CN108332744B - 一种适用于光纤陀螺开孔定位仪的组合测量系统 - Google Patents

一种适用于光纤陀螺开孔定位仪的组合测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及测量技术领域，公开了一种适用于光纤陀螺开孔定位仪的组合测量系统。包括光纤陀螺、加速度计、捷联惯性测量单元、比较单元、用于测量光纤陀螺开孔定位仪测量点的地理位置的位置信息模块、用于测量光纤陀螺开孔定位仪静止时的速度约束的速度约束信息模块、卡尔曼滤波单元；所述光纤陀螺、加速度计均与捷联惯性测量单元的输入端连接，所述捷联惯性测量单元连接比较单元的输入端，所述位置信息模块和速度约束信息模块分别与比较单元的输入端连接，比较单元的输出端通过卡尔曼滤波单元后与捷联惯性测量单元的输入端连接。本组合测量系统测量精度高，并大大降低了井下钻机光纤陀螺开孔定位仪的加工成本。

Description

一种适用于光纤陀螺开孔定位仪的组合测量系统
技术领域
本发明涉及测量技术领域，更具体地，涉及一种光纤陀螺开孔定位仪的组合测量系统。
背景技术
安全生产是煤矿开采的必要条件，采煤前需对煤层钻孔进行瓦斯抽放。这就要求在井下钻探大量的瓦斯抽采孔。为保证井下安全以及较高的瓦斯抽采率，要求施工钻机按照预先设计的方位角与俯仰角进行打孔作业。因此在钻孔前，必须精确测量钻机钻杆的姿态信息，以保证钻机钻杆姿态最终调整到预先设计的方位角与俯仰角。
目前，公知的井下钻机方位角、俯仰角的确定是靠人工测量的方式来完成。其借助于巷道本身的方位角，通过人工投影与几何测量的方法来确定井下钻机的姿态信息。这种人工测量的方法缺点明显：耗费大量人力、测量时间长、测量误差大，难以满足快速精确测量的实际要求。为了克服人工测量方法的不足，采用广泛应用于航空航天的惯性测量技术的光纤陀螺开孔定位，测量井下钻机钻杆的姿态角，可有效提高作业效率。然而高精度的惯性测量器件成本高，且因惯性测量技术原理的局限性，井下钻机光纤陀螺开孔定位仪纯惯性测量方法的测量误差随时间逐渐积累，对井下钻机光纤陀螺开孔定位仪的测量精度造成严重影响，轻则影响瓦斯抽采量，重则威胁煤矿工人的安全。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种克服纯惯性测量缺点，实现开孔定位仪的高精度测量的适用于煤矿井下钻机光纤陀螺开孔定位仪的捷联惯性组合测量系统。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
提供一种适用于光纤陀螺开孔定位仪的组合测量系统，包括光纤陀螺、加速度计、捷联惯性测量单元、比较单元、用于测量光纤陀螺开孔定位仪测量点的地理位置的位置信息模块、用于测量光纤陀螺开孔定位仪静止时的速度约束的速度约束信息模块、卡尔曼滤波单元；所述光纤陀螺、加速度计均与捷联惯性测量单元的输入端连接，所述捷联惯性测量单元连接比较单元的输入端，所述位置信息模块和速度约束信息模块分别与比较单元的输入端连接，比较单元的输出端通过卡尔曼滤波单元后与捷联惯性测量单元的输入端连接；
所述光纤陀螺、加速度计分别将角速度信号、比力信号传送给捷联惯性测量单元，捷联惯性测量单元对角速度信号和比力信号进行捷联惯性导航解算后分别输出位置信号、速度信号给比较单元，比较单元将解算后的位置信号与光纤陀螺开孔定位仪测量点地理位置信号进行比较，将解算后的速度信号与光纤陀螺开孔定位仪的速度约束信号进行比较，比较后的信号通过卡尔曼滤波器进行卡尔曼滤波后反馈至捷联惯性测量单元。
进一步地，还包括与捷联惯性测量单元连接的显示器，用于显示钻机姿态信息。
进一步地，所述比较单元包括用于速度比较的比较单元A和用于位置比较的比较单元B。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的组合测量系统克服了纯惯性测量技术的局限性，可有效提高井下钻机光纤陀螺开孔定位仪的测量精度，能够在使用中等精度惯性测量器件的条件下实现高精度的组合测量系统，并且大大降低了井下钻机光纤陀螺开孔定位仪的加工成本。
附图说明
图1是本发明井下光纤惯性开孔定位仪光纤捷联惯性测量单元组成示意图。
图2是本发明捷联惯性组合测量方法的结构框图。
图中，1-基座，2-光纤陀螺组件，3-加表组件，4-外壳。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例提供一种适用于光纤陀螺开孔定位仪的组合测量系统，包括光纤陀螺、加速度计、捷联惯性测量单元、比较单元、用于测量光纤陀螺开孔定位仪测量点的地理位置的位置信息模块、用于测量光纤陀螺开孔定位仪静止时的速度约束的速度约束信息模块、卡尔曼滤波单元。
