CN105320831B - 一种实现露天矿山钻机钻杆实时高精度定位的方法 - Google Patents

Abstract

本次公开一种实现露天矿山钻机钻杆实时高精度定位的方法，涉及电子技术、高精度GPS定位应用领域，利用安装在钻机上的两个高精度GPS装置和电子罗盘设备，结合车载终端在设备初始化后，运行三维空间坐标转换算法和二维空间坐标转换算法，实现露天矿山钻机作业时钻杆的实时高精度定位。该方法改变了传统人工凭经验对孔的生产模式，解决了已有方法的精度不能保证及设备使用寿命问题。钻机的打孔精确度得到大幅度的提升，由此提高了爆破效果，提升了采矿的自动化水平。

Description

一种实现露天矿山钻机钻杆实时高精度定位的方法

技术领域

本案涉及电子技术、高精度GPS定位领域，具体涉及一套实现露天矿山钻机高精度定位的方法。

背景技术

露天矿山穿爆作业传统的模式是布孔人员在爆区内需要钻机打孔的位置摆上石头堆，钻机司机凭经验对准石头堆进行打孔，打孔位置非常不精确，影响爆破效果。随着矿山数字化的不断发展，采矿生产精细化管理需求不断的提高，穿爆环节对钻机打孔的精确性要求也进一步的严格。

目前存在两种利用GPS实现钻杆定位的方法，其中一个是在钻架顶端安装高精度GPS定位装置，直接对钻杆进行定位；另外一种是在钻机上安装两个GPS定位装置的方法，实施的方式是将钻杆与两个GPS天线在同一直线上（即直线方位角法）或钻杆与两个GPS天线成等腰三角形（即等腰三角形法）。第一种方法存在的问题是定位误差大、设备易损坏等，钻杆支架距爆区地面20米左右，钻机作业时的剧烈震动而导致钻杆晃动严重，将设备安装在钻杆顶端，定位误差非常大，设备极易损坏，且设备安装维护困难；第二种方法存在由于人为的安装误差而导致的定位误差很大的问题，钻机自身设备装置非常复杂，在钻机上很难找到合适的位置安装，即使有位置可以安装，但由于人工的安装误差，难以精准的安装成一条直线或是等腰三角形，导致定位误差很大，满足不了钻孔的高精度定位精确性。另外，钻机通常是在坑洼不平的工作面上作业，工作面会有一定的坡度，只利用两个GPS装置在二维空间上对钻杆进行定位的方法会有很大误差。

发明内容

本方法提供一种露天矿山钻机作业钻杆实时高精度定位的方法，使用高精度GPS装置和电子罗盘，在钻机水平状态下，取得两个GPS坐标点、钻杆点和电子罗盘之间的关系值，电子罗盘的初始值为零，然后将坐标平移，使钻杆点的坐标平移为（0,0），从而得到钻机在水平状态下的初始化坐标系。通过三维、二维的空间坐标转换和数学建模，最终实现钻机的高精度定位，改变了传统人工凭经验对孔的生产模式，解决了已有方法的精度不能保证及设备使用寿命问题。

1. 三维空间坐标转换。

三维空间坐标转换的主要目的是将移动后的倾斜三维钻机坐标系统转换为瞬时钻机水平坐标系统，即把移动后的倾斜的三维钻机坐标系统O-XYZ，转换到瞬时钻机水平坐标系统O-X”Y”Z”。

坐标系统O-XYZ对应的是三维钻机移动后的坐标系统，由于电子罗盘的安装与钻机平台平行，且方向与钻机的体态方向一致，电子罗盘可以测出钻机纵向和横向的倾角。假设电子罗盘读出的纵向倾角和横向倾角分别为α和β（即钻机的倾角），首先绕X轴顺时针旋转β角，得到坐标系O-XY”Z’,该坐标系绕Y”轴逆时针旋转α角得到过三维钻机固定坐标系原点且位于水平面的坐标系统O-X”Y”Z”,称该坐标系统为瞬时钻机水平坐标系统，两个坐标系存在旋转关系，如图2所示。

三维坐标系统之间绕轴旋转变换的公式分别为：

,

旋转角为从各个旋转轴的正向来看,逆时针旋转角为正,顺时针为负。

由移动后倾斜的三维钻机坐标系统O-XYZ转换到瞬时钻机水平坐标系统O-X”Y”Z”的转换矩阵为：

。

2. 二维空间的坐标转换。

经过上述的初始化过程和三维转换过程，可以得到两个水平坐标系，分别为：初始化钻机水平坐标系统，简称为钻机坐标系统O-xy；瞬时钻机水平坐标系统，简称为大地坐标系统O'-x'y'。

