基于慣性傳感器的長大錨索鉆孔孔道測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于慣性傳感器的長大錨索鉆孔孔道測量系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以及固定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)備專用桿和固定桿、便攜工作站、手持終端，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)其中的中央芯片A面集成有MEMS運動追蹤模塊、九軸傳感器模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、藍牙傳輸模塊，其中央芯片B面為主控制器單元，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要用于采集數(shù)據(jù)，并向手持終端或便攜工作站進行數(shù)據(jù)傳輸。本發(fā)明的優(yōu)點在于：針對錨索鉆孔特殊的鉆孔環(huán)境，本系統(tǒng)具有抗干擾能力強的特點，經(jīng)過數(shù)據(jù)優(yōu)化處理后能得到高精度的三維空間孔道圖。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及滑坡、高大邊坡巖土工程錨固【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種基于慣性傳感器 的長大錨索鉆孔孔道測量系統(tǒng)。 基于慣性傳感器的長大錨索鉆孔孔道測量系統(tǒng)

【背景技術(shù)】
[0002] 錨固技術(shù)作為一種有效措施在滑坡治理、高邊坡加固工程中得到了成功的應(yīng)用， 但由于地質(zhì)條件和施工技術(shù)因素的影響，在錨索工程鉆進施工中，往往產(chǎn)生錨索鉆孔孔道 與設(shè)計方向偏離（即所謂的"錨索鉆孔彎曲")。尤其在長大錨索工程施工中，這種鉆孔孔道 的偏離更為嚴重，由此會導致例如塌孔、下錨困難、兩孔交匯、鉆孔報廢、有效錨固力下降等 諸多技術(shù)問題，因此對鉆孔孔道的測量和偏離控制也越來越受到設(shè)計和施工部門的重視。
[0003] 特別是長大錨索永久性工程，對錨索孔的鉆造質(zhì)量提出了十分嚴格的技術(shù)要求。 但是迄今為止，對于施工部門來說，在長大錨索施工中對錨孔孔道的測量技術(shù)還不成熟，尚 無法準確掌握錨孔孔道的偏離特征，故很難有針對性地采取糾偏工藝。因此，有必要開發(fā)一 種能快速、準確得到錨孔孔道偏移特征的測量系統(tǒng)，以便于進一步控制錨索鉆孔的質(zhì)量，提 高錨索技術(shù)的應(yīng)用水平。
[0004] 專利申請?zhí)枮?01110048965. 4公開了一種利用陀螺測斜儀點測井眼 的方法，將裝有兩個雙自由度撓性陀螺儀和雙石英加速度計的陀螺測斜儀固 定在載體上，并隨載體伸入井眼內(nèi)；將陀螺儀和石英加速度計采集的數(shù)據(jù)帶入 / = arclan ^ , ? = arcsin(^)? β = airsinl+++++)，求出方位角 γ、傾斜角 α、和橫 η，.', g gem a 滾角β。通過陀螺儀采集井下數(shù)據(jù)，并經(jīng)濾波、姿態(tài)解算以及轉(zhuǎn)位測量井眼中某一點的方位 角、傾斜角和橫滾角，可靠性好，精度高，測量速度快；本方法通過嵌入式計算機來實現(xiàn)，達 到在井下數(shù)據(jù)采集和解算的目的，利用測量數(shù)據(jù)繪制出井眼軌跡圖，便于獲得所鉆井眼的 軌跡；上述方法中采用的陀螺儀是一種靈敏度高，穩(wěn)定性好，不受磁場干擾，使用方便，且依 靠測量地球的自轉(zhuǎn)角速度來完成測量斜點測。但上述方法只能測量2個方位，且主要方法 側(cè)重在電信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換算法，沒有形成有效的可操作的成品。
[0005] 中國專利201310146626. 9公開了一種地球物理勘探，特別是一種煤礦井下軌跡 記錄儀；所述煤礦井下軌跡記錄儀，包括：DSP + FPGA處理器、IXD、電源、USB接口、信號調(diào) 理電路和傳感器；上述發(fā)明對微小的軌跡變化都能進行記錄，提高了合成三維空間軌跡精 確度，避免了由于深度測量裝置帶來的誤差；應(yīng)用于煤礦井下鉆孔軌跡測量和定向鉆進的 造斜精確度檢測，還應(yīng)用于測量巷道、迎頭掘進、工作面等從而擴展了應(yīng)用的范圍，使得軌 跡數(shù)據(jù)輸出到PC計算機，為其它礦井物探解析軟件提供地理信息。但該發(fā)明對重力、鉆進 振動等因素對傳感器采集數(shù)據(jù)的影響考慮不夠，沒有給出相應(yīng)解決方案。
