采煤机惯性导航定位误差校准装置及方法

摘要

一种采煤机惯性导航定位误差校准装置及方法，属于采煤机定位误差校准装置及方法。误差校准装置包含采煤机机身、基于惯导系统的定位装置、GPS‑RTK基准站和GPS‑RTK移动站；基于惯性导航系统的定位装置和GPS‑RTK移动站固连在采煤机机身上，GPS‑RTK基准站布置在测试场地的任意位置；GPS‑RTK移动站同时接收GPS卫星信号与基准站传输的数据，通过载波相位差分技术得到采煤机机身对地实时绝对高精度坐标值，以此绝对高精度坐标值作为校准基准；通过GPS‑RTK移动站测量的高精度起终点坐标值和定位装置测量的起终点坐标值，建立安装偏差和寻北偏差的分离校准计算算法，通过采煤机地面事先直线跑车标定实验，计算安装偏差和寻北偏差；将误差补偿后，再应用航位推算法实现定位精度的提高。

权利要求

1.一种采煤机惯性导航定位误差校准方法，所基于的误差校准装置包括：采煤机机身(1)、基于惯导系统的定位装置(2)、GPS-RTK(Real Time Kinematic)基准站(3)和GPS-RTK移动站(4)；其中，基于惯导系统的定位装置(2)以及GPS-RTK移动站(4)固连在采煤机机身(1)上，GPS-RTK基准站(3)布置在测试场地的任意位置；

其特征是：误差校准方法：GPS-RTK移动站(4)同时接收GPS卫星信号与基准站传输的数据，通过载波相位差分技术得到采煤机机身(1)对地实时绝对高精度坐标值，以此绝对高精度坐标值作为校准基准；通过GPS-RTK移动站测量的高精度起终点坐标值和定位装置测量的起终点坐标值，建立安装偏差和寻北偏差的分离校准计算算法，通过采煤机地面事先直线跑车标定实验，计算安装偏差和寻北偏差；将误差补偿后，再应用航位推算法实现定位精度的提高；

误差校准方法具体步骤如下：

(1)、将采煤机运动起点作为原点，有坐标系ONE表示东北天坐标系的东北方向，所述的东北天坐标系为导航参考坐标系，N系，坐标系ON′E′表示基于惯导系统的定位装置测量的坐标系的东北方向，即为N′系，所述的N′系为计算导航参考坐标系；

(2)、进行采煤机机身地面直线跑车标定实验，GPS-RTK移动站测量高精度起终点坐标值作为基准，同时基于惯导系统的定位装置测量起终点的坐标值，GPS-RTK移动站测得的坐标值是导航参考坐标系下的(Eb,Nb)，基于惯导系统的定位装置测得的坐标值是计算导航参考坐标系下的(E′IMU,N′IMU)，计算导航参考坐标系与导航参考坐标系的北向的夹角β就是寻北偏差角；

(3)、将基于惯导系统的定位装置测得的坐标值转换至导航参考坐标系下，转换公式如下：

(4)、在导航参考坐标系下，GPS-RTK移动站和基于惯导系统的定位装置分别测量的采煤机轨迹之间的夹角 就是安装偏差角，其计算公式如下：(5)、根据真实轨迹与航位推算轨迹具有相似性，采煤机实际轨迹为直线，基于惯导系统的定位装置测量得的轨迹也应为直线，垂直于测量轨迹线的方向，即基于惯导系统的定位装置横轴方向的位移应该为0，即|a|-|b|＝0；

a表示N′IMU在X'轴的投影值，b表示E′IMU在X'轴的投影值，

(6)、将基于惯导系统的定位装置测得的坐标值投影到与测量轨迹线垂直的方向时，可以得到一个表达式如下：其中α为实际轨迹与真北方向的夹角；

(7)、将以上提到的三个公式(1)、(2)和(3)联立求解，得到定位装置的安装偏差和寻北偏差，将其补偿到基于惯导系统的定位装置测量的航向角 中，重新补偿后采煤机的实际航向角为 再应用航位推算算法，可以完成对定位装置定位误差的减小作用。

说明书

采煤机惯性导航定位误差校准装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种采煤机定位误差校准的方法，特别是一种采煤机惯性导航定位误差校准装置及方法。

