礦井陀螺儀定位研究

喬禹涵

摘? ?要：針對(duì)惡劣的煤礦井下環(huán)境，文章提出將陀螺儀傳感器及慣性導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用在礦井目標(biāo)定位領(lǐng)域。其定位精度高、定位速度快的特點(diǎn)，能極大地降低硬件設(shè)備的通信開銷，并使抗干擾能力顯著增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：目標(biāo)定位;陀螺儀;慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

煤礦在我國(guó)分布廣泛，但由于我國(guó)的煤田地質(zhì)條件復(fù)雜，生產(chǎn)條件惡劣，開采技術(shù)水平相對(duì)落后，導(dǎo)致我國(guó)煤礦生產(chǎn)的事故頻發(fā)，對(duì)于作業(yè)人員的安全問(wèn)題構(gòu)成了極大的威脅。在煤礦井下多變的環(huán)境中，噪聲干擾可能會(huì)給定位帶來(lái)較大的誤差，且基于傳統(tǒng)方法的系統(tǒng)需要專門的硬件設(shè)備支撐以及大量的工作，存在定位精度不高、定位效率低等問(wèn)題，給定位帶來(lái)很多不便，在一定程度上限制了定位系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

1? ? 陀螺儀運(yùn)行原理分析與設(shè)計(jì)

1.1? 運(yùn)行原理，陀螺儀定向運(yùn)行程序

（1）陀螺儀在井下確定定向方位時(shí)，必須先在地面先在地面確定三個(gè)獨(dú)立測(cè)量?jī)x器數(shù)據(jù)常數(shù)。（2）井下定向測(cè)試已知邊上，獨(dú)立測(cè)量4次陀螺儀位置。（3）陀螺儀上井后，需要地面預(yù)設(shè)已知邊上再次測(cè)量4個(gè)儀器設(shè)備常量數(shù)據(jù)。以上3個(gè)基本操作流程基本程序在兩天內(nèi)完成數(shù)據(jù)的采集。

1.2? 陀螺儀定向技術(shù)適用礦井井筒設(shè)備安裝

礦井井筒由線纜、梯子間、管道、罐道等設(shè)備組成，其中罐道梁和罐道是立井煤礦設(shè)備的核心部分，工程師在安裝井筒設(shè)備過(guò)程中，根據(jù)設(shè)計(jì)方案標(biāo)注設(shè)備安裝基本測(cè)量準(zhǔn)線方位，獲知琦銅礦副井井筒深度為1 000 m左右。由于客觀條件的局限性，放線操作難度較大，通過(guò)陀螺儀定向技術(shù)在設(shè)備進(jìn)筒安裝過(guò)程中獲得極好的效果。采用礦井陀螺儀定向設(shè)置裝置固定井底垂球位置，井底礦井鋼梁固定好，可以標(biāo)注預(yù)設(shè)鋼梁位置。

2? ? 慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用

通過(guò)承載固體運(yùn)動(dòng)過(guò)程建立固定常量標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試運(yùn)動(dòng)提的角速度與姿態(tài)角，根據(jù)物體加速的測(cè)量其線加速度數(shù)據(jù)，根據(jù)表座變換和積分運(yùn)算的統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出載體相對(duì)于基準(zhǔn)坐標(biāo)系的位置與瞬間加速度。工程師可以利用陀螺儀的特性確定一組參考坐標(biāo)系，根據(jù)陀螺儀與加速度計(jì)算出運(yùn)載器直線運(yùn)動(dòng)軌跡與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方位，獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)礦井井下運(yùn)載物體的自由導(dǎo)航運(yùn)行。

平臺(tái)式導(dǎo)航系統(tǒng)陀螺儀和加速度安裝器在機(jī)電導(dǎo)航平臺(tái)，根據(jù)載體加速度體現(xiàn)出的信息輸入導(dǎo)航運(yùn)算系統(tǒng)，推算出航行器的位置與陀螺儀的位置信息，陀螺儀在施矩信息的引導(dǎo)下穩(wěn)定控制平臺(tái)而確定航行器設(shè)備的方位信息與姿態(tài)，原理框架如圖1所示。

3? ? 陀螺儀慣性導(dǎo)航在礦井中的應(yīng)用

目前，在煤炭礦井施工過(guò)程中機(jī)器人采用導(dǎo)航定位系統(tǒng)，由于受到礦下各種不利因素的影響，傳統(tǒng)導(dǎo)航技術(shù)會(huì)受到很大限制，不能夠正常地參加煤炭開采工作。由于慣性導(dǎo)航技術(shù)能夠避開地下礦井的不利因素，其適用于地下開采與煤炭工人井下安全工作的定位。最近幾年出現(xiàn)煤炭移動(dòng)機(jī)器定位系統(tǒng)，包含數(shù)字羅經(jīng)與接連慣性測(cè)量傳感器定位系統(tǒng)。該陀螺定位系統(tǒng)可以迅速提供操作工人的速度，姿態(tài)與位置，避免外界因素的干擾。陀螺感應(yīng)定位系統(tǒng)設(shè)置防磁防金屬外殼設(shè)備，應(yīng)用激光測(cè)距儀。里程儀較為方便地提供地標(biāo)等參數(shù)，用于修正位置誤差，進(jìn)一步提高設(shè)備的定位準(zhǔn)確性。

4? ? 陀螺儀是礦井工人的“保護(hù)神”與“千里眼”

我國(guó)煤炭資源極其豐富，煤炭存儲(chǔ)量位居世界前列，礦井深度達(dá)到地下幾百米，甚至達(dá)到千米。如何安全地定位設(shè)備，保證井下工作人員的安全性是急需解決的問(wèn)題。陀螺傳感儀的出現(xiàn)，不僅解決了礦井井下定向問(wèn)題，也及時(shí)解決了煤炭開采定位預(yù)定方向的難題。隨著井下慣測(cè)系統(tǒng)的出現(xiàn)，應(yīng)用陀螺儀將觀察得更加準(zhǔn)確，看得更加深遠(yuǎn)。由于陀螺儀精準(zhǔn)度不受時(shí)空限制、測(cè)量時(shí)間短、使用方便，定向與定位精準(zhǔn)將大量用于礦山測(cè)量勘探工作。尤其是我國(guó)淺部礦產(chǎn)資源日益枯竭，礦山深井開采數(shù)量越來(lái)越多，陀螺儀定向的優(yōu)點(diǎn)更加顯著，陀螺儀使用在礦山井下將會(huì)更加普遍，由此帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益也會(huì)更加明顯。

[參考文獻(xiàn)]

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