CN108444472A - 一种煤矿井下手持式陀螺罗盘及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤矿井下手持式陀螺罗盘及其测量方法。包括：分别与姿态解算与控制模块相连接的姿态数据采集模块、激光模块显示模块及电源电路模块；所述的姿态数据采集模块包括MEMS陀螺传感器、加速度计传感器、信号调理电路；信号调理电路将陀螺传感器和加速度计传感器信号经过放大、滤波和采样；采样数据送入姿态解算与控制模块进行方位角、倾角、横滚角的计算、存储；并发送到显示模块进行显示。本发明通过惯性传感器测量地球自转角速率与重力场加速度来获得被测物体的方位角、倾角、横滚角，具有测量精度高、操作简单、无需测量基准、不受磁干扰影响的优点。

Description

一种煤矿井下手持式陀螺罗盘及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种陀螺罗盘及其测量方法，属于井下测量仪器领域，具体是涉及一种煤矿井下手持式陀螺罗盘及其测量方法。

背景技术

在煤矿井下，目前使用的罗盘仪都是磁罗盘，有机械指针式，有电子显示式，常用于测量各种地质构造的走向(方位角)、倾角及倾向。磁罗盘测量得到的方位角为磁方位角，需要加上当地磁偏角才能获得真方位角。这种磁罗盘的缺点非常明显，其对周围铁磁物质造成的干扰无法消除，测量误差大。特别是要测量机器设备的姿态(方位角、倾角及滚动角)时，磁罗盘完全无法测量。目前煤矿井下机器设备的姿态通常采用人工测量及计算的方法获得。

为克服煤矿井下磁罗盘测量的问题，本发明提供了一种煤矿井下手持式陀螺罗盘及其使用方法。该手持式陀螺罗盘基于三轴MEMS陀螺和三轴加速度计的惯性测量技术，其特点是不受外界铁磁干扰的影响且无需，所测得的方位角为真方位角。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的上述的技术问题，提供了一种煤矿井下手持式陀螺罗盘及其测量方法。该罗盘及其测量方法采用MEMS惯性测量技术，不需要任何外界测量基准且不受外界各种磁干扰，仅依靠仪器自身可以自动测量地层走向倾角及倾向，也可以测量煤矿井下各种机器设备的姿态(方位角倾角滚动角)。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种煤矿井下手持式陀螺罗盘，包括：

姿态数据采集模块，包括与信号调理电路相连的用于检测陀螺罗盘所处姿态下地球自转角速率分量的三轴MEMS陀螺以及用于检测陀螺罗盘所处姿态下重力场分量的三轴加速度计；所述信号调理电路将重力场分量及地球自转角速率分量的电流信号通过跨阻运放转换为电压信号，然后通过低通滤波电路去除干扰信号后通过A/D采样电路转化为数字脉冲电压信号；

解算与控制模块，与姿态数据采集模块相连，包括FPGA采集电路、DSP处理器、主控单片机电路、FLASH存储器及USB通讯电路；所述FPGA采集电路收集将数字脉冲电压信号中的重力场分量信号及自转角速率分量信号送入DSP处理器进行姿态求解获得姿态信息，并将处理结果传给主控单片机，所述主控单片机由显示模块实时显示结果和/或将结果存储于FLASH存储器中；

激光模块，与解算与控制模块相连，包括激光指向模块和激光投线模块；当按下激光模块的电源开关时，激光指向模块和激光投线模块同时工作产生一个激光十字线，该激光十字线的中心线由激光指向模块产生，其方向与陀螺罗盘的y轴指向一致，而激光十字线中两束相互垂直的激光投线，由激光投线模块产生，其方向与陀螺罗盘x轴指向一致或垂直；

电源电路模块，与姿态数据采集模块、解算与控制模块、显示模块相连，包括可充电锂离子电池、充电接口和稳压限流电路，所述锂离子电池输出的直流电压经过隔离升压或降压，产生的电压经过稳压和限流后供给姿态数据采集模块、解算与控制模块及显示模块。

其中，上述的一种煤矿井下手持式陀螺罗盘，所述显示模块包括：LCD液晶显示屏及显示驱动电路；其显示内容包括陀螺罗盘的方位角、俯仰角和横滚角的数值；所述方位角是指陀螺罗盘X轴在水平面投影与地理北向之间的夹角；所述俯仰角是指陀螺罗盘X轴与水平面之间的夹角，横滚角是指陀螺罗盘Z轴在铅垂面的投影与铅垂线之间的夹角，陀螺罗盘外壳体上设有X轴Y轴及Z轴的标记。

