一種背包式井下煤炭開采量智能測(cè)量裝置及其量測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種井下測(cè)量裝置及其量測(cè)方法，特別是一種背包式井下煤炭開采量智能測(cè)量裝置及其量測(cè)方法一種背包式井下煤炭開采量智能測(cè)量裝置及其量測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在采礦、采煤工程中，地下生產(chǎn)采場(chǎng)采空區(qū)測(cè)址大多采用垂直斷面測(cè)量法。垂直斷面測(cè)址法一般采用極坐標(biāo)法，由于剖面線不可能正好位于測(cè)點(diǎn)上，以及測(cè)點(diǎn)密度不大，尤其是地下不安全的地段和不便到達(dá)的地方。這樣求得的采場(chǎng)采空區(qū)體積精度不會(huì)很高。對(duì)于金屬礦山特別是品位高的礦體，由于存在較大采空區(qū)測(cè)誤差，造成了國家寶貴財(cái)產(chǎn)的流失。
[0003]礦井巷道是特殊的受限空間，電磁波傳輸特性受到巷道形狀和截面尺寸、工作頻率、巷道壁電參數(shù)、粉塵及金屬支柱等影響。礦井巷道通常是由巖石、混凝土或磚頭等材料組成，四壁的表面十分粗糙，存在著凹凸不平的隨機(jī)起伏，同時(shí)這些材料不是理想導(dǎo)體而是電導(dǎo)率為有限值的損耗介質(zhì)。
[0004]慣性傳感器包括陀螺儀和加速度計(jì)。加速度計(jì)目前精度可達(dá)10_5g η且對(duì)INS誤差影響較小。陀螺儀由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造困難且其漂移誤差對(duì)INS精度影響大，而成了慣性傳感器重點(diǎn)研究對(duì)象。
[0005]第一代慣性技術(shù)指1930年以前的慣性技術(shù)。第一代慣性技術(shù)指1930年以前的慣性技術(shù)。自1687年牛頓三大定律的建立，并成為慣性導(dǎo)航的理論基礎(chǔ)；到1852年，傅科提出陀螺的定義、原理及應(yīng)用設(shè)想；再到1908年由安修茨研制出世界上第一臺(tái)擺式陀螺羅經(jīng)，以及1910年的舒勒調(diào)諧原理；第一代慣性技術(shù)奠定了整個(gè)慣性導(dǎo)航發(fā)展的基礎(chǔ)。
[0006]第二代慣性技術(shù)開始于上世紀(jì)40年代火箭發(fā)展的初期，其研究?jī)?nèi)容從慣性儀表技術(shù)發(fā)展擴(kuò)大到慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用。首先是慣性技術(shù)在德國V-1I火箭上的第一次成功應(yīng)用。到50年代中后期，0.5n mile/h的單自由度液浮陀螺平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)研制并應(yīng)用成功。1968年，漂移約為0.005° /h的G6B4型動(dòng)壓陀螺研制成功。這一時(shí)期，還出現(xiàn)了另一種慣性傳感器一加速度計(jì)。在技術(shù)理論研究方面，為減少陀螺儀表支承的摩擦與干擾，撓性、液浮、氣浮、磁懸浮和靜電等支承懸浮技術(shù)被逐步采用；1960年激光技術(shù)的出現(xiàn)為今后激光陀螺(RLG)的發(fā)展提供了理論支持；捷聯(lián)慣性導(dǎo)航(SINS)理論研究趨于完善。
[0007]70年代初期，第三代慣性技術(shù)發(fā)展階段出現(xiàn)了一些新型陀螺、加速度計(jì)和相應(yīng)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，其研究目標(biāo)是進(jìn)一步提高INS的性能，并通過多種技術(shù)途徑來推廣和應(yīng)用慣性技術(shù)。這一階段的主要陀螺包括:靜電陀螺、動(dòng)力調(diào)諧陀螺、環(huán)形激光陀螺、干涉式光纖陀螺等。
