端幫采煤技術(shù)報(bào)告書

1、報(bào)告正文（一）端幫采煤機(jī)在中國(guó)的發(fā)展前景1端幫采煤技術(shù)與端幫采煤機(jī)1.1概念介紹1）端幫采煤技術(shù)端幫采煤技術(shù)就是利用露天煤礦采場(chǎng)端幫出露煤層布置采煤設(shè) 備進(jìn)行原煤開(kāi)采的技術(shù)，不需要單獨(dú)進(jìn)行剝離或基建，能實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量、 最大化回收礦山資源并降低生產(chǎn)成本。整個(gè)系統(tǒng)的操作、維護(hù)全部在 礦山外部地面完成，無(wú)需任何人員進(jìn)入巷道作業(yè)。伴隨著采煤設(shè)備的 不斷更新，端幫采煤技術(shù)的工藝形式也在不斷變化，其主要的生產(chǎn)工 藝為:端幫井巷工程采煤工藝、端幫螺旋鉆采煤工藝、端幫采煤機(jī)采 煤工藝。端幫采煤技術(shù)伴隨著露天開(kāi)采的發(fā)展得到不斷發(fā)展，最早的端幫 采煤技術(shù)受到技術(shù)裝備落后的限制，主要的形式即在露天煤礦端幫煤 層布置巷

2、道，在巷道之間留設(shè)保安煤柱。這種方式技術(shù)簡(jiǎn)單，相當(dāng)于 露井聯(lián)采的生產(chǎn)工藝。螺旋鉆端幫采煤工藝在國(guó)外出現(xiàn)的較早，國(guó)內(nèi) 在上世紀(jì)7080年代開(kāi)始在一些礦山應(yīng)用，由于受技術(shù)裝備的限制， 該工藝生產(chǎn)能力小，生產(chǎn)效率低，在露天煤礦的應(yīng)用效果不太理想， 但是由這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展而來(lái)的螺旋鉆采煤技術(shù)在國(guó)內(nèi)井工礦薄煤層開(kāi) 采中得到了廣泛的應(yīng)用。端幫采煤機(jī)采煤工藝是近幾年才出現(xiàn)的新型 端幫采煤技術(shù)，端幫采煤機(jī)的切割部類似于井工礦的房柱式采煤機(jī)。端幫采煤技術(shù)隨著技術(shù)裝備水平的提高適應(yīng)能力不斷增強(qiáng)，在露 天煤礦端幫煤開(kāi)采、薄煤層開(kāi)采方面有廣泛的應(yīng)用前景。端幫采煤主 要技術(shù)特點(diǎn):a、提高了資源回收率，避免邊角及境界煤的丟失

3、；b、 煤層厚度適應(yīng)范圍廣，從0.7 6m； c、無(wú)塌陷開(kāi)采，滿足保護(hù)區(qū)、 環(huán)保區(qū)等特殊條件下的開(kāi)采要求；d、生產(chǎn)能力大，生產(chǎn)效率不斷提 高，端幫采煤機(jī)最大采深可達(dá)300m以上；e、可適應(yīng)破碎頂板、松軟 底板、波浪形底板煤層開(kāi)采；f、設(shè)備先進(jìn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人工作面生產(chǎn)， 自動(dòng)化控制；g、端幫采煤，不利于端幫邊坡穩(wěn)定；h、延遲內(nèi)排土場(chǎng) 推進(jìn)，相對(duì)增大運(yùn)距。2）端幫采煤機(jī)端幫采煤機(jī)是一種露井聯(lián)合的新型采掘設(shè)備，是一種能實(shí)現(xiàn)高產(chǎn) 量，最大化回收礦山資源及降低生產(chǎn)成本的端幫開(kāi)采技術(shù)。它適用于 多煤層、薄煤層、地形復(fù)雜、剝采比大的不適宜全部剝離的礦山。尤 其對(duì)內(nèi)排前的露天礦邊幫壓煤，可以有效地回采，提高整個(gè)礦

4、山資源 回采率。另外，在礦山露頭煤層的開(kāi)采過(guò)程中，此系統(tǒng)可以在因露天 礦剝離覆蓋層而形成的狹窄臺(tái)階上進(jìn)行開(kāi)采，也可以根據(jù)煤層的分 布，在露頭煤層周圍進(jìn)行端幫開(kāi)采，還可以沿著煤層的走勢(shì)進(jìn)行溝壑 開(kāi)采以及在螺旋鉆開(kāi)采過(guò)的煤層繼續(xù)開(kāi)采。端幫采煤機(jī)對(duì)厚度在 0.765.5m的煤層，有6070%高回采率，對(duì)開(kāi)采價(jià)值高的薄煤層有 使用價(jià)值，是一種安全高效的端幫采煤設(shè)備。端幫聯(lián)合采煤機(jī)通常布 置在待開(kāi)采的煤層端幫前方的空地或臺(tái)階，即可對(duì)水平或傾斜等較復(fù) 雜條件的煤層進(jìn)行開(kāi)采，系統(tǒng)控制的截割頭由液壓缸通過(guò)推進(jìn)臂推入 煤層進(jìn)行截割，被截割下的煤炭通過(guò)推進(jìn)臂系統(tǒng)運(yùn)出巷道，轉(zhuǎn)至外部 的旁側(cè)地面堆放，最終在開(kāi)采端幫形

5、成一系列矩形斷面的平行巷道。 1.2發(fā)展優(yōu)勢(shì)1）安全：端幫采煤技術(shù)以安全生產(chǎn)為前提，端幫采煤系統(tǒng)操作 控制可以在井口外部地面完成，無(wú)需人員進(jìn)入巷道，全礦生產(chǎn)人員以 完成整套設(shè)備開(kāi)采作業(yè)及維護(hù)的所有工作；2）高效：用人少，產(chǎn)量高，適用面廣，可用于回收高價(jià)值的超 薄煤層，可廣泛應(yīng)用于薄、中、厚煤層的回收；在美國(guó)自燃保護(hù)區(qū)， 端幫采煤機(jī)成為開(kāi)采較淺煤層的首選。對(duì)于0.76.4范圍的煤層端幫 采煤機(jī)工藝的回采率能夠達(dá)到60%75%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)中小型煤礦的 回米率；3）先進(jìn)：端幫采煤機(jī)配備人機(jī)智能操作系統(tǒng)，通過(guò)慣導(dǎo)系統(tǒng)可 以全方位控制整個(gè)設(shè)備循環(huán)工作，監(jiān)視設(shè)備工況并進(jìn)行故障診斷；端 幫采煤機(jī)將慣導(dǎo)系統(tǒng)

