CN107389062A - 一种基于光纤光栅捷联惯导的矿井罐笼定位系统及方法 - Google Patents

一种基于光纤光栅捷联惯导的矿井罐笼定位系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于光纤光栅捷联惯导的矿井罐笼定位系统及方法，属于煤矿安全检测领域。包括地面数据处理及控制子系统、井筒数据传输通讯子系统、惯性导航系统三部分。惯性单元测量出罐笼运动的加速度和角速度，通过惯性系统进行解算，得到罐笼的加速度和角速度信息，通过射频天线网络将数据上传至地面数据处理系统，经由地面处理系统对惯性单元信息进行处理，得到罐笼实时的位置和姿态信息。本系统利用光纤光栅惯性传感技术，抗干扰能力强，可靠性高，测量精度高，实时性高，误差较小，不受矿井深度，井筒内空气状况，提升钢丝绳打滑、弹性伸长、蠕动等的影响。

Description

一种基于光纤光栅捷联惯导的矿井罐笼定位系统及方法
技术领域
本发明涉及一种矿井罐笼定位系统及方法，属于煤矿提升设备的安全监测技术领域，尤其适用于一种基于光纤光栅捷联惯导的矿井罐笼定位系统及方法。
技术背景
矿井提升机担负着沿井筒提升矿石、下放物料、升降人员和设备的任务，在采矿生产活动中占有极其重要的地位。矿井提升的作用决定了提升机必须具备安全可靠、高效经济等特点。矿井生产要求提升设备能长期连续可靠运转，并最大限度的降低事故发生率和检修时间；同时，提升机属于大型矿山设备，其功率大、耗电多，造价和运转费用影响矿井生产技术经济指示。尤为重要的是提升机的安全可靠性，不仅影响整个矿井生产，而涉及人员的生命和财产安全。现阶段存有的技术体系缺乏对提升过程的全程实时监控，常常发生提升机卡罐、超速、过卷，导致矿井生产中断、设备损坏、人员伤亡等事故发生，给煤矿生产带来极大的经济损失。
提升系统的罐笼是直接与煤矿、设备和人员相接触的，提升系统的性能主要反映在罐笼的安全性和准确性。罐笼定位不精确，将降低生产效率一旦发生倾斜、过卷、卡罐等故障将导致重大事故。因此，其可靠、高效、安全运行具有十分重要的意义，将直接关系到矿山生产的安全和效益，必须对其进行实时监控。
国内现有的技术均是根据卷筒旋转带动深度指示器或编码器间接计算出罐笼位置，而钢丝绳在自身重力及重载荷下发生弹性伸长、打滑、缠绕半径随缠绕层数变化等问题导致定位精度差，不能满足提升系统安全高效运转的需要。
发明内容
技术问题：为了克服现有技术中的不足，提供一种抗电磁干扰，精度高，可靠性高、实时性好的基于光纤光栅捷联惯导的矿井罐笼定位系统及方法。
技术方案：为实现上述技术目的本发明的基于光纤光栅捷联惯导的矿井罐笼定位系统，它包括惯性导航系统、井筒数据传输通讯子系统、地面数据处理及控制子系统；其中惯性导航系统和井筒数据传输通讯子系统设置在罐笼上，罐笼上下运行过程中的井筒壁上设有井筒数据传输通讯子系统，井筒数据传输通讯子系统的末端与地面数据处理及控制子系统相连接。
其中惯性导航系统包括惯性单元、信号解调及采集模块、导航解算模块、数据处理模块、数据存储模块及通信模块，所述惯性单元包括三向光纤光栅加速度计、三个光纤光栅陀螺仪、一个光纤光栅测温装置；所述信号解调及采集模块包括相互连接的动态光纤光栅解调仪和单片机系统；
三向光纤光栅加速度计、三个光纤光栅陀螺仪、光纤光栅测温装置的输出端分别与动态光纤光栅解调仪的输入端相连接，动态光纤光栅解调仪通过光纤与单片机相互连接，单片机分别与导航解算模块和数据存储模块相连接，导航解算模块分别与数据存储模块和数据处理模块相连接，数据存储模块还与数据处理模块和通信模块相连接。
