CN106679518B - 一种用于深井孔内爆破的智能爆破筒悬吊系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于深井孔内爆破的智能爆破筒悬吊系统，设置有主体和单片机，所述电机防护箱内腔底部固定有驱动电机；所述平衡轴右侧设置有电磁闭锁装置，且电磁闭锁装置设置在主体的内腔中；所述单片机的输出端分别与驱动电机、电磁闭锁装置、指示灯、显示器、扬声器和启爆模块的输入端电性连接；所述单片机的输入端分别电容感应检测电路和电源模块的输出端电性连接；所述单片机分别与计量装置、数据存储模块和无线射频收发模块电性连接；所述无线射频收发模块通过GPRS网络与外部设备连接，该发明的有益效果是智能化程度高，自动计量复合线收放尺寸，避免了人为误差，设备节省了大量的人力。

Description

一种用于深井孔内爆破的智能爆破筒悬吊系统

技术领域

本发明属于爆破装置设备技术领域，尤其涉及一种用于深井孔内爆破的智能爆破筒悬吊系统。

背景技术

目前，地下温泉资源、矿泉资源越来越稀缺，需要井内爆破促进涌水量提升。考虑到爆破施工环境特殊，爆破位置位于水下数百米甚至上千米，爆破空间狭小，井的孔径一般为75mm及以下，且存在由水压力产生的几十个甚至上百个大气压的环境压力，即使实现成功起爆都有一定难度，而且还要科学合理地判别爆破后的实际效果。超高环境压力下的狭窄空间爆破装置和方法在石油开采行业有较多的应用，一般采用复杂的油枪系统及石油射孔弹技术，但是油枪系统设备昂贵，爆破施工成本大、周期长，普通工程难以接受，因此急需设计一种方便快捷、成本低廉的爆破工艺及装置，促进地下水资源的开采。

现今采用最为普遍的为爆破筒悬吊爆破技术，但该技术存在着智能化程度较低，人为误差大，且爆破筒悬吊收放过程浪费了大量的人力等缺点。

发明内容

本发明为解决现今采用最为普遍的为爆破筒悬吊爆破技术，但该技术存在着智能化程度较低，人为误差大，且爆破筒悬吊收放过程浪费了大量的人力的技术问题而提供一种智能化程度高，节约大量人力、避免人为误差、移动使用便捷的一种用于深井孔内爆破的智能爆破筒悬吊系统。。

本发明是这样实现的，一种用于深井孔内爆破的智能爆破筒悬吊系统，设置有主体和单片机；所述主体内腔底部从左到右依次设置有电机防护箱、导向杆和储物室；所述主体内腔左壁顶部和右壁顶部均设置有固定槽；所述电机防护箱顶部设置有主机箱；所述电机防护箱内腔底部固定有驱动电机；所述驱动电机左端连接有主动轴；

所述主动轴通过传动带与传动轴连接；所述传动轴的左端设置在固定槽内；所述传动轴的另一端与辊轮固定连接，且辊轮设置在主体顶部的凹槽内；所述辊轮的右侧与平衡轴连接；所述平衡轴上设置有电磁闭锁装置，且电磁闭锁装置设置在主体的内腔中；所述平衡轴的另一端设置在固定槽内；所述导向杆顶部固定有计量装置；所述计量装置设置在主体顶部的凹槽中，且主体设置在辊轮的下方；所述主体的外壁左侧设置有控制盒；所述控制盒从上到下依次设置有指示灯、显示器、触摸感应键盘和扬声器；

所述触摸感应键盘由按键和电容感应检测电路构成；所述单片机的输出端分别与驱动电机、电磁闭锁装置、指示灯、显示器、扬声器和启爆模块的输入端电性连接；所述单片机的输入端分别计量装置、电容感应检测电路和电源模块的输出端电性连接；所述单片机分别与数据存储模块和无线射频收发模块电性连接；所述无线射频收发模块通过GPRS网络与外部设备连接；

