基于多编码器与惯导融合的煤矿井下无轨胶轮车定位系统研究

作     者：皇行涛 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：江帆

授予年度：2023年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

主      题：捷联惯导系统 编码器 航位推算 组合定位 自适应扩展卡尔曼滤波 

摘      要：无轨胶轮车是煤矿井下一种典型的辅助运输设备,承担着井下人员、设备等非煤物资的运输重任。由于煤矿井下巷道狭长多分支、昏暗潮湿、路况复杂,传统主观驾驶存在堵车、撞车等安全隐患,影响煤矿安全高效生产。因此,研究煤矿井下无轨胶轮车实时、精确定位,不但可以帮助管理人员对无轨胶轮车进行实时监管和科学调度、提高运输效率,还可以最大程度地保障煤矿辅助运输环节的安全。本文主要工作如下:首先,开展了基于多编码器和捷联惯导的航位推算方法研究。介绍了捷联惯导系统基本原理,推导了捷联惯导数值更新算法。根据多编码器数据建立了轮式里程计运动学模型,由该运动学模型推导了基于多编码器的航位推算算法。针对该航位推算算法单独依赖编码器数据容易引起定位发散的问题,将轮式里程计与捷联惯导姿态数据相结合,构成基于多编码器和捷联惯导的航位推算算法,该算法可以有效抑制航位推算误差的快速累积。在此基础上,采用扩展卡尔曼滤波算法对基于轮式里程计运动学模型解算的姿态数据和捷联惯导系统解算的姿态数据进行融合,通过提高航向精度进一步提高航位推算的定位精度。然后,开展了基于捷联惯导和航位推算的组合定位方法研究。推导了捷联惯导和航位推算误差方程,分析了其误差传播规律,基于扩展卡尔曼滤波算法建立了捷联惯导/航位推算组合定位模型。针对建模不准确时扩展卡尔曼滤波存在滤波精度下降甚至发散的问题,提出了一种改进的自适应扩展卡尔曼滤波算法,通过实时估计并调整量测噪声提高滤波系统的精度和稳定性。针对无轨胶轮车出现打滑或滑行等异常行驶状况时导致轮式里程计失效问题,建立了一种容错模型,实现了无轨胶轮车打滑或滑行等异常行驶状况的检测与隔离。针对组合定位模型长时间、长距离运行存在累积误差的问题,提出了一种基于无轨胶轮车运输路线的区间定位技术。通过仿真与公开数据验证了组合定位方法的有效性。最后,开展了基于ROS的组合定位系统软硬件开发研究。进行了定位系统硬件平台设计,完成了硬件选型和装配。基于ROS设计了定位系统的软件平台,实现了传感器数据的读取、传输、融合和定位解算。基于ROS Qt完成了定位系统人机交互软件的界面开发,实现了定位信息的可视化。基于设计的软硬件系统完成了移动小车实验平台的搭建。搭建了UWB定位系统,并将其定位信息作为参考真值,利用移动小车实验平台进行了综合跑车实验。结果表明:本文所设计的定位系统能够满足煤矿井下无轨胶轮车定位需求,证明了本文方法的有效性。本论文包含图79幅,表9个,参考文献114篇。