随着近年来国家能源战略的发展实施,使得煤炭开采逐步从高产量向绿色开采、安全高效开采发展。煤矿井下综采工作面的自动化和智能化是实现矿井无人化、安全高效开采的关键步骤,也是发展“数字矿山”,提高矿井机电装备信息化和自动化水平的重要组成部分。本文在国家高技术研究发展计划项目的资助下,以综采工作面“三机”装备——采煤机、刮板输送机和液压支架为研究对象,以捷联惯性导航系统和无线传感器网络定位系统为基础,以实现井下综采“三机”自动化为目标,开展采煤机复杂环境下的精确位姿感知技术研究。通过建立采煤机动力学模型和“三机”运动学模型,在此基础上研究采煤机复杂振动环境下的捷联惯导误差补偿策略及多约束定位解算策略,构建采煤机SINS/WSN组合定位模型,在此基础上分析异类传感器数据传输特性以及井下工作面无线传感器网络定位影响因素,提出组合定位系统数据异步融合方法以及WSN不同失效情况下的紧耦合容错组合定位方法来实现采煤机复杂环境下的定位定姿。主要研究工作包括:1)采煤机动力学模型下捷联惯导解算误差补偿策略研究。建立了采煤机的多刚体动力学模型,并进行数值计算下的采煤机机身振动形式求解。分析了动力学模型下的采煤机机身振动形式,设计了针对采煤机机身的等效二阶振动模型。利用等效的机身角振动和线振动特性,构建了基于四元数多子样算法的捷联惯导圆锥误差和划船误差补偿模型。2)采煤机运动学约束下的捷联惯导测量误差校正研究。分析了捷联惯导加速度计和陀螺仪的测量偏差特性,提出了基于中值滤波的采煤机静止状态检测方法,利用采煤机运动前期的静止状态,构建了基于最小二乘法的加速度计和陀螺仪静态测量偏差校正模型。利用采煤机的行驶速度特性,建立了基于模糊推理机制的加速度动态测量偏差实时校正模型。研究了采煤机受刮板机的运动学约束特性,针对采煤机工作时停车速度为零的特点,构建了基于采煤机运动学辅助下的捷联惯导零速校正模型。3)时间异步传输下SINS/WSN组合定位策略研究。建立了无线传感器网络节点部署与定位解算模型,分析了组合定位系统中SINS和WSN之间的时间配准误差以及传统同步融合算法下引入的异步数据定位误差,构建了基于融合周期的批处理数据伪量测模型,研究了融合周期中WSN量测数据采样特性,设计了基于批处理异步融合与单惯导状态更新自动切换的定位模型,实现了量测数据时间异步下基于无迹卡尔曼滤波的组合定位系统融合解算。4)WSN失效下采煤机多模型容错组合定位策略研究。研究了WSN在定位过程中粗大定位误差和定位数据丢失的情况,建立了基于WSN定位失效情况下决策树容错判断策略,构建了基于卡尔曼滤波的容错组合定位模型。研究了WSN定位过程中出现的部分锚节点测距失效导致无法解算出准确采煤机位置信息的情况,利用剩余的准确测距信息建立了基于测距误差校正下的紧耦合模糊自适应组合定位模型。分析了以上两种容错定位模型在不同WSN失效状态下的各自定位优势,建立了基于卡尔曼滤波残差检测的多模型自动切换定位策略,实现了针对WSN不同失效情况下的自适应容错组合定位。