CN102536196A - 基于激光测距和加速度测量的井下姿态测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光测距和加速度测量的井下姿态测量系统及方法，该系统包括：基准参考板、反光材料块组、基准参考板支架、激光测距传感器组、加速度传感器单元和测量控制器；测量安装在待测物体上的激光测距传感器到安装在基准参考板上的反光材料块之间的距离，依据测量距离计算出待测物体相对于基准参考板的偏向角和俯仰角，利用安装在待测物体上的加速度传感器测得待测物体在欧氏空间三个轴向的加速度矢量，并计算出待测物体的滚转角，由此获得待测物体的方位姿态。本发明可以协助使用者在矿井等恶劣环境下快速地获取待测物体的姿态方位信息，为进一步的工程操作提供准确可靠的依据。本发明操作简单，安全可靠，成本低廉。

Description

基于激光测距和加速度测量的井下姿态测量系统及方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种基于激光测距和加速度测量对井下姿态进行测量的系统及方法。

背景技术

井下测量是矿井生产建设过程中的重要工作，它是矿山安全生产的眼睛，在整个矿业生产建设过程中，做好测量基础工作具有重要的意义，它是矿上安全建设的重要保证。因而发展先进的井下测量方法，开发实用有效的测量工具与系统对于国民经济建设具有重要的价值，同时也有利于社会稳定，促进和谐社会建设。

姿态测量作为井下测量的一个重要环节，对于保证矿山安全生产的进行尤其具有重要意义，因为在开采掘进之前，必须利用钻机进行钻探操作，以便将瓦斯和水排出。而钻机的姿态方位和工作状态对于生产效率和安全监控具有直接的影响。对井下的钻探工具进行有效、方便的姿态方位测量系统已成为矿山生产企业的迫切需求。

由于井下环境的特殊性，传统的姿态方位测量方法都存在一些问题。如电磁测量方法，由于井下地磁干扰极为突出，使得偏向角的测量几乎无法进行。基于信标的方法，则由于井下巷道的尺寸局限，使得信标的安装受到限制。基于惯性导航的测量方法，则同样受到成本和尺寸局限的约束。

考虑到在地质勘探过程中，地质参考基准方向往往已预先给出，因而采用人工设定基准参考平面，将测量角度的问题转化为测量相对于基准参考平面上特殊点的距离问题，利用激光测距传感器结合加速度传感器实现对偏向角、俯仰角、滚装角的测量是一种简单可行的井下姿态姿态测量方法。

发明内容

为了解决上述问题，协助使用者在矿井等恶劣环境下快速地获取待测物体的姿态方位信息，从而为进一步的工程操作提供准确可靠的依据，本发明提出一种基于激光测距和加速度测量的井下姿态测量系统及方法。

本发明所述的一种基于激光测距和加速度测量的井下姿态测量系统及方法，实现在井下等恶劣环境下，对待测物体的偏向角、俯仰角和滚转角进行量测，其原理是通过布置基准参考板实现对地质基准参考面的人工确定，在基准参考板上布置三个反光材料块，三个反光材料块构成直角坐标系的坐标轴，通过测量安装在待测物体两端的激光测距传感器到反光材料块之间的距离，可以解算出待测物体相对于基准参考面坐标系的偏向角和俯仰角，同时由安装在待测物体上的加速度传感器可获取待测物体在欧氏空间三个轴向的加速度矢量，利用三个轴向的加速度矢量可计算出待测物体的滚转角。

本发明所述的一种基于激光测距和加速度测量的井下姿态测量系统，其特征在于，该系统包括：基准参考板1、反光材料块组2、基准参考板支架3、激光测距传感器组4、加速度传感器单元5、测量控制器6，其中，

基准参考板1固定于基准参考板支架3上并与基准参考板支架3通过多轴方式连接，依据地质基准参考平面与测试环境平面的关系调整基准参考板支架3与基准参考板1之间的逆时针转角和后向仰角；