[0006] 上述兩項技術(shù)有各自的使用條件，在長大錨索孔道測量時應(yīng)用還存在技術(shù)上的不 足。
[0007] 實際運用中，鉆孔孔道測量數(shù)據(jù)誤差主要來源于慣性傳感器的精度誤差與在測量 過程中機械振動帶來的誤差，加速度計極易受到機械振動的影響，陀螺儀由于零點漂移誤 差的存在，各傳感器的安裝定位誤差等。由于這些誤差的綜合作用，致使在測量儀輸出中引 入了靜態(tài)偏差和動態(tài)偏差項。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于慣性傳感器的長大錨索鉆 孔孔道測量系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以及固定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)備專用桿和固定桿、便攜 工作站、手持終端，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)其中的中央芯片A面集成有MEMS運動追蹤模塊、九軸傳感 器模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、藍牙傳輸模塊，其中央芯片B面為主控制器單元，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主 要用于采集數(shù)據(jù)，并向手持終端或便攜工作站進行數(shù)據(jù)傳輸。
[0009] 所述的MEMS運動追蹤模塊、九軸傳感器模塊的作用是獲取錨索在鉆孔過程中連 續(xù)特征點上的運動慣性數(shù)據(jù)，通過對每個特征點的數(shù)據(jù)進行解算獲得連續(xù)特征點的三維坐 標，從而由各個特征點的空間三維坐標構(gòu)建出整個鉆孔孔道位置； 所述的便攜工作站為置入軟件系統(tǒng)的計算機，通過藍牙接收數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù) 據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理，并進行可視化顯示，或生成標準格式的數(shù)據(jù)與圖形導出到其他設(shè)備； 進一步的，所述的軟件系統(tǒng)為數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理算法系統(tǒng)、誤差補償處理系統(tǒng)以 及三維空間軌跡顯示系統(tǒng)； 數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)為接收中央單元采集的數(shù)據(jù)，并臨時存儲，以便于進行下一步的處理； 數(shù)據(jù)處理算法系統(tǒng)是將采集的原始數(shù)據(jù)按卡爾曼濾波算法進行處理，得到可掌握的格 式的各特征點三維空間坐標，利于圖形顯示； 誤差補償處理系統(tǒng)是通過馬爾科夫運動模型的速度修正算法對原始三維坐標數(shù)據(jù)進 行處理，消除重力、振動等對數(shù)據(jù)結(jié)果的影響； 三維空間軌跡顯示系統(tǒng)是基于OpenGL的數(shù)據(jù)處理與軌跡生成軟件，完成從運動慣性 數(shù)據(jù)到特征點的空間三維坐標的解算功能，進一步從特征點坐標到三維軌跡的繪制和顯 /_J、1 〇
[0010] 所述九軸傳感器模塊分別為三軸陀螺儀、三軸加速度計以及磁力傳感器模塊，三 軸陀螺儀完成錨索當前姿態(tài)角的測量，三軸加速度計完成錨索鉆孔過程中在X，Y，Z方向上 產(chǎn)生的加速度，磁力傳感器完成對傾斜誤差的補償，校正運動慣性數(shù)據(jù)。
[0011] 數(shù)據(jù)存儲模塊為SD卡，傳感器模塊經(jīng)過運動感測融合算法處理后輸出原始的感 測數(shù)據(jù)，并作為輸入進入主控單元再次經(jīng)過數(shù)據(jù)優(yōu)化算法后以數(shù)據(jù)包的形式高速的存儲到 SD卡讀寫模塊上，以備之后讀取數(shù)據(jù)進行三維孔道重構(gòu)； 藍牙傳輸模塊主要承擔通信、數(shù)據(jù)傳輸功能，將SD卡中存儲的數(shù)據(jù)傳輸入便攜工作站 或手持終端進行處理。
