掘进设备的自动化导航

本文是一篇翻译文章，原文标题《A MAJORSTEP FORWARD IN CONTINUOUS MINER AUTOMATION》，译为：《连续采煤机自动化的重大进步》。

=本文中介绍的技术不仅适用于连续采煤机，也适用于悬臂式掘进机和掘锚一体机。

建议阅读本文时，可结合《连续采煤机自动化技术》、《自动化采矿设备的位置测量》这两篇文章一起看。

原文作者：David CReid,Jonathon C Ralston, Mark T Dunn and Chad O Hargrave，来自澳大利亚CSIRO矿业技术团队，均是LASC技术研发团队的核心成员。

原文发表于2011年1月的2011年井下煤炭操作工人会议。

翻译文字约5000字。

摘要：本文介绍了由CSIRO矿业技术团队承担的，提高井工煤矿连续开采设备自动化能力的重大研究与开发项目的进展情况。项目的目标是提高巷道开拓的总体速度，并为井下煤矿人员提供更安全的工作环境。

本文报告了在ACARP资助的三年研究和开发项目中途取得的成果。文中详细介绍了为验证“自主转向”能力而进行的技术开发，以使连续采煤机能够在生产条件下自动保持给定的开采方向和开采层位。报告的结果包括使用导航级惯性导航装置、多普勒雷达（Doppler radar）和光流（optical flow）技术的组合实时准确确定连续采煤机的位置和方位的方法。已经使用缩放的滑移式移动平台进行了全面的性能评估，并且到本项目现阶段取得的结果表明，在生产条件下可以实现所需的自主转向功能。该项目的成果代表了朝着逐步改进井下巷道开拓实践迈出了重要一步。

介绍

澳大利亚煤炭工业认为，连续采煤机（CM）自动化是实现巷道开拓生产率逐步提高的关键。本文报告的研究项目涵盖了统称为CM2010的更大的研究和开发工作的一个组成部分。

澳大利亚煤矿长壁生产的进步给巷道开拓速度带来了压力，这已成为煤炭生产供应链的限制因素。由于采用了新的技术和设备，长壁的生产率正在迅速提高，而巷道开拓的改进通常是有限的，而且本质上是渐进的。由澳大利亚煤炭协会研究计划（Australian Coal Association Research Program，ACARP）于2005年成立的巷道开拓工作组（Roadway Development Task Group，RDTG）的任务是通过研究和开发项目解决这一生产瓶颈，这些项目将产生新的工艺和技术。巷道开拓工作组（RDTG）对现有工艺和技术进行了审查，并基于新系统的引入，为巷道开拓指明了前进的方向，该系统可以为新一代长壁开采和现有矿山的生产带来必要的改进。基于此审查，在广泛的行业支持下启动了扩展研发计划。在2008年被正式确定为CM2010巷道开拓战略，其中包括四个主要技术类别：远程监控的连续采煤机，自动安装顶板和巷帮支护，连续运输和集成采面服务。

目前CSIRO的研究和开发主要集中在这些技术中的第一项，远程监控的连续采煤机，其主要目标是提供一种“自主转向”能力，在远程监测和监督下，在可变煤层内，使连续采煤机能够保持三维位置、方位角、水平和坡度控制。

这项研究是在先前的研究基础上进行的，该研究证明了先进的惯性导航技术在长壁自动化中的实际应用（Reid等，2001；Reid等，2006）。尽管所有基于惯性的解决方案都存在固有的随时间变化的位置漂移（Savage，2000年），但长壁自动化研究仍提供了一种商业级系统，该系统在完整生产条件下仍可实现持续的位置精度。这种赋能技术在井工开采应用中的使用已获得国际专利，并被CSIRO采矿技术研究小组作为战略研究领域（Hainsworth和Reid，2000年）。

本文描述了CM2010 连采机自动化项目的最新进展、已开发的技术解决方案、用于评估性能的实验装置以及所获得的结果。

惯性导航技术用于矿业导航

连续采煤机自动化的实用惯性导航解决方案的关键是基础惯性传感器技术的性能，尤其是陀螺仪和加速度计。商用惯性技术的质量和技术成熟度涵盖了广泛的领域，从基于微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）的设备，如移动电话、汽车应用（如气囊控制和卫星导航辅助），到基于光纤和激光的惯导设备，这对于高性能的空中、陆地和海上导航系统都是至关重要的。

无论使用哪种陀螺仪和加速度计技术，所有惯性导航系统都有一个共同的基本要求，位置平移通过加速度（由加速度传感器测量）数值二次积分计算，角旋转通过角速度（由陀螺仪传感器测量）的单次积分计算。

近几十年来，一个庞大的捷联导航理论体系建立了一个理论框架，将惯性传感器数据优化组合，计算出三维位置，从而开发了一种导航解决方案。即使使用性能最高的传感设备，数值积分的性质也意味着位置误差会随着时间累积而增大。在仅使用纯惯性信息的自由惯性模式下，即使对于高性能系统，该位置误差也会迅速增大（Savage，2000）。

