王忠宾教授：基于空间阵列式惯性单元的防冲钻孔机器人位姿解算方法
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创新点
（1）分析了国内外移动机器人及煤矿井下移动设备定位技术的特点，提出了一种基于空间阵列式惯性单元的防冲钻孔机器人位姿解算方法。
（2）建立了空间阵列式惯性单元的数据融合模型，推导出角速度和比例加速度的融合方程，设计了空间阵列式惯性单元的位姿解算流程，并通过防冲钻孔机器人的模拟运动实验，验证了所提方法的可行性和优越性。
（3）搭建了防冲钻孔机器人惯性单元位姿监测实验平台，进行了防冲钻孔机器人的直线行走实验，结果表明：基于空间阵列式惯性单元解算的钻孔机器人俯仰角、航偏角和横滚角平均误差均小于0.5°，在x、y、z三轴方向的位移平均误差均小于2.00cm，位姿解算误差均满足实际要求，验证了所提解算方法的实用性。
基于空间阵列式惯性单元的防冲钻孔机器人位姿解算方法
作者：王忠宾1，司 垒1，王 浩1，张修峰2，赵世豪1，魏 东1，谭 超1，闫海峰1
单位：1.中国矿业大学 机电工程学院；2.山东能源集团有限公司
背 景
随着我国煤矿开采深度和强度的不断加大，冲击地压已成为我国深部煤矿开采中最严重的动力灾害之一，其发生频次和破坏强度不断增大，对深部煤层的安全开采造成了极大的影响。目前，我国煤矿企业进行冲击地压钻孔卸压作业时，卸压作业需要人员进入危险区域，卸压过程中容易诱发冲击地压灾害，进而造成较大的人员伤害事故。因此，迫切需要实现钻孔卸压作业的机器人化，而钻孔卸压区域的机器人化作业首要解决的关键技术便是钻孔机器人的精确定位和定姿问题。
煤矿井下巷道空间狭小、环境复杂、工况恶劣，地面上常用的卫星导航定位、无线通讯定位等常规定位技术无法实现在狭长巷道中对钻孔机器人进行精确定位。由于惯性测量单元（IMU）不需要借助外界的信息，用于解算的初始数据来自元件自身，对外界环境依赖小，且不易受到外界环境干扰，也不需要与外 接设备交换信息，可以较好的适应井下复杂环境。因此，惯性导航逐渐成为井下移动装备自主导航的重要技术，国内外学者针对基于惯性导航系统的井下移动装备定位方法进行了大量的研究。
尽管国内外学者对移动机器人定位进行了大量的研究工作，但仍然存在一些问题：①传统的红外定位、超声波定位等移动机器人定位技术，在煤矿井下应用时对实际工况与环境因素的依赖度较高，无法较好地适应实际工作环境；②惯性导航系统容易随时间产生累积误差，目前针对惯性导航系统累积误差修正的方法主要集中在改进惯性导航算法和利用辅助定位手段校正惯性导航误差方面，缺少从惯性系统结构上抑制累积误差的方法。
摘 要
防冲钻孔机器人是冲击地压矿井卸压的关键设备，其准确定位和定姿是实现卸压作业无人化的基础和前提。通过分析国内外移动机器人及煤矿井下移动设备定位技术的特点，提出了一种基于空间阵列式惯性单元的防冲钻孔机器人位姿解算方法。
在分析常规惯性传感单元定位误差类型及来源的基础上，建立了空间阵列式惯性单元数据融合模型，推导出角速度和比例加速度的融合方程，设计了空间阵列式惯性单元位姿解算流程。
通过分析防冲钻孔机器人的实际运行工况，模拟了防冲钻孔机器人的曲线运动轨迹，并对钻孔机器人的位姿解算方法进行了仿真分析，仿真结果表明，在曲线运动时,空间阵列式位姿解算方法的位移和姿态角解算精度均优于原始位姿解算方法和差分式位姿解算方法。