[0012] 所述手持終端為控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行工作或停止工作的設(shè)備，采用藍牙技術(shù)對 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行控制；并且?guī)в酗@示屏；實時顯示設(shè)備所處狀態(tài)及通過藍牙技術(shù)對電源 電量監(jiān)控得到的電源的電量，預(yù)設(shè)電量不足報警閾值；并能通過android平臺對感測數(shù)據(jù) 處理、完成鉆孔孔道的繪制與顯示。
[0013] 可充電電源為整個鉆孔軌跡測量系統(tǒng)提供需要的供電電源。
[0014] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：針對錨索鉆孔特殊的鉆孔環(huán)境，本系統(tǒng)具有抗干擾能力強的 特點，經(jīng)過數(shù)據(jù)優(yōu)化處理后能得到高精度的三維空間孔道圖。考慮到實際施工過程中工作 人員的使用感受，本發(fā)明針對現(xiàn)實可能情況設(shè)計出操作簡單的硬件裝置及簡單的安裝過 程；專門開發(fā)配套的客戶端軟件，在數(shù)據(jù)采集過程完成之后，工作人員經(jīng)過簡單的操作之后 就能生成準確的鉆孔孔道三維空間圖。該產(chǎn)品成本低，輕便小巧，使用方便，測量誤差小于 3%,續(xù)測能力出色。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1為長大錨索鉆孔孔道測量系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)框架圖。
[0016] 圖2為長大錨索鉆孔孔道測量系統(tǒng)硬件組構(gòu)三維圖。
[0017] 圖3為長大錨索鉆孔孔道測量系統(tǒng)硬件組構(gòu)剖面圖。
[0018] 圖4為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件組構(gòu)。
[0019] 圖5為中央芯片A面硬件組構(gòu)。
[0020] 圖6為中央芯片B面硬件組構(gòu)。
[0021] 圖7為馬爾科夫運動模型速度修正算法的流程框圖。
[0022] 圖8為長大錨索鉆孔孔道測量系統(tǒng)操作流程。
[0023] 圖中：1 -推進鉆頭；2 -數(shù)據(jù)米集系統(tǒng)；3 -設(shè)備專用桿；4 -固定桿；5 -手持終 端；6 -便攜工作站；7 -螺絲扣連接；8 -中央芯片；9 一封裝盒；10 -可充電電源；11 一 USB接口；12 -固定彈簧；13 -集成電路；14 一數(shù)據(jù)存儲模塊（SD卡);15 -藍牙傳輸模塊； 16 - MEMS運動追蹤模塊；17 -九軸傳感器模塊；18 -主控制器單元。 具體實施例
[0024] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。
[0025] 一種錨索鉆孔孔道的測量系統(tǒng)，包括硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)。整個系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu) 框架如圖1。硬件系統(tǒng)由設(shè)備專用桿3、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2、推進鉆頭1、固定桿4、可充電電源 10、手持終端5、便攜工作站6組成。如圖2?6。
[0026] 設(shè)備專用桿3為長圓管型鋁制管件，圓管內(nèi)部中間部位留有凸起的卡口，便于兩 端置入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2,設(shè)備專用桿3兩端采用加橡膠圈的螺絲扣7的方式連接推進鉆頭1 與固定桿4。
[0027] 推進鉆頭1起密封、保護數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2以及便于設(shè)備專用桿3進入鉆孔目的。