在二维空间内，计算钻杆O点的大地坐标值。

1)两个GPS的定位点分别为A点(1)、B点(2)，两点的坐标值都是实测数据。O'-x'y'与O-xy之间的旋转角度为t，可以列出以下公式。

由于、是已知数据，带入上面的公式，可以求出sint、cost。

2) 利用已知A(1)的钻机坐标，及已知的A(1)的大地坐标，还有sint、cost，可以列出如下公式，可以求出O点(3)的大地坐标，即钻杆点的瞬时坐标。

附图说明

图1 高精度GPS装置和电子罗盘安装位置示意图；

图2 三维钻机固定坐标系与瞬时钻机水平坐标系统间的转换图。

图中：1为高精度GPS装置A点（简称A点），2为高精度GPS装置B点（简称B点），3为钻杆O点（简称O点），4为电子罗盘，5为钻机驾驶室，6为钻机平台，7为智能车载终端。

具体实施方式

1. 安装高精度定位设备。在钻机上安装智能车载终端(7)，高精度GPS装置A点(1)和高精度GPS装置B点(2)可安装在钻机上除钻杆O点(3)外的任意位置上，可选择安装在震动较小其易安装的位置，但A点(1)、B点(2)不能重合；电子罗盘(4)的安装需与钻机平台(6)平行，且方向与钻机的体态方向一致，本案安装在钻机驾驶室(5)内；将A点(1)、B点(2) 和电子罗盘(4)通过电缆连接到智能车载终端(7)上。

2. 初始化A点(1)、B点(2)和电子罗盘(4)。首先将钻机至于稳定水平状态，记录A点(1)、B点(2)设备中取出的坐标值，再通过高精度测量设备测量得到钻杆O点(3)的坐标值，连接电子罗盘，在钻机稳定水平状态时将其俯仰角赋为初始值，默认为零，最后将O点(3)坐标平移为（0,0），从而得到钻机在水平状态下的初始化坐标系。

3.通过上述方法得到钻杆的实时大地坐标位置，并在智能车载终端(7)显示，提示司机是否对准需打孔的位置。

有益效果

应用本方法后，钻机的打孔精确度得到大幅度的提升，由此提高了爆破效果，在应用本方法的基础上可实现的钻机孔位自动导航，将大大提高钻机的作业效率，节省了人力物力，为矿山带来可观的经济效益，提升了采矿的自动化水平。

Claims (1)

1.一种实现露天矿山钻机钻杆实时高精度定位的方法，其特征是：

利用安装在钻机上的两个高精度GPS装置A点(1)、B点(2)和电子罗盘(4)设备，经过设备安装、初始化、三维空间坐标转换算法和二维空间坐标转换算法结合车载终端实现；

其中设备安装是：在钻机上安装车载终端(7)，高精度GPS装置A点(1)和高精度GPS装置B点(2)可安装在钻机上除钻杆O点(3)外的任意位置上，但A点(1)、B点(2)不能重合；电子罗盘(4)的安装需与钻机平台(6)平行，且方向与钻机的体态方向一致，安装在钻机驾驶室(5)内；将A点(1)、B点(2) 和电子罗盘(4)通过电缆连接到智能车载终端(7)上；

其中设备初始化是：首先将钻机至于稳定水平状态，记录A点(1)、B点(2)设备中取出的坐标值，再通过高精度测量设备测量得到钻杆O点(3)的坐标值，连接电子罗盘，在钻机稳定水平状态时将其俯仰角赋为初始值，默认为零，最后将O点(3)坐标平移为（0,0），从而得到钻机在水平状态下的初始化坐标系；

其中三维空间坐标转换算法是：将移动后的倾斜三维钻机坐标系统转换为瞬时钻机水平坐标系统，即把移动后的倾斜的三维钻机坐标系统O-XYZ，转换到瞬时钻机水平坐标系统O-X”Y”Z”，由于电子罗盘(4)的安装与钻机平台(6)平行，且方向与钻机的体态方向一致，假设电子罗盘(4)读出的纵向倾角和横向倾角分别为α和β（即钻机的倾角），首先绕X轴顺时针旋转β角，得到坐标系O-XY”Z’，该坐标系绕Y”轴逆时针旋转α角得到过三维钻机固定坐标系原点且位于水平面的坐标系统O-X”Y”Z”，两个坐标系存在旋转关系，旋转角为从各个旋转轴的正向来看，逆时针旋转角为正，顺时针为负，由移动后倾斜的三维钻机坐标系统O-XYZ转换到瞬时钻机水平坐标系统O-X”Y”Z”的转换矩阵为：；

其中二维空间坐标转换算法是：利用初始化钻机水平坐标系统（即钻机坐标系统O-xy）和瞬时钻机水平坐标系统（即大地坐标系统O'-x'y'），计算钻杆点的瞬时坐标，首先已知B点(2)的钻机坐标和大地坐标，两个坐标系之间的旋转角度，可以列出公式：，，可求出sint、cost；利用已知A点(1)的钻机坐标、大地坐标，和sint、cost，可以列出如下公式，可以求出O点(3)的大地坐标，即钻杆点的瞬时坐标，。