6、定位與測(cè)姿技能很好的結(jié)合在一起，以保證在整 個(gè)作業(yè)過(guò)程中，明確端幫采煤機(jī)推進(jìn)臂的方位及姿態(tài)，進(jìn)而很好的保 證開(kāi)采工作安全進(jìn)行，避免出現(xiàn)推進(jìn)臂刮幫等問(wèn)題；4）經(jīng)濟(jì)：有利于煤炭資源的回收，無(wú)需支護(hù)及大量建礦任務(wù)等 工作，總成本低；5）環(huán)保：端幫采煤機(jī)開(kāi)采過(guò)程中對(duì)地表植被破壞程度低，符合 國(guó)家資源、環(huán)境政策；6）其它：端幫采煤機(jī)設(shè)備操作容易、維護(hù)簡(jiǎn)單。1.3市場(chǎng)需求由于露天煤礦的端幫、邊幫受邊界到界、邊坡穩(wěn)定等開(kāi)采限制， 出現(xiàn)了部分煤炭?jī)?chǔ)量不得不被放棄或剝采比大、優(yōu)質(zhì)煤出露慢的情 況，致使露采成本變大，經(jīng)濟(jì)效益差。為此，煤炭產(chǎn)業(yè)部調(diào)整發(fā)展思 路，堅(jiān)持效益優(yōu)先和價(jià)值導(dǎo)向，根據(jù)各露天煤礦實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)狀況

7、， 積極開(kāi)展露天煤礦露井聯(lián)采、端幫采煤等新技術(shù)、新工藝、新裝備研 究。隨著煤炭行業(yè)降耗增效發(fā)展模式的需求，端幫采煤機(jī)的市場(chǎng)也越 來(lái)越大。而且目前國(guó)內(nèi)使用的相關(guān)設(shè)備一聯(lián)合采煤機(jī)有80多套，全 都是國(guó)外進(jìn)口的，更不用說(shuō)真正意義上的端幫采煤機(jī)。我校正在研發(fā) 制造無(wú)人智能重達(dá)230噸，是中國(guó)第一臺(tái)國(guó)產(chǎn)的端幫采煤機(jī)。生產(chǎn)端幫采煤機(jī)不僅增加適用范圍，而且能夠降低成本。我國(guó)生 產(chǎn)的端幫采煤機(jī)不僅技術(shù)比進(jìn)口設(shè)備先進(jìn)，且端幫采煤機(jī)的生產(chǎn)彌補(bǔ) 了國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的空白，振興了民族產(chǎn)業(yè)。我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展對(duì)煤炭需求大幅增加，高速高效工作面得到 快速發(fā)展，大功率采煤機(jī)市場(chǎng)需求日益增加，但在此之前采煤機(jī)生產(chǎn) 能力仍然有限，這樣

8、不僅不能真正的實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效工作面，而且回收 率較低。端幫采煤機(jī)本身具有防滑坡、防砸功能。因此，在未來(lái)市場(chǎng) 上，端幫采煤機(jī)有著不容小覷的市場(chǎng)需求。第一、端幫采煤機(jī)的興起，有利于更快的提高露天礦資源回收率， 節(jié)約國(guó)家資源，對(duì)于我國(guó)倡導(dǎo)綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)以及可持續(xù)發(fā)展，具有十 分重要的意義。近些年來(lái)，我國(guó)煤炭開(kāi)采量仍舊保持高速增長(zhǎng)，煤炭產(chǎn)量仍然位 居世界第一位，2013年的煤炭生產(chǎn)量從2009年的30.5億t增長(zhǎng)為 37億t，到2014年，煤炭生產(chǎn)量初步估計(jì)為40億t。而2013年世 界煤炭產(chǎn)量為66.9億t，中國(guó)占世界煤炭產(chǎn)量從2009年45.6%到2013 年65%，按照這樣的消耗速度來(lái)計(jì)算，我國(guó)的煤

9、炭開(kāi)采年限將在100a 左右，而擁有煤炭資源最多的美國(guó)則可以開(kāi)采250多年。俄羅斯大于 500年，德國(guó)為317年，印度為235年。我國(guó)煤炭的儲(chǔ)采比不但比世 界主要采煤國(guó)家低，而且低于世界204年的平均水平。第二、隨著我國(guó)露天開(kāi)采技術(shù)水平的提高，并逐漸達(dá)到世界先進(jìn) 水平，縱觀各種米礦工藝，如單斗一卡車開(kāi)米工藝、單斗一自移式破 碎機(jī)或半固定破碎站一帶式輸送機(jī)開(kāi)采工藝和吊斗鏟倒堆開(kāi)采工藝 已經(jīng)在礦山得到了良好的應(yīng)用，端幫運(yùn)輸系統(tǒng)和露天采礦機(jī)也逐步的 得到了業(yè)界的認(rèn)可和推廣，露天開(kāi)采技術(shù)發(fā)展的下一個(gè)熱點(diǎn)將是進(jìn)一 步提高露天礦端幫資源回收技術(shù)。第三、目前對(duì)露天礦端幫資源的開(kāi)采已經(jīng)取得一些進(jìn)步，特別是 那

10、些深凹的金屬露天礦山，對(duì)端幫煤礦采用“掛幫開(kāi)采”，已經(jīng)有很 多成功的案例。通常都是采用擴(kuò)幫開(kāi)采技術(shù)、平硐一溜井聯(lián)合后退式 開(kāi)采及井工開(kāi)采方式。對(duì)于水平或者緩傾斜礦床的露天礦，由于內(nèi)部 排土的存在，需要及時(shí)的對(duì)端幫資源進(jìn)行回收才能獲得更好的經(jīng)濟(jì)效 益，否則很可能會(huì)造成永久性資源浪費(fèi)。對(duì)于大部分水平或緩傾斜的 露天煤礦，對(duì)端幫資源的回收進(jìn)行了大量的研究，同時(shí)也取得了相當(dāng) 多的成果，但仍然存在著資源回收率低、未能解決好端幫邊坡穩(wěn)定及 塌陷的問(wèn)題，在實(shí)際中并沒(méi)有得到大量的推廣應(yīng)用。因此對(duì)端幫采煤 機(jī)的研發(fā)，不但對(duì)節(jié)約煤炭資源及提高資源利用率具有意義，而且對(duì) 進(jìn)一步提高我國(guó)露天開(kāi)采綜合技術(shù)水平有促進(jìn)作用