[0028] 固定桿4起固定、密封數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2以及加橡膠圈的螺絲扣7連接外接鉆桿之 用。
[0029] 手持終端的功能主要分3個部分：（1)通過藍牙通信技術(shù)，控制中央單元的運行與 停止。（2)在中央控制單元充電之后，實時發(fā)送電量的信息，監(jiān)控中央控制單元的電源電量， 電量不足報警閾值時，警告使用人員進行充電。（3)當中央控制單元數(shù)據(jù)采樣完成后，手持 設(shè)備對中央控制單元下發(fā)停止采集的命令，此時中央控制單元收到停止命令后，停止采集 數(shù)據(jù)，同時將保存在控制單元中SD卡中的數(shù)據(jù)傳送給手持設(shè)備端，手持設(shè)備對數(shù)據(jù)進行濾 波、誤差修正處理，通過顯示屏顯示出錨索鉆孔孔道三維圖形。功能（3)依賴于在Android 平臺下安裝軟件系統(tǒng)來實現(xiàn)。
[0030] 便攜工作站6為置入軟件系統(tǒng)的計算機，通過藍牙技術(shù)接收數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2采集 的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理，并進行可視化顯示，亦可生成標準格式的數(shù)據(jù)與圖形，可導出到其 他設(shè)備。
[0031] 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2是錨索鉆孔的三維軌跡的測量系統(tǒng)硬件部分的核心部分，為封裝 圓管型元件，主要功能采集數(shù)據(jù)，并向手持終端5或便攜工作站6進行數(shù)據(jù)傳輸。主要由集 成的中央芯片8、電源10、封裝盒9及外裝封閉鋁制圓管組成。鋁制圓管留有USB接口 11， 以便于為電源10充電。封裝盒9將中央芯片8與電源10封裝，并連出有引線，連接到鋁制 圓管的USB接口 11，以供電源10充電之用。封裝盒9與鋁制圓管間采用彈簧12連接，不僅 可起固定作用，還可以在振動時起緩沖作用。
[0032] 可充電電源10為整個鉆孔孔道測量系統(tǒng)提供需要的供電電源。
[0033] 中央芯片8為集成芯片，分A、B兩面。中央芯片A面集成有MEMS運動追蹤模塊 16、九軸傳感器模塊17、數(shù)據(jù)存儲模塊14、藍牙傳輸模塊15。
[0034] MEMS運動追蹤模塊16/九軸傳感器模塊17整合了陀螺儀、加速度計、磁力傳感器， 提供九軸運動感測追蹤功能。其中，三軸陀螺儀完成錨索當前姿態(tài)角的測量，三軸加速度計 完成錨索鉆孔過程中在X，Y，Z方向上產(chǎn)生的加速度，磁力傳感器完成對傾斜誤差的補償， 校正運動慣性數(shù)據(jù)。此模塊的主要作用是獲取錨索在鉆孔過程中連續(xù)特征點上的運動慣性 數(shù)據(jù)，通過對每個特征點的數(shù)據(jù)進行解算獲得連續(xù)特征點的三維坐標，從而由各個特征點 的空間三維坐標構(gòu)建出整個鉆孔孔道位置。
[0035] 數(shù)據(jù)存儲模塊為SD卡，傳感器模塊經(jīng)過運動感測融合算法處理后輸出原始的感 測數(shù)據(jù)，并作為輸入進入主控單元再次經(jīng)過數(shù)據(jù)優(yōu)化算法后以數(shù)據(jù)包的形式高速的存儲到 SD卡存儲模塊上，以備之后讀取數(shù)據(jù)進行三維孔道重構(gòu)。本系統(tǒng)中，傳感器模塊經(jīng)過運動感 測融合算法處理后輸出原始的感測數(shù)據(jù)，并作為輸入進入主控單元再次經(jīng)過數(shù)據(jù)優(yōu)化算法 后以數(shù)據(jù)包的形式高速的存儲到SD卡讀寫模塊上，以備之后讀取數(shù)據(jù)進行三維孔道重構(gòu)。
[0036] 藍牙傳輸模塊主要承擔通信、數(shù)據(jù)傳輸功能，將SD卡中存儲的數(shù)據(jù)傳輸入便攜工 作站或手持終端進行處理。
[0037] 中央芯片B面集成主控制器單元，作為整個中央芯片部分的控制單元，所有的控 制算法以及信息存儲控制都由它來完成。
[0038] 軟件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理算法系統(tǒng)、誤差補償處理系統(tǒng)、三維空間孔道 顯示系統(tǒng)、手持終端應(yīng)用組成。