所述主体底部的四个角部均安装有万向轮，且万向轮上设置有刹车片；

所述储物室内设置有可伸缩三脚导向架；

所述辊轮上缠绕有复合线；

所述外部设备为电脑、手机具有网络连接功能的电子产品。

进一步，所述单片机设置有信号L₀范数最小化优化模块，所述信号L₀范数最小化优化模块的信号L₀范数最小化优化方法包括：

基于L₀范数最小化的优化算法为：

其中，f表示待处理的谱线向量，维数为V×1，e表示处理后的谱线向量，维数为V×1；Φ_BV表示B×V维的测量矩阵，其中，Φ_BV取用随机的高斯矩阵，|| ||₂表示向量的2范数，||||₀表示向量的0范数；

优化算法采用的迭代公式为：

其中，f^(j)表示第j次迭代得到的谱线向量，s表示Φ^Γ×Φ的最大特征值，Γ表示对矩阵求转置，k～(1,V)，χ＝σ/4，σ表示噪声的标准差，由下式求得：

σ＝Median(|f|)/0.6745；

其中，Median表示求向量中元素的中位数；

优化算法的终止条件为：

||f^(j+1)-f^(j)||₂≤ε。

进一步，所述单片机设置有信号局部阈值模块，所述信号局部阈值模块的信号局部阈值方法包括：

局部阈值为z*σ′，其中，z为一常数，σ′是每一个窗内的谱线的幅度标准差，定义为：

其中，Q为每个窗内的谱线条数，|S(f_i)|表示频率为f_i的谱线对应的幅度值。

进一步，所述单片机设置有信号窗内谱线强度均值比局部最大值计算模块，所述信号窗内谱线强度均值比局部最大值计算模块的信号窗内谱线强度均值比局部最大值计算方法包括：

谱线强度均值比|I(f_i)|的表达式为：

对每一个窗内的谱线求强度均值比，并搜索得到窗内强度均值比的局部最大值|I(f₀)|，f₀为一个窗内强度均值比最大值所对应的频率。

进一步，所述显示器设置有数字调制信号模块，所述数字调制信号的数字调制信号x(t)的分数低阶模糊函数表示为：

其中，τ为时延偏移，f为多普勒频移，0＜a,b＜α/2，x*(t)表示x(t)的共轭；当x(t)为实信号时，x(t)^＜p＞＝|x(t)|^＜p＞sgn(x(t))；当x(t)为复信号时，[x(t)]^＜p＞＝|x(t)|^p-1x^*(t)。

进一步，所述控制盒设置有能量检测模块，所述能量检测模块的能量检测方法包括：

第一步，将Reived_V1或Reived_V2中的射频或中频采样信号进行N_FFT点数的FFT运算，然后求模运算，将其中的前N_FFT/2个点存入VectorF中，VectorF中保存了信号x2的幅度谱；

第二步，将分析带宽Bs分为N块相等的Block，N＝3，4，.....，每一个Block要进行运算的带宽为Bs/N，设要分析带宽Bs的最低频率为FL，这里FL＝0，则块nBlock，n＝1...N，所对应的频率区间范围分别是[FL+(n-1)Bs/N，FL+(n)Bs/N]，将VectorF中对应的频段的频率点分配给每个block，其中nBlock分得的VectorF点范围是[S_n，S_n+k_n]，其中表示每段分得的频率点的个数，而表示的是起始点，fs是信号采样频率，round(*)表示四舍五入运算；

第三步，对每个Block求其频谱的能量∑|·|²，得到E(n)，n＝1...N；

第四步，对向量E求平均值

第五步，求得向量E的方差和

第六步，更新标志位flag，flag＝0，表示前一次检测结果为无信号，此种条件下，只有当σ_sum>K2时判定为当前检测到信号，flag变为1；当flag＝1，表示前一次检测结果为有信号，此种条件下，只有当σ_sum<K1时判定为当前未检测到信号，flag变为0，K1和K2为门限值，由理论仿真配合经验值给出，K2>K1；