11、。1.4國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，其對(duì)煤炭行業(yè)的發(fā)展提出了更高的要 求，端幫采煤技術(shù)能夠有效的提高煤炭的回收率，本節(jié)主要從國(guó)外、 國(guó)內(nèi)來(lái)講述端幫采煤技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)外對(duì)端幫開(kāi)采的研究起步較早，特別是以美國(guó)為首的發(fā)達(dá)國(guó) 家，專門開(kāi)發(fā)了用于端幫采煤的端幫采煤機(jī)，并得到了廣泛的應(yīng)用。 以美國(guó)SHM公司為代表的企業(yè)，1994年正式推出了用于開(kāi)采露天礦 端幫及露頭煤的聯(lián)合采煤機(jī)。SHM端幫聯(lián)合采煤機(jī)是基于連續(xù)采煤 機(jī)開(kāi)采方法的端幫開(kāi)采技術(shù)的集大成者，具備了簡(jiǎn)潔、安全、自動(dòng)化、 模塊化、機(jī)動(dòng)性等多種特點(diǎn)，生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率都達(dá)到了很高的水 平，能最大化回收礦山資源及降低生產(chǎn)成本。

12、它是第一個(gè)露天開(kāi)采和 井工開(kāi)采相結(jié)合，發(fā)揮設(shè)備最大效益的端幫采煤設(shè)備，能在露天礦臺(tái) 階上直接開(kāi)采水平長(zhǎng)度300m以內(nèi)、厚度0.765.5m的端幫煤。該機(jī) 適用于開(kāi)采煤體支撐性好，頂板中等穩(wěn)定、煤層平坦、起伏不超過(guò) 12。、厚度不小于0.7 m的煤層。作業(yè)時(shí)無(wú)需任何操作人員進(jìn)入巷道 工作，采煤過(guò)程全部自動(dòng)完成，所有控制行動(dòng)均在地面完成。日常操 作上也只需3、4人即可完成。由于無(wú)需支護(hù)及大量建礦任務(wù)，因此 經(jīng)濟(jì)性非常好。2007年，SHM被特雷克斯收歸旗下，此后又隨特雷克斯其他礦 業(yè)產(chǎn)品線并入比塞洛斯，如今又成為卡特彼勒的一道獨(dú)特風(fēng)景，卡特 彼勒稱之為露井聯(lián)合端幫采煤系統(tǒng)。無(wú)論在哪家旗下，近20年

13、來(lái)， 端幫聯(lián)合采煤機(jī)已經(jīng)在美國(guó)、俄羅斯、印度等國(guó)的數(shù)十座煤礦投入使 用，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，其單洞開(kāi)采深度已由最初的30m提高到300m， 日產(chǎn)煤量最高可達(dá)7000t，月產(chǎn)量約為11萬(wàn)t。端幫采煤機(jī)對(duì)開(kāi)采價(jià)值高的薄煤層有極大的使用價(jià)值，是一種安 全高效的端幫采煤設(shè)備?；谶@一基礎(chǔ)，我國(guó)近些年正在對(duì)端幫采煤 機(jī)進(jìn)行研發(fā)。國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀端幫采煤機(jī)技術(shù)對(duì)于提高我國(guó)煤炭資源的回采率以及薄煤層露 頭煤的開(kāi)采，具有重大意義。我國(guó)北方省市，特別是內(nèi)蒙古，陜西以 及山西地區(qū)，擁有數(shù)量眾多的小型露天煤礦（年產(chǎn)60萬(wàn)t至年產(chǎn)300 萬(wàn)t）,端幫資源及露頭煤資源由于目前開(kāi)采技術(shù)條件的限制，傳統(tǒng)的 井工和露天開(kāi)采方式都不能有

14、效的回收這些資源，這些煤層不得不被 放棄，造成資源的大量浪費(fèi)。如果考慮使用端幫開(kāi)采技術(shù)，不但可以 提高回采率，回收端幫壓煤，而且會(huì)給企業(yè)和社會(huì)帶來(lái)更多的聯(lián)動(dòng)效rw.o我國(guó)至今還沒(méi)有端幫采煤機(jī)的應(yīng)用，業(yè)界對(duì)端幫采煤機(jī)的實(shí)用性 和可靠性缺乏試驗(yàn)和研究。我們應(yīng)該在未來(lái)幾年內(nèi)逐步引進(jìn)試用并加 以研究推廣。隨著煤炭資源整合的推進(jìn)，在內(nèi)蒙古、山西、陜西等一些適宜進(jìn) 行露天開(kāi)采的礦區(qū)，井工轉(zhuǎn)露天的情況不斷出現(xiàn)，露天礦的規(guī)模和數(shù) 量都得到了不同程度的增加。尤其在準(zhǔn)格爾礦區(qū)、神東礦區(qū)、河保偏 礦區(qū)等西北部地區(qū)及西南部地區(qū)的昭通礦區(qū)、小龍?zhí)兜V區(qū)的一些露天 煤礦，雖然煤層層數(shù)多但煤層厚度相對(duì)較大，端幫煤炭資源在資源

15、儲(chǔ) 量中將占有一定的比例。采用端幫采煤技術(shù)回收端幫煤炭資源，將有 利于企業(yè)的發(fā)展。端幫采煤技術(shù)在我國(guó)雖然有應(yīng)用，但形式簡(jiǎn)單，技 術(shù)落后，生產(chǎn)效率低，SHM端幫采煤機(jī)具有操作容易，維護(hù)簡(jiǎn)單，生 產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，在我國(guó)正處于廣泛的研究中。2端幫采煤機(jī)定位與測(cè)姿的迫切需要2.1端幫采煤機(jī)的作業(yè)特點(diǎn)端幫采煤機(jī)一般由六個(gè)部分組成：截割部分、導(dǎo)向部分、推進(jìn)和 運(yùn)輸系統(tǒng)、動(dòng)力卷盤系統(tǒng)、卸載系統(tǒng)、行走系統(tǒng)。其中推進(jìn)和運(yùn)輸系 統(tǒng)是整個(gè)端幫采煤機(jī)最具特色也是最重要的組成部分之一。重型液壓 動(dòng)力站上的巨型液壓油缸負(fù)責(zé)將推進(jìn)臂組件和截割頭模塊推入或撤 出煤層。推進(jìn)臂為密封矩形結(jié)構(gòu)，多節(jié)鉸接組成，其連接不涉及電氣 及液