[0008]當(dāng)前，慣性技術(shù)正處于第四代發(fā)展階段，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性、低成本、小型化、數(shù)字化、應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛的導(dǎo)航系統(tǒng)。一方面，陀螺的精度不斷提高，漂移量可達(dá)10-6 o/h ;另一方面，隨著新型固態(tài)陀螺儀的逐漸成熟，以及高速大容量的數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，SINS在低成本、短期中精度慣性導(dǎo)航中呈現(xiàn)出取代平臺(tái)式系統(tǒng)的趨勢(shì)。
[0009]一個(gè)慣性傳感器IMU包含了三個(gè)單軸的加速度計(jì)和三個(gè)單軸的陀螺利用三軸地磁解耦和三軸加速度計(jì)，受外力加速度影響很大，在運(yùn)動(dòng)/振動(dòng)等環(huán)境中，輸出方向角誤差較大，此外地磁傳感器有缺點(diǎn)，它的絕對(duì)參照物是地磁場(chǎng)的磁力線，地磁的特點(diǎn)是使用范圍大，但強(qiáng)度較低，約零點(diǎn)幾高斯，非常容易受到其它磁體的干擾，如果融合了 Z軸陀螺儀的瞬時(shí)角度，就可以使系統(tǒng)數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定。加速度測(cè)量的是重力方向，在無外力加速度的情況下，能準(zhǔn)確輸出ROLL/PITCH兩軸姿態(tài)角度并且此角度不會(huì)有累積誤差，在更長(zhǎng)的時(shí)間尺度內(nèi)都是準(zhǔn)確的。但是加速度傳感器測(cè)角度的缺點(diǎn)是加速度傳感器實(shí)際上是用MEMS技術(shù)檢測(cè)慣性力造成的微小形變，而慣性力與重力本質(zhì)是一樣的，所以加速度計(jì)就不會(huì)區(qū)分重力加速度與外力加速度，當(dāng)系統(tǒng)在三維空間做變速運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的輸出就不正確了。
[0010]陀螺儀輸出角速度，是瞬時(shí)量，角速度在姿態(tài)平衡上是不能直接使用，需要角速度與時(shí)間積分計(jì)算角度，得到的角度變化量與初始角度相加，就得到目標(biāo)角度，其中積分時(shí)間Dt越小，輸出角度越精確，但陀螺儀的原理決定了它的測(cè)量基準(zhǔn)是自身，并沒有系統(tǒng)外的絕對(duì)參照物，加上Dt是不可能無限小，所以積分的累積誤差會(huì)隨著時(shí)間流逝迅速增加，最終導(dǎo)致輸出角度與實(shí)際不符，所以陀螺儀只能工作在相對(duì)較短的時(shí)間尺度內(nèi)。
[0011]所以在沒有其它參照物的基礎(chǔ)上，要得到較為真實(shí)的姿態(tài)角，就要利用加權(quán)算法揚(yáng)長(zhǎng)避短，結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，擯棄其各自缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)算法在短時(shí)間尺度內(nèi)增加陀螺儀的權(quán)值，在更長(zhǎng)時(shí)間尺度內(nèi)增加加速度權(quán)值，這樣系統(tǒng)輸出角度就接近真實(shí)值了.
