CN102749065A - 基于惯性测量技术的罐笼轨道变形监测方法 - Google Patents

基于惯性测量技术的罐笼轨道变形监测方法 Download PDF

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Abstract

一种基于惯性测量技术的罐笼轨道变形监测方法，属于轨道变形监测方法。该监测方法在煤矿建设阶段，立井罐笼安装完成后，采用惯性测量系统立刻对煤矿矿井罐笼轨道进行测量，计算出罐笼轨道的空间位置数据，获得未变形的罐笼轨道参考值；矿井生产过程中，定期测量计算罐笼轨道的空间位置，并与罐笼轨道参考值进行比较，存在差异的地方即罐笼轨道变形点。利用惯性测量系统测量罐笼提升过程的加速度和角速度，在起始坐标、姿态已知的基础上，力学编排计算惯性测量系统运动轨迹，反映出罐笼轨道的空间位置。罐笼安装初测量的轨道空间位置作为参考值，定期观测罐笼轨道空间位置与参考值对比确定变形点。准确、分辨率高，且监测方法不受外界环境的影响。

Description

基于惯性测量技术的罐笼轨道变形监测方法
技术领域
本发明涉及一种轨道变形监测方法，尤其是一种基于惯性测量技术的罐笼轨道变形监测方法。
背景技术
由于常年不间歇的生产使用，矿山立井的罐笼存在越来越严重的磨损，加之地表和岩石变形，罐笼轨道可能出现较大的震动或者偏移，为矿山的安全生产埋下了一个隐患，需要采用一定的技术进行检测。
传统的罐笼轨道变形监测方法采用基于岩石力学的力学参数监测方法或基于变形监测理论的几何测量法，这些方法存在许多缺陷：首先，观测信息并不是直接反应出轨道的变形信息，需要通过经验公式进行信息的转化，所以误差较大，观测的精度低；其次，观测方法复杂，耗费的人力和物力较大，甚至在观测过程中，需要停止井下作业，影响井下生产；再次，部分方法是定期观测，不能完成实时的观测罐笼轨道变形情况。
运用惯性测量单元的惯性测量技术是从20世纪初发展起来的一种新的导航技术。基本原理是根据牛顿提出的相对惯性空间的力学定律，利用惯性测量仪中的加速度计测量载体的运动加速度，利用陀螺仪测量载体的旋转角速度，然后通过计算机对这些惯性测量值进行处理，得到载体的位置、速度和姿态。稍具体地讲，给定载体运动状态的初始条件，将加速度测量值对时间进行一次积分可获得载体的运动速度，对时间进行二次积分可获得其空间位置。同样，对旋转角速度测量值对时间进行积分，惯性导航系统可获得载体在空间三维中的姿态角。与其他类型的导航系统不同，惯性导航系统具有自主导航能力，不需要从运载体传送信号或者从外部接收信号，不受环境、载体机动及无线电干扰的影响，能连续地提供载体位置、速度和姿态等定位导航参数，其数据更新率快、量程较大，且具有短时间内较高的相对精度。近几年，随着惯性器件的低成本、低功耗的发展，惯性测量技术应用愈加广泛。
发明内容
本发明的目的提供一种方法能够简单、快速、有效地检测出罐笼轨道变形的基于惯性测量技术的罐笼轨道变形监测方法。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是，该监测方法在煤矿建设阶段，立井罐笼安装完成后，采用惯性测量系统立刻对煤矿矿井罐笼轨道进行测量，计算出罐笼轨道的空间位置数据，获得未变形的罐笼轨道参考值；矿井生产过程中，定期测量计算罐笼轨道的空间位置，并与罐笼轨道参考值进行比较，两者存在差异的地方即罐笼轨道变形点；
罐笼轨道变形监测方法的具体步骤如下：
a. 罐笼提升于地面处于静止状态，通过全站仪利用地面两个已知点测出罐笼内壁放置惯性测量系统的点位A的坐标；
b. 将惯性测量系统固定于A 点处，罐笼在地面静止10分钟，惯性测量系统采集角速度和加速度值自对准，确定系统的初始姿态；
c. 启动罐笼，罐笼下放，惯性测量系统采集三轴角速度和三轴加速度值；
d. 利用A点坐标和自对准得到的初始姿态及采集的角速度和加速度值，通过惯性测量力学编排计算罐笼下井过程的惯性测量系统运动轨迹。
所述的惯性测量力学编排计算，由加速度计提供载体坐标系中的比力测量值                                               
Figure 2012102070940100002DEST_PATH_IMAGE002
，陀螺仪提供载体坐标系中角速度的测量值
Figure 2012102070940100002DEST_PATH_IMAGE004
，当给定导航初始时刻载体的姿态估值后，根据相对于惯性坐标系的载体角速度的测量值
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
，姿态计算得到方向余弦矩阵