背景技术

[0002] 惯导系统以其可以提供导航信息的全面性和自主性，使其在生产作业环境非常恶劣的矿井中采煤机定位上的应用成为可能。由于现阶段采煤机定位使用的定位装置是以捷联惯导系统与里程计结合的组合导航方法为基础，航位推算法为解算算法。其中捷联惯导系统的安装偏差和寻北偏差对采煤机的定位精度影响巨大。没有经过安装偏差和寻北偏差补偿的定位系统，在煤矿现场使用不佳，精度比较差，故安装偏差和寻北偏差的补偿对于提高采煤机定位精度有着至关重要的作用。

发明内容

[0003] 本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种采煤机惯性导航定位误差校准装置及方法，该装置及方法能够计算安装偏差和寻北偏差，提高采煤机的定位精度。

[0004] 为实现上述目的，本发明的技术方案包括：误差校准装置和误解差校准方法；

[0005] 采煤机惯性导航定位误差校准装置包括：采煤机机身(1)、基于惯导系统的定位装置(2)、GPS-RTK(Real Time Kinematic)基准站(3)和GPS-RTK移动站(4)；其中，基于惯导系统的定位装置(2)以及GPS-RTK移动站(4)固连在采煤机机身(1)上，GPS-RTK基准站(3)布置在测试场地的任意位置。

[0006] 误差校准方法：GPS-RTK移动站(4)同时接收GPS卫星信号与基准站传输的数据，通过载波相位差分技术得到采煤机机身(1)对地实时绝对高精度坐标值，以此绝对高精度坐标值作为校准基准；通过GPS-RTK移动站测量的高精度起终点坐标值和定位装置测量的起终点坐标值，建立安装偏差和寻北偏差的分离校准计算算法，通过采煤机地面事先直线跑车标定实验，计算安装偏差和寻北偏差；将误差补偿后，再应用航位推算法实现定位精度的提高。

[0007] 误差校准方法具体步骤如下：

[0008] 1、将采煤机运动起点作为原点，有坐标系ONE表示东北天坐标系的东北方向，所述的东北天坐标系为导航参考坐标系，N系，坐标系ON′E′表示基于惯导系统的定位装置测量的坐标系的东北方向，即为N′系，所述的N′系为计算导航参考坐标系；

[0009] 2、进行采煤机机身地面直线跑车标定实验，GPS-RTK移动站测量高精度起终点坐标值作为基准，同时基于惯导系统的定位装置测量起终点的坐标值，GPS-RTK移动站测得的坐标值是导航参考坐标系下的(Eb,Nb)，基于惯导系统的定位装置测得的坐标值是计算导航参考坐标系下的(E′IMU,N′IMU)，计算导航参考坐标系与导航参考坐标系的北向的夹角β就是寻北偏差角；

[0010] 3、将基于惯导系统的定位装置测得的坐标值转换至导航参考坐标系下，转换公式如下：

[0011]

[0012] 4、GPS-RTK移动站测量的采煤机在导航参考坐标系下的轨迹与基于惯导系统的定位装置测量的采煤机的在导航参考坐标下的轨迹之间的夹角 就是安装偏差角，其计算公式如下：

[0013]

[0014] 5、根据真实轨迹与航位推算轨迹具有相似性，采煤机实际轨迹为直线，基于惯导系统的定位装置测量得的轨迹也应为直线，垂直于测量轨迹线的方向，即基于惯导系统的定位装置横轴方向的位移应该为0，即|a|-|b|＝0；

[0015] 6、将基于惯导系统的定位装置测得的坐标值投影到与测量轨迹线垂直的方向时，可以得到一个表达式如下：

[0016]

[0017] 其中α为实际轨迹与真北方向的夹角；

[0018] 7、将以上提到的三个公式联立求解，得到定位装置的安装偏差和寻北偏差，将其补偿到基于惯导系统的定位装置测量的航向角 中，重新补偿后采煤机的实际航向角为再应用航位推算算法，可以完成对定位装置定位误差的减小作用。