[0012]在導(dǎo)航中用著很重要的應(yīng)用價(jià)值。慣性傳感器IMU大多用在需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)備，如汽車和機(jī)器人上。也應(yīng)用于無人航空器、姿態(tài)測(cè)量、各種跟蹤和穩(wěn)定系統(tǒng)、姿態(tài)參考、船舶姿態(tài)的動(dòng)態(tài)測(cè)量、機(jī)器及制造業(yè)。
[0013]基于慣性傳感器的定位技術(shù)具有定位的自主性和連續(xù)性，其傳感器涉及到加速度計(jì)、陀螺儀、磁羅盤等?；诓煌奈锢硖匦院蛻?yīng)用環(huán)境，這些傳感器可以相互組合實(shí)現(xiàn)不同的配置方案，如陀螺儀和加速度計(jì)組合、磁羅盤和加速度計(jì)組合等。且隨著微機(jī)電系統(tǒng)的快速發(fā)展，各種傳感器尺寸不斷變小，成本降低，可將其廣泛應(yīng)用于各種智能移動(dòng)終端設(shè)備，使得其定位范圍不受限制，也不會(huì)受外界信號(hào)和環(huán)境干擾。其定位方法主要分為兩種，一種是傳統(tǒng)的積分定位方法，依據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律，通過三個(gè)方向的加速度數(shù)據(jù)積分計(jì)算出三維速度和位置，理論上計(jì)算結(jié)果更精確可靠，但實(shí)際應(yīng)用中，由于加速度計(jì)存在數(shù)據(jù)漂移，使用牛頓運(yùn)動(dòng)定律加速度兩次積分計(jì)算的結(jié)果產(chǎn)生持續(xù)的累計(jì)誤差，幾秒時(shí)間內(nèi)誤差可達(dá)幾十米，甚至幾百米；另一種是航跡推算方法，依據(jù)人行走的步數(shù)和步長(zhǎng)進(jìn)行定位，定位效果比傳統(tǒng)的積分定位方法更準(zhǔn)確，但是由于航跡推算方法根據(jù)人行走的位移與航向進(jìn)行位置推算，定位精度依賴于計(jì)步效果和行人航向以及行人的步長(zhǎng)等因素，因而隨著行走時(shí)間增加，其定位誤差也在不斷累積。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種背包式井下煤炭開采量智能測(cè)量裝置及其量測(cè)方法，用以實(shí)現(xiàn)在井下無電磁波環(huán)境下的定位量測(cè)，并解決井下硬件易損耗及計(jì)算挖出煤的體積得出煤炭開采量精確度較低的問題。
[0015]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0016]1.一種背包式井下煤炭開采量智能測(cè)量裝置，該定位測(cè)量裝置包括慣性傳感器模塊、時(shí)鐘模塊、液晶顯示模塊、控制按鍵面板、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、RS-232通訊接口、無線傳輸模塊、電源模塊、中央處理器和服務(wù)器；慣性傳感器模塊、時(shí)鐘模塊、控制按鍵面板和無線傳輸模塊的輸出端均與中央處理器的輸入端連接，電源模塊為定位測(cè)量裝置提供電源，中央處理器的輸出端與液晶顯示模塊連接，中央處理器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊雙向通訊連接，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊與RS-232通訊接口連接，無線傳輸模塊的輸出端與服務(wù)器的輸入端連接；
[0017](1)所述的慣性傳感器模塊包括加速度計(jì)、陀螺儀和方向傳感器，該模塊獲取人員行走中的加速度，方向和轉(zhuǎn)彎信息；
[0018](2)所述的時(shí)鐘模塊記錄定位時(shí)間；所述的液晶顯示模塊顯示中央處理器收到的服務(wù)器回傳點(diǎn)位坐標(biāo)，供用戶查看自己的位置；所述的控制按鍵面板進(jìn)行采樣參數(shù)和文件名稱的交互式設(shè)置；所述的無線傳輸模塊建立中央處理器與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸；
[0019](3)所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊與RS-232通訊接口連接，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)中央處理器處理后的慣性傳感器數(shù)據(jù)和時(shí)鐘數(shù)據(jù)，其存儲(chǔ)文件的名稱可以根據(jù)時(shí)鐘模塊記錄的時(shí)間自動(dòng)建立，或者通過控制按鍵面板手動(dòng)建立，其備份數(shù)據(jù)在事后通過RS-232通訊接口傳輸給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)處理與分析；
[0020](4)所述的電源模塊包括電池組和電源轉(zhuǎn)換電路，該模塊為裝置提供電源，其電源轉(zhuǎn)換電路分別與慣性傳感器模塊、時(shí)鐘模塊、液晶顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、無線傳輸模塊和中央處理器連接，并將電池組提供的穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換成與之相連接的裝置各部件所需的供電電源；
[0021](5)所述的中央處理器通過通訊接口電路連接慣性傳感