16、壓連接件。除了承受推力和回撤力，推進(jìn)臂同時(shí)也是運(yùn)煤工具， 推進(jìn)臂內(nèi)置了雙螺旋運(yùn)輸機(jī)，將截割下的煤炭運(yùn)輸?shù)酵獠康孛?，其?封結(jié)構(gòu)避免了污染。端幫采煤機(jī)的截割部分由可更換、模塊化的電動(dòng)截割頭組成，根 據(jù)煤層厚度不同，有不同規(guī)格的截割頭模塊可供選擇，但其截割頭寬 度始終是有限的。開(kāi)采過(guò)程中必須由控制室內(nèi)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制截割 頭精確地沿煤層厚度進(jìn)行截割，避開(kāi)巖石。端幫采煤機(jī)的地面部分有一個(gè)巨大的圓形卷盤，所有的動(dòng)力電 纜、控制電纜、液壓管路、電機(jī)冷卻水管以及各種傳感器管路等，都 鎧裝在高強(qiáng)度防砸的夾具內(nèi)，隨著采煤過(guò)程中推進(jìn)臂的推進(jìn)或回撤， 沿著推進(jìn)臂側(cè)邊的凹槽向截割頭提供動(dòng)力，整個(gè)采煤過(guò)程中卷盤自動(dòng)

17、完成管纜的收、放動(dòng)作。2.2端幫采煤機(jī)的測(cè)姿需求由端幫采煤機(jī)的適用條件可知，端幫采煤技術(shù)在開(kāi)采過(guò)程中沒(méi)有 支護(hù)，端幫采煤機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)地多為地質(zhì)危險(xiǎn)地帶，尤其在破碎頂板、 松軟頂板、節(jié)理發(fā)育頂板等地質(zhì)條件下作業(yè)時(shí)，有可能在開(kāi)采過(guò)程中 發(fā)生頂板冒落。在厚煤層的開(kāi)采過(guò)程中，有可能出現(xiàn)數(shù)噸重的巖石從 巷道頂部落下砸到推進(jìn)臂上。應(yīng)對(duì)這一情況，端幫采煤機(jī)對(duì)推進(jìn)臂的 材質(zhì)與焊接技術(shù)都有較高的要求，SHM推進(jìn)臂由高強(qiáng)度耐磨高錳合 金鋼制成，焊接由全自動(dòng)焊接機(jī)器人完成。當(dāng)石塊砸到推進(jìn)臂時(shí)，只 需抽出推進(jìn)臂，用其他設(shè)備移開(kāi)石塊，整個(gè)過(guò)程耗時(shí)不到幾分鐘。即 使這樣，也會(huì)顯著降低工作效率，延緩采掘進(jìn)度。因此必須考慮在推

18、 進(jìn)臂沿采掘工作面向前推進(jìn)時(shí)應(yīng)避免碰到巷道頂板。由端幫采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和作業(yè)特點(diǎn)可知，端幫采煤機(jī)在工作時(shí) 要求推進(jìn)臂組件和截割頭模塊在采掘巷道內(nèi)必須沿直線推進(jìn)，誤差不 能大于某一閾值，否則將會(huì)導(dǎo)致推進(jìn)臂刮幫、割頂或臥底現(xiàn)象發(fā)生。 但縱向可以沿煤層的走勢(shì)進(jìn)行起伏。為實(shí)現(xiàn)截割頭的正確導(dǎo)向，保障推進(jìn)臂的推進(jìn)方向始終在一條直 線上，端幫采煤機(jī)必須配備可靠的導(dǎo)向系統(tǒng)，即定位測(cè)姿系統(tǒng)。使得 地面控制人員可以根據(jù)此系統(tǒng)返回的信息進(jìn)行導(dǎo)向，進(jìn)而用來(lái)調(diào)整截 割頭模塊的轉(zhuǎn)向以及控制煤柱寬度，使得截割頭完全在煤層中進(jìn)行截 割，避免割頂或臥底現(xiàn)象發(fā)生。2.3端幫采煤機(jī)定位測(cè)姿研究?jī)?nèi)容端幫采煤機(jī)定位測(cè)姿研究?jī)?nèi)容是端幫采

19、煤機(jī)推進(jìn)臂前端的姿態(tài) 測(cè)量技術(shù)。推進(jìn)臂的姿態(tài)測(cè)量技術(shù)包括航向角、俯仰角和橫滾角的測(cè) 量。根據(jù)端幫采煤機(jī)的工作原理可知，航向角是反映推進(jìn)臂推進(jìn)方向 與工作面走向的角度，俯仰角是反映推進(jìn)臂與工作面的傾斜角度，橫 滾角是反映推進(jìn)臂在與推進(jìn)方向垂直方向上相對(duì)工作面的傾斜角度。以推進(jìn)臂前端的俯仰角、橫滾角和方位角為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在推進(jìn)臂 沿采掘工作面向前推進(jìn)的基礎(chǔ)上可衍生出推進(jìn)臂的推進(jìn)軌跡，同時(shí)也 為正確引導(dǎo)推進(jìn)臂沿直線推進(jìn)提供控制數(shù)據(jù)。端幫采煤機(jī)推進(jìn)臂的航 向角、俯仰角和橫滾角的測(cè)量所采用的的坐標(biāo)系與傳統(tǒng)采煤機(jī)以采區(qū) 地質(zhì)模型為參考坐標(biāo)系不同，它是以采掘工作平面為基準(zhǔn)的，所得到 的數(shù)據(jù)均為相對(duì)定位數(shù)據(jù)。端

20、幫采煤機(jī)定位測(cè)姿過(guò)程中尤其要注意方位的精確性，如卡特彼 勒的端幫聯(lián)合采煤機(jī)HW300就要求300m內(nèi)左右誤差不超過(guò)0.2o 3現(xiàn)有井下定位測(cè)姿技術(shù)當(dāng)前GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)已經(jīng)很廣泛地運(yùn)用于地面設(shè)備的定位之 中，但由于地表的屏蔽，井下無(wú)法接收到GPS信號(hào)，因此井下設(shè)備 的定位以及監(jiān)控亟需采用一種新的解決方法。3.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位測(cè)姿技術(shù)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位測(cè)姿技術(shù)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng) 用于采礦工業(yè)的關(guān)鍵性技術(shù)之一。井下地形復(fù)雜，要有效地對(duì)環(huán)境和 設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，必須對(duì)移動(dòng)設(shè)備精確定位。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由部署在 監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成 一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)

21、，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋 區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。經(jīng)過(guò)各國(guó)研究者的共同努力，目前已經(jīng)有眾多節(jié)點(diǎn)定位機(jī)制可用 于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。其基本思路大致相同：在傳感器網(wǎng)絡(luò)中部署一定 比例的特殊節(jié)點(diǎn)，這類節(jié)點(diǎn)或擁有較強(qiáng)的能量并可配備GPS系統(tǒng)， 或可通過(guò)其他特定方式獲取自身坐標(biāo)，稱參考節(jié)點(diǎn)(reference point)、 錨節(jié)點(diǎn)(anchor)或形象稱之為燈塔(beacon)。其他節(jié)點(diǎn)稱未知節(jié) 點(diǎn)(unknown node)，通過(guò)測(cè)量與參考節(jié)點(diǎn)的距離、角度，或依據(jù)相 對(duì)位置關(guān)系、網(wǎng)絡(luò)連通性進(jìn)行一定計(jì)算得出自身坐標(biāo)。通常分為距離 測(cè)量、坐標(biāo)計(jì)算以及可選的循環(huán)求精三個(gè)階段。上述