本实施例中，光纤陀螺、加速度计、捷联惯性测量单元共同构成光纤陀螺开孔定位仪光纤捷联惯性测量单元。如图1所示，光纤陀螺开孔定位仪光纤捷联惯性测量单元包括基座1、光纤陀螺组件2、加表组件3以及外壳4。
如图2所示，所述光纤陀螺、加速度计均与捷联惯性测量单元的输入端连接，所述捷联惯性测量单元连接比较单元的输入端，所述位置信息模块和速度约束信息模块分别与比较单元的输入端连接，比较单元的输出端通过卡尔曼滤波单元后与捷联惯性测量单元的输入端连接；
所述光纤陀螺、加速度计分别将角速度信号、比力信号传送给捷联惯性测量单元，捷联惯性测量单元对角速度信号和比力信号进行捷联惯性导航解算后分别输出位置信号、速度信号给比较单元，比较单元将解算后的位置信号与光纤陀螺开孔定位仪测量点地理位置信号进行比较，将解算后的速度信号与光纤陀螺开孔定位仪的速度约束信号进行比较，比较后的信号通过卡尔曼滤波器进行卡尔曼滤波后反馈至捷联惯性测量单元。
比较单元包括用于速度比较的比较单元A和用于位置比较的比较单元B。
还包括与捷联惯性测量单元连接的显示器，用于显示钻机姿态信息。
本实施例的工作原理如下。
S1.采用井下钻机光纤陀螺开孔定位仪测量点的地理位置信息、钻机作业特有的速度约束信息分别与捷联惯性测量输出的钻机位置信息和速度信息进行比较，得到差值信号。
S2.通过步骤S1中的差值信号作为卡尔曼滤波器的观测量进行数据融合获得补偿信号。
S3.将步骤S2中的补偿信号对测量的钻机位置信息和速度信息误差信息进行估计和在线修正，对测量的误差进行实时补偿，实现井下钻机光纤陀螺开孔定位仪的高精度测量。
具体步骤如下文所述。
一、捷联惯性测量单元
捷联惯性测量中，光纤陀螺输出的井下钻机光纤陀螺开孔定位仪机体坐标系ObXbYbZb下的角速度信息；加速度计输出的井下钻机光纤陀螺开孔定位仪机体坐标系ObXbYbZb下的比力信息；然后对所述角速度信息和所述比力信息采用捷联惯性导航算法解算后，输出井下钻机光纤陀螺开孔定位仪的速度信息Vx,Vy,Vz；井下钻机光纤陀螺开孔定位仪的位置信息，包括纬度Lat，经度Lon，高度H；井下钻机光纤陀螺开孔定位仪的姿态信息，包括方位角ψ、滚转角φ、倾斜角θ。二、信息比较单元
根据井下钻机作业特点，在煤层钻孔时保持位置和线速度不变，只有钻杆发生姿态变化。所以利用测量点地理位置和速度约束两个特征信息作为外部信息源，与井下钻机光纤陀螺开孔定位仪捷联惯性测量单元的输出进行比较：
信息比较A单元输出的速度差值
Figure BDA0001610434530000041
信息比较B单元输出的位置差值
Figure BDA0001610434530000042
其中：
Vx代表井下钻机光纤陀螺开孔定位仪捷联惯性导航算法解算的东向速度；
Vy代表井下钻机光纤陀螺开孔定位仪捷联惯性导航算法解算的北向速度；
Vz代表井下钻机光纤陀螺开孔定位仪捷联惯性导航算法解算的天向速度；
Lat代表井下钻机光纤陀螺开孔定位仪捷联惯性导航算法解算的纬度；
Lon代表井下钻机光纤陀螺开孔定位仪捷联惯性导航算法解算的经度；
H代表井下钻机光纤陀螺开孔定位仪捷联惯性导航算法解算的高度；
Lat0代表井下钻机光纤陀螺开孔定位仪测量点的纬度；
Lon0代表井下钻机光纤陀螺开孔定位仪测量点的经度；
H0代表井下钻机光纤陀螺开孔定位仪测量点的高度。
三、卡尔曼滤波单元
Kalman滤波器基本方程为：
Figure BDA0001610434530000043
Z(t)＝H(t)X(t)+V(t) (2)
式(1)为连续系统的状态方程；式(2)为连续系统的量测方程。
对卡尔曼滤波器进行离散可得：
Xk＝φk,k-1Xk-1+Γk-1Wk-1 (3)
Zk＝HkXk+Vk (4)
式(3)为系统离散化的状态方程；式(4)为系统离散化的量测方程。
其中：
Xk为tk时刻状态变量，Xk-1为tk-1时刻状态变量；
φk,k-1为tk-1时刻至tk一步转移阵；
Γk-1为系统噪声驱动阵；
Wk-1为系统激励噪声序列；
Zk为tk时刻观测变量；
Hk为量测阵；
Vk为量测噪声序列。
状态变量选为：
X＝[δγx δγy δγz δvx δvy δvz ηx ηy ηz δfx δfy δfz δωx δωy δωz]
式中：
δγx表示当地地理坐标系OtXtYtZt下的位置误差X轴分量，
δγy表示当地地理坐标系OtXtYtZt下的位置误差Y轴分量，
δγz表示当地地理坐标系OtXtYtZt下的位置误差Z轴分量，
δvx表示当地地理坐标系OtXtYtZt下的速度误差X轴分量，
δvy表示当地地理坐标系OtXtYtZt下的速度误差Y轴分量，
δvz表示当地地理坐标系OtXtYtZt下的速度误差Z轴分量，
ηx表示方位角ψ误差，
ηy表示倾斜角θ误差，
ηz表示滚转角φ误差，