基准参考板1上固定有两条相互垂直且带有刻度的滑动导轨；

反光材料块组2由三个反光材料块组成，三个反光材料块按照几何垂直关系对齐安装在基准参考板1上的两条滑动导轨上，由滑动导轨上的刻度获得位于垂直点处的反光材料块分别与其他两个反光材料块之间的距离，作为初始参考距离输出给测量控制器6；

激光测距传感器组4由两个激光测距传感器701和702组成，用于参照两个激光测距传感器之间的距离调节基准参考板1上的滑动导轨，使安装在基准参考板1上的反光材料块组2位于激光测距传感器组4的测量范围内，获取两个激光测距传感器到基准参考板1上三个反光材料块之间的六个测量距离，并将六个测量距离输出给测量控制器6；

加速度传感器单元5安装在待测物体表面几何位置中心处，用于获取待测物体关于欧氏空间三个轴向的加速度矢量测量值；

测量控制器6通过防爆电缆与激光测距传感器组4和加速度传感器单元5相连，用于根据初始参考距离、激光测距传感器组4的测量值计算待测物体的偏向角、俯仰角，根据加速度传感器单元5的测量值计算待测物体的滚转角，并显示待测物体的方位角度。

另一方面，本发明还提出一种基于激光测距和加速度传感器的井下姿态测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：在待测物体上安装激光测距传感器组4和加速度传感器单元5，启动测量控制器6，其中，激光测距传感器组4由两个激光测距传感器701和702组成；

步骤2：依据地质基准参考平面与测试环境平面的关系调整基准参考板支架3与基准参考板1之间的逆时针转角和后向仰角；

步骤3：参照两个激光测距传感器之间的距离调节基准参考板1上的滑动导轨，使安装在基准参考板1上的反光材料块组2位于激光测距传感器组4的测量范围内，测量控制器6进入输入状态，其中，反光材料块组2由三个反光材料块组成；

步骤4：由滑动导轨上的刻度获得位于垂直点处的反光材料块分别与其他两个反光材料块之间的距离d₁和d₂，作为初始参考距离；

步骤5：在测量控制器6输入初始参考距离d₁和d₂，测量控制器6进入测量状态；

步骤6：测量控制器6驱动激光测距传感器组4，获取两个激光测距传感器到三个反光材料块之间的六个距离；

步骤7：测量控制器6由测量所得的距离和初始参考距离解算出待测物体相对于基准参考板1的偏向角和俯仰角，若可求解出角度，转向步骤8，若角度无法求解，则返回步骤3，重新调节基准参考板1上的滑动导轨；

步骤8：测量控制器6驱动加速度传感器单元5，获取待测物体关于欧氏空间三个轴向的加速度矢量测量值；

步骤9：测量控制器6由三轴加速度矢量测量值计算出待测物体的滚转角，将俯仰角、偏向角、滚转角的计算结果显示到LED屏上；

步骤10：测量完毕，关闭所有设备。

本发明的有益效果是：

1)使用本发明所述的基于激光测距和加速度传感器的井下姿态测量方法，可以将井下巷道等恶劣环境下的姿态方位测量问题转化为测距和加速度测量问题，测量方法实用有效。

2)本发明所使用基准参考板上部署三个具有几何垂直关系的反光材料块来模拟基准参考平面的特殊点，这种部署方式使得计算角度的过程无需采用迭代方法，不会带来累积误差，提高了计算精度和测量系统的适应性。

3)本发明具有操作简单，安全可靠，成本低廉等特点。

附图说明

图1是本发明提供的基于激光测距和加速度传感器的井下姿态测量系统示意图。

图2为本发明提供的基于激光测距和加速度传感器的井下姿态测量系统中基准参考板正视图。

图3为本发明提供的基于激光测距和加速度传感器的井下姿态测量系统中基准参考板支架转轴示意图。

图4为本发明提供的基于激光测距和加速度传感器的井下姿态测量方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1为本发明提供的基于激光测距和加速度传感器的井下姿态测量系统示意图，如图1所示，本发明提供的基于激光测距和加速度传感器的井下姿态测量系统包括：基准参考板1、反光材料块组2、基准参考板支架3、激光测距传感器组4、加速度传感器单元5、测量控制器6，其中：

