【摘要】：煤炭是我國(guó)的主體能源,而深部煤層的瓦斯爆炸、巖層垮塌、突水等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生率高、偶然性強(qiáng),對(duì)采掘礦工的生命安全威脅極大。因此,深部危險(xiǎn)煤層安全高效開采是煤炭工業(yè)發(fā)展中的更高需求,迫切需要自主設(shè)計(jì)和制造適合深部開采的無(wú)人機(jī)械化綜掘設(shè)備。在深部危險(xiǎn)煤層的無(wú)人化掘進(jìn)作業(yè)中,懸臂式掘進(jìn)機(jī)的自主導(dǎo)控是實(shí)現(xiàn)綜掘工作面無(wú)人化的核心,而懸臂式掘進(jìn)機(jī)的位姿檢測(cè)是掘進(jìn)機(jī)自主導(dǎo)控的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。長(zhǎng)期以來(lái),利用點(diǎn)激光指向儀人工定向掘進(jìn)是完成懸臂式掘進(jìn)機(jī)定向作業(yè)的主要手段,這種手段不僅定向精度低,而且無(wú)法提供掘進(jìn)機(jī)自主導(dǎo)控所需的所有位姿參數(shù)。因此,在國(guó)家能源科技“十二五”規(guī)劃中明確提出要重點(diǎn)研究“基于三維定位的遠(yuǎn)程控制技術(shù)”,從而實(shí)現(xiàn)綜采綜掘工作面自動(dòng)化與無(wú)人化。本文基于超寬帶(Ultra Wide-Band,UWB)信號(hào)在局域范圍內(nèi)的高精度時(shí)間分辨率,提出一種基于UWB信號(hào)雙向飛行時(shí)間測(cè)距(Two Way-Time Of Flight,TW-TOF)的懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿檢測(cè)系統(tǒng)(Ultra wide-band Pose Detection System,UPDS)及其檢測(cè)方法,可實(shí)現(xiàn)懸臂式掘進(jìn)機(jī)在狹長(zhǎng)封閉巷道空間中的位姿參數(shù)連續(xù)測(cè)量,為實(shí)現(xiàn)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的自主導(dǎo)控及綜掘工作面的無(wú)人化開采提供了可靠的理論基礎(chǔ)。具體研究工作如下:(1)構(gòu)建了UPDS系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提出了UPDS檢測(cè)方法及自主標(biāo)定方法�；趹冶凼骄蜻M(jìn)機(jī)的工作特性,分析了懸臂式掘進(jìn)機(jī)的定位原理及位姿檢測(cè)原理,確定了懸臂式掘進(jìn)機(jī)自主導(dǎo)控所需的完整位姿參數(shù);基于懸臂式掘進(jìn)機(jī)的工況條件及UWB信號(hào)在介質(zhì)中的傳播特性,對(duì)比了基于UWB信號(hào)的多種定位模型。基于優(yōu)選的UWB信號(hào)測(cè)距參量定位模型,構(gòu)建了UPDS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并設(shè)計(jì)了UPDS位姿檢測(cè)方法,可以實(shí)現(xiàn)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的位姿參數(shù)的遠(yuǎn)程、非接觸式連續(xù)測(cè)量;推導(dǎo)了UPDS坐標(biāo)解算及姿態(tài)角解算模型;為提高UPDS系統(tǒng)有效測(cè)量距離,減少井下工作人員對(duì)基站標(biāo)定次數(shù),提出了一種基于多部定位基站機(jī)器人步進(jìn)式協(xié)同標(biāo)定的UPDS自主標(biāo)定方法,完成對(duì)UPDS系統(tǒng)的連續(xù)自主標(biāo)定;構(gòu)建了UPDS定位基站機(jī)器人的結(jié)構(gòu)模型并且設(shè)計(jì)了UPDS自主標(biāo)定策略。(2)推導(dǎo)了基于UWB距離參量定位模型的UPDS定位算法�；赨PDS系統(tǒng)特點(diǎn),構(gòu)建了三種基于UWB測(cè)距參量的UPDS定位解算模型:信號(hào)到達(dá)時(shí)間(Time Of Arrival,TOA)定位模型、信號(hào)到達(dá)時(shí)間之差(Time Difference of Arrival,TDOA)定位模型以及信號(hào)到達(dá)時(shí)間之和(Time Summation Of Arrival,TSOA)定位模型;基于TOA、TDOA以及TSOA三種定位解算模型,推導(dǎo)了8種面向UPDS的定位算法,包括:基于TOA定位模型的Caffery定位法(Caffery定位法)、基于Caffery與Taylor級(jí)數(shù)展開的融合定位法(CT定位法);基于TDOA定位模型的間接法(TDOA間接法)、基于Taylor級(jí)數(shù)展開的TDOA定位法(Taylor-D定位法)、基于TDOA定位模型的Chan定位法(Chan-D定位法);基于TSOA定位模型的間接法(TSOA間接法)、基于Taylor級(jí)數(shù)展開的TSOA定位法(Taylor-S定位法)、基于TSOA定位模型的Chan定位法(Chan-S定位法);此外,根據(jù)UPDS系統(tǒng)的定位原理,分析了TOA、TDOA以及TSOA三種定位模型的誤差影響因素。(3)分析了UPDS定位算法在狹長(zhǎng)封閉巷道中定位精度及誤差分布規(guī)律。在10m-95m狹長(zhǎng)空間中開展了UWB測(cè)距實(shí)驗(yàn),選用了美國(guó)Time domain公司研制的P440模塊進(jìn)行多次測(cè)距獲得完整實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),基于UWB實(shí)測(cè)測(cè)距數(shù)據(jù),對(duì)UPDS的8種定位算法進(jìn)行了仿真定位分析;仿真模擬了8種定位算法在95m范圍內(nèi)的定位節(jié)點(diǎn)分布、各軸誤差分布以及定位均方根誤差隨測(cè)量距離變化曲線;對(duì)比了各定位算法的特點(diǎn)、精度、誤差變化規(guī)律,基于仿真分析結(jié)果,優(yōu)選了四種定位算法:Caffery定位法、CT定位法、TDOA間接法以及TSOA間接法。為了探究不同算法在狹長(zhǎng)封閉巷道空間中的定位精度變化規(guī)律,提出一種面向狹長(zhǎng)封閉巷道空間的全斷面定位誤差場(chǎng),利用該方法可以直觀體現(xiàn)不同算法在狹長(zhǎng)封閉巷道中的精度及誤差分布規(guī)律。通過(guò)對(duì)比四種定位算法在狹長(zhǎng)巷道空間中的全斷面定位誤差場(chǎng),確定了CT定位法在10m-95m的狹長(zhǎng)巷道空間中具有更高的定位精密度,因此將CT定位法作為UPDS現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的核心算法。(4)開展了UPDS現(xiàn)場(chǎng)位姿檢測(cè)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。探究了基站幾何布局對(duì)UPDS定位精度的影響以及機(jī)身定位節(jié)點(diǎn)幾何布局對(duì)UPDS姿態(tài)角解算精度的影響;基于優(yōu)選的基站幾何布局,在懸臂式掘進(jìn)機(jī)自主導(dǎo)控實(shí)驗(yàn)室中的模擬巷道開展了UPDS現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了UPDS系統(tǒng)有效以及UPDS在狹長(zhǎng)巷道中的定位精度及姿態(tài)角解算精度;在模擬巷道中10m-78m的范圍內(nèi)選取了10個(gè)掘進(jìn)機(jī)位置節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定及測(cè)量,通過(guò)對(duì)UPDS的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析可得UPDS在X軸、Y軸方向可以達(dá)到厘米級(jí)定位精度,對(duì)掘進(jìn)機(jī)偏向角可以達(dá)到5°的檢測(cè)精度,滿足綜掘工作面開采要求,為實(shí)現(xiàn)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的自主導(dǎo)控提供了可靠的理論基礎(chǔ)及實(shí)踐基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TD421.5
【圖文】：

