基于捷联惯导的掘进机自主导航方法研究
来源：煤矿智能化网
编辑：老尹
时间：2020-09-18
导读：一、实验目的 （1）验证捷联惯导定位性能，测定其位置数据随时间发散的程度，得到其未发散轨迹的最大距离； （2）验证捷联惯导定位的自校准性能，得到进行零速更新的最大距离间隔； （3）研究采用线型光斑识别系统校准惯导定位信息的可行性； 二、主要试验设
一、实验目的
（1）验证捷联惯导定位性能，测定其位置数据随时间发散的程度，得到其未发散轨迹的最大距离；
（2）验证捷联惯导定位的自校准性能，得到进行零速更新的最大距离间隔；
（3）研究采用线型光斑识别系统校准惯导定位信息的可行性；
二、主要试验设备
（1）主要设备
INS-900 型捷联惯导；
电脑（含导航数据解算软件）；
遥控履带小车（需要购置，包括控制、遥控部分预算在2000元左右）
图1 履带车底盘
（2）其他辅助设备
激光测距仪1台（测距精度0.001m）；
双轴倾角仪1台（测角精度0.001°）；
角度仪1台（测角精度0.1°）；
其他设备等。
三、具体实验方案
首先，在机电楼四楼楼道中模拟巷道中线，使用激光测距仪反复测量楼道的横向截面中点，确定楼道中线。定义实验履带车在中线上的起始点作为楼道坐标系的坐标原点O，楼道中线作为验证坐标系的Y轴，方向为履带车前进方向，Z轴竖直向上，X轴由左手坐标系定则确定。应用激光测距仪反复测量，分别确定沿楼道中线方向距坐标原点5m,10m ,15m,20m,25m,30m,即为在楼道坐标系中坐标为（0,5n,0）和（0,10n,0）的点。
将捷联惯导固定在安装在履带小车中心点，尽可能保证捷联惯导坐标系与载体坐标系重合，同时尽可能保证履带小车中心点与巷道坐标系原点重合，即保证捷联惯导坐标系，载体坐标系和楼道坐标系在水平面的投影重合，各对应坐标轴也相应重合。
（1）捷联惯导定位稳定性试验
将装有捷联惯导的履带车置于楼道坐标系原点，在其初始对中完成后，履带车再静止5分钟，记录捷联惯导输出坐标数据，所输出坐标偏离坐标原点的距离即为位置误差。
（2）捷联惯导最大发散距离实验
将装有捷联惯导的履带车置于楼道坐标系原点，使履带车以0.3m/s的速度沿楼道中线行驶至30米处，记录捷联惯导输出的坐标数据，并生成履带车行驶轨迹，分析其发散程度。
重复以上步骤，得到多组履带车轨迹数据，将这些数据置于同一坐标系中，分析其重复性精度。
（3）捷联惯导自校准性能试验
将履带车置于楼道坐标系原点，使履带车以0.3m/s的速度沿楼道中线行驶，每行驶至（0,5n,0）点时，履带车停车进行零速更新，以自校正轨迹数据，记录捷联惯导输出的坐标数据，并生成履带车行驶轨迹，与上一个实验中没有停车的轨迹作对比，分析其自校准性能。
重复以上步骤分别在（0,3n,0）、（0,5n,0）点停车进行自校准，对比各组轨迹数据，得到最佳的停车间距时间。
（4）掘进机作业行进轨迹模仿试验
用履带车来模仿掘进机真实作业行进轨迹，将履带车置于楼道坐标系原点，使履带车以0.3m/s的速度沿楼道中线行驶，掘进机每向前行驶5m，停车然后后退4m,停车，然后再向前行进，如此往复。记录捷联惯导输出的坐标数据，并生成履带车行驶轨迹。
（5）捷联惯导生成轨迹闭合试验
在教学楼前广场上测绘出5x5m和10x10m的矩形线框，使履带车分别沿两个矩形线框以0.3m/s的速度行驶一周，记录捷联惯导输出的坐标数据，并生成履带车行驶轨迹，与理想矩形轨迹作对比，验证其轨迹是否能闭合。
四、实验说明
本次试验没有精确的参考基准，履带车真实轨迹受到操控，地面等因素的影响不能按照理想轨迹行走，所得数据具有一定的偏差。
备注：解算软件可以保存实验过程中原始数据（加速度、角速度）和导航数据（位置坐标和角度信息）。