所述井筒数据传输通讯子系统包括多个通过光纤相互连接的网络射频分站，网络射频分站由网络射频天线和移动射频收发器构成，所述惯性导航系统中的通信模块由与网络射频分站相匹配的网络射频天线和移动射频收发器构成。
所述多个网络射频分站间隔50米沿井筒走势设置在井筒壁上，构成总线分布式结构的网络拓扑系统。
所述地面数据处理及控制子系统包括设置在地面相互连接的网络服务器和监控服务器。
所述的网络射频分站同时兼做射频标定路标。
所述数据处理模块系统采用AVR Atmega8L单片机；所述导航解算及处理模块采用TI公司TMS320系列C6713 32位浮点型DSP；
所述地面数据处理及控制系统的监控服务器内嵌罐笼定位软件系统应用UKF的设计原理，针对罐笼(1)定位系统的姿态估计问题设计了姿态最优估计滤波器。对光纤光栅加速度计和光纤光栅陀螺仪的数据进行融合并对其产生的随机漂移误差进行补偿，得到了姿态的最优估计,使得系统在短时间内能够保持足够的精度。对于较长时间的积累误差则用射频标定路标进行校正，保证长时间的定位精度。
一种基于光纤光栅捷联惯导的矿井罐笼定位方法，包括以下步骤：
a、将罐笼提升至井筒顶部与地面于平齐，通过全站仪利用地面两个已知点测出设置在罐笼顶部的光纤光栅惯性测量系统的坐标；
b、将惯性测量系统固定于罐笼顶部处，罐笼保持静止10分钟，惯性测量系统进行初始化，采集角速度和加速度值自对准，确定罐笼的初始姿态；
c、启动罐笼，罐笼随着提升钢丝绳的运动向井下运行，光纤光栅加速度计和陀螺仪中光栅波长发生漂移，利用光纤光栅解调仪解调惯性测量系统此时的三轴角速度和三轴加速度各自的变化漂移量，单片机系统配合导航解算模块和数据处理模块将测量到的数据进行处理，并存储到数据存储模块最终通过通信模块发射出去。
d、设置在井筒壁上的网络射频分站接收到通信模块发射的数据，将数据发送到网络服务器中，网络服务器对光纤光栅惯性测量系统信号处理为对应的加速度值和角速度值，同时记录接收到数据的网络射频分站的坐标；
e、地面数据处理及控制子系统利用获取的罐笼的坐标和自对准得到的初始姿态数据及实时采集的角速度和加速度值，采用四元数法建立罐笼姿态矩阵，通过角速度值计算罐笼运动的姿态角,利用姿态信息对加速度数据进行坐标变换，通过SINS编排计算罐笼上下井过程的惯性测量系统运动轨迹，实现对罐笼位置的精确测量。
有益效果：本发明与已有技术相比，可有如下优点：
1、本申请使用惯性测量单元采用光纤光栅三轴加速度计和三个陀螺仪，光纤光栅灵敏度高、测量精度高、抗干扰能力强，精度高，本质安全；
2、本申请结合罐笼坐标、初始姿态数据及实时采集的角速度和加速度值，不受提升钢丝绳变形伸长和打滑的影响；
3、本申请测量采样频率高，定位准确度高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的井下惯性导航系统电路框图。
图中：1-罐笼；2-惯性导航系统；3-提升钢丝绳；4-网络射频分站；5-蓄电池；6-网络服务器；7-监控服务器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
如图1所示，本发明的基于光纤光栅捷联惯导的矿井罐笼定位系统，其包括惯性导航系统2、井筒数据传输通讯子系统、地面数据处理及控制子系统；其中惯性导航系统2和井筒数据传输通讯子系统设置在罐笼1上，罐笼1上下运行过程中的井筒壁上设有井筒数据传输通讯子系统，井筒数据传输通讯子系统的末端与地面数据处理及控制子系统相连接。
如图2所示，其中惯性导航系统2包括惯性单元、信号解调及采集模块、导航解算模块、数据处理模块、数据存储模块及通信模块，所述惯性单元包括三向光纤光栅加速度计、三个光纤光栅陀螺仪、一个光纤光栅测温装置；所述信号解调及采集模块包括相互连接的动态光纤光栅解调仪和单片机系统；