[0039] 數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)為接收中央單元采集的數(shù)據(jù)，并臨時存儲，以便于進行下一步的處 理。
[0040] 數(shù)據(jù)處理算法系統(tǒng)是將采集的原始數(shù)據(jù)按卡爾曼濾波算法進行處理，得到可掌握 的格式的各特征點三維空間坐標，利于圖形顯示。
[0041] 誤差補償處理系統(tǒng)是通過馬爾科夫運動模型的速度修正算法對原始三維坐標數(shù) 據(jù)進行處理，消除重力、振動等對數(shù)據(jù)結(jié)果的影響。
[0042] 三維空間孔道顯示系統(tǒng)是基于OpenGL的數(shù)據(jù)處理與孔道生成軟件，完成從運動 慣性數(shù)據(jù)到特征點的空間三維坐標的解算功能，進一步從特征點坐標到三維孔道的繪制和 顯示。將處理后的鉆孔孔道數(shù)據(jù)以三維圖形形式展示，繪制三維孔道圖形時，首先調(diào)用相應(yīng) 函數(shù)繪制外部框架以及坐標軸，外部框架和坐標軸刻度繪制好后，開始繪制鉆孔孔道圖。通 過聲明一個相應(yīng)類型的二次曲面對象，調(diào)用相應(yīng)函數(shù)得到聲明的二次方程對象，利用相應(yīng) 函數(shù)加載鉆孔空間坐標數(shù)據(jù)繪制鉆孔孔道。為了顯示的更直觀，通過相應(yīng)函數(shù)將孔道的起 點(鉆孔起點)移動至立方體框架的中心。同時作出原設(shè)計鉆孔位置，以便于對比，并在實測 量孔道發(fā)生偏轉(zhuǎn)點處標示出偏轉(zhuǎn)角度。
[0043] 鉆孔數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由內(nèi)部的MEMS運動追蹤模塊16與九軸傳感器模塊17組成的 慣性傳感器實時監(jiān)測錨索鉆孔過程中產(chǎn)生的運動慣性數(shù)據(jù)和磁通量信號，經(jīng)過主控單元優(yōu) 化處理后將原始數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)存儲模塊，測量結(jié)束后通過藍牙傳輸模塊15輸出到便攜工 作站6或手持終端5。
[0044] -套本系統(tǒng)中采用兩個鉆孔數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，目的是為了相互校正，提高測量精度。
[0045] 主控制器單元18,主要采用基于ATmega328核心處理器的Arduino Uno開源開發(fā) 板，該開發(fā)板搭載8位微控制器，具有32KB存儲器容量、USB接口、ICSP header、I2C總線、 工作時鐘16MHz。由于錨索鉆孔孔道測量實時性要求不高，因此這樣一款主控開發(fā)板完全滿 足數(shù)據(jù)采集和處理的要求。通過程序?qū)崿F(xiàn)從運動追蹤模塊高速的獲取傳感器的感測數(shù)據(jù)， 并且傳感器和主控制器之間采用有線連接的方式來滿足較高的數(shù)據(jù)傳輸速率要求，避免其 他因素帶來的噪聲干擾。
[0046] 藍牙傳輸模塊15,藍牙技術(shù)作為一門低成本低功耗的無線連接技術(shù)，將鉆孔數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)與外界設(shè)備建立起專門的連接。利用藍牙模塊實現(xiàn)將數(shù)據(jù)存儲模塊的孔道信息數(shù) 據(jù)包通過無線發(fā)送的方式傳給外部設(shè)備，無須通過有線連接的方式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。除此 之外，主控制單元的啟動和關(guān)閉也是通過藍牙發(fā)送指令的方式來實現(xiàn)，從而達到了真正的 獨立運行，一旦鉆孔數(shù)據(jù)采集盒安裝完成無須頻繁的拆卸，便可以實現(xiàn)從采集到孔道生成 的全部控制過程。
[0047] 可充電電源模塊10,整個鉆孔孔道測量系統(tǒng)需要一個供電電源，主要給主控單元 Arduino Uno供電，再由Arduino Uno給其他模塊供電?？紤]到系統(tǒng)的便利性，電源采用可 充電式移動電源作為供電模塊。不僅可以為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的5V工作電壓，還具有拆卸方 便、充電簡單等特點。
