CN105318875A - 一种背包式井下煤炭开采量智能测量装置及其量测方法 - Google Patents
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Abstract
一种背包式井下煤炭开采量智能测量装置及其量测方法,属于井下测量装置及其量测方法。该量测装置包括惯性传感器(IMU)模块、时钟模块、液晶显示模块、控制按键面板、数据存储模块、RS-232通讯接口、无线传输模块、电源模块、中央处理器和服务器等;具体量测方法是根据一段时间内行走中的传感器数值得到该时段的行走闭合轨迹,并将整个测量所得的多轨迹传回服务器求得该轨迹所包围的面积,从而最终得到井下煤炭开采体积。通过该装置及其方法,能够快速实现所在井下煤炭开采体积的测定与量算,成本较低,便携实用,应用在无电磁波环境下的井下环境中。
Description
技术领域
本发明涉及一种井下测量装置及其量测方法,特别是一种背包式井下煤炭开采量智能测量装置及其量测方法一种背包式井下煤炭开采量智能测量装置及其量测方法。
背景技术
在采矿、采煤工程中,地下生产采场采空区测址大多采用垂直断面测量法。垂直断面测址法一般采用极坐标法,由于剖面线不可能正好位于测点上,以及测点密度不大,尤其是地下不安全的地段和不便到达的地方。这样求得的采场采空区体积精度不会很高。对于金属矿山特别是品位高的矿体,由于存在较大采空区测误差,造成了国家宝贵财产的流失。
矿井巷道是特殊的受限空间,电磁波传输特性受到巷道形状和截面尺寸、工作频率、巷道壁电参数、粉尘及金属支柱等影响。矿井巷道通常是由岩石、混凝土或砖头等材料组成,四壁的表面十分粗糙,存在着凹凸不平的随机起伏,同时这些材料不是理想导体而是电导率为有限值的损耗介质。
惯性传感器包括陀螺仪和加速度计。加速度计目前精度可达10-5gn且对INS误差影响较小。陀螺仪由于其结构复杂、制造困难且其漂移误差对INS精度影响大,而成了惯性传感器重点研究对象。
第一代惯性技术指1930年以前的惯性技术。第一代惯性技术指1930年以前的惯性技术。自1687年牛顿三大定律的建立,并成为惯性导航的理论基础;到1852年,傅科提出陀螺的定义、原理及应用设想;再到1908年由安修茨研制出世界上第一台摆式陀螺罗经,以及1910年的舒勒调谐原理;第一代惯性技术奠定了整个惯性导航发展的基础。
第二代惯性技术开始于上世纪40年代火箭发展的初期,其研究内容从惯性仪表技术发展扩大到惯性导航系统的应用。首先是惯性技术在德国V-II火箭上的第一次成功应用。到50年代中后期,0.5nmile/h的单自由度液浮陀螺平台惯导系统研制并应用成功。1968年,漂移约为0.005°/h的G6B4型动压陀螺研制成功。这一时期,还出现了另一种惯性传感器-加速度计。在技术理论研究方面,为减少陀螺仪表支承的摩擦与干扰,挠性、液浮、气浮、磁悬浮和静电等支承悬浮技术被逐步采用;1960年激光技术的出现为今后激光陀螺(RLG)的发展提供了理论支持;捷联惯性导航(SINS)理论研究趋于完善。
70年代初期,第三代惯性技术发展阶段出现了一些新型陀螺、加速度计和相应的惯性导航系统,其研究目标是进一步提高INS的性能,并通过多种技术途径来推广和应用惯性技术。这一阶段的主要陀螺包括:静电陀螺、动力调谐陀螺、环形激光陀螺、干涉式光纤陀螺等。
当前,惯性技术正处于第四代发展阶段,其目标是实现高精度、高可靠性、低成本、小型化、数字化、应用领域更加广泛的导航系统。一方面,陀螺的精度不断提高,漂移量可达10-6o/h;另一方面,随着新型固态陀螺仪的逐渐成熟,以及高速大容量的数字计算机技术的进步,SINS在低成本、短期中精度惯性导航中呈现出取代平台式系统的趋势。