一步转移矩阵为：
Figure BDA0001610434530000061
卡尔曼滤波器接收信息比较单元的输出ZKA、ZKB，作为观测量
Z＝[δγx δγy δγz δvx δvy δvz]＝[ZKB ZKA]
因此可得：量测阵为
Figure BDA0001610434530000062
利用卡尔曼滤波器，实现状态量的实时最优估计。
四、姿态误差补偿修正与显示
将卡尔曼滤波器的输出，送给捷联惯性测量单元，对捷联惯性测量的输出姿态角进行补偿与修正。
Figure BDA0001610434530000071
将输出补偿后的井下钻机光纤陀螺开孔定位仪姿态信息
Figure BDA0001610434530000072
给所述计算机显示界面。
本实施例提供的适用于井下钻机光纤陀螺开孔定位仪的捷联惯性组合测量方法，是对捷联惯性输出的位置信息、速度信息分别与井下钻机光纤陀螺开孔定位仪所在已知地理位置信息、井下钻机光纤陀螺开孔定位仪静止时的速度约束信息进行信息比较后，并对所述信息比较输出的差值进行卡尔曼滤波处理后，用于估计捷联惯性组合的相关误差并进行修正和补偿。经所述修正和补偿后的捷联惯性测量将输出的姿态信息给计算机显示，以便调整井下钻机的姿态。
本实施例捷联惯性组合测量方法进行信息融合可有效提高井下钻机光纤陀螺开孔定位仪的测量精度，能够在使用中等精度惯性测量器件(光纤陀螺和加速度计)条件下实现高精度的组合测量系统，降低了井下钻机光纤陀螺开孔定位仪的加工成本。
附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种适用于光纤陀螺开孔定位仪的组合测量系统，其特征在于，包括光纤陀螺、加速度计、捷联惯性测量单元、比较单元、用于测量光纤陀螺开孔定位仪测量点的地理位置的位置信息模块、用于测量光纤陀螺开孔定位仪静止时的速度约束的速度约束信息模块、卡尔曼滤波单元；所述光纤陀螺、加速度计均与捷联惯性测量单元的输入端连接，所述捷联惯性测量单元连接比较单元的输入端，所述位置信息模块和速度约束信息模块分别与比较单元的输入端连接，比较单元的输出端通过卡尔曼滤波单元后与捷联惯性测量单元的输入端连接；
所述光纤陀螺、加速度计分别将角速度信号、比力信号传送给捷联惯性测量单元，捷联惯性测量单元对角速度信号和比力信号进行捷联惯性导航解算后分别输出位置信号、速度信号给比较单元，比较单元将结算后的位置信号与光纤陀螺开孔定位仪测量点地理位置信号进行比较，将结算后的速度信号与光纤陀螺开孔定位仪的速度约束信号进行比较，比较后的信号通过卡尔曼滤波器进行卡尔曼滤波后反馈至捷联惯性测量单元，所述比较单元包括用于速度比较的比较单元A和用于位置比较的比较单元B，信息比较A单元输出的速度差值：
Figure 744078DEST_PATH_IMAGE001
，
信息比较B单元输出的位置差值：
Figure 456819DEST_PATH_IMAGE002
，
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
代表井下钻机光纤陀螺开孔定位仪捷联惯性导航算法解算的东向速度；
Figure 725120DEST_PATH_IMAGE004
代表井下钻机光纤陀螺开孔定位仪捷联惯性导航算法解算的北向速度；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
代表井下钻机光纤陀螺开孔定位仪捷联惯性导航算法解算的天向速度；
Figure 890523DEST_PATH_IMAGE006
代表井下钻机光纤陀螺开孔定位仪捷联惯性导航算法解算的纬度；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
代表井下钻机光纤陀螺开孔定位仪捷联惯性导航算法解算的经度；
Figure 535262DEST_PATH_IMAGE008
代表井下钻机光纤陀螺开孔定位仪捷联惯性导航算法解算的高度；
Figure DEST_PATH_IMAGE009
代表井下钻机光纤陀螺开孔定位仪测量点的纬度；
Figure 102509DEST_PATH_IMAGE010
代表井下钻机光纤陀螺开孔定位仪测量点的经度；
Figure DEST_PATH_IMAGE011
代表井下钻机光纤陀螺开孔定位仪测量点的高度；
所述卡尔曼滤波器的滤波基本方程为：
Figure 790980DEST_PATH_IMAGE012
式(1)为连续系统的状态方程；式(2)为连续系统的量测方程；
对卡尔曼滤波器进行离散可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
式(3)为系统离散化的状态方程；式(4)为系统离散化的量测方程；
