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創新點

（1）分析了國內外移動機器人及煤礦井下移動設備定位技術的特點，提出了一種基于空間陣列式慣性單元的防沖鉆孔機器人位姿解算方法。

（2）建立了空間陣列式慣性單元的數據融合模型，推導出角速度和比例加速度的融合方程，設計了空間陣列式慣性單元的位姿解算流程，并通過防沖鉆孔機器人的模擬運動實驗，驗證了所提方法的可行性和優越性。

（3）搭建了防沖鉆孔機器人慣性單元位姿監測實驗平臺，進行了防沖鉆孔機器人的直線行走實驗，結果表明：基于空間陣列式慣性單元解算的鉆孔機器人俯仰角、航偏角和橫滾角平均誤差均小于0.5°，在x、y、z三軸方向的位移平均誤差均小于2.00cm，位姿解算誤差均滿足實際要求，驗證了所提解算方法的實用性。

基于空間陣列式慣性單元的防沖鉆孔機器人位姿解算方法

作者：王忠賓¹，司 壘¹，王 浩¹，張修峰²，趙世豪¹，魏 東¹，譚 超¹，閆海峰¹

單位：1.中國礦業大學 機電工程學院；2.山東能源集團有限公司

背 景

隨著我國煤礦開采深度和強度的不斷加大，沖擊地壓已成為我國深部煤礦開采中最嚴重的動力災害之一，其發生頻次和破壞強度不斷增大，對深部煤層的安全開采造成了極大的影響。目前，我國煤礦企業進行沖擊地壓鉆孔卸壓作業時，卸壓作業需要人員進入危險區域，卸壓過程中容易誘發沖擊地壓災害，進而造成較大的人員傷害事故。因此，迫切需要實現鉆孔卸壓作業的機器人化，而鉆孔卸壓區域的機器人化作業首要解決的關鍵技術便是鉆孔機器人的精確定位和定姿問題。

煤礦井下巷道空間狹小、環境復雜、工況惡劣，地面上常用的衛星導航定位、無線通訊定位等常規定位技術無法實現在狹長巷道中對鉆孔機器人進行精確定位。由于慣性測量單元（IMU）不需要借助外界的信息，用于解算的初始數據來自元件自身，對外界環境依賴小，且不易受到外界環境干擾，也不需要與外 接設備交換信息，可以較好的適應井下復雜環境。因此，慣性導航逐漸成為井下移動裝備自主導航的重要技術，國內外學者針對基于慣性導航系統的井下移動裝備定位方法進行了大量的研究。

盡管國內外學者對移動機器人定位進行了大量的研究工作，但仍然存在一些問題：①傳統的紅外定位、超聲波定位等移動機器人定位技術，在煤礦井下應用時對實際工況與環境因素的依賴度較高，無法較好地適應實際工作環境；②慣性導航系統容易隨時間產生累積誤差，目前針對慣性導航系統累積誤差修正的方法主要集中在改進慣性導航算法和利用輔助定位手段校正慣性導航誤差方面，缺少從慣性系統結構上抑制累積誤差的方法。

摘 要

防沖鉆孔機器人是沖擊地壓礦井卸壓的關鍵設備，其準確定位和定姿是實現卸壓作業無人化的基礎和前提。通過分析國內外移動機器人及煤礦井下移動設備定位技術的特點，提出了一種基于空間陣列式慣性單元的防沖鉆孔機器人位姿解算方法。

在分析常規慣性傳感單元定位誤差類型及來源的基礎上，建立了空間陣列式慣性單元數據融合模型，推導出角速度和比例加速度的融合方程，設計了空間陣列式慣性單元位姿解算流程。

通過分析防沖鉆孔機器人的實際運行工況，模擬了防沖鉆孔機器人的曲線運動軌跡，并對鉆孔機器人的位姿解算方法進行了仿真分析，仿真結果表明，在曲線運動時,空間陣列式位姿解算方法的位移和姿態角解算精度均優于原始位姿解算方法和差分式位姿解算方法。