   考虑到惯性传感器性能的固有局限性，实际的惯性导航解决方案以辅助惯性模式运行，以利用外部（非惯性）信息来限制这些误差的增长。最方便、最常用的策略是通过利用惯性系统静止（即相对于地球的固定位置）时的时间来定期校正累积误差，以校正和重新校准内部速度计算。这种称为零速度更新（Zero Velocity Updating，ZUPTing）的简单而强大的辅助策略可能非常有效，但需要相对频繁地停止（通常每隔几分钟）较短的时间（通常约10s）。零速度更新（ZUPTing）可以将典型高性能系统的位置误差从每小时海里减少到每小时米。

   通过合并外部辅助功能，可以实现进一步的改进，例如，增加速度感知可以在内部允许惯性导航系统通过将内部计算出的速度与外部信号源进行比较来不断校正传感器噪声和累积误差。这种安排如图1的框图所示。从概念上讲，可以认为这种方法零速度更新（ZUPTing）策略扩展到非零速度更新，通常称为“车辆运动传感器（Vehicle Motion Sensor，VMS）”辅助。VMS辅助是实现自动连续采煤机导航的实用解决方案所必需的关键要求。

     

图1-显示IMU传感器和用于计算导航输出的辅助源之间关系的框图

VMS辅助通常用于车载惯性导航系统，通过使用安装在车轮或传动系上的旋转编码器发出的里程计信号。当车辆行驶在车轮打滑最小的硬路面上时，这种方法可以很好地工作。在崎岖不平的地形上，车轮打滑会迅速降低传感器性能，甚至比没有任何VMS辅助还要差。在这个项目的早期，我们认为有必要为连采机自动化开发准确、可靠和实用的非接触式里程测量技术，也就是说，一种测量车辆相对于周围环境的运动的方法，无需与车辆机械连接或与车辆行驶的表面接触。

考虑到性能、坚固性以及在恶劣的采矿环境中运行和生存的总体适用性，考虑了多种非接触式里程测量技术，包括扫描激光、光流和多普勒雷达在内的候选技术被认为提供了单独和互补的优势。

导航解决方案性能：实验评估方法

导航级惯性导航系统的基本性能可以根据内部陀螺仪和加速度计的技术规格确定。导航系统的性能通常用纯惯性作业的每小时海里位置漂移和指向精度来表示，该精度衡量了系统解决重力矢量和地球绕中心轴旋转的能力。

当移动平台（在我们的例子中是连采机）的运动是无约束的，并且感兴趣的运动相对于由显著的背景振动和颠簸引起的不稳定运动来说是很小的，那么可实现的导航性能就很难分析或预测。在这种情况下，可达到的性能很大程度上取决于VMS辅助传感器的性能以及内部信号处理滤波器参数的调整，以匹配车辆的运动和动态。由于这些原因，需要在实际操作条件下评估整个导航系统的性能。

由于有关在爆炸性环境中安装电气设备的技术和法律规定，对井下煤矿设备进行常规原型试验是不可行的。基于这个原因，被称为凤凰号移动平台（Phoenix mobility platform）的滑移转向遥控车被改装成了现实缩放比例的移动测试平台。如图2所示，凤凰号捕捉到了运动、滑移转向操纵、车轮打滑和颠簸/振动特性方面的一些连采机动力学。在这个图中，可以看到一个正在测试的惯性导航系统单元安装在后面的顶部，多普勒雷达安装在前面的远角，向下倾斜着朝向地面。光流传感器安装在车辆后部，在此视图中不可见。

   凤凰号（Phoenix）还配备了一个高精度RTK GPS，使用CSIRO定位的基站，它提供一个以每秒20次更新的绝对地面真实位置参考，绝对位置精度优于2cm RMS。这些高精度绝对位置数据被用作凤凰号上所有导航实验的基线参考。除了测试中的导航系统外，“凤凰”号还安装了一台嵌入式计算机，以便车辆在闭环控制下导航到任务计划。

凤凰号的设计意味着导航实验可以在自然（即未铺路面）和崎岖的地形上进行，这为评估导航和速度传感器提供了更真实的条件。

集成连采机导航系统的试验是沿着位于CSIRO研究设施地面上的55m天然灌木轨道进行的。该轨道的某些地方有松散的砾石表面，并有中等的上坡和交叉坡度。试验跑道的卫星图像如图3所示，起始点和结束点显示在图中，试验的直线目标路径用白线表示。RTK-GPS系统用于测量试验期间使用的起点和终点的绝对二维坐标。

在每次试验开始时，凤凰号上的参考点被放置在起始标记上，惯性导航系统起始位置的绝对坐标被初始化。然后，凤凰号被指示仅使用惯性导航系统提供的车辆位置和姿态信息自动导航到末端坐标。车辆以缓慢的步行速度行驶，并按照预先设定的任务计划定期短暂停车，并在再次向前行驶之前后退一小段距离。该运动曲线近似于连采机生产周期的运动，并允许惯性测量单元利用零速度更新（ZUPTing）。