三向光纤光栅加速度计、三个光纤光栅陀螺仪、光纤光栅测温装置的输出端分别与动态光纤光栅解调仪的输入端相连接，动态光纤光栅解调仪通过光纤与单片机相互连接，单片机分别与导航解算模块和数据存储模块相连接，导航解算模块分别与数据存储模块和数据处理模块相连接，数据存储模块还与数据处理模块和通信模块相连接。
所述井筒数据传输通讯子系统包括多个通过光纤相互连接的网络射频分站4，网络射频分站4由网络射频天线和移动射频收发器构成，所述惯性导航系统2中的通信模块由与网络射频分站4相匹配的网络射频天线和移动射频收发器构成。所述多个网络射频分站4间隔50米沿井筒走势设置在井筒壁上，网络拓扑系统选用总线分布式结构，采用较成熟的工业控制网络CAN总线技术。
所述地面数据处理及控制子系统包括设置在地面相互连接的网络服务器6和监控服务器7。所述的网络射频分站4同时兼做射频标定路标。所述数据处理模块系统采用AVRAtmega8L单片机；所述导航解算及处理模块采用TI公司TMS320系列C6713 32位浮点型DSP。
所述地面数据处理及控制系统的监控服务器内嵌罐笼定位软件系统应用UKF的设计原理，针对罐笼1定位系统的姿态估计问题设计了姿态最优估计滤波器。对光纤光栅加速度计和光纤光栅陀螺仪的数据进行融合并对其产生的随机漂移误差进行补偿，得到了姿态的最优估计,使得系统在短时间内能够保持足够的精度。对于较长时间的积累误差则用射频标定路标进行校正，保证长时间的定位精度。
一种基于光纤光栅捷联惯导的矿井罐笼定位方法，包括以下步骤：
a、将罐笼1提升至井筒顶部与地面于平齐，通过全站仪利用地面两个已知点测出设置在罐笼1顶部的光纤光栅惯性测量系统的坐标；
b、将惯性测量系统2固定于罐笼顶部处，罐笼1保持静止10分钟，惯性测量系统进行初始化，采集角速度和加速度值自对准，确定罐笼1的初始姿态；
c、启动罐笼1，罐笼1随着提升钢丝绳3的运动向井下运行，光纤光栅加速度计和陀螺仪中光栅波长发生漂移，利用光纤光栅解调仪解调惯性测量系统此时的三轴角速度和三轴加速度各自的变化漂移量，单片机系统配合导航解算模块和数据处理模块将测量到的数据进行处理，并存储到数据存储模块最终通过通信模块发射出去。
d、设置在井筒壁上的网络射频分站4接收到通信模块发射的数据，将数据发送到网络服务器6中，网络服务器6对光纤光栅惯性测量系统信号处理为对应的加速度值和角速度值，同时记录接收到数据的网络射频分站4的坐标；
e、地面数据处理及控制子系统利用获取的罐笼1的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，采用四元数法建立罐笼姿态矩阵，通过角速度值计算罐笼运动的姿态角,利用姿态信息对加速度数据进行坐标变换，通过SINS编排计算罐笼上下井过程的惯性测量系统运动轨迹，实现对罐笼位置的精确测量。

Claims (9)

1.一种基于光纤光栅捷联惯导的矿井罐笼定位系统，其特征在于：它包括惯性导航系统(2)、井筒数据传输通讯子系统、地面数据处理及控制子系统；其中惯性导航系统(2)和井筒数据传输通讯子系统设置在罐笼(1)上，罐笼(1)上下运行过程中的井筒壁上设有井筒数据传输通讯子系统，井筒数据传输通讯子系统的末端与地面数据处理及控制子系统相连接。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅捷联惯导的矿井罐笼定位系统，其特征在于：其中惯性导航系统(2)包括惯性单元、信号解调及采集模块、导航解算模块、数据处理模块、数据存储模块及通信模块，所述惯性单元包括三向光纤光栅加速度计、三个光纤光栅陀螺仪、一个光纤光栅测温装置；所述信号解调及采集模块包括相互连接的动态光纤光栅解调仪和单片机系统；