為了驗證所提方法的可行性，根據現場實際情況搭建了移動載體運動工況模擬實驗臺，根據設定的真實軌跡曲線進行軌跡跟隨及監測實驗，結果表明：空間陣列式慣性單元的位姿解算精度較高，在x，y，z三軸方向的位移平均誤差分別為5.83，8.76和0.84 cm，俯仰角、航偏角和橫滾角的平均誤差分別為0.07°，0.15°和0.06°。 為了進一步驗證所提方法的實用性，搭建了防沖鉆孔機器人慣性單元位姿監測實驗平臺，進行了防沖鉆孔機器人的直線行走實驗，實驗結果表明：基于空間陣列式慣性單元解算的鉆孔機器人俯仰角、航偏角和橫滾角平均誤差均小于0.5°，在x，y，z三軸方向的位移平均誤差均小于2.00 cm，位姿解算誤差均滿足實際要求，驗證了所提防沖鉆孔機器人位姿解算方法的可行性和有效性。

圖 片

坐標系建立

空間陣列式慣性單元布局方式

曲線運動的解算結果

模擬曲線運動的位姿解算對比結果

移動載體運動工況模擬實驗臺

模擬運動軌跡

位姿解算結果對比

現場實驗平臺

位移監測結果

姿態監測結果

第一作者簡介

王忠賓，男，1972年03月17日生，安徽宿州人，教授/博士生導師，中國礦業大學機電工程學院院長，江蘇省高校優秀科技創新團隊帶頭人。主持國家重點研發計劃“智能機器人”重點專項、國家發改委智能制造裝備專項課題、國家自然科學基金、霍英東基金優選資助課題等項目，以及企業委托項目20余項。發表SCI/EI論文40余篇，授權發明專利50余件。獲得國家技術發明二等獎1項（排名第2）、江蘇省科學技術二等獎2項（排名第1）、山東省科學技術二等獎1項（排名第3）、中國煤炭工業科學技術二等獎1項（排名第1）。入選江蘇省“333高層次人才培養工程”中青年學術技術帶頭人、江蘇省“青藍工程”中青年學術帶頭人、江蘇省“六大人才高峰”高層次人才。

研究方向

智能化礦山機電裝備，復雜環境機器人技術，制造系統集成技術

主要成果

致力于煤礦智能化開采技術及成套裝備的研究，取得多項創新性成果，解決了采煤成套裝備的自主感控性弱、協同性差、運維可靠性低等技術難題，引領了我國高端采煤裝備的技術進步；在復雜環境機器人技術方面，獲得了多項專利，研發了煤礦井下復雜環境智能感知技術及機器人精確定位系統，取得明顯創新性成果，為煤礦高效、安全生產提供了有力的技術保障。

通訊作者簡介

司壘，男，1987年07月01日生，江蘇徐州人，副教授，博士生導師，江蘇省智能礦山裝備工程研究中心副主任，江蘇省高等學校優秀科技創新團隊骨干成員，《煤炭工程》青年編委，《智能礦山》特約編輯。主持國家自然科學基金面上項目、國家自然科學基金青年項目、國家重點研發計劃子課題、中國博士后科學基金特別資助項目（第13批）、江蘇省自然科學基金面上項目、中國博士后科學基金面上項目（第58批、第66批）、中央高?；究蒲袠I務費專項資金項目、校企合作項目等。近5年，以第一作者或通訊作者在國內外重要學術期刊上發表學術論文17篇；以第一發明人授權發明專利17件。入選江蘇省科協青年科技人才托舉工程，獲江蘇省科技進步二等獎1項（R3），全國煤炭行業教學成果一等獎1項，中國煤炭工業協會科技進步三等獎1項（R3）。

研究方向

智能化礦山機電裝備，復雜環境機器人技術

主要成果

多年來一直致力于研究煤礦智能化開采的關鍵技術，突破了一系列技術難題，在采煤裝備精確定位、狀態智能感知、自適應控制等方面取得了多項創新性成果，并與相關企業進行技術推廣及應用，為促進煤礦智能化的快速發展提供有力的技術保障。

來源：

王忠賓，司壘，王浩，等. 基于空間陣列式慣性單元的防沖鉆孔機器人位姿解算方法［J］. 煤炭學報,2022,47(1):598-609.

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