第七步，根据标志位控制后续解调线程等是否开启：flag＝1，开启后续解调线程等，否则关闭后续解调线程。

进一步，所述无线射频收发模块设置有无线通信极限容量计算模块，所述无线通信极限容量计算模块的无线通信极限容量的计算方法如下：

利用Laguerre多项式计算得到：

其中，m＝min(N_t,N_r)

n＝max(N_t,N_r)；

为次数为k的Laguerre多项式：

如果令λ＝n/m，推导出如下归一化后的信道容量表示式；

其中，

在快速瑞利衰落的情况下，令m＝n＝N_t＝N_r，则v₁＝0，v₂＝4；

渐进信道容量为：

利用不等式：

log₂(1+x)≥log₂(x) (式6)

式(5)简化为：

式(5)表明，随着收发天线数目的增加，极限信道的容量会随之线性地增加。

本发明提供的用于深井孔内爆破的智能爆破筒悬吊系统，通过控制盒或外部设备都可直接控制单片机，智能化程度较高，计量装置可自动计量复合线的收放尺寸，避免了传统设备中通过标记尺寸计量产生的人为误差，提高了爆破筒下放位置的准确率，驱动电机可直接带动辊轮，节省了大量的人力，电磁闭锁装置可及时锁定辊轮，再次保证了爆破筒下放位置的准确性，万向轮的设置便于设备移动操作。

附图说明

图1是本发明实施例提供的用于深井孔内爆破的智能爆破筒悬吊系统内部结构示意图；

图2是本发明实施例提供的用于深井孔内爆破的智能爆破筒悬吊系统的主视图；

图3是本发明实施例提供的用于深井孔内爆破的智能爆破筒悬吊系统的左视图；

图4是本发明实施例提供的控制盒结构示意图；

图5是本发明实施例提供的用于深井孔内爆破的智能爆破筒悬吊系统的原理框图。

图中：1、主体；2、单片机；3、电机防护箱；4、导向杆；5、储物室；6、固定槽；7、主机箱；8、驱动电机；9、主动轴；10、传动带；11、传动轴；12、辊轮；13、平衡轴；14、电磁闭锁装置；15、计量装置；16、控制盒；17、指示灯；18、显示器；19、触摸感应键盘；20、扬声器；21、按键；22、电容感应检测电路；23、启爆模块；24、电源模块；25、数据存储模块；26、无线射频收发模块；27、GPRS网络；28、外部设备；29、万向轮；30、刹车片；31、可伸缩三脚导向架；32、复合线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1-图5所示，本发明实施例提供的用于深井孔内爆破的智能爆破筒悬吊系统，设置有主体1和单片机2，所述主体内腔底部从左到右依次设置有电机防护箱3、导向杆4和储物室5；所述主体内腔左壁顶部和右壁顶部均设置有固定槽6；所述电机防护箱顶部设置有主机箱7；所述电机防护箱内腔底部固定有驱动电机8；所述驱动电机左端连接有主动轴9；所述主动轴通过传动带10与传动轴11连接；所述传动轴的左端设置在固定槽6内；所述传动轴的另一端与辊轮12固定连接，且辊轮设置在主体顶部的凹槽内；所述辊轮的右侧与平衡轴13连接；所述平衡轴上设置有电磁闭锁装置14，且电磁闭锁装置设置在主体的内腔中；所述平衡轴的另一端设置在固定槽内；所述导向杆顶部固定有计量装置15；所述计量装置设置在主体顶部的凹槽中，且主体设置在辊轮的下方；所述主体的外壁左侧设置有控制盒16；所述控制盒从上到下依次设置有指示灯17、显示器18、触摸感应键盘19和扬声器20；所述触摸感应键盘由按键21和电容感应检测电路22构成；所述单片机的输出端分别与驱动电机、电磁闭锁装置、指示灯、显示器、扬声器和启爆模块23的输入端电性连接；所述单片机的输入端分别计量装置、电容感应检测电路和电源模块24的输出端电性连接；所述单片机分别与数据存储模块25和无线射频收发模块26电性连接；所述无线射频收发模块通过GPRS网络27与外部设备28连接。

