专访┃煤矿无人化开采的“探索者” ：北斗天地基于国产惯导实现采煤工作面自动找直应用技术研发团队

2025年08月26日 15:03 智能矿山杂志责编：戚金荣作者：智能矿山杂志

团队简介

北斗天地股份有限公司基于国产惯导实现采煤工作面自动找直应用技术研发团队（简称惯导研发团队），由设计师和技术专家等20名组成，在矿山开采工艺、自动化控制、矿山信息化技术应用方面，拥有丰富的经验和深厚的专业知识，惯导研发团队分别来自电气工程、计算机科学、机械设计和矿业工程，学科多元化组合确保团队从多角度审视问题，提出并成功研发的全面解决方案。

惯导研发团队自成立以来，始终坚持以用户需求为导向，将最新的科技成果转化为实际应用。IMOSS 智能综采作业自导向系统为煤矿行业带来革命性的变化，提高煤矿生产效率，实现降本提效。

目前，惯导研发团队已申请4项发明专利、1项实用新型、1项外观专利，7项软件著作权；先后获得第七届中国创新创业大赛军转民大赛三等奖、第三届山东省智能制造（工业 4.0）创新创业大赛一等奖、第三届山东省科技工作者创新大赛二等奖、2024年度全国煤矿智能化卓越团队等奖励和荣誉。

文章来源：《智能矿山》2025年第8期“专访”栏目

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煤矿综采工作面智能化核心技术国产化

煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。目前，我国已经取得了液压支架电液控系统、采煤机记忆截割和可视化远程干预控制、掘进机远程集控等一系列技术创新，但煤矿综采工作面智能化核心技术装备与美国、澳大利亚等发达国家相比还存在一定的差距。

煤矿综采作业生产过程的智能化运行，采煤机、液压支架等主要生产设备具备自主定位、姿态监测等高精度实时测量和数据采集功能，只有惯性导航技术能够满足相关功能和需求。

在煤矿智能化采煤作业过程中，采煤机记忆截割，液压支架跟随采煤机自动降、移、升均已实现。然而，实际生产过程中，工作面直线度却难以保证，随工作面推进误差越来越大，影响工作面自动连续推进，直线度问题严重制约着综采自动化水平。满足持续稳定、精准高效服务于煤矿综采工作面，采煤机惯导系统是采煤智能化必然条件。

惯导研发团队为打破国外技术垄断和封锁，解决该领域“卡脖子”问题，研究煤矿智能化领域国产化关键核心技术，致力于将国产惯性导航技术应用于智能化煤炭开采领域，解决了煤矿井下生产过程中对综机设备的精确定位和导航控制难题。基于国产惯导技术，深度结合煤矿智能化建设应用需求，开展国产化矿用采煤机惯导系统和组合定位导航核心算法研发，提升煤矿智能开采领域关键核心技术装备国产化水平，避免国外技术方法侵权风险。北斗天地智能综采作业自导向系统（Intelligent mining operation self-steering system，IMOSS）常态化应用于煤矿综采工作面智能化生产，实现减员增效，提升煤矿生产现场的本质化人机安全保障，IMOSS系统开采轨迹查询界面如图1所示。

图1 IMOSS系统开采轨迹查询界面

智能化技术研发攻关

2.1 研发综采工作面采煤机惯性导航系统

惯导研发团队通过深入了解煤矿综采工作面生产工艺流程，持续开展技术攻关，完成了元器件抗冲击设计和电磁兼容性优化，完成了适用于煤矿井下生产的采煤机三维坐标精确定位技术研发。结合防爆电气要求，完成了国产惯导成套系统矿用产品研发，并取得整机安标认证；自主研发出高精度光学陀螺和加速度计，构建惯导成套装置及配套系统，测量采煤机工作过程中的横向、纵向、垂直三维空间位置、姿态数据，与高分辨率编码器组合，测量数据通过无线或专用线缆方式传输到数据处理中心，经多源数据融合运算，得到采煤机的开采运行轨迹，实时监控采煤机在工作面的位置姿态信息，IMOSS系统硬件架构设计如图2所示。

图2 IMOSS系统硬件架构设计

2.2 构建综采工作面采煤机定位导航和找直算法

惯导研发团队结合煤矿综采工作面生产工艺，重点研发采煤机高精度组合定位导航算法、工作面直线度控制算法、安装误差补偿算法、断点续传位置补偿算法，实现了采煤机在综采工作面的精确定位和位置姿态数据实时采集。

分析惯导装置记录的采煤机空间位置坐标，确定当前工作面的直线度，定向研发算法计算出每台液压支架的推移量，联动液压支架电控系统发出执行信息，对每个液压支架进行推移行程单独闭环控制，达成直线度控制目标，实现对工作面直线度的动态调整，IMOSS系统软件模块设计如图3所示。

