基于捷联惯导煤巷悬臂式无人掘进机断面成形智能控制研究

Coal dust impacts on boom-type unmanned roadheader orientation and attitude measurement in the coal roadway. Cross section profiling precision of coal roadway is influenced by the device nonlinearity, the load uncertainty and the external disturbance. In order to overcome these problems the completely independent strapdown inertial navigation system is introduced and Intelligent control algorithm is put forward combined with fuzzy theory, adaptive control and variable structure control. According to Newton's law of relative to inertial space roadheader orientation and attitude are derived. Through the dynamic analysis of Lagrange a relationship is established between the location of cutting head, the angle of cutting cantilever and the posture of roadheader. Cutting trajectory of roadheader is planned in the limit such as maximum walking slope, cutting range of the cantilever etc. The intelligent control algorithm is designed coordinated walking mechanism with cantilever. Adaptive model tracking control and variable structure control are incorporated through the fuzzy theory to soften the control signal to reduce or avoid the chattering phenomenon. It is ensured the real-time control and cross section profiling accuracy in the complex condition. A new method and theory basis are studied and developed for the high precision orientation, posture measurement and large coal mining machinery intelligent control.

针对煤尘等对煤巷悬臂式无人掘进机导向和姿态测量的影响以及工作装置的非线性、负载的不确定性、外界干扰等对煤巷断面成形精度的影响，引入完全自主式捷联惯性导航系统，提出糅合模糊理论、自适应和变结构智能控制算法。依据牛顿相对惯性空间力学定律，确定掘进机体导向和姿态，采用拉格朗日动力学分析方法，建立截割头空间位置、悬臂转角、掘进机姿态之间的关系，在最大行走坡度、悬臂截割范围等条件约束下，规划掘进机截割轨迹。协调控制行走机构和悬臂摆动，设计智能控制算法，把自适应模型跟踪控制与变结构控制相结合，通过模糊理论柔化控制信号减轻或避免抖振现象，确保控制系统实时性和复杂情况下断面成形精度，为井下高精度导向、姿态测量和大型煤矿机械智能控制的研究和开发提供了新方法和理论基础。

掘进机手动操作视野差，断面成形质量受施工人员经验影响较大，工作效率低、危险性高、断面超挖量较大，导致煤巷掘进成本增加。提高掘进机的自动化程度，促进煤巷掘进安全、高效、优质，掘进机逐渐发展为智能化、无人化，而巷道断面成形自动控制是其中的一个重要组成部分。本课题对断面成形控制开展研究如下：.由陀螺仪和加速度计构成捷联惯导系统中的惯性测量单元，用来测量载体角加速度和线加速度。采用旋转矢量姿态更新算法，实时解算捷联姿态矩阵，提取掘进机方位角、俯仰角和横滚角，以及载体的位置信息。采用误差不随时间累积的地磁导航实现辅助导航，对惯导系统的误差利用无迹粒子滤波估计，然后对系统进行校正。以掘进机机体作为参考坐标系，采用Denavit-Hartenburg坐标变换法建立掘进机截割机构运动学方程，当掘进机沿巷道中心线方向布置时，分析掘进机相对巷道坐标系统的实时姿态对截割头位姿产生的影响，根据截割断面的形状，进行轨迹规划，确定掘进机回转台和悬臂的关节变量。.煤巷断面截割过程中，掘进机截割头由截割电动机带动旋转截割煤岩。截割电动机采用变频调速控制策略，其主回路采用两单元并联多电平逆变器的拓扑结构，采用基于25空间矢量的SVPWM调制算法，基本空间矢量的分布更均匀，谐波更小。根据电流反映截割断面不同煤岩性质的特性，采集截割电动机的电流作为反馈信号，随着截割负荷的变化，调节截割头的进给速度。当截割断面煤岩硬度增加时，进给速度减小，否则反向调节，实现不同工况的变速截割，以保持功率维持在额定值。针对掘进机断面截割复杂工况的特点，采用具有较强自学习能力的神经网络作为控制器，选择收敛速度好的Levenberg-Marquardt学习算法，通过遗传算法优化神经网络，仿真结果表明，在断面成形截割控制系统中采用GA-BP网络控制器，可以对参数进行自调整，面对不同工矿时，掘进机的截割速度和截割功率波动变小，提高了工作效率，能够满足掘进机断面截割控制的需要。