进一步的，所述主体底部的四个角部均安装有万向轮29，且万向轮上设置有刹车片30。

进一步的，所述储物室内设置有可伸缩三脚导向架31。

进一步的，所述辊轮上缠绕有复合线32。

进一步的，所述外部设备为电脑、手机等具有网络连接功能的电子产品。

进一步，所述单片机设置有信号L₀范数最小化优化模块，所述信号L₀范数最小化优化模块的信号L₀范数最小化优化方法包括：

基于L₀范数最小化的优化算法为：

其中，f表示待处理的谱线向量，维数为V×1，e表示处理后的谱线向量，维数为V×1；Φ_BV表示B×V维的测量矩阵，其中，Φ_BV取用随机的高斯矩阵，|| ||₂表示向量的2范数，||||₀表示向量的0范数；

优化算法采用的迭代公式为：

其中，f^(j)表示第j次迭代得到的谱线向量，s表示Φ^Γ×Φ的最大特征值，Γ表示对矩阵求转置，k～(1,V)，χ＝σ/4，σ表示噪声的标准差，由下式求得：

σ＝Median(|f|)/0.6745；

其中，Median表示求向量中元素的中位数；

优化算法的终止条件为：

||f^(j+1)-f^(j)||₂≤ε。

进一步，所述单片机设置有信号局部阈值模块，所述信号局部阈值模块的信号局部阈值方法包括：

局部阈值为z*σ′，其中，z为一常数，σ′是每一个窗内的谱线的幅度标准差，定义为：

其中，Q为每个窗内的谱线条数，|S(f_i)|表示频率为f_i的谱线对应的幅度值。

进一步，所述单片机设置有信号窗内谱线强度均值比局部最大值计算模块，所述信号窗内谱线强度均值比局部最大值计算模块的信号窗内谱线强度均值比局部最大值计算方法包括：

谱线强度均值比|I(f_i)|的表达式为：

对每一个窗内的谱线求强度均值比，并搜索得到窗内强度均值比的局部最大值|I(f₀)|，f₀为一个窗内强度均值比最大值所对应的频率。

进一步，所述显示器设置有数字调制信号模块，所述数字调制信号的数字调制信号x(t)的分数低阶模糊函数表示为：

其中，τ为时延偏移，f为多普勒频移，0＜a,b＜α/2，x^*(t)表示x(t)的共轭；当x(t)为实信号时，x(t)^＜p＞＝|x(t)|^＜p＞sgn(x(t))；当x(t)为复信号时，[x(t)]^＜p＞＝|x(t)|^p-1x^*(t)。

进一步，所述控制盒设置有能量检测模块，所述能量检测模块的能量检测方法包括：

第一步，将Reived_V1或Reived_V2中的射频或中频采样信号进行N_FFT点数的FFT运算，然后求模运算，将其中的前N_FFT/2个点存入VectorF中，VectorF中保存了信号x2的幅度谱；

第二步，将分析带宽Bs分为N块相等的Block，N＝3，4，.....，每一个Block要进行运算的带宽为Bs/N，设要分析带宽Bs的最低频率为FL，这里FL＝0，则块nBlock，n＝1...N，所对应的频率区间范围分别是[FL+(n-1)Bs/N，FL+(n)Bs/N]，将VectorF中对应的频段的频率点分配给每个block，其中nBlock分得的VectorF点范围是[S_n，S_n+k_n]，其中表示每段分得的频率点的个数，而表示的是起始点，fs是信号采样频率，round(*)表示四舍五入运算；

第三步，对每个Block求其频谱的能量∑|·|²，得到E(n)，n＝1...N；

第四步，对向量E求平均值

第五步，求得向量E的方差和

第六步，更新标志位flag，flag＝0，表示前一次检测结果为无信号，此种条件下，只有当σ_sum>K2时判定为当前检测到信号，flag变为1；当flag＝1，表示前一次检测结果为有信号，此种条件下，只有当σ_sum<K1时判定为当前未检测到信号，flag变为0，K1和K2为门限值，由理论仿真配合经验值给出，K2>K1；

第七步，根据标志位控制后续解调线程等是否开启：flag＝1，开启后续解调线程等，否则关闭后续解调线程。

进一步，所述无线射频收发模块设置有无线通信极限容量计算模块，所述无线通信极限容量计算模块的无线通信极限容量的计算方法如下：

利用Laguerre多项式计算得到：

其中，m＝min(N_t,N_r)

n＝max(N_t,N_r)；

为次数为k的Laguerre多项式：

如果令λ＝n/m，推导出如下归一化后的信道容量表示式；

其中，

在快速瑞利衰落的情况下，令m＝n＝N_t＝N_r，则v₁＝0，v₂＝4；

渐进信道容量为：

利用不等式：

log₂(1+x)≥log₂(x) (式6)