一个惯性传感器IMU包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺利用三轴地磁解耦和三轴加速度计,受外力加速度影响很大,在运动/振动等环境中,输出方向角误差较大,此外地磁传感器有缺点,它的绝对参照物是地磁场的磁力线,地磁的特点是使用范围大,但强度较低,约零点几高斯,非常容易受到其它磁体的干扰,如果融合了Z轴陀螺仪的瞬时角度,就可以使系统数据更加稳定。加速度测量的是重力方向,在无外力加速度的情况下,能准确输出ROLL/PITCH两轴姿态角度并且此角度不会有累积误差,在更长的时间尺度内都是准确的。但是加速度传感器测角度的缺点是加速度传感器实际上是用MEMS技术检测惯性力造成的微小形变,而惯性力与重力本质是一样的,所以加速度计就不会区分重力加速度与外力加速度,当系统在三维空间做变速运动时,它的输出就不正确了。
陀螺仪输出角速度,是瞬时量,角速度在姿态平衡上是不能直接使用,需要角速度与时间积分计算角度,得到的角度变化量与初始角度相加,就得到目标角度,其中积分时间Dt越小,输出角度越精确,但陀螺仪的原理决定了它的测量基准是自身,并没有系统外的绝对参照物,加上Dt是不可能无限小,所以积分的累积误差会随着时间流逝迅速增加,最终导致输出角度与实际不符,所以陀螺仪只能工作在相对较短的时间尺度内。
所以在没有其它参照物的基础上,要得到较为真实的姿态角,就要利用加权算法扬长避短,结合两者的优点,摈弃其各自缺点,设计算法在短时间尺度内增加陀螺仪的权值,在更长时间尺度内增加加速度权值,这样系统输出角度就接近真实值了.
在导航中用着很重要的应用价值。惯性传感器IMU大多用在需要进行运动控制的设备,如汽车和机器人上。也应用于无人航空器、姿态测量、各种跟踪和稳定系统、姿态参考、船舶姿态的动态测量、机器及制造业。
基于惯性传感器的定位技术具有定位的自主性和连续性,其传感器涉及到加速度计、陀螺仪、磁罗盘等。基于不同的物理特性和应用环境,这些传感器可以相互组合实现不同的配置方案,如陀螺仪和加速度计组合、磁罗盘和加速度计组合等。且随着微机电系统的快速发展,各种传感器尺寸不断变小,成本降低,可将其广泛应用于各种智能移动终端设备,使得其定位范围不受限制,也不会受外界信号和环境干扰。其定位方法主要分为两种,一种是传统的积分定位方法,依据牛顿运动定律,通过三个方向的加速度数据积分计算出三维速度和位置,理论上计算结果更精确可靠,但实际应用中,由于加速度计存在数据漂移,使用牛顿运动定律加速度两次积分计算的结果产生持续的累计误差,几秒时间内误差可达几十米,甚至几百米;另一种是航迹推算方法,依据人行走的步数和步长进行定位,定位效果比传统的积分定位方法更准确,但是由于航迹推算方法根据人行走的位移与航向进行位置推算,定位精度依赖于计步效果和行人航向以及行人的步长等因素,因而随着行走时间增加,其定位误差也在不断累积。
发明内容
本发明针对现有技术的不足,提供一种背包式井下煤炭开采量智能测量装置及其量测方法,用以实现在井下无电磁波环境下的定位量测,并解决井下硬件易损耗及计算挖出煤的体积得出煤炭开采量精确度较低的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
1.一种背包式井下煤炭开采量智能测量装置,该定位测量装置包括惯性传感器模块、时钟模块、液晶显示模块、控制按键面板、数据存储模块、RS-232通讯接口、无线传输模块、电源模块、中央处理器和服务器;惯性传感器模块、时钟模块、控制按键面板和无线传输模块的输出端均与中央处理器的输入端连接,电源模块为定位测量装置提供电源,中央处理器的输出端与液晶显示模块连接,中央处理器与数据存储模块双向通讯连接,数据存储模块与RS-232通讯接口连接,无线传输模块的输出端与服务器的输入端连接;