[0048] 基于OpenGL的數(shù)據(jù)處理與孔道生成軟件：主要用于提取到數(shù)據(jù)存儲模塊中的感 測數(shù)據(jù)包后，通過數(shù)據(jù)處理解算出空間三維坐標，實現(xiàn)鉆孔孔道三維重構(gòu)。該軟件主要分為 兩部分，基于馬爾科夫運動模型速度修正算法的數(shù)據(jù)處理模塊和基于OpenGL的鉆孔孔道 三維重構(gòu)模塊。其中基于馬爾科夫運動模型速度修正算法的數(shù)據(jù)處理模塊主要針對錨索鉆 孔過程中巨大的機械振動、短時間內(nèi)位移的平穩(wěn)增長過程、安裝鉆桿帶來的短暫停滯等特 點分別采用了卡爾曼濾波算法，馬爾科夫過程和無線定位方法來對數(shù)據(jù)進行二次處理，處 理后的感測數(shù)據(jù)更加精準。這些多次處理后精準的感測數(shù)據(jù)通過馬爾科夫運動模型速度修 正算法便可以解算出特征點的空間三維坐標。
[0049] 而基于OpenGL的鉆孔孔道三維重構(gòu)模塊主要在得到特征點的空間三維坐標后進 行鉆孔孔道三維重構(gòu)，并且在這個重構(gòu)的三維模型中反映處理后的一些特征數(shù)據(jù),例如在 鉆孔孔道什么位置發(fā)生了多少度的偏轉(zhuǎn)等信息，為后期研究提供技術(shù)支持。
[0050] 在本發(fā)明中對不同的偏差，采用不同的技術(shù)進行補償，如各傳感器的安裝定位誤 差，屬于靜態(tài)偏差項，可通過精確測量其誤差值進行在線補償。對于陀螺儀的零點漂移和加 速度計由于振動影響造成的誤差，屬于動態(tài)誤差。通過補償濾波融合，以此來校正鉆孔運動 的姿態(tài)，估計出角度誤差和角速率偏差。以修正陀螺輸出產(chǎn)生的角度漂移，從而得到最優(yōu)的 運動方向。通過對加速度的數(shù)據(jù)進行濾波處理，確定鉆孔當時狀態(tài)，消除計算速度時的漂 移。二者結(jié)合得到最優(yōu)的孔道位置。
[0051] 由于外接鉆桿的長度是有限的，一般長度在1. 5m?2m，因此，需要在鉆桿推進 過程中停止下來再外接另一段鉆桿，這時本發(fā)明的系統(tǒng)處于靜止狀態(tài)；只有在續(xù)接上一段 鉆桿后，重新推進鉆桿才能處于運動狀態(tài)；根據(jù)接上鉆桿的時間差，本發(fā)明的系統(tǒng)的運動狀 態(tài)可以看著是一個馬爾科夫模型，一共分為2個狀態(tài)：靜止狀態(tài)和運動狀態(tài)。在運動狀態(tài)， 三軸加速度傳感器受到地球重力場、鉆桿的推力、機械振動的作用，而在靜止狀態(tài)，只受到 地球重力場的作用。
[0052] 因此，設(shè)計基于慣性傳感設(shè)備的馬爾科夫運動模型的速度修正算法如下： (1)根據(jù)加速度傳感器采集到的三軸加速度的值為A設(shè)定兩個閥值 K'、K: ( 若'κ,+ <+a : ψι： +·-- + a： <欠:,，則認為錨索鉆孔處于運動狀態(tài)；否則， 認為系統(tǒng)處于靜止狀態(tài)。
[0053] (2)對運動狀態(tài)的數(shù)據(jù)進行去毛刺的濾波處理，靜止狀態(tài)和運動狀態(tài)都是 連續(xù)的，對靜止和運動狀態(tài)中的突變，一般是由于機械振動的誤差造成的。確定運 動狀態(tài)的時亥IJ ^+: 。其中7：,,表示錨索鉆孔第k個時間靜止狀態(tài)的時間段，其中 ( 2 S B ,表示錨索鉆孔第k-Ι個時間運動狀態(tài)的時間段。
[0054] (3)采用四元數(shù)卡爾曼濾波的方式，對采集到加速度、陀螺儀、磁通量傳感器中的 原始數(shù)據(jù)進行濾波融合，校正由于機械振動、零點漂移的誤差，得出傳感器坐標系相對參考 坐標系的姿態(tài)角變化的四元數(shù)。
[0055] (4)重力場是固定不變的，在參考坐標系下的值為g=[0 0 1]，通過（3)得出的傳 感器坐標系相對參考坐標系變化的姿態(tài)角的變化，計算出重力場在傳感器坐標系下的影響 在傳感器坐標系下測得的重力的值為￡々=卜 見+++++即 為錨索鉆孔的傳感器坐標系運動加速度的值。
[0056] (5)將錨索鉆孔的傳感器坐標系運動加速度的值轉(zhuǎn)化為在參考坐標系下的運動加
[0057] (6)若采樣時刻[++ ，則可以判斷出錨索鉆孔處于靜止狀 態(tài)，在靜止狀態(tài)下，可以設(shè)定錨索鉆孔三軸的運動速度均為ra,^() (! ilj;否則進行第（9) 止 /J/ ο