式(5)简化为：

式(5)表明，随着收发天线数目的增加，极限信道的容量会随之线性地增加。

下面结合原理分析对本发明的应用原理进一步描述。

本发明实施例提供的用于深井孔内爆破的智能爆破筒悬吊系统，使用时复合线一端穿过计量装置与爆破同连接，可伸缩三脚导向架设置在爆破点上，可稳定爆破筒以及对复合线起导向作用，通过电容感应检测电路可对单片机输入信号，设定爆破程序，外部设备通过GPRS网络也可直接控制单片机，电磁闭锁装置可及时锁定辊轮，提高了爆破筒下方距离的准确性，计量装置可对复合线收放尺寸进行计数，电源模块为设备提供电源，数据存储模块可对设备运转数据实时存储，无线射频收发模块可接收和发射无线信号，启爆模块可控制爆破筒的启爆状态，单片机可对驱动电机、电磁闭锁装置、指示灯、显示器、扬声器和启爆模块输入信号，整个设备智能化程度较高，对设备现场操作和远程操作均可实现，采用计量装置避免了人为计数的误差，且通过驱动电机的设置节省了大量的人力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于深井孔内爆破的智能爆破筒悬吊系统，设置有主体和单片机；其特征在于，所述主体内腔底部从左到右依次设置有电机防护箱、导向杆和储物室；所述主体内腔左壁顶部和右壁顶部均设置有固定槽；所述电机防护箱顶部设置有主机箱；所述电机防护箱内腔底部固定有驱动电机；所述驱动电机左端连接有主动轴；

所述主动轴通过传动带与传动轴连接；所述传动轴的左端设置在固定槽内；所述传动轴的另一端与辊轮固定连接，且辊轮设置在主体顶部的凹槽内；所述辊轮的右侧与平衡轴连接；所述平衡轴上设置有电磁闭锁装置，且电磁闭锁装置设置在主体的内腔中；所述平衡轴的另一端设置在固定槽内；所述导向杆顶部固定有计量装置；所述计量装置设置在主体顶部的凹槽中，且主体设置在辊轮的下方；所述主体的外壁左侧设置有控制盒；所述控制盒从上到下依次设置有指示灯、显示器、触摸感应键盘和扬声器；

所述触摸感应键盘由按键和电容感应检测电路构成；所述单片机的输出端分别与驱动电机、电磁闭锁装置、指示灯、显示器、扬声器和启爆模块的输入端电性连接；所述单片机的输入端分别与计量装置、电容感应检测电路和电源模块的输出端电性连接；所述单片机分别与数据存储模块和无线射频收发模块电性连接；所述无线射频收发模块通过GPRS网络与外部设备连接；

所述主体底部的四个角部均安装有万向轮，且万向轮上设置有刹车片；

所述储物室内设置有可伸缩三脚导向架；

所述辊轮上缠绕有复合线；

所述外部设备为电脑或手机具有网络连接功能的电子产品；

所述单片机设置有信号L₀范数最小化优化模块，所述信号L₀范数最小化优化模块的信号L₀范数最小化优化方法包括：

基于L₀范数最小化的优化算法为：

其中，f表示待处理的谱线向量，维数为V×1，e表示处理后的谱线向量，维数为V×1；Φ_BV表示B×V维的测量矩阵，其中，Φ_BV取用随机的高斯矩阵，||||₂表示向量的2范数，||||₀表示向量的0范数；