(1)所述的惯性传感器模块包括加速度计、陀螺仪和方向传感器,该模块获取人员行走中的加速度,方向和转弯信息;
(2)所述的时钟模块记录定位时间;所述的液晶显示模块显示中央处理器收到的服务器回传点位坐标,供用户查看自己的位置;所述的控制按键面板进行采样参数和文件名称的交互式设置;所述的无线传输模块建立中央处理器与服务器之间的数据实时传输;
(3)所述的数据存储模块与RS-232通讯接口连接,数据存储模块存储中央处理器处理后的惯性传感器数据和时钟数据,其存储文件的名称可以根据时钟模块记录的时间自动建立,或者通过控制按键面板手动建立,其备份数据在事后通过RS-232通讯接口传输给计算机系统进行后续处理与分析;
(4)所述的电源模块包括电池组和电源转换电路,该模块为装置提供电源,其电源转换电路分别与惯性传感器模块、时钟模块、液晶显示模块、数据存储模块、无线传输模块和中央处理器连接,并将电池组提供的稳压电源转换成与之相连接的装置各部件所需的供电电源;
(5)所述的中央处理器通过通讯接口电路连接惯性传感器模块、时针模块、液晶显示模块、控制按键面板、数据存储模块、无线传输模块和电源模块;中央处理器接收并初步处理惯性传感器模块和时钟模块发送过来的数据,同时建立与之连接的各模块之间的数据实时传输;
(6)所述的服务器通过无线传输模块与中央处理器建立无线连接,服务器设在总监控室,对应于多套定位测量装置,用来接收并进一步处理中央处理器发送过来的数据,同时计算所有持有该定位测量装置的人员所行走的闭合面积从而得到煤炭开采体积。
2.一种基于高精度惯性传感器的井下煤炭开采量智能量测方法,该定位方法包括数据获取、数据处理和数据传输三个步骤;
步骤一、数据获取:
首先,采用二维相对局部坐标系进行量测,无需确定初始绝对位置,将初始坐标设为(0,0);然后通过惯性传感器模块得到行走中的实时线性加速度、方向以及陀螺仪的数值,并通过时钟模块获取整个定位过程的时间轴;最后在某一连续线段测算完后按下控制器上的结束按钮,闭合量测路径,校正定位,消除累积误差;
步骤二、数据处理:
首先使用最小二乘支持向量机分类算法分析运动状态;对于运动状态,利用多重约束波峰-波谷检测模型对惯性传感器加速度数据进行步态检测和步长计算,建立融合传感器数据与几何特征的航向估计模型,即借助载体坐标系与导航坐标系的转换方程以及傅里叶变换方位角推算方法确定运动航向角;最后,通过自适应抗差算法处理闭合误差,消除误差积累;步骤二数据处理中,所述的多重约束波峰-波谷步态检测模型如下:
(1)双重幅值约束:垂直线性加速度绝对值应大于阈值组apv=(ap,av),设计用于检测伪运动和真运动两种状态;利用检测所得紧邻波峰和紧邻波谷的幅值差Δapv=(Δap,Δav)进一步约束确定步态;
(2)双重时间约束:一个完整步态周期应大等于时间阈值t=(tpp,tvv);利用检测所得紧邻波峰-波谷或紧邻波谷-波峰的时间差Δt=(Δtpv,Δtvp)进一步约束确定完整步态周期,通常可设定Δt=1/2t;
步骤三、数据传输:
装置获取惯性传感器数据后,先在中央处理器上进行初步处理并发送至数据存储模块,再通过无线传输模块打包发送到服务器上进行进一步处理,获得一段通过无线传输模块传回至中央处理器并显示在液晶显示模块上,供测量者实时查看自己的量测结果,同时将量测结果存储在服务器中,管理人员也可以通过服务器实时关注室内所有持有该装置的人员的行走情况。
有益效果,由于采用了上述方案,
(1)实现了多种惯性传感器的组合与集成,并且采用背包式设计,成本较低,实用性较高,方便人员携带,能够快速测定行走闭合面积,通过多个闭合面积以及量测的高度解算出井下挖空体。
(2)相比于传统量测方法,如计算煤的体积得出挖空面积等,具有精度较高且工作量较小的优点;而相比于普通惯性导航系统测量方法,工作人员的惯性传感器装置稍加晃动不会影响量测精度,不需要长时间保持固定,更加人性化。
