[发明专利]一种基于UWB与惯性单元的地下巷道掘进装备实时定位方法

说明书

本发明提供了一种基于UWB与惯性单元的地下巷道掘进装备实时定位方法，包括以下步骤：通过测量UWB雷达发射机、UWB雷达接收机在地理坐标系下的坐标；以及惯性测量单元、UWB雷达、掘进设备之间位置关系；求得掘进设备在移动过程中的初始坐标和初始姿态角度；进一步通过惯性测量单元得到掘进设备的实时位置和实时姿态角度，采用卡尔曼滤波的方式对观测值和动作值进行处理，修正定位误差。本发明采用的定位装置结构简单，且获取的机身定位信息完整，可靠性高；UWB雷达实现测距只与时间参数有关，不受外界环境的任何影响；能够对掘进设备实时自动定位，定位过程不需要人工干预；实现安全高效的巷道掘进，为煤矿巷道掘进装备无人化和智能化提供技术支撑。

技术领域

本发明涉及工程机械定位技术领域，具体涉及一种基于UWB与惯性单元的地下巷道掘进装备实时定位方法。

背景技术

随着煤矿装备技术的发展，国内煤矿巷道从以往以人工为主的掘进方式逐步实现了机械化掘进，但人工还不能完全从煤矿巷道中完全解放。我国煤矿巷道掘进以悬臂式掘进机为主，煤矿掘进工作面仍然是我国煤矿事故多发区，亟需提高掘进装备自动化和智能化水平，对于确保我国煤矿安全高效生产具有极其重要的意义。

煤矿巷道掘进主要采用悬臂式掘进机或称综掘机，配合连续式皮带运输装置实现快速掘进和运输。在掘进环节中，通常由测量队从大地基准开始接续测量直至巷道内，设置激光指向光源从后方指向采掘面，以指向激光光斑为基准确定采掘面的顶面、底面和两帮。由于采掘现场煤尘浓度极高、能见度极差，需要反复人工手持皮尺测量顶底板和两帮的超欠挖量。一方面，通过这种方式施工，人员必须站在采掘面附近进行操作，煤尘大、距未支护区近，对操作手造成极大的健康威胁和安全隐患；另一方面，由于采掘断面形状控制依赖人工目视和经验判断，超欠挖和截割断面起伏严重，给支护带来不便，增加了塌方风险。

现有的定位系统，有的结构复杂，有的不能得到物体的空间位姿的六个物理参数，实现精确定位，还有的需要在巷道中设置固定或者可移动的参考标记或者基站，需要人工固定参考标记或者通过多个无线定位基站机器人、通过点测来参与掘进机导航过程，人工没有完全解放，对于煤矿巷道定位都有一定的局限性。

综上所述，急需一种基于UWB与惯性单元的地下巷道掘进装备实时定位方法以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于UWB与惯性单元的地下巷道掘进装备实时定位方法，以解决现有煤矿巷道掘进装备定位方法无法获取机身在大地坐标系中的全部位姿参数，实时测量受限，测量结果不准确，不能实现安全高效的智能化掘进等问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于UWB与惯性单元的地下巷道掘进装备实时定位方法，采用了一种定位装置，所述定位装置包括UWB(超宽带)雷达发射机、UWB雷达接收机和惯性测量单元；UWB雷达发射机安装在巷道内，UWB雷达接收机、惯性测量单元安装在掘进设备上；定位方法包括以下步骤：

步骤一：测量UWB雷达发射机、UWB雷达接收机在地理坐标系下的坐标；测量惯性测量单元相对于掘进设备的位置关系；测量UWB雷达相对于惯性测量单元的位置关系；求得掘进设备在移动过程中在地理坐标系下的坐标(X₀,Y₀,Z₀)，以及初始姿态角度为(β₀,α₀,γ₀)，其中，α₀为俯仰角、β₀为横滚角、γ₀为偏航角；

步骤二：通过惯性测量单元得到掘进设备在X、Y、Z三个方向的位移增量ΔX、ΔY、ΔZ，以及围绕着X、Y、Z三个轴的角度偏移量Δβ、Δα、Δγ；进一步得到掘进设备在行驶过程中的实时位置(X₀+ΔX,Y₀+ΔY,Z₀+ΔZ)，以及实时姿态角度为(β₀+Δβ,α₀+Δα,γ₀+Δγ)；