基准参考板1固定于基准参考板支架3上并与基准参考板支架3通过多轴方式连接，按照测量环境调整基准参考板1与基准参考板支架3之间的角度，具体地，依据地质基准参考平面与测试环境平面的关系调整基准参考板支架3与基准参考板1之间的逆时针转角和后向仰角；基准参考板1两侧边线中心开孔以便与基准参考板支架3固定；通过多轴方式连接是指，基准参考板支架3具有多条转轴与基准参考板1连接，以部署反光材料块的一侧作为基准参考板1的正面，基准参考板支架3通过转轴可将基准参考板1逆时针最大旋转90度，以基准参考板1向激光测距传感器方向为前向，基准参考板支架3通过转轴可将基准参考板1向后最大旋转90度；

基准参考板1上固定有两条相互垂直且带有刻度的滑动导轨；

反光材料块组2由三个同种材质、同样厚度、同样尺寸的反光材料块组成，三个反光材料块按照几何垂直关系安装在基准参考板1上的两条滑动导轨上，三个反光材料块对齐，如图2所示，三个反光材料块在基准参考板1上呈直角坐标系布置，三个反光材料块构成直角三角形，反光材料块201位于直角处，两条带有刻度的滑动导轨分别由反光材料块201位置处沿直角边布置，反光材料块202和反光材料块203分别安装在两条滑动导轨的滑块上；在实际测量中，由于待测物体的几何尺寸未知，为保证测量精度，需将三个反光材料块所构成的反光材料块组的几何位置部署于激光测距传感器组的测量覆盖范围内，采用滑动导轨调节非直角顶点处的反光材料块的位置，由滑动导轨上的刻度获得位于垂直点处的反光材料块分别与其他两个反光材料块之间的距离，即反光材料块201与203之间的距离d₁，以及反光材料块201与202之间的距离d₂，作为初始参考距离输出给测量控制器6；

激光测距传感器组4由两个激光测距传感器组成，两个激光测距传感器分别安装在待测物体的两端，用于参照两个激光测距传感器之间的距离调节基准参考板1上的滑动导轨，使安装在基准参考板1上的反光材料块组2位于激光测距传感器组4的测量范围内，获取两个激光测距传感器到基准参考板1上三个反光材料块之间的六个测量距离，并将六个测量距离输出给测量控制器6，同时激光测距传感器激光发射方向朝向基准参考板1安装有反光材料块组2的一侧，为保证测量精度，两个激光测距传感器对齐，即两个激光测距传感器几何位置中心点所构成的直线与待测物体的边缘线平行；

加速度传感器单元5安装在待测物体表面几何位置中心处，用于获取待测物体关于欧氏空间三个轴向的加速度矢量测量值；

测量控制器6通过防爆电缆与激光测距传感器组4和加速度传感器单元5相连，用于根据初始参考距离、激光测距传感器组4的测量值计算待测物体的偏向角、俯仰角，根据加速度传感器单元5的测量值计算待测物体的滚转角，并显示待测物体的方位角度；所述测量控制器，是指具备控制和浮点运算能力的计算设备，且具有键盘可以输入初始参考距离，并具有LED显示屏输出待测物体的方位角度。

方位测量时，首先按照测量环境调整基准参考板1与基准参考板支架3之间的角度，利用基准参考板1上的滑动导轨调整反光材料块之间的距离，获取初始参考距离，激光测距传感器组4获取两个激光测距传感器到基准参考板1上三个反光材料块之间的测量距离，测量控制器6利用上述初始参考距离和测量距离计算出待测物体相对于基准参考板1的偏向角和俯仰角，同时利用加速度传感器单元获取待测物体关于欧氏空间三个轴向的加速度矢量测量值，测量控制器6利用上述三轴加速度矢量测量值计算出待测物体的滚转角。

