煤炭是我国重要的基础能源和原料,随着国家在“去产能”和“调结构”的宏观调控下,确保煤矿开采的安全性以及高产高效变成了首要任务。煤矿井下综采工作面的智能化和自动化是实现矿井无人化、安全高效开采的重要前提,也是发展“数字矿山”,提高矿井机电装备机械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和江苏省“333工程”科研项目的资助下,以采煤机为研究对象,以捷联惯性导航系统为基础,以实现井下综采工作面无人化采矿为目标,通过分析“三机”装备—采煤机、液压支架、刮板输送机的运动规律,构建了运动学约束下采煤机定位定姿解算模型,开发了基于ARM的采煤机捷联惯导定位定姿系统,设计了针对模拟实验平台的上位机位姿检测软件。主要研究内容包括:首先,运动学约束下采煤机定位定姿方法研究。通过建立系统坐标系完成了采煤机结构与运动学模型分析,针对纯SINS下采煤机定位定姿技术在长航时位置存在累积误差,从而难以实现精确定位这一问题,对采煤机的运动特性进行分析,并建立综采工作面采煤机运动学约束模型,借助卡尔曼滤波辅助算法,建立了系统的状态方程和观测方程,对纯惯性导航下采煤机速度和位置误差进行补偿矫正。其次,采煤机捷联惯性导航定位系统误差分析。在对防爆型采煤机捷联惯导定位装置内部结构研究的基础上,分析了采煤机捷联惯导定位系统误差的来源,并结合定位装置阐明了采煤机捷联惯导定位系统安装偏差角和杆臂效应产生的原因,并提出了安装偏差角和杆臂效应误差补偿机制,通过仿真对比实验探讨了安装偏差角和杆臂效应矫正后的采煤机位置、速度、姿态的定位精度较高,为实现运动学约束下采煤定位定姿系统的高精度作理论铺垫。再次,运动学约束下采煤机定位实验系统的设计。提出了运动学约束下采煤机SINS定位定姿技术方案,完成包括数据存储模块、网络接口模块、电源模块、液晶显示模块等在内的硬件电路部分的设计。下位机软件程序中实现对SINS数据采集、数据自校验、导航信息解算、数据存储与通讯等功能。同时利用C#编程语言完成了监控上位机的设计,实现了人机交互、多路数据的实时监测、轨迹绘制等功能。最后,采煤机定位定姿实验及结果分析。搭建用来模拟采煤机在地下室狭长综采工作面割煤工作的实验平台,并开展采煤机定位定姿实验研究,验证了运动学约束下采煤机SINS定位理论模型的有效性,同时测试了定位系统精度。