[发明专利]一种矿井无人电机车组合定位方法

说明书

技术领域

本发明属于矿山无人有轨运输技术领域，具体地是一种矿井巷道内使用的无人有 轨电机车的定位方法。

背景技术

矿石运输是地下采矿系统的关键工程之一。随着矿山开采难度的增加，对矿石运 输能力、效率和安全性提出了更高的要求，无人化、智能化代表了矿山运输技术的发展方 向。矿山无人有轨运输系统正是朝着这个目标迈进的重要环节，而机车定位是实现机车无 人化运行的关键技术之一。机车定位的涵义是在机车运行过程中，通过定位传感器实时获 取机车运行的准确位置，并传送给机车控制计算机。

无线射频识别技术，简称RFID，由阅读器和信标组成。RFID阅读器辐射信号可以覆 盖一定的区域，当检测到RFID标签时会产生一条记录。RFID技术的基本工作原理：信标进入 阅读器的磁场后，接收阅读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在 芯片中的信息(无源信标)，或者主动发送某一频率的信号(有源信标)。阅读器读取信息并 解码后，送至计算机进行有关数据处理。

惯性测量元件，简称IMU，是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主 式位移测量系统。其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。惯性测量的基本工作原 理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分， 且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、角度和位置等信息。

传统的有人驾驶机车不存在定位问题，或者是在关键位置采用磁感应传感器、光 电开光等装置实现机车的固定位置的定位，但这些技术存在抗干扰能力差、环境适应性低、 自动化程度低等缺点，不能满足矿山运输无人化的技术需求。因此为了实现电机车的无人 控制和可靠运行，对无人电机车的定位技术开展研究是一项迫切需要解决的任务。

发明内容

本发明的目的是设计一种适用于矿井巷道运输的无人电机车定位方法。提出基于 RFID定位、惯性测量定位、光电编码器检测相结合的机车组合定位方法。RFID阅读器检测到 的信标信号、惯性测量元件和光电编码器检测信号均送至车载控制计算机，经数据处理后， 使用联邦滤波算法进行多源位置信息融合，产生机车的最优估计位置，再经过通信网络，将 位置信息送至地面的监控计算机。

电机车车体安装RFID阅读器，按照一定距离间隔沿轨道布置RFID信标，每个信标 有不同的ID值，当机车行驶通过不同信标位置时，车载RFID阅读器发出射频信号，激发RFID 信标工作并获取信标ID号，进而将该ID号送至车载计算机，根据预存的信标ID数据库，获得 机车行进位置。

惯性测量元件与电机车固定连接，通过其内部的加速度计和角速率陀螺测量电机 车的运动加速度与角速率，经过积分运算之后，可得到电机车的速度和位移信息。IMU得到 的是相对位移信息，需要进行初始位置和角度标定，以及在运行过程中进行位置校正。

电机车车轮上同轴安装增量式光电编码器，编码器随机车行进而输出脉冲信号， 经频率计数与位置换算后，得到机车行进速度和位移。

RFID阅读器检测到的位置信息、惯性测量元件检测的位移量、光电编码器定位信 息均送至车载控制计算机，采用联邦滤波算法，进行位置信息融合。以RFID作为联邦滤波器 的公共参考系统，分别以光电编码器和惯性测量元件信号构建两个子滤波器，子滤波器和 公共参考系统输出到主滤波器，得到机车的最优估计位置，再经过通信网络，将位置信息上 传。

本发明的组合定位方法是一种三余度定位方法，能够有效避免单一定位方法的缺 陷，提高定位精度和可靠性。光电编码器具有定位精度高、可靠性好等优点，但当电机车出 现滑行或车轮空转等情况时，光电编码器将不能产生正确输出；惯性测量元件具有定位精 度高，抗干扰能力强等优点，但存在零点漂移、累积误差等不足；上述两种传感器均为增量 式位移测量，都需要由RFID间断性地提供电机车行进的绝对位置，以进行位置修正。RFID通 过信标读取可以得到电机车的绝对位置，但RFID的测量是非连续的，只能在信标位置处得 到位置信息，需要其它定位方法进行其余路段的定位信息补充，而这种补充恰可以由惯性 测量元件和光电编码器提供。在RFID信标的间隔，采用惯性测量元件和光电编码器测量机 车移动距离，进行位置的测算，再结合RFID的定位信息，实现全路段的机车精确定位。