[发明专利]井下采煤机捷联惯导系统的组合初始对准系统及对准方法

权利要求书

1.一种井下采煤机捷联惯导系统的组合初始对准系统，其特征是：组合初始对准系统包括：采煤机1、地磁传感器2、倾角传感器3、捷联惯性导航系统4、无线传感器网络移动节点5、刮板输送机6、液压支架7和无线传感器网络锚节点8；地磁传感器2、倾角传感器3、捷联惯性导航系统4和无线传感器网络移动节点5连接在采煤机1上，采煤机1骑在刮板输送机6上进行往复割煤运动；液压支架7上连接有无线传感器网络锚节点8；所述的无线传感器网络锚节点由屏蔽网线进行连接，并通过交换机对无线数据进行传输至定位主机中；所述的捷联惯导系统、倾角传感器、地磁场传感器通过一个无线数据发送模块将定位数据传送至远端的定位主机中。

2.根据权利要求1所述的井下采煤机捷联惯导系统的组合初始对准系统的对准方法，其特征是：组合初始对准方法，在捷联惯导粗对准后利用无线传感器网络测量采煤机的位置信息，倾角传感器测量横滚、俯仰角，地磁场传感器测量偏航角，按照时间同步方法构建采煤机的位姿量测方程，并结合捷联惯导粗对准后的误差模型建立状态方程，进行融合滤波，得到精确的采煤机位姿信息，并进行捷联惯导的精对准，完成初始对准；具体步骤如下：

1)捷联惯导系统中的三轴加速度计和三轴陀螺仪在采煤机静止时，测量采煤机的三轴加速度和三轴角速度信息，在经过一段时间后，对采集到的数据进行处理，利用重力加速度特性以及地球自转角速率特性，建立采煤机静止时的捷联惯导初始姿态转换矩阵，并利用测量得到的数据进行捷联惯导的粗对准，进而得到捷联惯导粗对准下的误差传递模型；

2)无线传感器网络锚节点实时接收来自移动节点发送的无线信号，通过来自多个锚节点对移动节点无线信号的测量，通过无线传感器网络位置解算模型得到无线传感器网络测量下的采煤机位置信息；

3)倾角传感器固定安装在采煤机的机身上，并且实时测量采煤机机身相对于水平面的倾角信息，并且根据倾角传感器在采煤机机身上的安装位置参数进行倾角信息对采煤机俯仰角和横滚角的转换；固定安装在采煤机机身上的地磁场传感器实时测量采煤机机身所处位置的地球磁场信息，通过对地球磁场方向的测量并根据地球磁极理论进行采煤机的偏航角解算，得到采煤机机身的俯仰角、横滚角以及偏航角的三维姿态信息，确定捷联惯导系统的初始姿态；

4)利用捷联惯导系统粗对准后的误差传递模型建立基于位置、姿态误差的状态方程，并根据无线传感器网络确定的初始位置以及倾角传感器与地磁场传感器联合确定的初始姿态建立采煤机机身的位置、姿态组合观测方程；通过利用定位系统的状态方程以及组合观测方程构建采煤机组合定位系统的状态空间模型；

5)根据组合定位系统的状态方程以及组合观测方程的特性，考虑到观测方程由三个不同的传感器组成，进而构建基于对多传感器的多维联邦卡尔曼滤波模型；通过对状态空间模型的组合滤波，得到组合定位系统下采煤机精确的初始位置和初始姿态信息，并建立准确的捷联惯导位置和姿态误差方程，对捷联惯导系统进行精对准，实现捷联惯导精确初始位姿信息校准，为后面的实时定位过程提供了初始保证，提高了采煤机的定位精度。

3.根据权利要求1所述的井下采煤机捷联惯导系统的组合初始对准方法，其特征是：所述的时间同步方法，鉴于组合定位系统是由互不相关的独立传感器系统组合而成，其每个传感器单独对定位主机进行数据传输，因此每个传感器定位主机传输的数据采集时间不同，需要进行多传感器下的多源数据同步及采集时间配准，使得建立多传感器测量下的观测方程时，观测量能够反应出当前时刻的测量状态，减少由于时间异步产生的观测误差；具体步骤如下：

1)在粗对准过程中，捷联惯导实时采集采煤机静止时刻的加速度和角速度信息，同时在数据采集时将捷联惯导的数据采样时钟信号T₀发送给无线传感器网络、倾角传感器以及地磁场传感器的数据采集模块，各数据采集模块通过接收捷联惯导的采样时钟对自身采集的无线传感器网络数据、倾角数据以及地磁场数据进行一个相对时钟计数，分别得到在接收无线传感器网络定位数据、倾角传感器数据以及地磁场数据下的同步采集时间T₁、T₂和T₃；

2)无线传感器网络定位数据采集模块经过时间同步后采样得到T₁时刻的定位数据，经过判断该定位数据是否有效，假如无效则返回继续采集，有效则对倾角采集模块和地磁场采集模块发送T₁时刻同步量测触发信号，并进行无线量测值的接收锁存；

3)倾角数据采集模块在接收到无线传感器网络采集模块发送的T₁同步信号后，与自身倾角传感器数据采样时刻T₂进行比较判断，当两时刻时间差小于一个允许的时间阈值ε时，认为T₂时刻接收到的倾角测量数据与T₁时刻的无线数据同步，并进行倾角量测值的接收锁存，否则对倾角传感器采样数据进行重新采样选取；

4)地磁场数据采集模块在接收到无线传感器网络采集模块发送的T₁同步信号后，与自身地磁场传感器数据采样时刻T₃进行比较判断，当两时刻时间差小于一个允许的时间阈值ε时，认为T₃时刻接收到的地磁场测量数据与T₁时刻的无线数据同步，并进行地磁场量测值的接收锁存，否则对地磁场传感器采样数据进行重新采样选取；

5)根据经过时间同步后的无线传感器网络定位数据、倾角传感器数据以及地磁场传感器数据结合捷联惯导的采样数据进行组合导航系统精对准模型建立，最终实现时间同步下的组合定位系统初始对准。