【摘 要】
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矿用掘进机自主导航定位系统能够为矿用掘进机提供实时的姿态、速度、位置等导航信息,是实现煤矿自动化、智能化生产的关键设备之一。煤矿巷道内无法接收外界GPS信号,且长期受粉尘水雾笼罩,巷道内结构特征不明显等问题一直制约着矿用掘进机（后简称“掘进机”）导航技术的发展。针对掘进机在煤矿巷道内定位困难的问题,提出了一种基于捷联惯性导航系统（Strapdown Inertial Navigation Syst
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矿用掘进机自主导航定位系统能够为矿用掘进机提供实时的姿态、速度、位置等导航信息,是实现煤矿自动化、智能化生产的关键设备之一。煤矿巷道内无法接收外界GPS信号,且长期受粉尘水雾笼罩,巷道内结构特征不明显等问题一直制约着矿用掘进机（后简称“掘进机”）导航技术的发展。针对掘进机在煤矿巷道内定位困难的问题,提出了一种基于捷联惯性导航系统（Strapdown Inertial Navigation System,SINS）和里程计（Odometer,OD）组合的掘进机自主导航定位系统。该系统能够充分发挥SINS与OD的导航定位优势,无需接收除掘进机之外的任何外界信息,实现在封闭的煤矿巷道内完全自主的长航时导航定位。论文主要的研究内容包括以下几点:首先,根据前期文献调研以及对掘进机实际工作环境的考察论证结果,对基于SINS和OD组合的掘进机自主导航定位系统进行了总体方案设计。在此基础上,分析了基于SINS与OD组合的导航原理,对比力方程,姿态更新,速度更新等关键数学公式进行推导,对系统误差方程进行了分析整理,设计了卡尔曼滤波器对系统的关键误差进行估计。其次,针对掘进机在工作时出现打滑现象,使得里程计数据无法反映掘进机真实行驶状态,导致掘进机偏离设定路程掘进的异常情况,提出一种基于BP神经网络学习的打滑识别与补偿方法,并进行了相应的理论分析和公式推导。更进一步,根据组合导航系统的整体设计需求,对关键传感器件进行选型,并设计了相应的信号采集电路,在此基础上对整个系统的电路进行设计及调试安装。最后,设计了多种不同的实验,对所设计的掘进机自主导航定位系统性能进行了测试。试验结果表明,所设计的组合导航系统在实验室的静态环境下,在各个方位角和不同姿态角测试下,方位角误差约为0.0015°,姿态角误差优于0.008°;在行驶距离约为8.6 m的动态重复性精度测试实验中,十一次重复测量重复性为0.006 m（标准差）;在长度约472 m的长距离长航时的综合定位实验中,系统定位误差小于0.2 m,相对误差小于0.04%D（D表示行驶距离）。掘进机打滑的实物仿真实验中,打滑模式综合识别率优于98%,打滑补偿后的定位精度达到0.14%D。综上所述,所设计的掘进机自主导航定位系统具有不错的定位精度,能够初步满足煤矿巷道内掘进机的定位需求。
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