三向光纤光栅加速度计、三个光纤光栅陀螺仪、光纤光栅测温装置的输出端分别与动态光纤光栅解调仪的输入端相连接，动态光纤光栅解调仪通过光纤与单片机相互连接，单片机分别与导航解算模块和数据存储模块相连接，导航解算模块分别与数据存储模块和数据处理模块相连接，数据存储模块还与数据处理模块和通信模块相连接。
3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅捷联惯导的矿井罐笼定位系统，其特征在于：所述井筒数据传输通讯子系统包括多个通过光纤相互连接的网络射频分站(4)，网络射频分站(4)由网络射频天线和移动射频收发器构成，所述惯性导航系统(2)中的通信模块由与网络射频分站(4)相匹配的网络射频天线和移动射频收发器构成。
4.根据权利要求3所述的基于光纤光栅捷联惯导的矿井罐笼定位系统，其特征在于：所述多个网络射频分站(4)间隔50米沿井筒走势设置在井筒壁上，构成总线分布式结构的网络拓扑系统。
5.根据权利要求3所述的基于光纤光栅捷联惯导的矿井罐笼定位系统，其特征在于：所述地面数据处理及控制子系统包括设置在地面相互连接的网络服务器(6)和监控服务器(7)。
6.根据权利要求4所述的基于光纤光栅捷联惯导的矿井罐笼定位系统，其特征在于：所述的网络射频分站(4)同时兼做射频标定路标。
7.根据权利要求书1所述的基于光纤光栅捷联惯导的矿井罐笼定位系统，其特征在于：所述数据处理模块系统采用AVR Atmega8L单片机；所述导航解算及处理模块采用TI公司TMS320系列C6713 32位浮点型DSP。
8.根据权利要求书2所述的基于光纤光栅捷联惯导的矿井罐笼定位系统，其特征在于：所述地面数据处理及控制系统的监控服务器内嵌罐笼定位软件系统应用UKF的设计原理，针对罐笼(1)定位系统的姿态估计问题设计了姿态最优估计滤波器。对光纤光栅加速度计和光纤光栅陀螺仪的数据进行融合并对其产生的随机漂移误差进行补偿，得到了姿态的最优估计,使得系统在短时间内能够保持足够的精度。对于较长时间的积累误差则用射频标定路标进行校正，保证长时间的定位精度。
9.一种使用权利要求2所述基于光纤光栅捷联惯导的矿井罐笼定位系统的定位方法，其特征在于包括以下步骤：
a、将罐笼(1)提升至井筒顶部与地面于平齐，通过全站仪利用地面两个已知点测出设置在罐笼(1)顶部的光纤光栅惯性测量系统的坐标；
b、将惯性测量系统(2)固定于罐笼顶部处，罐笼(1)保持静止10分钟，惯性测量系统进行初始化，采集角速度和加速度值自对准，确定罐笼(1)的初始姿态；
c、启动罐笼(1)，罐笼(1)随着提升钢丝绳(3)的运动向井下运行，光纤光栅加速度计和陀螺仪中光栅波长发生漂移，利用光纤光栅解调仪解调惯性测量系统此时的三轴角速度和三轴加速度各自的变化漂移量，单片机系统配合导航解算模块和数据处理模块将测量到的数据进行处理，并存储到数据存储模块最终通过通信模块发射出去。
d、设置在井筒壁上的网络射频分站(4)接收到通信模块发射的数据，将数据发送到网络服务器(6)中，网络服务器(6)对光纤光栅惯性测量系统信号处理为对应的加速度值和角速度值，同时记录接收到数据的网络射频分站(4)的坐标；
e、地面数据处理及控制子系统利用获取的罐笼(1)的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，采用四元数法建立罐笼姿态矩阵，通过角速度值计算罐笼运动的姿态角,利用姿态信息对加速度数据进行坐标变换，通过SINS编排计算罐笼上下井过程的惯性测量系统运动轨迹，实现对罐笼位置的精确测量。
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