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    礦用單軌吊機車定位系統開發

    時間:2021年08月28日 所屬分類:推薦論文 點擊次數:

    摘要:針對煤礦井下單軌吊機車常用定位技術存在定位精度低和成本高的問題,提出了一種基于捷聯慣性導航和射頻識別(RFID)技術的組合定位系統。采用慣性測量模塊采集機車加速度和姿態角數據;基于RFID技術實現機車位置校正,從而消除累積誤差;基于LabVIEW軟件開

      摘要:針對煤礦井下單軌吊機車常用定位技術存在定位精度低和成本高的問題,提出了一種基于捷聯慣性導航和射頻識別(RFID)技術的組合定位系統。采用慣性測量模塊采集機車加速度和姿態角數據;基于RFID技術實現機車位置校正,從而消除累積誤差;基于LabVIEW軟件開發了上位機,在上位機中可實時觀察到機車的速度、位置、航向等信息。實驗結果表明,當機車行駛50m時,其測距誤差小于3m,滿足低成本、高精度的定位需求。

      關鍵詞:礦井;單軌吊機車;捷聯慣性導航;RFID;定位

    煤礦設計

      0引言

      近年來,單軌吊機車以其運行速度快、爬坡能力強、受巷道底板影響小等優點在礦井中應用越來越廣泛。然而,單軌吊機車定位技術依然比較落后,目前仍以射頻識別(RFID)定位為主。這種定位方式的精度與標簽分布密度成正比,定位精度的提高會導致成本上升,難以滿足低成本、高精度的實際應用需求。機車定位精度低不僅會影響其運輸效率,而且容易引發撞車事故,危及礦井工作人員的安全。針對此問題,本文開發了基于捷聯慣性導航和RFID技術的組合定位系統,實現了對單軌吊機車的低成本、高精度定位。

      1礦用單軌吊機車定位系統結構

      由車載機、WiFi通信網絡、上位機三部分組成。車載機安裝于單軌吊機車上,其作用:①實時采集機車加速度、角速度、磁場強度數據并解算出機車的行駛距離和姿態角;②實時讀取標簽數據,從而實現位置校正。車載機實現以上功能后,會將定位數據發送至WiFi通信網絡,WiFi通信網絡進一步把該數據發送至上位機。上位機接收到數據后,將實時顯示機車的位置、速度、航向等信息,以便調度人員實現對機車的實時監控。

      2車載機設計

      車載機是定位系統中最重要的部分,其設計是否合理將影響系統的經濟性和實用性。由主控制模塊、慣性測量模塊、位置校正模塊、通信模塊和電源模塊組成。

      (1)主控制模塊主控制模塊采用STM32F103-RCT6單片機,該單片機采用ARMcortex-M3內核,工作頻率為72MHz,運行速度快,可以保證定位的實時性。此外,該單片機有豐富的外設資源,如3個SPI、5個串口、2個I2C、1個CAN,為車載機功能的實現提供了硬件支持。(2)慣性測量模塊慣性測量模塊采用WT931,集成了高精度的微機電系統(MEMS)加速度計、陀螺儀、磁力計,結合其內部的卡爾曼濾波算法可以精準地輸出機車的實時姿態角和加速度。

      (3)位置校正模塊位置校正模塊由RFID閱讀器和電子標簽共同組成。其中,RFID閱讀器采用UHF-RKF918,通信距離可達2m;電子標簽采用抗金屬標簽,其內部存儲著特定的位置信息。將電子標簽以50m的間距安裝于機車軌道上,當機車接近電子標簽時,閱讀器就會讀取到標簽中的位置信息,進而完成機車位置校正,補償累積誤差。(4)通信模塊通信模塊采用ALK8266WiFi模塊,該模塊支持SPI通信,與串口通信相比,其通信速度更快,確保了定位的實時性。將該模塊和上位機分別配置為TCP客戶端和TCP服務器,并設置好相應的IP地址和端口號,即可通過WiFi通信網絡將定位數據發送至上位機。

      3算法設計

      該系統的算法主要包括加速度誤差濾除算法、測距算法和定位算法。其中,加速度誤差濾除算法又包括零偏濾除算法、重力分量濾除算法、穩態加速度誤差濾除算法。本文將重點分析穩態加速度誤差濾除算法、測距算法和定位算法。

      (1)穩態加速度誤差濾除算法穩態加速度誤差指機車靜止時的加速度波動誤差,是由傳感器精度低導致的。在實際應用中發現,即使加速度傳感器已經濾除了零偏和重力分量,但當機車靜止時,穩態加速度誤差依然存在。為了濾除該誤差,本文提出了改進的加速度變化率閾值法。加速度變化率閾值法的缺陷在于濾除了一部分有效的運動加速度數據,將會影響測距精度。本文對該方法做了改進,使其在濾除穩態加速度誤差的同時保持了加速度數據的真實性。

      (2)測距算法當加速度誤差被充分濾除之后,即可利用測距算法求解機車的速度和行駛距離。

      (3)定位算法定位算法是實現定位的最后一部分算法,以測距結果、標簽數據、航向角為基礎解算機車的實時坐標。由4條軌道組成,4個標簽分別固定于軌道交界處。若機車讀取到標簽1中的數據,航向角θ=0(Y軸正方向),測距結果為h。首先,由標簽數據確定機車的起點坐標為(x1,y1);其次,通過航向角可知機車在軌道2上行駛;最后由測距結果求得機車的坐標為(x1,y1+h)。

      4上位機設計

      該系統采用LabVIEW平臺開發上位機應用程序,井上調度人員可通過上位機實時觀察機車的位置、速度、行駛方向,并根據機車運行情況及時與司機溝通,從而提高單軌吊機車的運輸效率和運行安全性。

      5測距實驗

      由定位樣機、路由器、上位機構建一個簡單的機車定位系統,以此為實驗平臺進行現場實驗。將定位樣機固定于單軌吊機車上,機車在50m長的直線路段往返行駛10次,通過上位機觀察并記錄測距結果。有4次實驗誤差在2~3m,5次實驗誤差在1~2m,1次實驗誤差在0~1m?傊,當機車行駛50m時,其測距誤差在3m以內。

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      6結語

      針對當前煤礦井下單軌吊機車定位系統定位精度低、硬件成本高等問題,開發了基于捷聯慣性導航和RFID的組合定位系統,并進行了現場實驗。實驗結果表明,當機車在50m的直線路段行駛時,測距誤差在3m內,實現了低成本、高精度定位。

      參考文獻:

      [1]張新.有源RFID標簽在礦井機車定位監測中應用[J].煤炭技術,2020,39(8):169-172.

      [2]劉曉文,王振華,王淑涵,等.基于RSSI算法的礦井無線定位技術研究[J].煤礦機械,2009,30(3):59-60.

      [3]袁小平,陳羲梅,鮑捷,等.捷聯慣性導航系統在礦井機車定位中應用研究[J].煤礦機械,2013,34(1):208-209.

      [4]都悅來,史麗萍,李桂英,等.基于加速度計和彎曲傳感器的手指運動姿態監測[J].納米技術與精密工程,2017,15(1):61-66.

      [5]郝尚清,李昂,王世博,等.采煤機慣性導航安裝偏差對定位誤差的影響[J].煤炭學報,2015,40(8):1963-1968.

      [6]張麥玲,吳延昌.基于超寬帶的礦井機車定位系統設計[J].煤礦機械,2015,36(8):21-23.

      作者:郭梁1,宋建成1,寧振兵2,王明勇2

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