22、基本過(guò)程中，通過(guò)測(cè)量與參考節(jié)點(diǎn)距離或角度進(jìn)行定位的方 法屬于基于測(cè)距(range-based)的定位方法，而不通過(guò)測(cè)距距離、僅 依據(jù)相對(duì)位置關(guān)系或網(wǎng)絡(luò)連通性來(lái)進(jìn)行定位的方法則稱之為無(wú)需測(cè) 距(range-based)的定位方法。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位測(cè)姿技術(shù)應(yīng)用于端幫采煤機(jī)的缺點(diǎn)如下：距離無(wú)關(guān)的定位算法是對(duì)節(jié)點(diǎn)位置的一種推測(cè)。絕大部分距離無(wú) 關(guān)及其改進(jìn)算法依賴于節(jié)點(diǎn)間的轉(zhuǎn)發(fā)和射頻通信半徑，而無(wú)線傳感器 網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)自組織的多跳網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)間的路由轉(zhuǎn)發(fā)本身就帶有一定的 隨機(jī)性。射頻通信半徑受大氣傳播條件影響很大，和節(jié)點(diǎn)的硬件參數(shù) 和電池電壓也有一定的關(guān)系。AOA方法在測(cè)距過(guò)程中誤差較大，TOA的方法幾乎

23、很難實(shí)現(xiàn)， 由于節(jié)點(diǎn)功耗和硬件性能的限制，很難做到精確的時(shí)間同步。如果采 用射頻信號(hào)到達(dá)時(shí)間作為距離計(jì)算依據(jù)，節(jié)點(diǎn)間要做到納秒級(jí)的時(shí)間 同步才能保證定位精度。但是，由于晶體振蕩器的漂移，納秒級(jí)的時(shí) 間同步在硬件上實(shí)現(xiàn)十分困難。目前，到達(dá)時(shí)間差定位技術(shù)（TDOA） 算法一般采用射頻和超聲波信號(hào)作為測(cè)距的載體，但是超聲波信號(hào)在 空氣中衰減大的特性成了 TDOA算法發(fā)展的瓶頸，其在近距離測(cè)量 中是可彳丁的，是精確的。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有定位算法中，都沒(méi)有將以下兩者結(jié)合起來(lái)改 進(jìn)：測(cè)距（基于距離的定位算法）或者是距離估計(jì)（距離無(wú)關(guān)的定 位算法）；定位方法：包括三角測(cè)量法和極大似然估計(jì)法。3.2 CSS定

24、位測(cè)姿技術(shù)CSS （Chirp Spread Spectrum,線性調(diào)頻擴(kuò)頻）技術(shù)是由Chirp 信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻的。Chirp信號(hào)是一種擴(kuò)頻信號(hào)，在一個(gè)Chirp信號(hào)周 期內(nèi)會(huì)表現(xiàn)出線性調(diào)頻的特性，即信號(hào)頻率隨時(shí)間變化而線性變化。Chirp信號(hào)的頻率在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)會(huì)“掃過(guò)”一定的帶寬，所以Chirp信號(hào)又被形象地稱為“掃頻信號(hào)”。Chirp信號(hào)的掃頻特性可 以應(yīng)用在通信領(lǐng)域，用以表征數(shù)據(jù)符號(hào)，達(dá)到擴(kuò)頻的效果。CSS 技術(shù)是一種時(shí)分多址(Time Division Multiple Address, TDMA)的定制應(yīng)用，利用脈沖壓縮使得接收脈沖能量非常集中，極易 被檢測(cè)出來(lái)，提高了抗干擾和多徑

25、效應(yīng)能力，有很好的魯棒性。CSS 技術(shù)可以直接捕獲脈沖壓縮，從而利用鎖相環(huán)電路進(jìn)行同步，且脈沖 壓縮技術(shù)有很好的抗頻率偏移特性，能滿足高可靠性和低功耗要求。CSS定位測(cè)姿技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，定位技術(shù)分為相對(duì)定位和絕對(duì)定 位兩種，絕對(duì)定位使元素的位置與文檔流無(wú)關(guān)，因此不占據(jù)空間。這 一點(diǎn)與相對(duì)定位不同，相對(duì)定位實(shí)際上被看作普通流定位模型的一部 分，因?yàn)樵氐奈恢孟鄬?duì)于它在普通流中的位置。如圖3-1所示表示 的是CSS絕對(duì)定位。11F1 Itop:20px | I TOC o 1-5 h z -! eft：30PX X nI rII植1LII| L也相對(duì)定位的祖先元素圖3-1 CSS絕對(duì)定位示意圖Fi

26、g.3-1 CSS absolute positioning schematic3.3地磁傳感器定位測(cè)姿技術(shù)隨著地磁探測(cè)技術(shù)的發(fā)展和地磁場(chǎng)模型的不斷完善，對(duì)地磁信息 的測(cè)量精度越來(lái)越高，使用地磁與微慣性器件進(jìn)行組合姿態(tài)測(cè)量，可 以利用地磁場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定，地磁傳感器無(wú)累積誤差、響應(yīng)速度快的特點(diǎn) 克服慣性器件的累積誤差問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)小體積、低成本、抗高過(guò)載的高精度載體姿態(tài)測(cè)量方案。目前，世界上被用于磁場(chǎng)探測(cè)的磁場(chǎng)傳感器有超導(dǎo)量子干涉儀、 質(zhì)子磁力儀、光泵磁力儀、磁通門磁強(qiáng)計(jì)、磁阻傳感器、霍爾傳感器 等，其主要特點(diǎn)如表3-1所示。表3-1常用磁傳感器種類及特點(diǎn)Tab3-1 types and charact