其中，上述的一种煤矿井下手持式陀螺罗盘，所述陀螺传感器为3轴MEMS陀螺传感器，所述加速度传感器为3轴重力加速度传感器。

其中，上述的一种煤矿井下手持式陀螺罗盘，当显示模块上数据需要保存时，在解算与控制模块的控制下，该数据被存储于解算与控制模块中的存储器中。

一种煤矿井下方位测量方法，包括：采用高精度MEMS陀螺和MEMS加速度计组成传感器组件，通过姿态采集模块将数字电压信号送入FPGA处理电路进行打包，再送入DSP处理器，利用寻北算法得到陀螺罗盘的方位角、倾角及滚动角，再经RS232串口送入主控单片机，将姿态信息存入FLASH存储器并通过LCD显示屏显示。

其中，上述的一种煤矿井下方位测量方法，包括：

步骤6.1，根据待测地质体情况，选择待测地质体的特征面；

步骤6.2，打开激光模块电源开关；将激光十字线中和陀螺罗盘x轴平行的激光线与地质体特征面走向保持一致且和y轴平行的激光线与地质体特征面走向保持垂直；陀螺罗盘加电开始测量，测量过程中陀螺罗盘保持静止不动，直到显示屏显示出测量的方位角、倾角与横滚角；利用存储按钮保存方位角、倾角及横滚角数据，之后关机结束测量；

步骤6.3，进行产状计算，将所测量的方位角值作为地质体特征面的走向，将所测量的倾角值作为所测量地质体特征面的倾角。选择陀螺罗盘外壳体某边框平面作为基准面，根据基准面在三维空间中的姿态，判断该地质体特征面的倾向方向，将所记录的地质体特征面的走向值加90度或减90度，得到所测量地质体特征面的倾向。

其中，上述的一种煤矿井下方位测量方法，包括：

步骤7.1，根据待测机器设备，选择所测对象的特征面；

步骤7.2，将陀螺罗盘紧贴或放置于待测物体特征面上，使其x轴指向待测方位并保持静止状态；

步骤7.3，开机上电后，解算与控制计算机开始启动，三轴MEMS陀螺传感器和三轴加速度计分别敏感地球自转角速率和重力加速度，并经过调理电路的处理，采样数据送入解算与控制模块进行姿态解算，获得待测物体的方位角、倾角及横滚角并输出到显示屏上；利用存储按钮保存方位角、倾角及横滚角数据；之后关机结束测量。

因此，本发明具有如下优点：

(1)本发明提供的煤矿井下手持式陀螺罗盘及使用方法，利用惯性传感器测量地质体产状(或机器设备的姿态)，具有精度高、操作简单、效率高的优点。由于采用三维(轴)测量与解算技术，无需外界给定测量基准，测量时无需保持罗盘水平状态，任意姿态下均可自动、准确、快速地测量地质体走向、倾角及倾向(或方位角、倾角及滚动角)。避免了通常采用人工测量与计算带来的误差及可能的错误。

(2)本发明提供的煤矿井下手持式陀螺罗盘及使用方法，利用惯性传感器测量地球自转速率及重力来确定地质体产状，相比现有的采用磁传感器通过测量地球磁场来确定地质体产状的磁罗盘及其使用方法，具有不受煤矿井下存在的大量铁磁物质造成的磁干扰影响，使用条件完全不受限制。

(3)本发明提供的煤矿井下手持式陀螺罗盘及使用方法，利用MEMS惯性传感器来确定煤矿井下机器设备的姿态，相比现有的煤矿井下钻机姿态测量仪及其测量方法，该MEMS陀螺罗盘为手持式仪器，采用MEMS陀螺作为惯性传感器，体积小重量轻且无需安装固定，实现静态测量。钻机姿态测量仪采用光纤陀螺作为惯性传感器，体积大重量大需要安装固定可实现静态测量及动态跟踪。该MEMS陀螺罗盘可用于地质体产状的测量，而钻机姿态测量仪不具备这个功能。

(4)本发明提供的煤矿井下手持式陀螺罗盘及使用方法，测量的方位角误差小于2.0°，测量的倾角误差小于0.2°。配合使用十字激光线，可以在非接触条件下，准确快速地测量被测地质体的走向、倾角及倾向。

附图说明

图1为本发明的一种煤矿井下手持式陀螺罗盘的系统原理图；

图2为本发明的一种煤矿井下手持式陀螺罗盘用于地质体产状测量的流程示意图。

图3为本发明的一种煤矿井下手持式陀螺罗盘用于机器、设备姿态测量的流程示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本发明提供的一种煤矿井下手持式陀螺罗盘，如图1所示，包括姿态数据采集模块、解算与控制模块、激光模块、显示模块及电源电路模块。