Figure 2012102070940100002DEST_PATH_IMAGE006
；通过比力测量值左乘方向余弦矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
，得到导航坐标系中比力值；利用得到的
Figure DEST_PATH_IMAGE011A
，在速度和位置初始估值的基础上，综合重力计算得到的当地重力矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE013
和哥氏校正信息经导航计算得到载体的位置和速度及新的哥氏改正，位置信息通过重力计算得到新的当地重力矢量
Figure 241757DEST_PATH_IMAGE013
，利用
Figure DEST_PATH_IMAGE006AA
可以提取载体的姿态、航向信息；得到的载体位置、速度、姿态、当地重力矢量和哥氏校正信息作为下一次计算的初始值，直至得到最终时刻载体位置、速度和姿态。
有益效果，由于采用了上述方案，煤矿建设阶段，煤矿矿井罐笼轨道及立井罐笼安装完成后，首先采用惯性测量系统立刻对煤矿矿井罐笼轨道进行测量，将测量出的数据进行计算，获得罐笼轨道的空间位置数据，该空间位置的数据作为未变形的标准参考值，当矿井投入生产后，定期对矿井的煤矿矿井罐笼轨道进行测量，再通过计算，得出罐笼轨道的空间位置，将每一次的定期测量获得的数据与煤矿矿井罐笼轨道参考值进行比较，两者存在差异的地方即为罐笼轨道变形点；惯性测量系统固定在罐笼内壁上，罐笼提升过程沿罐笼轨道运行，力学编排计算的惯性测量系统的运动轨迹所获得的运动轨迹数据能够准确的反映罐笼轨道在空间的位置。监测方法操作简单，罐笼正常工作的过程中就可以完成检测。
优点：惯性测量系统的数据采集频率高，监测的罐笼轨道变形点空间分辨率高，且不受外界条件的影响。
附图说明
图1是本发明方法流程图。
图2是本发明的惯性测量数据处理流程图。
具体实施方式
实施例1：该监测方法在煤矿建设阶段，立井罐笼安装完成后，采用惯性测量系统立刻对煤矿矿井罐笼轨道进行测量，计算出罐笼轨道的空间位置数据，获得未变形的罐笼轨道参考值；矿井生产过程中，定期测量计算罐笼轨道的空间位置，并与罐笼轨道参考值进行比较，两者存在差异的地方即罐笼轨道变形点；
罐笼轨道变形监测方法，具体步骤如下：
a. 罐笼提升于地面处于静止状态，通过全站仪利用地面两个已知点测出放置惯性测量系统的点位。罐笼内壁设计放置惯性测量系统的点位A，全站仪分别架设在不同的地面已知点上，准确测量A点坐标，取两次测量的平均值作为A点坐标。
b. 将惯性测量系统固定于A 点处，罐笼在地面静止10分钟，惯性测量系统采集角速度和加速度值进行系统自对准，确定测量系统的初始姿态，即载体坐标系和惯性坐标系的夹角。
c. 启动罐笼，罐笼下放，惯性测量系统的陀螺仪和加速度计采集三轴角速度和三轴加速度值，惯性测量系统的测量方式与深度无关，从而不受罐笼所处位置的影响。
d. 利用A点坐标和自对准得到的初始姿态及采集的角速度和加速度值，通过惯性测量力学编排计算罐笼下井过程的惯性测量系统运动轨迹。
惯性测量力学编排计算如图2所示，由加速度计提供载体坐标系中的比力测量值
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
，陀螺仪提供载体坐标系中角速度的测量值，当给定导航初始时刻载体的姿态估值后，根据相对于惯性坐标系的载体角速度的测量值，姿态计算得到方向余弦矩阵。通过比力测量值
Figure DEST_PATH_IMAGE008AA
左乘方向余弦矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE006AAAA
，得到导航坐标系中比力值。利用得到的，在速度和位置初始估值的基础上，综合重力计算得到的当地重力矢量
Figure 535728DEST_PATH_IMAGE013
和哥氏校正信息经导航计算得到载体的位置和速度及新的哥氏改正，位置信息通过重力计算得到新的当地重力矢量，利用
Figure DEST_PATH_IMAGE006AAAAA
可以提取载体的姿态、航向信息。得到的载体位置、速度、姿态、当地重力矢量和哥氏校正信息作为下一次计算的初始值，直至得到最终时刻载体位置、速度和姿态。
惯性测量系统固定在罐笼内壁上，罐笼提升过程沿罐笼轨道运行，所以力学编排计算的惯性测量系统的运动轨迹准确反映了罐笼轨道在空间的位置。
煤矿建设阶段，立井罐笼安装完成后惯性测量系统立刻测量计算罐笼轨道的空间位置，此时计算的空间位置为未变形值，作为参考值，矿井生产过程中，定期测量计算罐笼轨道的空间位置，并与参考值比较，两者存在差异的地方即罐笼轨道变形点。

Claims (2)

1.一种基于惯性测量技术的罐笼轨道变形监测方法，其特征在于：该监测方法在煤矿建设阶段，立井罐笼安装完成后，采用惯性测量系统立刻对煤矿矿井罐笼轨道进行测量，计算出罐笼轨道的空间位置数据，获得未变形的罐笼轨道参考值；矿井生产过程中，定期测量计算罐笼轨道的空间位置，并与罐笼轨道参考值进行比较，两者存在差异的地方即罐笼轨道变形点；
罐笼轨道变形监测方法的具体步骤如下：
a. 罐笼提升于地面处于静止状态，通过全站仪利用地面两个已知点测出罐笼内壁放置惯性测量系统的点位A的坐标；
b. 将惯性测量系统固定于A 点处，罐笼在地面静止10分钟，惯性测量系统采集角速度和加速度值自对准，确定系统的初始姿态；
c. 启动罐笼，罐笼下放，惯性测量系统采集三轴角速度和三轴加速度值；
d. 利用A点坐标和自对准得到的初始姿态及采集的角速度和加速度值，通过惯性测量力学编排计算罐笼下井过程的惯性测量系统运动轨迹。
2.根据权利要求1所述的一种基于惯性测量技术的罐笼轨道变形监测方法，其特征在于：所述的惯性测量力学编排计算，由加速度计提供载体坐标系中的比力测量值                                               ，陀螺仪提供载体坐标系中角速度的测量值
Figure 2012102070940100001DEST_PATH_IMAGE004
，当给定导航初始时刻载体的姿态估值后，根据相对于惯性坐标系的载体角速度的测量值
Figure 721661DEST_PATH_IMAGE004
，姿态计算得到方向余弦矩阵
Figure 2012102070940100001DEST_PATH_IMAGE006
；通过比力测量值左乘方向余弦矩阵
Figure 722984DEST_PATH_IMAGE006
，得到导航坐标系中比力值
Figure 2012102070940100001DEST_PATH_IMAGE008
；利用得到的
Figure 483129DEST_PATH_IMAGE008
，在速度和位置初始估值的基础上，综合重力计算得到的当地重力矢量和哥氏校正信息经导航计算得到载体的位置和速度及新的哥氏改正，位置信息通过重力计算得到新的当地重力矢量
Figure 750163DEST_PATH_IMAGE010
，利用可以提取载体的姿态、航向信息；得到的载体位置、速度、姿态、当地重力矢量和哥氏校正信息作为下一次计算的初始值，直至得到最终时刻载体位置、速度和姿态。
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