懸臂式掘進(jìn)機(jī)的工作環(huán)境稱為綜合機(jī)械化掘進(jìn)工作面，一般綜掘巷道位于地下300-800m處的巖層之間，巷道斷面的尺寸取決于懸臂式掘進(jìn)機(jī)的規(guī)格，如圖2.1所示，以EBZ160型掘進(jìn)機(jī)為例，巷道寬約3-5米，高約2-4.8m，掘進(jìn)機(jī)后方鏈接刮板輸送機(jī)，為便于研究規(guī)律性理論，可以將綜掘巷道抽象為一種狹長(zhǎng)封閉空間。懸臂式掘進(jìn)機(jī)的重量一般可達(dá)數(shù)十噸重，而EBZ300、EBZ320等大尺寸機(jī)型的掘進(jìn)體重都在100噸以上；綜掘工作面的懸臂式掘進(jìn)機(jī)的行進(jìn)方式不同于綜采工作面的采煤機(jī)，掘進(jìn)機(jī)由履帶式行走部完成掘進(jìn)機(jī)的位移，在行進(jìn)過(guò)程中，沒有其他機(jī)構(gòu)對(duì)掘進(jìn)機(jī)機(jī)身進(jìn)行約束；當(dāng)懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行截割作業(yè)時(shí)

超寬帶信號(hào)時(shí)頻域分布圖

P440模塊是一種帶寬在3G-5GHz的超寬帶無(wú)線收發(fā)器，它可以實(shí)現(xiàn)如下功可以在2個(gè)或者2個(gè)以上的模塊之間進(jìn)行測(cè)距，刷新率最高為125Hz。可以在多個(gè)模塊之間實(shí)現(xiàn)通信�？勺鳛閱吸c(diǎn)雷達(dá)，雙基地雷達(dá)或者多基地雷達(dá)�？赏瑫r(shí)執(zhí)行四種功能（測(cè)距、數(shù)據(jù)傳輸、單點(diǎn)雷達(dá)和多基地雷達(dá)）。具備用以優(yōu)化雙向飛行時(shí)間原理的自組網(wǎng)功能，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行測(cè)距可DMA組網(wǎng)模式或者ALOHA組網(wǎng)模式，實(shí)現(xiàn)多個(gè)模塊的同時(shí)測(cè)距。支持多達(dá)11個(gè)獨(dú)立信道，因此可模擬CDMA組網(wǎng)。硬件設(shè)計(jì)的運(yùn)行要求完全符合所有工業(yè)級(jí)溫度環(huán)境（-40℃至85℃），同晃動(dòng)或者高頻震動(dòng)中運(yùn)行。天線射頻的輻射強(qiáng)度符合美國(guó)FCC的15條規(guī)定，同時(shí)遵循歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)條款302065保密協(xié)議�？梢酝ㄟ^(guò)USB、串口、SPI、網(wǎng)口或者CAN等方式連接模塊并通過(guò)API以監(jiān)測(cè)模塊的目的（開發(fā)）。USB驅(qū)動(dòng)兼容Windows Vista 32/64、Windows7 Windows8 32/64系統(tǒng)。UWB測(cè)距模塊P440實(shí)物圖如5.1所示，

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本文編號(hào)：2767276