27、eristics of common magnetic sensors量程（T）靈敏度（nT）測(cè)量類 型響應(yīng)頻率（Hz）功耗（mW）超導(dǎo)量子干涉儀10-1410-610-5矢量1M質(zhì)子磁力儀10-1010-210-2標(biāo)量1101000光泵磁力儀10-1010-210-3標(biāo)量1101000磁通門磁強(qiáng)計(jì)10-1010-210-2矢量1101000普通磁阻磁強(qiáng)計(jì)10-610-110矢量1M10非晶絲磁強(qiáng)計(jì)10-910-410-1矢量1M10（1）超導(dǎo)量子干涉儀超導(dǎo)量子干涉儀的工作原理:當(dāng)兩塊超導(dǎo)體被一薄的絕緣層分開(kāi) 后，這兩塊超導(dǎo)體會(huì)構(gòu)成一個(gè)Josephson隧道節(jié)。根據(jù)量子力學(xué)原理， 會(huì)有電子穿過(guò)

28、這一絕緣層形成超導(dǎo)電流，當(dāng)在這一超導(dǎo)環(huán)路中加上一 定的偏置電流后，便會(huì)發(fā)生宏觀的量子干涉現(xiàn)象，也就說(shuō)超導(dǎo)回路中 的電流會(huì)隨回路中外加磁通量的變化發(fā)生變化，并存在數(shù)學(xué)關(guān)系。超 導(dǎo)量子干涉儀對(duì)磁場(chǎng)有極高的靈敏度，在弱磁探測(cè)領(lǐng)域有很高的實(shí)用 價(jià)值，比如生物磁場(chǎng)測(cè)量和無(wú)損探傷等。（2）質(zhì)子磁力儀質(zhì)子磁力儀的工作原理:通過(guò)將探頭中富含氫質(zhì)子的酒精、煤油、 蒸餾水等液體外加人工磁場(chǎng)使其氫質(zhì)子按規(guī)律排列，然后消去人工磁 場(chǎng)，根據(jù)分析質(zhì)子在當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)作用下的自旋信號(hào)來(lái)反推磁場(chǎng)大小。質(zhì) 子磁力儀測(cè)量精度高，主要應(yīng)用在高精度的地磁場(chǎng)的探測(cè)中，其測(cè)量 的是標(biāo)量值，即總磁場(chǎng)大小。光泵磁力儀光泵磁力儀的工作原理:氦、銫、

29、氮等元素在特定條件下會(huì)產(chǎn)生 光泵吸收現(xiàn)象(磁共振吸收現(xiàn)象)，通過(guò)測(cè)量共振的頻率即可測(cè)量當(dāng)前 的磁場(chǎng)強(qiáng)度。光泵磁力儀的磁場(chǎng)分辨率比質(zhì)子磁力儀高一個(gè)數(shù)量級(jí)， 可到達(dá)10-3 nT，測(cè)得的也是總磁場(chǎng)強(qiáng)度，主要應(yīng)用在地磁場(chǎng)強(qiáng)度探 測(cè)、磁場(chǎng)梯度測(cè)量和礦藏探測(cè)等領(lǐng)域內(nèi)。磁通門磁強(qiáng)計(jì)磁通門磁強(qiáng)計(jì)采用一組以軟磁材料為磁芯的高導(dǎo)磁鐵芯線圈作 為探頭，在飽和的激勵(lì)磁場(chǎng)的交替作用下，在探頭兩端會(huì)產(chǎn)生形式己 知的周期性電磁感應(yīng)電壓，通過(guò)加以遠(yuǎn)大于高導(dǎo)磁鐵芯線圈飽和磁感 應(yīng)強(qiáng)度的激勵(lì)磁場(chǎng)，可以將探頭的磁芯激勵(lì)至深度飽和狀態(tài)，這樣便 可以將當(dāng)?shù)剌^微弱的磁場(chǎng)信息轉(zhuǎn)變?yōu)樘筋^兩端的交變電壓信號(hào)，通過(guò) 對(duì)這一電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量就可

30、以得到當(dāng)?shù)氐拇艌?chǎng)值。磁通門磁強(qiáng)計(jì)相比超導(dǎo)量子干涉儀、質(zhì)子磁力儀和光泵磁力儀體 積較小，而且使用時(shí)不需要較多支持設(shè)備，對(duì)磁場(chǎng)有較高的靈敏度， 可以應(yīng)用在地磁場(chǎng)探測(cè)、導(dǎo)磁率測(cè)量等領(lǐng)域，盡管磁通門磁強(qiáng)計(jì)相比 前面介紹的高精度磁力儀造價(jià)有所降低，但也高達(dá)數(shù)千元。磁阻傳感器磁阻傳感器根據(jù)巨磁阻抗效應(yīng)(GMR)設(shè)計(jì)的一種磁場(chǎng)傳感器，巨 磁阻抗效應(yīng)是指在納米級(jí)別的薄膜中，某些磁阻材料的磁電阻變化率 較高的現(xiàn)象。因此磁阻傳感器一般是通過(guò)納米級(jí)別的超薄膜制備技 術(shù)，在單晶硅等半導(dǎo)體平面制作磁阻式的惠斯通電橋來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)存 在外部磁場(chǎng)時(shí)，磁阻發(fā)生變化，這樣通過(guò)測(cè)量電橋中的電壓信息便可 得到外部磁場(chǎng)信息。磁阻傳感器

31、造價(jià)低廉、體積小，是一種全固態(tài)磁傳感器，被廣泛 應(yīng)用在數(shù)字羅盤、姿態(tài)測(cè)量等領(lǐng)域內(nèi)。雖然磁阻傳感器的靈敏度稍低， 大約在10nT左右，但這一靈敏度水平完全可以勝任對(duì)地磁場(chǎng)中低精 度水平的測(cè)量。另外近幾年發(fā)展起來(lái)的基于非晶材料的巨磁阻抗效應(yīng) (GMI)的非晶材料磁傳感器己經(jīng)可以將靈敏度提升至0.1nT左右。3.4紅外測(cè)距技術(shù)紅外測(cè)距儀紅外測(cè)距儀主要由調(diào)制光發(fā)射單元、接收單元、測(cè)相單元、計(jì)數(shù) 顯示單元、邏輯控制單元和電源變換器等部分組成，其光源通常為神 化鉉半導(dǎo)體發(fā)光二極管。當(dāng)有相當(dāng)大的電流正向通過(guò)神化鉉二極管 的P-N結(jié)時(shí)，P-N結(jié)里就會(huì)發(fā)射出波長(zhǎng)為0.72m 0.96m的近紅外光， 這是由于在摻

