CN111307133B - 一种竖井垂直度测量方法、竖井姿态检测设备及存储介质 - Google Patents

一种竖井垂直度测量方法、竖井姿态检测设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种竖井垂直度测量方法，应用于竖井姿态检测设备，所述竖井姿态检测设备包括设置于竖井掘进机的惯导系统和设置于井口位置的里程计，竖井垂直度测量方法包括：获取惯导系统检测的运动信息和里程计检测的里程信息；其中，运动信息包括竖井掘进机的线加速度信息和角速度信息；利用数据融合算法对运动信息和里程信息进行误差补偿操作，得到竖井掘进机的当前姿态角、当前速度和当前位置；根据当前姿态角、当前速度和当前位置确定竖井垂直度。本申请能够提高竖井垂直度的检测精度，降低环境因素对于测量的干扰。本申请还公开了一种竖井姿态检测设备、一种存储介质及一种电子设备，具有以上有益效果。

Description

一种竖井垂直度测量方法、竖井姿态检测设备及存储介质
技术领域
本申请涉及竖井施工技术领域，特别涉及一种竖井姿态检测方法、一种竖井姿态检测设备、一种存储介质及一种电子设备。
背景技术
随着隧道工程的施工发展，竖井作为隧道、煤矿等施工时的通风、物料运输通道，已成为施工建设中的一个重要方面。竖井工程施工自动化程度越来越高，且向超大断面、超深井筒、快速施工等方向发展。
相关技术中，通常采用激光定位的方式测量竖井的垂直度，即采用激光发射装置发射一束激光到刻度板上，读取刻度板的偏差值来计算竖井掘进方向的偏差。但是，这种垂直度测量的方法对于应用环境要求较为苛刻，若利用激光发射装置在泥浆水介质下检测竖井垂直度，随着距离的增加光斑会越来越大，导致测量误差越来越大。
因此，如何提高竖井垂直度的检测精度，降低环境因素对于测量的干扰是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本申请的目的是提供一种竖井姿态检测方法、一种竖井姿态检测设备、一种存储介质及一种电子设备，能够提高竖井垂直度的检测精度，降低环境因素对于测量的干扰。
为解决上述技术问题，本申请提供一种竖井垂直度测量方法，应用于竖井姿态检测设备，所述竖井姿态检测设备包括设置于竖井掘进机的惯导系统和设置于井口位置的里程计，所述竖井垂直度测量方法包括：
获取所述惯导系统检测的运动信息和所述里程计检测的里程信息；其中，所述运动信息包括所述竖井掘进机的线加速度信息和角速度信息；
利用数据融合算法对所述运动信息和所述里程信息进行误差补偿操作，得到所述竖井掘进机的当前姿态角、当前速度和当前位置；
根据所述当前姿态角、所述当前速度和所述当前位置确定竖井垂直度。
可选的，还包括：
在所述竖井掘进机启动之前，利用全站仪检测所述惯导系统的安装支架中心点、所述竖井掘进机的中心轴和所述竖井掘进机底部刀盘中心点的第一位置关系；其中，所述惯导系统通过所述安装支架安装于所述竖井掘进机；
在所述竖井掘进机启动预设时长后，利用所述全站仪标定开挖距离，利用所述全站仪检测所述惯导系统的安装支架中心点、所述竖井掘进机的中心轴和所述竖井掘进机底部刀盘中心点的第二位置关系；
根据所述开挖距离与所述预设时长内所述里程计记录的里程信息确定里程计安装误差矩阵；
根据所述第一位置关系和所述第二位置关系确定惯导系统安装误差矩阵；
根据所述里程计安装误差矩阵和所述惯导系统安装误差矩阵计算所述惯导系统的中心与所述竖井掘进机的中心轴的安装误差，并根据所述安装误差对所述惯导系统进行误差补偿。
可选的，还包括：
在所述竖井掘进机启动预设时长后，停止所述竖井掘进机运行；