(3)使用过程中所得的结果,包括路径、速度、所到地点的时间,面积等都会上传服务器,不仅可以求得管理人员所需的煤炭开采体积的估计,还可以在事后进行对原始数据进行处理与分析,获取当时的行走路径和航向角度等信息。
附图说明
图1为本发明所述的包式井下煤炭开采量智能测量装置的结构框图。
图2为本发明的实施原理图。
图3a为本发明实施例中加速度数据的加速度和步姿时间连续图。
图3b为本发明实施例中加速度数据的错误的波峰和波谷时间连续图。
图3c为本发明实施例中加速度数据的正确的波谷和波峰时间连续图。
图4为本发明实施例中定位装置具体实施流程图。
附图中本领域通用的英文缩写解释如下:
(1)INS:InertialNavigationSystem,惯性导航系统
(2)LS-SVM::LeastSquare-SupportVectorMachines,最小二乘支持向量机
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图来详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示,一种背包式井下煤炭开采量智能测量装置,该定位装置包括惯性传感器模块、时钟模块、液晶显示模块、控制按键面板、数据存储模块、RS-232通讯接口、无线传输模块、电源模块、中央处理器和服务器;惯性传感器模块、时钟模块、控制按键面板和无线传输模块的输出端均与中央处理器的输入端连接,电源模块为定位装置提供电源,中央处理器的输出端与液晶显示模块连接,中央处理器与数据存储模块双向通讯连接,数据存储模块与RS-232通讯接口连接,无线传输模块的输出端与服务器的输入端连接;所述的惯性传感器英文缩写为IMU;
(1)所述的惯性传感器模块包括加速度计、陀螺仪和方向传感器,该模块获取人员行走中的加速度,方向和转弯信息;
(2)所述的时钟模块记录定位时间;所述的液晶显示模块显示中央处理器收到的服务器回传点位坐标,供用户查看自己的位置;所述的控制按键面板进行采样参数和文件名称的交互式设置;所述的无线传输模块建立中央处理器与服务器之间的数据实时传输;
(3)所述的数据存储模块与RS-232通讯接口连接,数据存储模块存储中央处理器处理后的惯性传感器数据和时钟数据,其存储文件的名称可以根据时钟模块记录的时间自动建立,或者通过控制按键面板手动建立,其备份数据在事后通过RS-232通讯接口传输给计算机系统进行后续处理与分析;
(4)所述的电源模块包括电池组和电源转换电路,该模块为装置提供电源,其电源转换电路分别与惯性传感器模块、时钟模块、液晶显示模块、数据存储模块、无线传输模块和中央处理器连接,并将电池组提供的稳压电源转换成与之相连接的装置各部件所需的供电电源;
(5)所述的中央处理器通过通讯接口电路连接惯性传感器模块、时针模块、液晶显示模块、控制按键面板、数据存储模块、无线传输模块和电源模块;中央处理器接收并初步处理惯性传感器模块和时钟模块发送过来的数据,同时建立与之连接的各模块之间的数据实时传输;
(6)所述的服务器通过无线传输模块与中央处理器建立无线连接,服务器设在总监控室,对应于多套定位量测装置,用来接收并进一步处理中央处理器发送过来的数据,同时计算所有持有该定位量测装置的人员所行走的闭合面积。
如图2所示,为一种基于高精度惯性传感器IMU的井下煤炭开采量智能量测方法,该定位方法包括前期准备、数据获取、数据处理和数据传输三个步骤。
步骤一、数据获取:
首先由于本方法采用二维相对局部坐标系进行量测,因此无需确定初始绝对位置,将初始坐标设为(0,0);然后通过惯性传感器模块得到行走中的实时线性加速度、方向以及陀螺仪的数值,并通过时钟模块获取整个定位过程的时间轴;最后在某一连续线段测算完后按下控制器上的结束按钮,闭合量测路径,校正定位,消除累积误差;