其中：
Figure 194410DEST_PATH_IMAGE014
为
Figure DEST_PATH_IMAGE015
时刻状态变量，
Figure 892108DEST_PATH_IMAGE016
为
Figure DEST_PATH_IMAGE017
时刻状态变量；
Figure 48283DEST_PATH_IMAGE018
为
Figure 124298DEST_PATH_IMAGE017
时刻至
Figure 264293DEST_PATH_IMAGE015
一步转移阵；
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为系统噪声驱动阵；
Figure 765681DEST_PATH_IMAGE020
为系统激励噪声序列；
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为
Figure 792674DEST_PATH_IMAGE015
时刻观测变量；
Figure 291789DEST_PATH_IMAGE022
为量测阵；
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为量测噪声序列；
状态变量选为：
Figure 715817DEST_PATH_IMAGE024
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE025
表示当地地理坐标系
Figure 443733DEST_PATH_IMAGE026
下的位置误差
Figure DEST_PATH_IMAGE027
轴分量，
Figure 636816DEST_PATH_IMAGE028
表示当地地理坐标系
Figure 306832DEST_PATH_IMAGE026
下的位置误差
Figure DEST_PATH_IMAGE029
轴分量，
Figure 906572DEST_PATH_IMAGE030
表示当地地理坐标系
Figure 687446DEST_PATH_IMAGE026
下的位置误差
Figure DEST_PATH_IMAGE031
轴分量，
Figure 616DEST_PATH_IMAGE032
表示当地地理坐标系
Figure 44795DEST_PATH_IMAGE026
下的速度误差
Figure DEST_PATH_IMAGE033
轴分量，
Figure 925639DEST_PATH_IMAGE034
表示当地地理坐标系
Figure 775783DEST_PATH_IMAGE026
下的速度误差
Figure 146722DEST_PATH_IMAGE029
轴分量，
Figure DEST_PATH_IMAGE035
表示当地地理坐标系
Figure 643693DEST_PATH_IMAGE026
下的速度误差
Figure 467293DEST_PATH_IMAGE031
轴分量，
Figure 855549DEST_PATH_IMAGE036
表示方位角
Figure DEST_PATH_IMAGE037
误差，
Figure 628464DEST_PATH_IMAGE038
表示倾斜角
Figure DEST_PATH_IMAGE039
误差，
Figure 545604DEST_PATH_IMAGE040
表示滚转角
Figure DEST_PATH_IMAGE041
误差，
一步转移矩阵为：
Figure 918817DEST_PATH_IMAGE042
卡尔曼滤波器接收信息比较单元的输出
Figure DEST_PATH_IMAGE043
、
Figure 330338DEST_PATH_IMAGE044
，作为观测量；
Figure DEST_PATH_IMAGE045
因此可得：量测阵为：
Figure 207027DEST_PATH_IMAGE046
利用卡尔曼滤波器，实现状态量的实时最优估计。
2.根据权利要求1所述的适用于光纤陀螺开孔定位仪的组合测量系统，其特征在于，还包括与捷联惯性测量单元连接的显示器，用于显示钻机姿态信息。
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一种采用捷联惯导的采煤机动态定位方法;樊启高;《煤炭学报》;20111031;第36卷(第10期);第1758-1761页 *
基于光纤陀螺的煤矿钻机定向仪设计;张春熹等;《煤炭学报》;20131130;第38卷(第11期);第2061-2066页 *

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