为了验证所提方法的可行性，根据现场实际情况搭建了移动载体运动工况模拟实验台，根据设定的真实轨迹曲线进行轨迹跟随及监测实验，结果表明：空间阵列式惯性单元的位姿解算精度较高，在x，y，z三轴方向的位移平均误差分别为5.83，8.76和0.84 cm，俯仰角、航偏角和横滚角的平均误差分别为0.07°，0.15°和0.06°。 为了进一步验证所提方法的实用性，搭建了防冲钻孔机器人惯性单元位姿监测实验平台，进行了防冲钻孔机器人的直线行走实验，实验结果表明：基于空间阵列式惯性单元解算的钻孔机器人俯仰角、航偏角和横滚角平均误差均小于0.5°，在x，y，z三轴方向的位移平均误差均小于2.00 cm，位姿解算误差均满足实际要求，验证了所提防冲钻孔机器人位姿解算方法的可行性和有效性。
图 片
坐标系建立
空间阵列式惯性单元布局方式
曲线运动的解算结果
模拟曲线运动的位姿解算对比结果
移动载体运动工况模拟实验台
模拟运动轨迹
位姿解算结果对比
现场实验平台
位移监测结果
姿态监测结果
第一作者简介
王忠宾，男，1972年03月17日生，安徽宿州人，教授/博士生导师，中国矿业大学机电工程学院院长，江苏省高校优秀科技创新团队带头人。主持国家重点研发计划“智能机器人”重点专项、国家发改委智能制造装备专项课题、国家自然科学基金、霍英东基金优选资助课题等项目，以及企业委托项目20余项。发表SCI/EI论文40余篇，授权发明专利50余件。获得国家技术发明二等奖1项（排名第2）、江苏省科学技术二等奖2项（排名第1）、山东省科学技术二等奖1项（排名第3）、中国煤炭工业科学技术二等奖1项（排名第1）。入选江苏省“333高层次人才培养工程”中青年学术技术带头人、江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人、江苏省“六大人才高峰”高层次人才。
研究方向
智能化矿山机电装备，复杂环境机器人技术，制造系统集成技术
主要成果
致力于煤矿智能化开采技术及成套装备的研究，取得多项创新性成果，解决了采煤成套装备的自主感控性弱、协同性差、运维可靠性低等技术难题，引领了我国高端采煤装备的技术进步；在复杂环境机器人技术方面，获得了多项专利，研发了煤矿井下复杂环境智能感知技术及机器人精确定位系统，取得明显创新性成果，为煤矿高效、安全生产提供了有力的技术保障。
通讯作者简介
司垒，男，1987年07月01日生，江苏徐州人，副教授，博士生导师，江苏省智能矿山装备工程研究中心副主任，江苏省高等学校优秀科技创新团队骨干成员，《煤炭工程》青年编委，《智能矿山》特约编辑。主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目、国家重点研发计划子课题、中国博士后科学基金特别资助项目（第13批）、江苏省自然科学基金面上项目、中国博士后科学基金面上项目（第58批、第66批）、中央高校基本科研业务费专项资金项目、校企合作项目等。近5年，以第一作者或通讯作者在国内外重要学术期刊上发表学术论文17篇；以第一发明人授权发明专利17件。入选江苏省科协青年科技人才托举工程，获江苏省科技进步二等奖1项（R3），全国煤炭行业教学成果一等奖1项，中国煤炭工业协会科技进步三等奖1项（R3）。
研究方向
智能化矿山机电装备，复杂环境机器人技术
主要成果
多年来一直致力于研究煤矿智能化开采的关键技术，突破了一系列技术难题，在采煤装备精确定位、状态智能感知、自适应控制等方面取得了多项创新性成果，并与相关企业进行技术推广及应用，为促进煤矿智能化的快速发展提供有力的技术保障。
来源：
王忠宾，司垒，王浩，等. 基于空间阵列式惯性单元的防冲钻孔机器人位姿解算方法［J］. 煤炭学报,2022,47(1):598-609.
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