[0019] 其中(Eb,Nb)为GPS-RTK移动站在导航参考坐标系下测得的坐标值，(E′IMU,N′IMU)为基于惯导系统的定位装置在计算导航参考坐标系下的测得的坐标值，β为寻北偏差角，(EIMU,NIMU)为基于惯导系统的定位装置经转换后在导航参考坐标系下测得的坐标值， 为安装偏差角，a表示N′IMU在X'轴的投影值，b表示E′IMU在X'轴的投影值，α为实际轨迹与真北方向的夹角， 为基于惯导系统的定位装置测量的航向角。

[0020] 有益效果，由于采用了上述方案，将真实轨迹与定位装置利用航位推算法测量的轨迹具有相似性原理以及几何对准基本原理相融合，利用GPS-RTK作为定位基准可以方便准确的计算出基于惯性导航的采煤机定位装置的安装偏差和寻北偏差，再将两偏差角度补偿到定位装置测量的航向角中，可将采煤机的定位精度提高一个数量级以上。使基于惯性导航的采煤机定位装置的定位精度在煤矿的使用更加精确。

附图说明

[0021] 图1为本发明的校准装置图。

[0022] 图2为本发明的误差标定试验场地装置布置示意图。

[0023] 图3为本发明的误差标定算法示意图。

[0024] 图4为本发明的算法流程图。

具体实施方式

[0025] 采煤机惯性导航定位误差校准装置包括：采煤机机身(1)、基于惯导系统的定位装置(2)、GPS-RTK(Real Time Kinematic)基准站(3)和GPS-RTK移动站(4)；其中，基于惯导系统的定位装置(2)以及GPS-RTK移动站(4)固连在采煤机机身(1)上，GPS-RTK基准站(3)布置在测试场地的任意位置。

[0026] 误差校准方法：GPS-RTK移动站(4)同时接收GPS卫星信号与基准站传输的数据，通过载波相位差分技术得到采煤机机身(1)对地实时绝对高精度坐标值，以此绝对高精度坐标值作为校准基准；通过GPS-RTK移动站测量的高精度起终点坐标值和定位装置测量的起终点坐标值，建立安装偏差和寻北偏差的分离校准计算算法，通过采煤机地面事先直线跑车标定实验，计算安装偏差和寻北偏差；将误差补偿后，再应用航位推算法实现定位精度的提高。

[0027] 误差校准方法具体步骤如下：

[0028] 1、将采煤机运动起点作为原点，有坐标系ONE表示东北天坐标系的东北方向，所述的东北天坐标系为导航参考坐标系，N系，坐标系ON′E′表示基于惯导系统的定位装置测量的坐标系的东北方向，即为N′系，所述的N′系为计算导航参考坐标系；

[0029] 2、进行采煤机机身地面直线跑车标定实验，GPS-RTK移动站测量高精度起终点坐标值作为基准，同时基于惯导系统的定位装置测量起终点的坐标值，GPS-RTK移动站测得的坐标值是导航参考坐标系下的(Eb,Nb)，基于惯导系统的定位装置测得的坐标值是计算导航参考坐标系下的(E′IMU,N′IMU)，计算导航参考坐标系与导航参考坐标系的北向的夹角β就是寻北偏差角；

[0030] 3、将基于惯导系统的定位装置测得的坐标值转换至导航参考坐标系下，转换公式如下：

[0031]

[0032] 4、GPS-RTK移动站测量的采煤机在导航参考坐标系下的轨迹与基于惯导系统的定位装置测量的采煤机的在导航参考坐标下的轨迹之间的夹角 就是安装偏差角，其计算公式如下：

[0033]

[0034] 5、根据真实轨迹与航位推算轨迹具有相似性，采煤机实际轨迹为直线，基于惯导系统的定位装置测量得的轨迹也应为直线，垂直于测量轨迹线的方向，即基于惯导系统的定位装置横轴方向的位移应该为0，即|a|-|b|＝0；

[0035] 6、将基于惯导系统的定位装置测得的坐标值投影到与测量轨迹线垂直的方向时，可以得到一个表达式如下：

[0036]