优化算法采用的迭代公式为：

其中，f^(j)表示第j次迭代得到的谱线向量，s表示Φ^Γ×Φ的最大特征值，Γ表示对矩阵求转置，k～(1,V)，χ＝σ/4，σ表示噪声的标准差，由下式求得：

σ＝Median(|f|)/0.6745；

其中，Median表示求向量中元素的中位数；

优化算法的终止条件为：

||f^(j+1)-f^(j)||₂≤ε。

2.如权利要求1所述的用于深井孔内爆破的智能爆破筒悬吊系统，其特征在于，所述单片机设置有信号局部阈值模块，所述信号局部阈值模块的信号局部阈值方法包括：

局部阈值为z*σ′，其中，z为一常数，σ′是每一个窗内的谱线的幅度标准差，定义为：

其中，Q为每个窗内的谱线条数，|S(f_i)|表示频率为f_i的谱线对应的幅度值。

3.如权利要求1所述的用于深井孔内爆破的智能爆破筒悬吊系统，其特征在于，所述单片机设置有信号窗内谱线强度均值比局部最大值计算模块，所述信号窗内谱线强度均值比局部最大值计算模块的信号窗内谱线强度均值比局部最大值计算方法包括：

谱线强度均值比|I(f_i)|的表达式为：

对每一个窗内的谱线求强度均值比，并搜索得到窗内强度均值比的局部最大值|I(f₀)|，f₀为一个窗内强度均值比最大值所对应的频率。

4.如权利要求1所述的用于深井孔内爆破的智能爆破筒悬吊系统，其特征在于，所述显示器设置有数字调制信号模块，所述数字调制信号模块的数字调制信号x(t)的分数低阶模糊函数表示为：

其中，τ为时延偏移，f为多普勒频移，0＜a，b＜a/2x^*(t)表示x(t)的共轭；当x(t)为实信号时，x(t)^＜p＞＝|x(t)|^＜p＞sgn(x(t))；当x(t)为复信号时，[x(t)]^＜p＞＝|x(t)|^p-1x^*(t)。

5.如权利要求1所述的用于深井孔内爆破的智能爆破筒悬吊系统，其特征在于，所述控制盒设置有能量检测模块，所述能量检测模块的能量检测方法包括：

第一步，将Reived_V1或Reived_V2中的射频或中频采样信号进行N_FFT点数的FFT运算，然后求模运算，将其中的前N_FFT/2个点存入VectorF中，VectorF中保存了信号x2的幅度谱；

第二步，将分析带宽Bs分为N块相等的Block，N＝3，4，.....，每一个Block要进行运算的带宽为Bs/N，设要分析带宽Bs的最低频率为FL，这里FL＝0，则块nBlock，n＝1...N，所对应的频率区间范围分别是[FL+(n-1)Bs/N，FL+(n)Bs/N]，将VectorF中对应的频段的频率点分配给每个block，其中nBlock分得的VectorF点范围是[S_n，S_n+k_n]，其中表示每段分得的频率点的个数，而表示的是起始点，fs是信号采样频率，round(*)表示四舍五入运算；

第三步，对每个Block求其频谱的能量∑|·|²，得到E(n)，n＝1...N；

第四步，对向量E求平均值

第五步，求得向量E的方差和

第六步，更新标志位flag，flag＝0，表示前一次检测结果为无信号，此种条件下，只有当σ_sum>K2时判定为当前检测到信号，flag变为1；当flag＝1，表示前一次检测结果为有信号，此种条件下，只有当σ_sum<K1时判定为当前未检测到信号，flag变为0，K1和K2为门限值，由理论仿真配合经验值给出，K2>K1；

第七步，根据标志位控制后续解调线程是否开启：flag＝1，开启后续解调线程，否则关闭后续解调线程。

6.如权利要求1所述的用于深井孔内爆破的智能爆破筒悬吊系统，其特征在于，所述无线射频收发模块设置有无线通信极限容量计算模块，所述无线通信极限容量计算模块的无线通信极限容量的计算方法如下：

利用Laguerre多项式计算得到：

其中，m＝min(N_t,N_r)

n＝max(N_t,N_r)；

为次数为k的Laguerre多项式：

如果令λ＝n/m，推导出如下归一化后的信道容量表示式；

其中，

在快速瑞利衰落的情况下，令m＝n＝N_t＝N_r，则v₁＝0，v₂＝4；

渐进信道容量为：

利用不等式：

log₂(1+x)≥log₂(x) (式6)

式(5)简化为：

式(5)表明，随着收发天线数目的增加，极限信道的容量会随之线性地增加。