步骤二、数据处理:
首先使用最小二乘支持向量机LS-SVM分类算法分析运动状态;对于运动状态,利用多重约束波峰-波谷检测模型对惯性传感器加速度数据进行步态检测和步长计算,建立融合传感器数据与几何特征的航向估计模型,即借助载体坐标系与导航坐标系的转换方程以及傅里叶变换方位角推算方法确定运动航向角;最后,通过自适应抗差算法处理闭合误差,消除误差积累。
如图3所示,为本次实施例中加速度数据的时间连续图,从中可以看到,行人的步态是一种循环模式的情节,行人抬起一条腿时将产生一个最大垂直加速度,而腿落到地面时达到最小加速度值。这种峰谷值使得个体的运动状态能够评估,正如图3(b)所示的波形,在最大振幅,即真正的波峰或波谷旁边,有可能会出现一些假的高峰和低谷。
步骤三数据处理中,所述的多重约束波峰-波谷步态检测模型如下所示:
(1)双重幅值约束:垂直线性加速度绝对值应大于阈值组apv=(ap,av),设计用于检测伪运动和真运动两种状态;利用检测所得紧邻波峰和紧邻波谷的幅值差Δapv=(Δap,Δav)进一步约束确定步态。
(2)双重时间约束:一个完整步态周期应大等于时间阈值t=(tpp,tvv);利用检测所得紧邻波峰-波谷或紧邻波谷-波峰的时间差Δt=(Δtpv,Δtvp)进一步约束确定完整步态周期,通常可设定Δt=1/2t。
步骤三数据处理中,所述的航向估计模型如下所示:
(1)计算几何方向:根据感兴趣区域原有底图,划分矢量域,确定各矢量域方向。
(2)判断运动属性:利用一个完整步态周期内的陀螺角变量累加值g判断行人运动属性,其包括直行和转弯。
(3)估计行人航向角:当运动属性为直行,若方向传感器中表示方位角值与几何方向之差小于阈值δ时,则航向角为前一时刻的航向角,否则航向角为几何方向角度;当运动属性为转弯,航向角直接取值为方向传感器方位角。
在实际操作上,由于装置上的方向传感器会不时发生偏离,在开始使用之前要及时重启装置,将装置在方向传感器的x轴移动,即旋转装置两到三圈。在自由方向区时需将装置拿正,对准正前方,全程尽量保持步速均匀,更有利于提高定位精度。
步骤四:数据传输
装置获取惯性传感器数据后,先在中央处理器上进行初步处理并发送至数据存储模块,再通过无线传输模块打包发送到服务器上进行进一步处理,获得一段通过无线传输模块传回至中央处理器并显示在液晶显示模块上,供测量者实时查看自己的量测结果,同时将量测结果存储在服务器中,管理人员也可以通过服务器实时关注室内所有持有该装置的人员的行走情况。
如图4所示,为本次实施例中基于高精度惯性传感器IMU的井下煤炭开采量智能量测方法具体实施流程:
(1)打开电源,启动惯性测量装置。
(2)在人机交互界面统一设置传感器采样间隔、坑道高度等初始参数。
(3)启动惯性传感器模块,人机交互界面自动提示“是否确认开始测量?”,点击“确定”正式启动,若点击“取消”,则重新设置初始参数。
(4)启动时钟模块,开始获取惯性传感器数据和时钟数据,并通过通讯接口传送至中央处理器。
(5)在结束时按下人机交互界面显示的“结束”按钮,将该段行走时段中的数据进行初步的处理,分类,规划。
(6)中央处理器将数据进行初步处理并发送至数据存储模块后,通过无线传输模块打包发送至服务器。
(7)服务器将数据进行进一步处理后,获得每一时段的行走轨迹以及闭合面积,将结果再次通过无线传输模块传回至中央处理器,同时将结果存储在服务器中。