[0037] 其中α为实际轨迹与真北方向的夹角；

[0038] 7、将以上提到的三个公式联立求解，得到定位装置的安装偏差和寻北偏差，将其补偿到基于惯导系统的定位装置测量的航向角 中，重新补偿后采煤机的实际航向角为再应用航位推算算法，可以完成对定位装置定位误差的减小作用。

[0039] 其中(Eb,Nb)为GPS-RTK移动站在导航参考坐标系下测得的坐标值，(E′IMU,N′IMU)为基于惯导系统的定位装置在计算导航参考坐标系下的测得的坐标值，β为寻北偏差角，(EIMU,NIMU)为基于惯导系统的定位装置经转换后在导航参考坐标系下测得的坐标值， 为安装偏差角，a表示N′IMU在X'轴的投影值，b表示E′IMU在X'轴的投影值，α为实际轨迹与真北方向的夹角， 为基于惯导系统的定位装置测量的航向角。

[0040] 下面结合附图对本方法及算法进行详细说明：

[0041] 实施例1：本发明的采煤机惯性导航定位误差校准装置包括：采煤机机身(1)、基于惯导系统的定位装置(2)、GPS-RTK(Real Time Kinematic)基准站(3)和GPS-RTK移动站(4)；其中，基于惯导系统的定位装置(2)以及GPS-RTK移动站(4)固连在采煤机机身(1)上，GPS-RTK基准站(3)布置在测试场地的任意位置；GPS-RTK移动站(4)同时接收GPS卫星信号与基准站传输的数据，通过载波相位差分技术得到采煤机机身(1)对地实时绝对高精度坐标值。

[0042] 本发明的采煤机惯性导航定位误解差校准方法如下：

[0043] 将采煤机运动起点作为原点，有坐标系ONE表示东北天坐标系的东北方向，所述的东北天坐标系为导航参考坐标系，N系，坐标系ON′E′表示基于惯导系统的定位装置测量的坐标系的东北方向，即为N′系，所述的N′系为计算导航参考坐标系；

[0044] 进行采煤机机身地面直线跑车标定实验，GPS-RTK移动站测量高精度起终点坐标值作为基准，同时基于惯导系统的定位装置测量起终点的坐标值，GPS-RTK移动站测得的坐标值是导航参考坐标系下的(Eb,Nb)，基于惯导系统的定位装置测得的坐标值是计算导航参考坐标系下的(E′IMU,N′IMU)，计算导航参考坐标系与导航参考坐标系的北向的夹角β就是寻北偏差角；

[0045] 将基于惯导系统的定位装置测得的坐标值转换至导航参考坐标系下，转换公式如下：

[0046]

[0047] GPS-RTK移动站测量的采煤机在导航参考坐标系下的轨迹与基于惯导系统的定位装置测量的采煤机的在导航参考坐标下的轨迹之间的夹角 就是安装偏差角，其计算公式如下：

[0048]

[0049] 根据真实轨迹与航位推算轨迹具有相似性，采煤机实际轨迹为直线，基于惯导系统的定位装置测量得的轨迹也应为直线，垂直于测量轨迹线的方向，即基于惯导系统的定位装置横轴方向的位移应该为0，即|a|-|b|＝0；

[0050] 将基于惯导系统的定位装置测得的坐标值投影到与测量轨迹线垂直的方向时，可以得到一个表达式如下：

[0051]

[0052] 其中α为实际轨迹与真北方向的夹角；

[0053] 将以上提到的三个公式联立求解，得到定位装置的安装偏差和寻北偏差，将其补偿到基于惯导系统的定位装置测量的航向角 中，重新补偿后采煤机的实际航向角为再应用航位推算算法，可以完成对定位装置定位误差的减小作用。

[0054] 其中(Eb,Nb)为GPS-RTK移动站在导航参考坐标系下测得的坐标值，(E′IMU,N′IMU)为基于惯导系统的定位装置在计算导航参考坐标系下的测得的坐标值，β为寻北偏差角，(EIMU,NIMU)为基于惯导系统的定位装置经转换后在导航参考坐标系下测得的坐标值， 为安装偏差角，a表示N′IMU在X'轴的投影值，b表示E′IMU在X'轴的投影值，α为实际轨迹与真北方向的夹角， 为基于惯导系统的定位装置测量的航向角。

[0055] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。