电源电路模块包括可充电锂离子电池、充电接口和稳压限流电路。锂离子电池输出的直流电压经过隔离升压或降压，产生的电压经过稳压和限流后供给姿态数据采集模块、解算与控制模块及显示模块。

姿态数据采集模块包括三轴MEMS陀螺和三轴加速度计及信号调理电路。信号调理电路包括运算放大电路、低通滤波电路及A/D采用电路。三轴加速度计检测陀螺罗盘所处姿态下的重力场分量，三轴MEMS陀螺检测陀螺罗盘所处姿态下地球自转的角速率分量。三轴MEMS陀螺和三轴加速度计分别将检测重力场分量及地球自转角速率分量所输出的电流信号送入后端的信号调理电路。在信号调理电路中分别将电流信号通过跨阻运放转换为电压信号，然后通过低通滤波电路去除干扰信号，再将滤波后的模拟电压信号输入给A/D采样电路转化为数字脉冲电压信号。

解算与控制模块包括FPGA采集电路、DSP处理器、主控单片机电路、FLASH存储器及USB通讯电路。显示模块包括LCD液晶显示屏及显示驱动电路。由A/D采样电路输出的数字脉冲信号在单片机的控制下进入FPGA采集电路，FPGA采集电路将重力场分量信号及自转角速率分量信号进行收集后，送入DSP处理器进行姿态求解获得姿态信息(方位、角倾角及滚动角)，并通过FPGA传送给主控单片机，既可以由显示模块实时显示也可以存储在FLASH存储器中。此外，存储在FLASH中的数据可以通过USB接口导出。

激光模块包括激光指向模块和激光投线模块。激光模块的供电由单片机提供，当按下激光模块的电源开关时，激光指向模块和激光投线模块同时工作产生一个激光十字线，该激光十字线的中心线由激光指向模块产生，其方向与陀螺罗盘的y轴指向一致，而激光十字线中两束相互垂直的激光投线，由激光投线模块产生，其方向与陀螺罗盘x轴指向一致或垂直。

本发明提供的一种煤矿井下手持式陀螺罗盘，整体包括如下组成部件：采用塑料外壳、3英寸LCD液晶显示屏、锂离子电池、三轴MEMS陀螺、三轴加速度计、调理电路及计算模块、单片机及存储器、充电/USB接口。

本发明提供的一种煤矿井下手持式陀螺罗盘，采用三个高精度MEMS陀螺和三个MEMS加速度计组成传感器组件，通过姿态采集模块将数字电压信号送入FPGA处理电路进行打包，再送入DSP处理器，借助寻北算法得到陀螺罗盘的方位角、倾角及滚动角，再经RS232串口送入主控单片机，再将姿态信息存入FLASH存储器并通过LCD显示屏显示等。FLASH存储器中的数据可以通过USB接口导出。

如图2所示，为利用本发明的一种煤矿井下手持式陀螺罗盘进行地质体产状测量方法的流程。

1)根据待测地质体情况，选择待测地质体的特征面；

2)打开激光模块电源开关；将激光十字线中和陀螺罗盘x轴平行的激光线与地质体特征面走向保持一致且和y轴平行的激光线与地质体特征面走向保持垂直；陀螺罗盘加电开始测量，测量过程中陀螺罗盘保持静止不动，直到显示屏显示出测量的方位角、倾角与横滚角；利用存储按钮保存方位角、倾角及横滚角数据，之后关机结束测量。

3)进行产状计算：将所测量的方位角值作为地质体特征面的走向，将所测量的倾角值作为所测量地质体特征面的倾角。选择陀螺罗盘外壳体某边框平面作为基准面，根据基准面在三维空间中的姿态，判断该地质体特征面的倾向方向，将所记录的地质体特征面的走向值加90度或减90度，得到所测量地质体特征面的倾向。

如图3所示，为利用本发明的一种煤矿井下手持式陀螺罗盘进行机器设备姿态测量方法的流程。

1)根据待测机器设备，选择所测对象的特征面；

2)将陀螺罗盘紧贴或放置于待测物体特征面上，使其x轴指向待测方位并保持静止状态。

3)开机上电；解算与控制计算机开始启动，三轴MEMS陀螺传感器和三轴加速度计分别敏感地球自转角速率和重力加速度，并经过调理电路的处理，采样数据送入解算与控制模块进行姿态解算，获得待测物体的方位角、倾角及横滚角并输出到显示屏上；利用存储按钮保存方位角、倾角及横滚角数据；之后关机结束测量。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种煤矿井下手持式陀螺罗盘，其特征在于，包括：