图2-用于评估惯性导航系统性能的Phoenix滑移转向车辆

图3-位于CSIRO研究设施场地的用于惯性导航系统评估的自然地面测试轨道

在任务中点附近，车辆脱离闭环控制，在手动（远程）控制下通过急左转和短距离偏离轨道行驶。然后，在恢复闭环控制的情况下，将其返回轨道。这种操作模拟了硐室或联络巷的某些方面，这是连采机生产周期中另一个不太频繁的组成部分。当车辆到达任务终点时自动停止。

如上所述，已使用各种惯性和速度传感硬件组合进行了长时间的多次导航试验。

试验结果

最近导航系统性能试验的代表性结果如下。该试验的起点和终点相距约55米，如图3所示，叠加在轨道的卫星图像上。如前所述，在每个实验期间，都会记录来自被测导航系统的导航数据，并实时使用该数据在指定的起点和终点之间的直线（包括周期性停车和倒车动作）之间引导凤凰号。为了验证地面的真实性，凤凰号的实际路径也从机载RTK GPS系统中记录下来，如图3中的蓝色轨迹所示，在图中可以看到在任务中点附近偏离直线路径的短距离。除了这种有意的偏离，我们可以看到凤凰号沿着期望的路径紧跟其后。

图4给出了更详细的分析，可以看出凤凰号在整个任务中的位置误差通常小于0.1米。在程序化倒车操纵过程中，较大的误差是由于闭环控制算法的缺陷而不是导航系统的缺陷造成的，这可以通过观察车辆一旦再次开始向前行驶重新获得正确的路线对齐来确认。在终点附近相对较大的位置误差反映了控制系统的误差，因为车辆在这部分轨道上遇到的轨道交叉坡度和车辆侧滑增加。

讨论

使用凤凰号移动平台对惯性系统性能进行了广泛的实践评估，已为最终系统的交付提供了重要的信息。首先，获得的结果表明，基于惯性的方法确实代表了一种推论实时车辆位置的有效手段。这种感知能力是任何鲁棒的闭环自动控制系统的重要组成部分，并且是井下采矿设备的导航解决方案开发中非常实际的要求。其次，获得的结果清楚地表明，通过利用惯性参考系内部或外部可获得的位置或运动信息，可以大大提高导航级惯性测量系统的性能。

图4-由车载RTK GPS设备测量的2D位置误差分析。在仅惯导系统指导下，凤凰号的位置与RTK GPS提供的位置紧密一致。注意，图中心的偏移是一个有意的手动指示偏离标称期望路径，以演示正确的控制系统返回行为。

随着导航系统的进一步发展，提出了一种利用车速传感辅助惯性导航的新方法，大大提高了惯性导航系统的整体性能。这涉及到使用非接触式速度传感器，这些传感器与惯性导航算法相结合，提供精确的零速度更新（ZUPTing）和车辆运动传感器(VMS)辅助，以实现显著的性能改进。

广泛的实地活动提供了一种关于使用当前系统可实现的位置测量的理解和信心的措施。这是使用凤凰号车辆进行的，该车辆提供了一个方便的实验测试平台，用于评估类似连采机的运动和操作条件下的完整导航系统性能。测试车辆装有车载RTK GPS，以提供亚厘米级的地面真实情况参考数据。重要的是，迄今为止的实验结果表明，在55米的轨道长度范围内，适当辅助的惯性导航系统可以达到亚分米的二维定位精度。

非接触式速度感知技术的进一步发展正在继续进行研究，以确保在巷道开拓中遇到的各种运行条件下都能实现准确而稳健的运行。需要进行进一步的深入评估，以评估以下假设：在某些时期足够稳定以允许零速度更新（ZUPTing）辅助。

虽然在巷道开拓过程中可以预期，存在截割/锚杆支护周期，并且连采机（掘锚）没有移动时，平台通常并不是严格固定的。背景振动、平台晃动和反作用力引起的滑移都构成惯性测量单元的低水平运动。在严格的零速度更新（ZUPTing）解释下，这种低水平运动将阻止惯导系统进入零速度更新（ZUPTing）模式，或者如果被迫进入零速度更新（ZUPTing）模式，可能会降低导航性能。

解决实际问题的一种方法是调整内部信号处理滤波器，以使惯导系统对这种背景“噪声”不那么敏感。这里的权衡是，导航系统对合法的小运动同样不敏感，这将导致导航性能的一些下降。为了更好地理解和量化由于这种非理想的零速度更新（ZUPTing）条件可能造成的系统性能下降，有必要进行进一步的测试和评估。

总结

在澳大利亚煤炭工业的支持下，CSIRO目前参与了一个重大的连续采煤机自动化研究与开发项目。到目前为止，已经证明了基于高性能惯性导航技术和新型辅助策略的导航能力，已经确定了核心仪器的实际性能极限，已经在比例缩放移动平台上进行了广泛的评估，确定和验证实时系统行为。我们的工作将继续提高面向和集成解决方案的基本精度和性能。

致谢

作者要感谢ACARP和巷道开拓任务组（RDTG）在开发此采矿导航系统方面的支持和协助。