在本发明的一个实施例中，基准参考板支架3选用可调整高度的合金材料的三脚架结构。基准参考板1采用聚氯乙烯塑料材质，基准参考板1的正视图如图2所示，其尺寸为60×60cm，两侧边线中心开孔以便与基准参考板支架3固定，基准参考板上部署有三个反光材料块，每个反光材料块的尺寸为2cm×2cm，实际材料为红色，图2中用黑色表示，其中反光材料块201的中心位于基准参考板左10cm，下10cm处，由反光材料块201的中心处垂直向上布置有滑动导轨204，由反光材料块201的中心处垂直向右布置有滑动导轨205，反光材料块202安装在滑动导轨204的滑块上，反光材料块203安装在滑动导轨205的滑块上，反光材料块201的中心与反光材料块202的中心成垂直关系，反光材料块201的中心与反光材料块203的中心成水平关系，同时为保证反光材料块201、202、203的中心所构成的平面与基准参考板1平面平行，需在反光材料块与基准参考板1之间加入填充材料。

基准参考板支架3的转轴结构如图3所示，通过连接部位的301轴轴向旋转可将基准参考板1逆时针旋转90°，或通过连接部位的302轴和303轴轴向旋转可将基准参考板后倾90°。

图4为本发明提供的使用上述井下姿态测量系统的基于激光测距和加速度传感器的井下姿态测量方法流程图。如图4所示，作为本发明的一个实施例，该方法包括以下步骤：

步骤401：在待测物体上安装激光测距传感器组4和加速度传感器单元5，启动测量控制器6，其中，激光测距传感器组4由两个激光测距传感器701和702组成；

步骤402：依据地质基准参考平面与测试环境平面的关系调整基准参考板支架3与基准参考板1之间的逆时针转角和后向仰角；

步骤403：参照两个激光测距传感器之间的距离调节基准参考板1上的滑动导轨，使安装在基准参考板1上的反光材料块组2位于激光测距传感器组4的测量范围内，测量控制器6进入输入状态，其中，反光材料块组2由三个反光材料块组成；

步骤404：由滑动导轨上的刻度获得位于垂直点处的反光材料块分别与其他两个反光材料块之间的距离d₁和d₂，即反光材料块201与203之间的距离d₁，以及反光材料块201与202之间的距离d₂，作为初始参考距离；

步骤405：在测量控制器6输入初始参考距离d₁和d₂，测量控制器6进入测量状态；

步骤406：测量控制器6驱动激光测距传感器组4，获取两个激光测距传感器到三个反光材料块之间的六个距离；

步骤407：测量控制器6由测量所得的距离和初始参考距离解算出待测物体相对于基准参考板1的偏向角和俯仰角；

具体的计算过程如下：

首先，求得激光测距传感器701和702相对于基准参考板1的坐标：取反光材料块201的坐标为(0，0，0)，反光材料块202的坐标为(0，d₂，0)，反光材料块203的坐标为(d₁，0，0)，根据步骤406测量得到的激光测距传感器701分别到反光材料块201，202，203的距离R₁，R₂和R₃，求解如下非线性方程组，得到激光测距传感器701的坐标(x₁，y₁，z₁)：

$x_1^2+y_1^2+z_1^2=R_1^2$

$x_1^2+{(y_1-d_2)}^2+z_1^2=R_2^2$

${(x_1-d_1)}^2+y_1^2+z_1^2=R_3^2,$

$\mathrm{\α}=\arccos \left(\frac{|z_1-z_2|}{\sqrt{{(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2+{(z_1-z_2)}^2}}\right),$

然后，利用同样方法，根据激光测距传感器702分别到反光材料块201，202，203的距离R₄，R₅和R₆，求得激光测距传感器702相对于基准参考板1的坐标(x₂，y₂，z₂)；