(8)在液晶显示屏上显示中央处理器收到的服务器回传的量测结果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变型,这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种背包式井下煤炭开采量智能测量装置,其特征是:该定位测量装置包括惯性传感器模块、时钟模块、液晶显示模块、控制按键面板、数据存储模块、RS-232通讯接口、无线传输模块、电源模块、中央处理器和服务器;惯性传感器模块、时钟模块、控制按键面板和无线传输模块的输出端均与中央处理器的输入端连接,电源模块为定位量测装置提供电源,中央处理器的输出端与液晶显示模块连接,中央处理器与数据存储模块双向通讯连接,数据存储模块与RS-232通讯接口连接,无线传输模块的输出端与服务器的输入端连接;
(1)所述的惯性传感器模块包括加速度计、陀螺仪和方向传感器,该模块获取人员行走中的加速度,方向和转弯信息;
(2)所述的时钟模块记录定位时间;所述的液晶显示模块显示中央处理器收到的服务器回传的量测体积,并供用户查看行走轨迹;所述的控制按键面板进行采样参数和文件名称的交互式设置;所述的无线传输模块建立中央处理器与服务器之间的数据实时传输;
(3)所述的数据存储模块与RS-232通讯接口连接,数据存储模块存储中央处理器处理后的惯性传感器数据和时钟数据,其存储文件的名称可以根据时钟模块记录的时间自动建立,或者通过控制按键面板手动建立,其备份数据在事后通过RS-232通讯接口传输给计算机系统进行后续处理与分析;
(4)所述的电源模块包括电池组和电源转换电路,该模块为装置提供电源,其电源转换电路分别与惯性传感器模块、时钟模块、液晶显示模块、数据存储模块、无线传输模块和中央处理器连接,并将电池组提供的稳压电源转换成与之相连接的装置各部件所需的供电电源;
(5)所述的中央处理器通过通讯接口电路连接惯性传感器模块、时针模块、液晶显示模块、控制按键面板、数据存储模块、无线传输模块和电源模块;中央处理器接收并初步处理惯性传感器模块和时钟模块发送过来的数据,同时建立与之连接的各模块之间的数据实时传输;
所述的服务器通过无线传输模块与中央处理器建立无线连接,服务器设在总监控室,对应于多套定位量测装置,用来接收并进一步处理中央处理器发送过来的数据,同时计算所有持有该定位量测装置的人员所行走的闭合面积。
2.一种权利要求1所述的背包式井下煤炭开采量智能测量装置的量测方法,其特征是:该量测方法包括前期准备、数据获取、数据处理和数据传输三个步骤;
步骤一、数据获取:
首先由于本方法采用二维相对局部坐标系进行量测,因此无需确定初始绝对位置,将初始坐标设为(0,0);然后通过惯性传感器模块得到行走中的实时线性加速度、方向以及陀螺仪的数值,并通过时钟模块获取整个定位过程的时间轴;最后在某一连续线段测算完后按下控制器上的结束按钮,闭合量测路径,校正定位,消除累积误差;
步骤二、数据处理:
首先使用最小二乘支持向量机分类算法分析运动状态;对于运动状态,利用多重约束波峰-波谷检测模型对惯性传感器加速度数据进行步态检测和步长计算,建立融合传感器数据与几何特征的航向估计模型,即借助载体坐标系与导航坐标系的转换方程以及傅里叶变换方位角推算方法确定运动航向角;最后,通过自适应抗差算法处理闭合误差,消除误差积累;
步骤三、数据传输
装置获取惯性传感器数据后,先在中央处理器上进行初步处理并发送至数据存储模块,再通过无线传输模块打包发送到服务器上进行进一步处理,获得一段通过无线传输模块传回至中央处理器并显示在液晶显示模块上,供测量者实时查看自己的量测结果,同时将量测结果存储在服务器中,管理人员也可以通过服务器实时关注室内所有持有该装置的人员的行走情况。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20160210 |
|
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |