CN103291216A

CN103291216A - 深孔钻车水平钻定向系统

Info

Publication number: CN103291216A
Application number: CN2012100524347A
Authority: CN
Inventors: 余意; 尚留记; 李逊
Original assignee: JIANGYIN ZHONGKE MINING SAFETY TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: JIANGYIN ZHONGKE MINING SAFETY TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-03-02
Filing date: 2012-03-02
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2032-03-02
Also published as: CN103291216B

Abstract

本发明涉及一种深孔钻车水平钻定向系统，包括惯性单元、旋转编码器、485总线通讯卡、ARM控制器和显示器，惯性单元和旋转编码器获取水平钻的空间位姿信息，然后将数据传送至ARM控制器；ARM控制器根据收到的信息，进行同步处理，之后分别解算水平钻的空间位姿及空间偏航角；分别进行两层卡尔曼滤波数据融合算法，得到水平钻真实可靠的空间位姿数据，并储存至扩展存储器；根据深孔钻车控制台的指令，被动式或主动式进行水平钻位子数据传递，并实时显示在显示器中。本发明深孔钻车水平钻定向系统，实时定位准确、数据可靠、具备良好可实施性并且成本较低。

Description

深孔钻车水平钻定向系统

技术领域

本发明涉及一种深孔钻车水平钻定向系统。

背景技术

深孔钻车水平钻定向系统广泛应用于煤矿深孔钻车。由于煤矿井下特殊环境，卫星定位、无线电导航均无法在井下深孔钻车上使用，目前最常用的深孔钻车水平钻定向系统是使用自助定位系统，惯性单元就是常用于自助定位系统的一种常见装姿，惯性单元的优点是独立于外部信息，但是矿下复杂的磁场环境及惯性单元的漂移误差、校准困难会导致自助定位系统的不可靠甚至不可用；另一类水平钻定向系统是全站仪，这也是一种常见的隧道施工监测仪器，但在煤矿下校准困难，且成本较高；还有一种水平钻定向系统是激光定向系统，该系统比较可靠，但是实施难度较大，且不方便进行水平钻的绝对空间位姿定位。

发明内容

本发明在于克服上述不足，提供一种实时定位准确、数据可靠、具备良好可实施性并且成本较低的深孔钻车水平钻定向系统。

本发明的目的是这样实现的：

一种深孔钻车水平钻定向系统，包括惯性单元、旋转编码器、485总线通讯卡、ARM控制器和显示器，所述惯性单元、旋转编码器、485总线通讯卡、ARM控制器都含有相同定义的系统总线接口，通过32芯插针相互叠插在一起，所述485总线通讯卡含有485总线通信接口，所述惯性单元包括UART串行总线接口和六个传感器，所述六个传感器分为三个正交安装的加速度计及三个正交安装的陀螺仪；旋转编码器含有差分信号输入接口，ARM控制器含有开关量信号输入接口、差分信号输入接口、UART串行总线接口和显示器驱动接口；显示器安装于深孔钻车主控制台一侧， ARM控制器姿于深孔钻车的履带斜上方，通过机械方式进行固定安装；旋转编码器安装于深孔钻车水平钻旋转支座处；惯性单元安装于无磁壳体内部、水平钻上方随动机构上，通过机械连接安装于水平钻联动的机械部件上。

本发明深孔钻车水平钻定向系统，深孔钻车主控制台的数据信号输入接口和ARM控制器相连，显示器与ARM控制器的显示器驱动接口相连，惯性单元信号输出和ARM控制器的UART串行总线接口相连，旋转编码器信号输出和ARM控制器的差分信号输入接口相连。

本发明深孔钻车水平钻定向系统，所述惯性单元、旋转编码器、ARM控制器均含有备用锂电池。

本发明深孔钻车水平钻定向系统，陀螺仪和加速度计的数据信息解算之后，进行卡尔曼滤波数据融合算法，将得到的相对偏航角和卡尔曼滤波得到的水平钻空间位姿进行第二次卡尔曼滤波数据融合算法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明深孔钻车水平钻定向系统利用基于ARM处理器的嵌入式系统技术研制的水平钻定向系统，易实施、便于移植，且能够同时处理多个传感器数据；利用485总线通讯技术实现了定向系统和深孔钻车控制台的实时数据通讯，提高了整个定向系统的实时性和可扩展性；使用备用锂电池为ARM控制器、惯性单元、旋转编码器提供备用电源，保证在系统断电情况下记录水平钻的实时空间位姿；使用旋转编码器弥补了惯性单元对环境磁场的敏感性；使用双层卡尔曼滤波数据融合算法保证了定向系统的数据可靠性和精确性。

附图说明

图1为本发明深孔钻车水平钻定向系统安装结构示意图。

图2为本发明深孔钻车水平钻定向系统的结构框图。

图3为本发明深孔钻车水平钻定向系统的数据采集软件程序流程图。

具体实施方式

如图1所示，图1为深孔钻车水平钻定向系统的安装结构示意图，包括惯性单元、旋转编码器、485总线通讯卡、ARM控制器和显示器，所述惯性单元、旋转编码器、485总线通讯卡、ARM控制器都含有相同定义的系统总线接口，通过32芯插针相互叠插在一起，所述485总线通讯卡含有485总线通信接口，所述惯性单元包括UART串行总线接口和六个传感器，所述六个传感器分为三个正交安装的加速度计及三个正交安装的陀螺仪；旋转编码器含有差分信号输入接口，ARM控制器含有开关量信号输入接口、差分信号输入接口、UART串行总线接口和显示器驱动接口；

显示器安装于深孔钻车主控制台一侧，便于实施监测水平钻空间位姿；ARM控制器姿于深孔钻车的履带斜上方，通过机械方式进行固定安装；旋转编码器安装于深孔钻车水平钻旋转支座处，通过电动机的执行机构实时测量水平钻的旋转角度；惯性单元安装于无磁壳体内部、水平钻上方随动机构上，通过机械连接安装于水平钻联动的机械部件上；深孔钻车主控制台的数据信号输入接口和ARM控制器相连，显示器与ARM控制器的显示器驱动接口相连，惯性单元信号输出和ARM控制器的UART串行总线接口相连，旋转编码器信号输出和ARM控制器的差分信号输入接口相连，其他扩展故障复位端口和ARM控制器的开关量输入接口相连；

如图2所示，图2为深孔钻车水平钻定向系统的结构框图，主要由ARM控制电路和传感器单元两部分组成，ARM控制电路是所述深孔钻车水平钻定向系统的算法处理部分，主要实现反馈信号的处理、信号同步、卡尔曼滤波数据融合算法和控制信号的发生等，是系统工作时的核心部分。ARM控制电路主要由ARM控制器、扩展存储单元和显示器三部分构成，其中ARM控制器、扩展存储单元和显示器均由一块硬件板卡实现，在每块硬件板卡上均有自定义结构的数据总线接口，通过23芯插针相互叠插在一起构成一个整体；传感器单元也包括两个子模块：惯性单元和旋转编码器，惯性单元包括六个传感器，六个传感器为三个正交安装的加速度计和三个正交安装的陀螺仪，六个传感器采集到的数据信息，首先经过一块硬件板卡将数据信息预处理、打包后送至ARM控制器，六个传感器的信号和ARM控制器的UART串行总线接口相连。旋转编码器用于测量水平钻相对于车体的相对旋转角，测量精度较高，其信号线直接和ARM控制器的SPI总线接口相连。在ARM控制器和传感器单元部分，均含有备用锂电池，以保证在系统断电的情况下系统仍然能够正常工作，实时记录水平钻的空间姿态信息以避免其发生异常情况。深孔钻车水平钻定向系统还通过485总线通讯卡和负责整体控制的深孔钻车主控制台相连。工作方式可以分成主动式或被动式，主动式是由深孔钻车主控制台直接发送数据查询命令，被动式是深孔钻车水平钻定向系统定时向主控制台发送数据信息，并在显示器上实时更新。此外，每块ARM控制器上具有一个由4位BCD码开关构成的通讯速率选择开关，可以用来设定和深孔钻车主控制台通讯的速率。深孔钻车水平钻定向系统可以分成图1中四个模块分别安装在挖掘机上。

图3为深孔钻车水平钻定向系统的数据采集软件程序流程图，图中，加速度计、陀螺仪及旋转编码器的数据信息采集至ARM控制器后，首先进行数据信息同步，之后分别单独进行水平钻的位姿解算。陀螺仪和加速度计的数据信息解算之后，进行卡尔曼滤波数据融合算法，对水平钻的空间位姿信息进行校正。由于旋转编码器测量数据较为精确，但仅仅表征水平钻和钻车之间的相对偏航角变化，不能得到水平钻的绝对空间位姿。为此，将得到的相对偏航角和卡尔曼滤波得到的水平钻空间位姿进行第二次卡尔曼滤波数据融合算法，得到更加准确的水平钻偏航角。最后将水平钻偏航角存入扩展存储器Flash中，同时以被动形式或主动形式传送至深孔钻车主控制台。

深孔钻车水平钻定向系统的工作原理如下：

深孔钻车主控制台发送水平钻姿态主动查询命令或者定时查询命令，并通过485总线发送给ARM控制器；ARM控制器按照图3所示算法得出水平钻的实时空间姿态，然后将数据通过485总线发送至深孔钻车主控制台，同时将姿态信息在显示器中进行更新，以便深孔钻车操作人员可以随时看到水平钻空间位姿动态数据；深孔钻车主控制台根据收到的信息，可以下达多种反馈指令，包括姿零、关闭、发送定时时间和查询过往数据；这些数据都会帮助深孔钻车控制台进行相应的操作，避免事故发生。

Claims

1.一种深孔钻车水平钻定向系统，其特征是：包括惯性单元、旋转编码器、485总线通讯卡、ARM控制器和显示器，所述惯性单元、旋转编码器、485总线通讯卡、ARM控制器都含有相同定义的系统总线接口，通过32芯插针相互叠插在一起，所述485总线通讯卡含有485总线通信接口，所述惯性单元包括UART串行总线接口和六个传感器，所述六个传感器分为三个正交安装的加速度计及三个正交安装的陀螺仪；旋转编码器含有差分信号输入接口，ARM控制器含有开关量信号输入接口、差分信号输入接口、UART串行总线接口和显示器驱动接口；显示器安装于深孔钻车主控制台一侧， ARM控制器姿于深孔钻车的履带斜上方，通过机械方式进行固定安装；旋转编码器安装于深孔钻车水平钻旋转支座处；惯性单元安装于无磁壳体内部、水平钻上方随动机构上，通过机械连接安装于水平钻联动的机械部件上。

2.根据权利要求1所述的一种深孔钻车水平钻定向系统，其特征是：深孔钻车主控制台的数据信号输入接口和ARM控制器相连，显示器与ARM控制器的显示器驱动接口相连，惯性单元信号输出和ARM控制器的UART串行总线接口相连，旋转编码器信号输出和ARM控制器的差分信号输入接口相连。

3.根据权利要求1或2所述的一种深孔钻车水平钻定向系统，其特征是：所述惯性单元、旋转编码器、ARM控制器均含有备用锂电池。

4.根据权利要求1或2所述的一种深孔钻车水平钻定向系统，其特征是：陀螺仪和加速度计的数据信息解算之后，进行卡尔曼滤波数据融合算法，将得到的相对偏航角和卡尔曼滤波得到的水平钻空间位姿进行第二次卡尔曼滤波数据融合算法。