那么，待测物体相对于基准参考板1的偏向角α为：

待测物体相对于基准参考板1的偏向角β为：

$\mathrm{\β}=\arccos \left(\frac{|x_1-x_2|}{\sqrt{{(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2+{(z_1-z_2)}^2}}\right).$

若可求解出角度，转向步骤408，若由于误差，反光材料块组2并未位于激光测距传感器组4的测量范围内，从而导致角度无法求解，则返回步骤403，重新调节基准参考板1上的滑动导轨；

步骤408：测量控制器6驱动加速度传感器单元5，获取待测物体关于欧氏空间三个轴向的加速度矢量测量值；

步骤409：测量控制器6由三轴加速度矢量测量值计算出待测物体的滚转角，将俯仰角、偏向角、滚转角的计算结果显示到测量控制器6的LED屏上；其中，所述滚转角γ的计算公式如下：

$\mathrm{\γ}=\arctan 2\left(\frac{a_x}{\sqrt{a_y^2+a_z^2}}\right),$

其中，a_x，a_y和a_z分别为待测物体关于欧氏空间三个轴向的加速度矢量测量值。

步骤410：测量完毕，关闭所有设备。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种基于激光测距和加速度测量的井下姿态测量系统，其特征在于，该系统包括：基准参考板(1)、反光材料块组(2)、基准参考板支架(3)、激光测距传感器组(4)、加速度传感器单元(5)、测量控制器(6)，其中，

基准参考板(1)固定于基准参考板支架(3)上并与基准参考板支架(3)通过多轴方式连接，依据地质基准参考平面与测试环境平面的关系调整基准参考板支架(3)与基准参考板(1)之间的逆时针转角和后向仰角；

基准参考板(1)上固定有两条相互垂直且带有刻度的滑动导轨；

反光材料块组(2)由三个反光材料块组成，三个反光材料块按照几何垂直关系对齐安装在基准参考板(1)上的两条滑动导轨上，由滑动导轨上的刻度获得位于垂直点处的反光材料块分别与其他两个反光材料块之间的距离，作为初始参考距离输出给测量控制器(6)；

激光测距传感器组(4)由两个激光测距传感器(701)和(702)组成，用于参照两个激光测距传感器之间的距离调节基准参考板(1)上的滑动导轨，使安装在基准参考板(1)上的反光材料块组(2)位于激光测距传感器组(4)的测量范围内，获取两个激光测距传感器到基准参考板(1)上三个反光材料块之间的六个测量距离，并将六个测量距离输出给测量控制器(6)；

加速度传感器单元(5)安装在待测物体表面几何位置中心处，用于获取待测物体关于欧氏空间三个轴向的加速度矢量测量值；

测量控制器(6)通过防爆电缆与激光测距传感器组(4)和加速度传感器单元(5)相连，用于根据初始参考距离、激光测距传感器组(4)的测量值计算待测物体的偏向角、俯仰角，根据加速度传感器单元(5)的测量值计算待测物体的滚转角，并显示待测物体的方位角度。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，基准参考板(1)两侧边线中心开孔以便与基准参考板支架(3)固定。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述通过多轴方式连接是指，基准参考板支架(3)具有多条转轴与基准参考板(1)连接，以部署反光材料块的一侧作为基准参考板(1)的正面，基准参考板支架(3)通过转轴可将基准参考板(1)逆时针最大旋转90度，以基准参考板(1)向激光测距传感器方向为前向，基准参考板支架(3)通过转轴可将基准参考板(1)向后最大旋转90度。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述三个反光材料块为同种材质、同样厚度、同样尺寸。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述三个反光材料块在基准参考板(1)上呈直角坐标系布置，三个反光材料块构成直角三角形，反光材料块(201)位于直角处，两条带有刻度的滑动导轨分别由反光材料块(201)位置处沿直角边布置，反光材料块(202)和反光材料块(203)分别安装在两条滑动导轨的滑块上。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述两个激光测距传感器分别安装在待测物体的两端。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光测距传感器激光发射方向朝向基准参考板(1)安装有反光材料块组(2)的一侧。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，为保证测量精度，所述两个激光测距传感器对齐，即两个激光测距传感器几何位置中心点所构成的直线与待测物体的边缘线平行。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测量控制器为具备控制和浮点运算能力的计算设备，且具有键盘可以输入初始参考距离，并具有LED显示屏输出待测物体的方位角度。

