机的位置 信息，倾角传感器测量横滚、俯仰角，地磁场传感器测量偏航角，按照时间同步方法构建采 煤机的位姿量测方程，并结合捷联惯导粗对准后的误差模型建立状态方程，进行融合滤波， 得到精确的采煤机位姿信息，并进行捷联惯导的精对准，完成初始对准；具体步骤如下：
[0009] 1)捷联惯导系统中的三轴加速度计和三轴陀螺仪在采煤机静止时，测量采煤机 的三轴加速度和三轴角速度信息，在经过一段时间后，对采集到的数据进行处理，利用重力 加速度特性以及地球自转角速率特性，建立采煤机静止时的捷联惯导初始姿态转换矩阵， 并利用测量得到的数据进行捷联惯导的粗对准，进而得到捷联惯导粗对准下的误差传递模 型；
[0010] 2)无线传感器网络锚节点实时接收来自移动节点发送的无线信号，通过来自多个 锚节点对移动节点无线信号的测量，通过无线传感器网络位置解算模型得到无线传感器网 络测量下的采煤机位置信息；
[0011] 3)倾角传感器固定安装在采煤机的机身上，并且实时测量采煤机机身相对于水平 面的倾角信息，并且根据倾角传感器在采煤机机身上的安装位置参数进行倾角信息对采煤 机俯仰角和横滚角的转换；固定安装在采煤机机身上的地磁场传感器实时测量采煤机机身 所处位置的地球磁场信息，通过对地球磁场方向的测量并根据地球磁极理论进行采煤机的 偏航角解算，得到采煤机机身的俯仰角、横滚角以及偏航角的三维姿态信息，确定捷联惯导 系统的初始姿态；
[0012] 4)利用捷联惯导系统粗对准后的误差传递模型建立基于位置、姿态误差的状态方 程，并根据无线传感器网络确定的初始位置以及倾角传感器与地磁场传感器联合确定的初 始姿态建立采煤机机身的位置、姿态组合观测方程；通过利用定位系统的状态方程以及组 合观测方程构建采煤机组合定位系统的状态空间模型；
[0013] 5)根据组合定位系统的状态方程以及组合观测方程的特性，考虑到观测方程由三 个不同的传感器组成，进而构建基于对多传感器的多维联邦卡尔曼滤波模型；通过对状态 空间模型的组合滤波，得到组合定位系统下采煤机精确的初始位置和初始姿态信息，并建 立准确的捷联惯导位置和姿态误差方程，对捷联惯导系统进行精对准，实现捷联惯导精确 初始位姿信息校准，为后面的实时定位过程提供了初始保证，提高了采煤机的定位精度；
[0014] 时间同步方法，鉴于组合定位系统是由互不相关的独立传感器系统组合而成，其 每个传感器单独对定位主机进行数据传输，因此每个传感器定位主机传输的数据采集时间 不同，需要进行多传感器下的多源数据同步及采集时间配准，使得建立多传感器测量下的 观测方程时，观测量能够反应出当前时刻的测量状态，减少由于时间异步产生的观测误差； 具体步骤如下：
[0015] 1)在粗对准过程中，捷联惯导实时采集采煤机静止时刻的加速度和角速度信息， 同时在数据采集时将捷联惯导的数据采样时钟信号T。发送给无线传感器网络、倾角传感器 以及地磁场传感器的数据采集模块，各数据采集模块通过接收捷联惯导的采样时钟对自身 采集的无线传感器网络数据、倾角数据以及地磁场数据进行一个相对时钟计数，分别得到 在接收无线传感器网络定位数据、倾角传感器数据以及地磁场数据下的同步采集时间?\、τ2 和Τ3;
[0016] 2)无线传感器网络定位数据采集模块经过时间同步后采样得到?\时刻的定位数 据，经过判断该定位数据是否有效，假如无效则返回继续采集，有效则对倾角采集模块和地 磁场采集模块发送!\时刻同步量测触发信号，并进行无线量测值的接收锁存；
[0017] 3)倾角数据采集模块在接收到无线传感器网络采集模块发送的?\同步信号后，与 自身倾角传感器数据采样时刻Τ2进行比较判断，当两时刻时间差小于一个允许的时间阈值 ε时，认为Τ2时刻接收到的倾角测量数据与Ti时刻的无线数据同步，并进行倾角量测值的 接收锁存，否则对倾角传感器采样数据进行重新采样选取；
[0018] 4)地磁场数据采集模块在接收到无线传感器网络采集模块发送的?\同步信号后， 与自身地磁场传感