试验单位：中国矿业大学（北京）
北京中航天佑科技有限公司
实验地点：机电楼四楼楼道
（1）验证捷联惯导定位性能，测定其位置数据随时间发散的程度，得到其未发散轨迹的最大距离；
（2）验证捷联惯导定位的自校准性能，得到进行零速更新的最大距离间隔；
（3）研究采用线型光斑识别系统校准惯导定位信息的可行性；
二、主要试验设备
（1）主要设备
INS-900 型捷联惯导；
电脑（含导航数据解算软件）；
遥控履带小车（需要购置，包括控制、遥控部分预算在2000元左右）
图1 履带车底盘
（2）其他辅助设备
激光测距仪1台（测距精度0.001m）；
双轴倾角仪1台（测角精度0.001°）；
角度仪1台（测角精度0.1°）；
其他设备等。
三、具体实验方案
首先，在机电楼四楼楼道中模拟巷道中线，使用激光测距仪反复测量楼道的横向截面中点，确定楼道中线。定义实验履带车在中线上的起始点作为楼道坐标系的坐标原点O，楼道中线作为验证坐标系的Y轴，方向为履带车前进方向，Z轴竖直向上，X轴由左手坐标系定则确定。应用激光测距仪反复测量，分别确定沿楼道中线方向距坐标原点5m,10m ,15m,20m,25m,30m,即为在楼道坐标系中坐标为（0,5n,0）和（0,10n,0）的点。
将捷联惯导固定在安装在履带小车中心点，尽可能保证捷联惯导坐标系与载体坐标系重合，同时尽可能保证履带小车中心点与巷道坐标系原点重合，即保证捷联惯导坐标系，载体坐标系和楼道坐标系在水平面的投影重合，各对应坐标轴也相应重合。
（1）捷联惯导定位稳定性试验
将装有捷联惯导的履带车置于楼道坐标系原点，在其初始对中完成后，履带车再静止5分钟，记录捷联惯导输出坐标数据，所输出坐标偏离坐标原点的距离即为位置误差。
（2）捷联惯导最大发散距离实验
将装有捷联惯导的履带车置于楼道坐标系原点，使履带车以0.3m/s的速度沿楼道中线行驶至30米处，记录捷联惯导输出的坐标数据，并生成履带车行驶轨迹，分析其发散程度。
重复以上步骤，得到多组履带车轨迹数据，将这些数据置于同一坐标系中，分析其重复性精度。
（3）捷联惯导自校准性能试验
将履带车置于楼道坐标系原点，使履带车以0.3m/s的速度沿楼道中线行驶，每行驶至（0,5n,0）点时，履带车停车进行零速更新，以自校正轨迹数据，记录捷联惯导输出的坐标数据，并生成履带车行驶轨迹，与上一个实验中没有停车的轨迹作对比，分析其自校准性能。
重复以上步骤分别在（0,3n,0）、（0,5n,0）点停车进行自校准，对比各组轨迹数据，得到最佳的停车间距时间。
（4）掘进机作业行进轨迹模仿试验
用履带车来模仿掘进机真实作业行进轨迹，将履带车置于楼道坐标系原点，使履带车以0.3m/s的速度沿楼道中线行驶，掘进机每向前行驶5m，停车然后后退4m,停车，然后再向前行进，如此往复。记录捷联惯导输出的坐标数据，并生成履带车行驶轨迹。
（5）捷联惯导生成轨迹闭合试验
在教学楼前广场上测绘出5x5m和10x10m的矩形线框，使履带车分别沿两个矩形线框以0.3m/s的速度行驶一周，记录捷联惯导输出的坐标数据，并生成履带车行驶轨迹，与理想矩形轨迹作对比，验证其轨迹是否能闭合。
四、实验说明
本次试验没有精确的参考基准，履带车真实轨迹受到操控，地面等因素的影响不能按照理想轨迹行走，所得数据具有一定的偏差。
备注：解算软件可以保存实验过程中原始数据（加速度、角速度）和导航数据（位置坐标和角度信息）。
试验单位：中国矿业大学（北京）
北京中航天佑科技有限公司
实验地点：机电楼四楼楼道
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