10.一种基于激光测距和加速度测量的井下姿态测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：在待测物体上安装激光测距传感器组(4)和加速度传感器单元(5)，启动测量控制器(6)，其中，激光测距传感器组(4)由两个激光测距传感器(701)和(702)组成；

步骤2：依据地质基准参考平面与测试环境平面的关系调整基准参考板支架(3)与基准参考板(1)之间的逆时针转角和后向仰角；

步骤3：参照两个激光测距传感器之间的距离调节基准参考板(1)上的滑动导轨，使安装在基准参考板(1)上的反光材料块组(2)位于激光测距传感器组(4)的测量范围内，测量控制器(6)进入输入状态，其中，反光材料块组(2)由三个反光材料块组成；

步骤4：由滑动导轨上的刻度获得位于垂直点处的反光材料块分别与其他两个反光材料块之间的距离d₁和d₂，作为初始参考距离；

步骤5：在测量控制器(6)输入初始参考距离d₁和d₂，测量控制器(6)进入测量状态；

步骤6：测量控制器(6)驱动激光测距传感器组(4)，获取两个激光测距传感器到三个反光材料块之间的六个距离；

步骤7：测量控制器(6)由测量所得的距离和初始参考距离解算出待测物体相对于基准参考板(1)的偏向角和俯仰角，若可求解出角度，转向步骤8，若角度无法求解，则返回步骤3，重新调节基准参考板(1)上的滑动导轨；

步骤8：测量控制器(6)驱动加速度传感器单元(5)，获取待测物体关于欧氏空间三个轴向的加速度矢量测量值；

步骤9：测量控制器(6)由三轴加速度矢量测量值计算出待测物体的滚转角，并将俯仰角、偏向角、滚转角的计算结果显示到测量控制器(6)的LED屏上；

步骤10：测量完毕，关闭所有设备。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述偏向角和俯仰角的计算进一步包括以下步骤：

首先，求得激光测距传感器(701)和(702)相对于基准参考板(1)的坐标：

取反光材料块(201)的坐标为(0，0，0)，反光材料块(202)的坐标为(0，d₂，0)，反光材料块(203)的坐标为(d₁，0，0)，根据步骤6测量得到的激光测距传感器(701)分别到反光材料块(201)，(202)，(203)的距离R₁，R₂和R₃，求解如下非线性方程组，得到激光测距传感器(701)相对于基准参考板(1)的坐标(x₁，y₁，z₁)：

$x_1^2+y_1^2+z_1^2=R_1^2$

$x_1^2+{(y_1-d_2)}^2+z_1^2=R_2^2$

${(x_1-d_1)}^2+y_1^2+z_1^2=R_3^2,$

然后，利用同样方法，根据激光测距传感器(702)分别到反光材料块(201)，(202)，(203)的距离R₄，R₅和R₆，求得激光测距传感器(702)相对于基准参考板(1)的坐标(x₂，y₂，z₂)；

那么，待测物体相对于基准参考板(1)的偏向角α为：

$\mathrm{\α}=\arccos \left(\frac{|z_1-z_2|}{\sqrt{{(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2+{(z_1-z_2)}^2}}\right),$

待测物体相对于基准参考板(1)的偏向角β为：

$\mathrm{\β}=\arccos \left(\frac{|x_1-x_2|}{\sqrt{{(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2+{(z_1-z_2)}^2}}\right).$

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述滚转角按照下式来计算：

$\mathrm{\γ}=\arctan 2\left(\frac{a_x}{\sqrt{a_y^2+a_z^2}}\right),$

其中，a_x，a_y和a_z分别为待测物体关于欧氏空间三个轴向的加速度矢量测量值。

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