32、雜的GaAs半導(dǎo)體中電子-空穴復(fù)合時(shí)，過(guò)剩的能量以光 子形式放出而產(chǎn)生的。而且所射出的光強(qiáng)會(huì)隨著注入電流的變化而變 化。因此將它作為測(cè)距儀的光源,便可以通過(guò)改變饋電電流的大小對(duì) 射出的光強(qiáng)直接進(jìn)行幅度調(diào)制,即這種半導(dǎo)體發(fā)光器件兼有“輻射”- “調(diào)制”雙重功能。用于接收調(diào)制光的紅外光電探測(cè)轉(zhuǎn)換器件通常為硅光敏二極管 或雪崩式光敏二極管,這些器件具有“光電壓效應(yīng)”。當(dāng)外來(lái)光照射 到它的P-N結(jié)上時(shí)，由于光電能量轉(zhuǎn)換的效應(yīng)能在P-N兩極產(chǎn)生一個(gè) 電位差，其大小會(huì)隨入射光的強(qiáng)弱而變化，從而起到“退調(diào)制”的作用。2）紅外測(cè)距原理光電測(cè)距的原理是以電磁波（光波等）作為載波，通過(guò)測(cè)定光波在 測(cè)線兩端點(diǎn)間的往

33、返傳播時(shí)間，以及光波在大氣中的傳播速度c, 則可求出兩點(diǎn)間的水平距離D=CAt/2。光電測(cè)距儀可分為脈沖式和 相位式兩種。脈沖式光電測(cè)距儀是由測(cè)距儀發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出脈沖，經(jīng)被測(cè)目標(biāo)反 射后，再由測(cè)距儀的接收系統(tǒng)接收，直接測(cè)定脈沖在待測(cè)距離上所用 的時(shí)間t，即測(cè)量發(fā)射光脈沖與接收光脈沖的時(shí)間差，從而求得距離 的儀器。脈沖式光電測(cè)距儀具有功率大、測(cè)程遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，但測(cè)距的絕 對(duì)精度較低，一般只能達(dá)到米級(jí)，不能滿足地籍測(cè)量和工程測(cè)量所需 的精度要求。目前具有高精度測(cè)距的是相位式光電測(cè)距儀。相位式光電測(cè)距儀是將測(cè)量時(shí)間變成測(cè)量光在測(cè)線中傳播的載 波相位差，通過(guò)測(cè)定相位差來(lái)測(cè)定距離的儀器。光源燈的發(fā)射光管 發(fā)出

34、的光會(huì)隨輸入電流的大小發(fā)生相應(yīng)的變化，這種光稱為調(diào)制光。 隨輸入電流變化的調(diào)制光射向測(cè)線另一端的反射鏡，經(jīng)反射鏡反射后 被接收系統(tǒng)接收，然后由相位計(jì)將反射信號(hào)（又稱參考信號(hào)）與接收信 號(hào)（又稱測(cè)距信號(hào)）進(jìn)行相位比較，并由顯示器顯示出調(diào)制光在被測(cè)距 離上往返傳播所引起的相位移。調(diào)制光往返程的總位移中為：、甲=NR + 平= 2兀（N + 2*）對(duì)應(yīng)的距離值為:力D = (N +A N)式中：N一調(diào)制光往返程總位移的整周期個(gè)數(shù)，其值可為0或正 整數(shù)；人為調(diào)制光的波長(zhǎng)，AN = A/2兀，而A中為不足一個(gè)整周期的 相位移尾數(shù)。相位式光電測(cè)距儀中的相位計(jì)只能測(cè)定全程相位移尾數(shù)A中，而 無(wú)法測(cè)定整周期數(shù)

35、N。因此，在相位式光電測(cè)距儀中，可采取發(fā)射兩 個(gè)或兩個(gè)以上不同頻率的調(diào)制光波，然后將不同頻率的調(diào)制光波所測(cè) 得的距離正確銜接起來(lái)就可得到被測(cè)距離。其中較低的測(cè)尺頻率所對(duì) 應(yīng)的測(cè)尺稱為粗測(cè)尺，較高的測(cè)尺頻率所對(duì)應(yīng)的測(cè)尺稱為精測(cè)尺。將 兩個(gè)測(cè)尺的讀數(shù)聯(lián)合起來(lái)，即可求得單一的距離確定值。相位式光電 測(cè)距儀與脈沖式光電測(cè)距儀相比，具有測(cè)距精度高的優(yōu)勢(shì)，日前精度 高的光電測(cè)距儀能達(dá)到毫米級(jí)，但也具有測(cè)程較短的缺點(diǎn)。紅外線是介于可見(jiàn)光和微波之間的一種電磁波，因此，它不僅具 有可見(jiàn)光直線傳播、反射、折射等特性，還具有微波的某些特性，如 較強(qiáng)的穿透能力和能貫穿某些不透明物質(zhì)等。紅外傳感器包括紅外發(fā) 射器件和紅

36、外接收器件。自然界的所有物體只要溫度高于絕對(duì)零度都 會(huì)輻射紅外線，因而，紅外傳感器須具有更強(qiáng)的發(fā)射和接收能力。紅外測(cè)距儀屬于相位式光電測(cè)距儀，測(cè)距基本原理為紅外發(fā)射電 路的紅外發(fā)光管發(fā)出紅外光，經(jīng)障礙物反射后，由紅外接收電路的光 敏接收管接收前方物體反射光，利用高頻調(diào)制的紅外線在待測(cè)距離上 往返產(chǎn)生的相位移推算出光束往返的時(shí)間，從而根據(jù)D = CAt/2 得到距離D。3）測(cè)距精度光電測(cè)距的誤差來(lái)源可分為兩部分：一部分是由測(cè)定相位的誤差 和儀器加常數(shù)的誤差所引起的測(cè)距中誤差。它與被測(cè)距離的長(zhǎng)短無(wú) 關(guān)，對(duì)某一儀器，在某一外界條件下施測(cè)，其中誤差固定不變，故稱 為固定誤差（或稱為常誤差）；另一部分是

37、由真空中的光速值誤差、調(diào) 制頻率誤差和大氣折射率誤差所引起的測(cè)距中誤差，它與被測(cè)距離的 長(zhǎng)短成正比，故稱為比例誤差。因此，光電測(cè)距儀的標(biāo)稱精度通常表示為土（A + Bppmpmm。其 中A為固定誤差，B為比例誤差，ppm的意思是百萬(wàn)分之一（10的 -6次方），這個(gè)誤差與所測(cè)的邊長(zhǎng)有關(guān)，1ppm表示每公里潛在的誤 差為1mm。光電測(cè)距儀按測(cè)量精度可劃分為I級(jí)|mD 13 + 2xDppm，II 級(jí) 3 + 2 x Dppm 1 m l 5 + 5 x Dppm，111 級(jí) 5 + 5 x Dppm 1 m l 10 +10 x Dppm。4）紅外測(cè)距儀應(yīng)用于端幫采煤機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)將紅外測(cè)距儀應(yīng)用于端