[0058] (7)實際上由于加速度傳感器的漂移、振動引起的誤差，心，沖i 通過對 A進行積分處理，得到其速度漂移誤差= ?;,?Λ. , ，漂移誤差初始值重〇開始。 若7； ,進行第（8)步，對速度漂移誤差進行修正，否則進行第（11)步。
[0059] (8)可以計算出在--η 時間段內(nèi)，錨索鉆孔運動速度的平均漂移誤差為 丨，作為下一時刻運動狀態(tài)的速度漂移。
[0060] (9)根據(jù)前一時刻的速度V,:和當前時刻的加速度加速度積分，得到當前時 刻的速度、+' ++:1 : -f "... Λ/ ,再進行第（11)步。
[0061] (10)根據(jù)第（8)步計算得出的速度漂移誤差，修正第（9)步m時刻得到的速度值 …x' v.w通過推動設(shè)備桿造成錨索鉆孔的運動，運動的速度值不可能太大，可以 根據(jù)錨索鉆孔運動速率的規(guī)律，設(shè)定其一個閾值卜vn.f j。若丨 取v:,,. = ?vw >〇,取、=v?,?。
[0062] 圖7為馬爾科夫運動模型速度修正算法的流程框圖。
[0063] 為進一步闡明本發(fā)明所采用的技術(shù)手段，下面結(jié)合附圖對具體實施說明如下。
[0064] (1)按照圖2的型式，將兩個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2裝入設(shè)備專用桿3, 一端通過螺絲扣 7旋進推進鉆頭，另一端旋進固定桿4,將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2固定，固定桿4再外接鉆桿，即可 推進鉆孔進行測試工作。
[0065] (2)將安裝好的設(shè)備放入鉆孔孔口后，通過手持終端5開啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2開始工 作，穩(wěn)定的將設(shè)備桿推入鉆孔，直到孔底，然后再穩(wěn)定的將此設(shè)備抽出鉆孔，當設(shè)備桿到達 鉆孔口時，再通過手持終端5關(guān)閉數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2,使其停止工作，這樣一個鉆孔就測試完 畢，同時每一個點由于運動方向不同測量有兩次數(shù)據(jù)，以備數(shù)據(jù)處理時相互校正，提高測量 精度。
[0066] (3)在設(shè)備桿運動過程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2中九軸傳感器模塊17實時采集運動的 加速度、角度和磁通量變化等數(shù)據(jù)，并通過MEMS運動追蹤模塊16、主控制器單元18進行數(shù) 據(jù)優(yōu)化。
[0067] (4)將步驟3中優(yōu)化后的數(shù)據(jù)以規(guī)定的數(shù)據(jù)包格式存儲到數(shù)據(jù)存儲模塊14。
[0068] (5)通過藍牙傳輸模塊15或者讀取SD卡14,讀取完整的感測數(shù)據(jù)包。
[0069] (6)將步驟5中讀取的所有數(shù)據(jù)作為輸入基于OpenGL的數(shù)據(jù)處理和孔道生成軟件 系統(tǒng)的手持終端5或便攜工作站6。
[0070] 在軟件系統(tǒng)中，用長大錨索鉆孔孔道測量優(yōu)化方法將數(shù)據(jù)處理解算出精準的特征 點的空間三維坐標點，利用這些點繪制鉆孔孔道三維空間圖。
[0071] 圖8為長大錨索鉆孔孔道測量系統(tǒng)操作流程。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于慣性傳感器的長大錨索鉆孔孔道測量系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集盒，以及固定數(shù) 據(jù)采集盒的設(shè)備專用桿和固定桿，以及手持終端、便攜工作站、可充電電源，其特征在于：數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)其中的中央芯片A面集成有MEMS運動追蹤模塊、九軸傳感器模塊、數(shù)據(jù)存儲模 塊、藍牙傳輸模塊，其中央芯片B面為主控制器單元，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要用于采集數(shù)據(jù)，并 向手持終端或便攜工作站進行數(shù)據(jù)傳輸； 所述的MEMS運動追蹤模塊、九軸傳感器模塊的作用是獲取錨索在鉆孔過程中連續(xù)特 