姿态数据采集模块，包括与信号调理电路相连的用于检测陀螺罗盘所处姿态下地球自转角速率分量的三轴MEMS陀螺以及用于检测陀螺罗盘所处姿态下重力场分量的三轴加速度计；所述信号调理电路将重力场分量及地球自转角速率分量的电流信号通过跨阻运放转换为电压信号，然后通过低通滤波电路去除干扰信号后通过A/D采样电路转化为数字脉冲电压信号；

解算与控制模块，与姿态数据采集模块相连，包括FPGA采集电路、DSP处理器、主控单片机电路、FLASH存储器及USB通讯电路；所述FPGA采集电路收集将数字脉冲电压信号中的重力场分量信号及自转角速率分量信号送入DSP处理器进行姿态求解获得姿态信息，并将处理结果传给主控单片机，所述主控单片机由显示模块实时显示结果和/或将结果存储于FLASH存储器中；

激光模块，与解算与控制模块相连，包括激光指向模块和激光投线模块；当按下激光模块的电源开关时，激光指向模块和激光投线模块同时工作产生一个激光十字线，该激光十字线的中心线由激光指向模块产生，其方向与陀螺罗盘的y轴指向一致，而激光十字线中两束相互垂直的激光投线，由激光投线模块产生，其方向与陀螺罗盘x轴指向一致或垂直；

电源电路模块，与姿态数据采集模块、解算与控制模块、显示模块相连，包括可充电锂离子电池、充电接口和稳压限流电路，所述锂离子电池输出的直流电压经过隔离升压或降压，产生的电压经过稳压和限流后供给姿态数据采集模块、解算与控制模块及显示模块。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下手持式陀螺罗盘，其特征在于，所述显示模块包括：LCD液晶显示屏及显示驱动电路；其显示内容包括陀螺罗盘的方位角、俯仰角和横滚角的数值；所述方位角是指陀螺罗盘X轴在水平面投影与地理北向之间的夹角；所述俯仰角是指陀螺罗盘X轴与水平面之间的夹角，横滚角是指陀螺罗盘Z轴在铅垂面的投影与铅垂线之间的夹角，陀螺罗盘外壳体上设有X轴Y轴及Z轴的标记。

3.根据权利要求1所述的一种煤矿井下手持式陀螺罗盘，其特征在于，所述陀螺传感器为3轴MEMS陀螺传感器，所述加速度传感器为3轴重力加速度传感器。

4.根据权利要求1所述的一种煤矿井下手持式陀螺罗盘，其特征在于，当显示模块上数据需要保存时，在解算与控制模块的控制下，该数据被存储于解算与控制模块中的存储器中。

5.一种煤矿井下方位测量方法，其特征在于，包括：采用高精度MEMS陀螺和MEMS加速度计组成传感器组件，通过姿态采集模块将数字电压信号送入FPGA处理电路进行打包，再送入DSP处理器，利用寻北算法得到陀螺罗盘的方位角、倾角及滚动角，再经RS232串口送入主控单片机，将姿态信息存入FLASH存储器并通过LCD显示屏显示。

6.根据权利要求5所述的一种煤矿井下方位测量方法，其特征在于，包括：

步骤6.1，根据待测地质体情况，选择待测地质体的特征面；

步骤6.2，打开激光模块电源开关；将激光十字线中和陀螺罗盘x轴平行的激光线与地质体特征面走向保持一致且和y轴平行的激光线与地质体特征面走向保持垂直；陀螺罗盘加电开始测量，测量过程中陀螺罗盘保持静止不动，直到显示屏显示出测量的方位角、倾角与横滚角；利用存储按钮保存方位角、倾角及横滚角数据，之后关机结束测量；

步骤6.3，进行产状计算，将所测量的方位角值作为地质体特征面的走向，将所测量的倾角值作为所测量地质体特征面的倾角。选择陀螺罗盘外壳体某边框平面作为基准面，根据基准面在三维空间中的姿态，判断该地质体特征面的倾向方向，将所记录的地质体特征面的走向值加90度或减90度，得到所测量地质体特征面的倾向。

7.根据权利要求5所述的一种煤矿井下方位测量方法，其特征在于，包括：

步骤7.1，根据待测机器设备，选择所测对象的特征面；

步骤7.2，将陀螺罗盘紧贴或放置于待测物体特征面上，使其x轴指向待测方位并保持静止状态；

步骤7.3，开机上电后，解算与控制计算机开始启动，三轴MEMS陀螺传感器和三轴加速度计分别敏感地球自转角速率和重力加速度，并经过调理电路的处理，采样数据送入解算与控制模块进行姿态解算，获得待测物体的方位角、倾角及横滚角并输出到显示屏上；利用存储按钮保存方位角、倾角及横滚角数据；之后关机结束测量。