38、幫采煤機(jī)時(shí)，可在推進(jìn)臂上沿垂直于推進(jìn) 方向?qū)ΨQ安裝兩個(gè)紅外測(cè)距儀，實(shí)時(shí)測(cè)量推進(jìn)臂與巷道兩幫的距離并 反饋給地面控制中心，控制中心再根據(jù)距離信息調(diào)整推進(jìn)臂的推進(jìn)方 向使其沿直線推進(jìn)。紅外測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)是便宜易制，安全，其主要缺點(diǎn)包 括以下兩個(gè)方面：a、紅外測(cè)距儀測(cè)距需要向外發(fā)射紅外線并接受反射信號(hào)，因此 紅外測(cè)距儀的紅外線發(fā)射器和接收器的安裝位置必然暴露在端幫采 煤機(jī)推進(jìn)臂的兩側(cè)。但是井下環(huán)境極差，煤粉、塵土等容易將紅外測(cè) 距儀的光發(fā)射器和接收器覆蓋住，導(dǎo)致紅外測(cè)距儀無(wú)法發(fā)射或無(wú)法接受測(cè)距信號(hào)。b、光電測(cè)距的理想測(cè)距條件是反射表面光滑而產(chǎn)生鏡面反射， 而井下巷道兩幫及不規(guī)則，容易產(chǎn)生漫反射，導(dǎo)致測(cè)距

39、儀接收到的反 射信號(hào)及其微弱，而且巷道空間狹小，易產(chǎn)生多路徑效應(yīng)，光反射路 徑復(fù)雜，導(dǎo)致測(cè)距儀接收到的測(cè)距信號(hào)是經(jīng)過(guò)多次反射才到達(dá)測(cè)距儀 的，而不是垂直于推進(jìn)臂方向的反射信號(hào)，測(cè)距精度難以保證。3.5慣性器件定位測(cè)姿技術(shù)慣性導(dǎo)航理論基礎(chǔ)為牛頓力學(xué)基本定律，利用加速度計(jì)測(cè)量待定 位物體相對(duì)導(dǎo)航坐標(biāo)系的加速度，經(jīng)過(guò)兩次積分后得到移動(dòng)距離，從 而確認(rèn)待定位物體的位置。慣性技術(shù)是一門綜合了機(jī)電、光學(xué)、數(shù)學(xué)、力學(xué)、控制以及計(jì)算 機(jī)等學(xué)科的技術(shù)，用于對(duì)運(yùn)動(dòng)體的姿態(tài)和位置參數(shù)的確定。由于是根 據(jù)力學(xué)原理進(jìn)行的測(cè)量，不需要與外界發(fā)生聯(lián)系，因此能夠在全球范 圍內(nèi)和任何介質(zhì)環(huán)境里自主地、隱蔽地、連續(xù)的進(jìn)行三維定位

40、和定向， 廣泛應(yīng)用于航天、航空、航海、大地測(cè)量等領(lǐng)域，特別是慣性技術(shù)的 高度自主性,使其在軍事上具有特殊的應(yīng)用價(jià)值。慣性技術(shù)是在先進(jìn)科學(xué)理論和制造工藝支持條件下發(fā)展起來(lái)的。 其基本理是利用加速度傳感器（加速度計(jì)）敏感載體的運(yùn)動(dòng)加速度， 經(jīng)過(guò)積分獲得運(yùn)動(dòng)速度和位移;同時(shí)利用角速度傳感器（陀螺儀）敏 感載體運(yùn)動(dòng)的角速度，經(jīng)積分后得到運(yùn)動(dòng)角度。慣性測(cè)量技術(shù)根據(jù)這 些數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)地確定載體的位置、運(yùn)動(dòng)速度和姿態(tài)信息。但是由于 敏感器件的誤差積累，難以在長(zhǎng)時(shí)間下獨(dú)立工作。慣性技術(shù)的研究重 點(diǎn)在于增加慣性系統(tǒng)的可靠性和慣性器件的精度。從結(jié)構(gòu)上講，慣性測(cè)量系統(tǒng)可以分為平臺(tái)式和捷聯(lián)式系統(tǒng)兩類。 平臺(tái)式慣性系統(tǒng)

41、利用轉(zhuǎn)子陀螺的定軸性和進(jìn)動(dòng)性建立導(dǎo)航平臺(tái)，加速 度計(jì)安裝在平臺(tái)上，因此可以方便地讀取載體的姿態(tài)和速度信息，但 實(shí)體平臺(tái)也增加了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度并降低了系統(tǒng)的可靠性。捷 聯(lián)式慣性系統(tǒng)的陀螺儀、加速度計(jì)和載體固連,利用慣性敏感器件輸 出的載體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),通過(guò)計(jì)算機(jī)算法構(gòu)建載體運(yùn)動(dòng)的虛擬導(dǎo)航平臺(tái)， 得出載體的導(dǎo)航信息，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維護(hù)。隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，不斷出現(xiàn)的慣性敏感器件也推動(dòng)著慣性技 術(shù)的發(fā)展，用于平臺(tái)式慣導(dǎo)的動(dòng)力調(diào)諧陀螺漂移己達(dá)到0.01 /h,霍 尼韋爾公司研制的靜電陀螺監(jiān)控器的漂移誤差小于10 一4。/ h。激光陀螺 和光纖陀螺的出現(xiàn)掀起了慣性技術(shù)的一場(chǎng)革命，這種小體積、低功耗、

42、高精度的慣性器件不斷完善，潛在優(yōu)勢(shì)逐漸顯露出來(lái)，取得越來(lái)越廣 泛的應(yīng)用。20世紀(jì)80年代開(kāi)始出現(xiàn)了 MEMS技術(shù)（微機(jī)械機(jī)電系 統(tǒng)），MEMS慣性器件不僅具有體積小、重量輕、易于安裝、高可靠性、 耐沖擊而廣泛應(yīng)用，而且易于大批量生產(chǎn)，成本優(yōu)勢(shì)較大，隨著制造技 術(shù)的進(jìn)步，MEMS器件的測(cè)量精度也越來(lái)越高，因此基于MEMS器件的慣 性系統(tǒng)研究逐漸成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)。用于井下設(shè)備定位時(shí)，導(dǎo)航裝置安裝在端幫采煤機(jī)上，測(cè)量的是 載體坐標(biāo)系上所受的比力情況，需要換算到導(dǎo)航坐標(biāo)系上再進(jìn)行處 理，才能獲得有效導(dǎo)航數(shù)據(jù)。導(dǎo)航過(guò)程如圖3-2所示：首先，測(cè)得載 體在坐標(biāo)系上所受比力的值fb，然后，根據(jù)載體的姿態(tài)獲得導(dǎo)航坐標(biāo)系