征點上的運動慣性數(shù)據(jù)，通過對每個特征點的數(shù)據(jù)進行解算獲得連續(xù)特征點的三維坐標， 從而由各個特征點的空間三維坐標構(gòu)建出整個鉆孔孔道位置； 便攜工作站為置入軟件系統(tǒng)的計算機，通過藍牙技術(shù)接收數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)， 進行數(shù)據(jù)處理，并進行可視化顯示，亦可生成標準格式的數(shù)據(jù)與圖形導出到其他設(shè)備； 進一步的，所述的軟件系統(tǒng)為數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理算法系統(tǒng)、誤差補償處理系統(tǒng)以 及三維空間軌跡顯示系統(tǒng)； 數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)為接收中央單元采集的數(shù)據(jù)，并臨時存儲，以便于進行下一步的處理； 數(shù)據(jù)處理算法系統(tǒng)是將采集的原始數(shù)據(jù)按卡爾曼濾波算法進行處理，得到可掌握的格 式的各特征點三維空間坐標，利于圖形顯示； 誤差補償處理系統(tǒng)是通過馬爾科夫運動模型的速度修正算法對原始三維坐標數(shù)據(jù)進 行處理，消除重力、振動等對數(shù)據(jù)結(jié)果的影響； 三維空間軌跡顯示系統(tǒng)是基于OpenGL的數(shù)據(jù)處理與軌跡生成軟件，完成從運動慣性 數(shù)據(jù)到特征點的空間三維坐標的解算功能，進一步從特征點坐標到三維軌跡的繪制和顯 /_J、1 〇
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于慣性傳感器的長大錨索鉆孔孔道測量系統(tǒng)，其特征在 于：所述九軸傳感器模塊分別為三軸陀螺儀、三軸加速度計以及磁力傳感器，三軸陀螺儀完 成錨索當前姿態(tài)角的測量，三軸加速度計完成錨索鉆孔過程中在X，Y，Z方向上產(chǎn)生的加速 度，磁力傳感器完成對傾斜誤差的補償，校正運動慣性數(shù)據(jù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于慣性傳感器的長大錨索鉆孔孔道測量系統(tǒng)，其特征在 于：數(shù)據(jù)存儲模塊為SD卡，傳感器模塊經(jīng)過運動感測融合算法處理后輸出原始的感測數(shù) 據(jù)，并作為輸入進入主控單元再次經(jīng)過數(shù)據(jù)優(yōu)化算法后以數(shù)據(jù)包的形式高速的存儲到SD 卡數(shù)據(jù)存儲模塊上，以備之后讀取數(shù)據(jù)進行三維孔道重構(gòu)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于慣性傳感器的長大錨索鉆孔孔道測量系統(tǒng)，其特征在 于：藍牙傳輸模塊主要承擔通信、數(shù)據(jù)傳輸功能，將SD卡中存儲的數(shù)據(jù)傳輸入便攜工作站 或手持終端進行處理。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于慣性傳感器的長大錨索鉆孔孔道測量系統(tǒng)，其特征在 于：所述手持終端為控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行工作或停止工作的設(shè)備，采用藍牙技術(shù)對數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)進行控制；并且?guī)в酗@示屏；實時顯示設(shè)備所處狀態(tài)及通過藍牙技術(shù)對電源電量 監(jiān)控得到的電源的電量，預(yù)設(shè)電量不足報警閾值；并能通過android平臺對感測數(shù)據(jù)處理、 完成鉆孔孔道的繪制與顯示。
【文檔編號】E21B47/022GK104110252SQ201410161748
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年4月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月21日
【發(fā)明者】于貴, 朱寶龍, 李貌, 羅杰, 覃木慶, 張寬, 于興國 申請人:中鐵西北科學研究院有限公司西南分院