图3 IMOSS系统软件模块设计

2.3 基于5G无线通信的惯导多信道冗余通信

煤矿井下生产过程中因设备频繁移动、落煤、落石、浸水等因素，存在通信线挤压、弯折、破损等因素影响，采煤机惯导有线通信介质（网线、光缆、通信电缆、串行通信线等）易受损伤，无法稳定应用于采煤机惯导系统通信，5G网络高速率、低时延的特征较好契合惯导系统通信需求。

惯导研发团队针对煤矿井下采煤机和惯导系统通信需求，研究多信道数据通信技术，实现了采煤机惯导系统基于矿用5G专网、矿用无线网络、矿用光通信网络等多种通信方式的融合应用，提升了惯导系统数据传输稳定性。

通过采煤机安装部署矿用惯导装置，实现采煤机在工作面的位置姿态信息的实时采集，惯导通过内置5G模组，适配矿用5G专网系统，对接液压支架电液控系统，实现综采工作面液压支架矫直和整体直线度的动态控制，多信道通信系统架构设计如图4所示。

图4 多信道通信系统架构设计

惯导研发团队攻关核心关键技术

为了高精度惯导装置及软件系统研发试制成功，惯导研发团队自主验证了国产惯导在综采工作面采煤机位置姿态、位置实时检测、定位导航方面的适配可行性，提升了煤矿智能化生产领域的核心技术装备国产化水平，实现了综采工作面自动取直关键技术的重大突破。

（1）结合煤矿综采工作面找直需求，自主研发综采工作面找直算法、开采轨迹曲线拟合算法、误差补偿算法，适配机载传感器和惯导系统，实时监测采集采煤机在生产过程中的位置坐标和姿态角度信息数值，通过神经网络算法，解算输出电液控制系统每个控制器对应的修正值、移架找直目标值及实际行程值，实时调整工作面整体直线度，达到工作面找直的目标。目前已验证达到500 m长度以内工作面，整体取直误差优于50 cm的技术指标，达到国内领先水平。

（2）煤矿工作面实际环境存在高粉尘、强振动、大冲击等特点，要求惯性器件具有较高精度，同时具有惯性器件启动时间短、环境适应能力强、性能长期稳定的特点，为了攻克国产惯导在煤矿井下工况环境适应性难题，惯导研发团队通过多项技术研发和融合措施，实现了国产惯导在综采工作面的常态化应用。

（3）矿用高精度惯导系统具备较短时间内完成快速智能初始对准，提高煤矿开采工作效率，同时具备高动态条件多物理场作用下的高精度输出能力，具备在无外部信息源环境下的高精度纯惯性性能保持能力，以及很强的温度、振动、冲击、磁场条件下的环境适应能力。

（4）惯导研发团队通过综合锁区减小技术、高精度谐振腔光路控制技术、超精密谐振腔稳定化技术、高稳定性的抖动偏频技术、高气密性电极封接技术、磁屏蔽技术等多项关键技术研发，使采煤机惯导装置具备抗冲击、抗电磁干扰、防尘防爆等性能，以及煤矿井下工作面特殊作业环境适应性，实现了惯导系统装置在综采工作面的常态化稳定应用。

（5）攻克了采煤机惯导无可靠通信信道的技术难题，研发多信道数据通信技术，实现了采煤机惯导系统基于矿用5G专网、矿用无线网络、矿用光通信网络等多种通信方式的融合应用，提升了惯导系统数据传输稳定性。

（6）自主研发设计的接口转换部件、5Gcpe通信模组将惯导数据通过矿用本安型5G模组连接矿用5G专网，惯导上位机服务器通过5G专网实现惯导数据的接收和通信，经过实际应用测试，通信时延、信道带宽、通信稳定性等相关指标，均满足矿用惯导系统应用需要。

惯导研发团队取得科研成果

IMOSS系统通过在陕西未来能源化工有限公司金鸡滩煤矿超大采高综采工作面、兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿千米深井综放工作面、兖矿能源集团股份有限公司东滩煤矿冲击地压风险较高的综放工作面等不同地质条件下的工作面试验应用，均实现采煤机定位精度≤10 cm，工作面整体直线度控制精度≤50 cm，采煤机定位和工作面找直功能实测应用正常，兖矿能源集团股份有限公司南屯煤矿综采工作面IMOSS惯导找直应用情况如图5所示。

图5 综采工作面IMOSS惯导找直应用情况

目前，基于国产惯导实现采煤工作面自动找直应用研发已申请专利6项，其中：4项发明专利（图6~图9）、1项实用新型、1项外观专利，7项软件著作权。获得第七届中国创新创业大赛军转民大赛三等奖（图10）、第三届山东省智能制造（工业4.0）创新创业大赛一等奖（图11）、第三届山东省科技工作者创新大赛二等奖（图12）、2024年度全国煤矿智能化卓越团队（图13）。