根据所述里程计安装误差矩阵的矩阵误差修正值设置所述里程计的初始参数；
根据所述惯导系统安装误差矩阵的矩阵误差修正值设置所述惯导系统的初始参数。
可选的，利用数据融合算法对所述运动信息和所述里程信息进行误差补偿操作，得到所述竖井掘进机的当前姿态角、当前速度和当前位置，包括：
根据所述运动信息和所述里程信息确定姿态角误差、速度误差推算位置、航位误差、陀螺仪和加速度计漂移量、里程计安装误差、标度因数误差状态量和时间延迟建立误差模型；
根据所述误差模型确定当前姿态角、当前速度和当前位置。
可选的，还包括：
根据当前姿态角、当前速度和当前位置确定所述竖井掘进机的实际轨迹；
对比所述实际轨迹和预设轨迹得到轨迹偏差值，并根据所述轨迹偏差值生成对应的调向指令。
可选的，还包括：
在所述竖井掘进机启动后，记录所述竖井掘进机的连续工作时长；
若所述连续工作时长大于或等于第一预设校准时长，则执行零速校准操作；
根据所述连续工作时长确定所述竖井掘进机的总工作时长；
若所述总工作时长大于第二预设校准时长，则控制所述竖井掘机进行停机校准；
在所述竖井掘机进行停机校准操作达到预设停机校准时长后，控制所述竖井掘进机的转动90度并继续进行停机校准。
本申请还提供了一种竖井姿态检测设备，所述竖井姿态检测设备包括设置于竖井掘进机的惯导系统和设置于井口位置的里程计，所述竖井垂直度测量方法设备：
设置于所述竖井掘进机的惯导系统，用于获取所述竖井掘进机的运动信息；其中，所述运动信息包括所述竖井掘进机的线加速度信息和角速度信息；
设置于井口位置的里程计，用于获取所述竖井掘进机当前掘进位置对应的里程信息；
处理器，用于获取所述惯导系统检测的运动信息和所述里程计检测的里程信息；还用于利用数据融合算法对所述运动信息和所述里程信息进行误差补偿操作，得到所述竖井掘进机的当前姿态角、当前速度和当前位置；还用于根据所述当前姿态角、所述当前速度和所述当前位置确定竖井垂直度。
可选的，所述惯导系统包括：
光纤陀螺仪，用于获取所述竖井掘进机的横摇角、俯仰角和航向角；
加速度计，用于获取所述竖井掘进机的位置信息和速度信息。
本申请还提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时实现上述竖井垂直度测量方法执行的步骤。
本申请还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时实现上述竖井垂直度测量方法执行的步骤。
本申请提供了一种竖井垂直度测量方法，应用于竖井姿态检测设备，所述竖井姿态检测设备包括设置于竖井掘进机的惯导系统和设置于井口位置的里程计，所述竖井垂直度测量方法包括：获取所述惯导系统检测的运动信息和所述里程计检测的里程信息；其中，所述运动信息包括所述竖井掘进机的线加速度信息和角速度信息；利用数据融合算法对所述运动信息和所述里程信息进行误差补偿操作，得到所述竖井掘进机的当前姿态角、当前速度和当前位置；根据所述当前姿态角、所述当前速度和所述当前位置确定竖井垂直度。
本申请中竖井姿态检测设备的惯导系统设置于竖井掘进机上，用于检测竖井掘进机的运动信息；竖井姿态检测设备的里程计设置于井口，用于获取里程信息，即竖井掘进机的掘进里程。由于惯导系统检测的运动信息是由积分而来，所以惯导系统的误差会随时间积累，而里程计的里程信息是直接测量的，里程计的误差不随时间变化。基于该特点，本实施例利用里程计辅助惯性导航系统进行组合导航是提高惯导精度，即利用数据融合算法对所述运动信息和所述里程信息进行误差补偿操作，得到所述竖井掘进机的当前姿态角、当前速度和当前位置，进而确定竖井垂直度。本申请能够提高竖井垂直度的检测精度，降低环境因素对于测量的干扰。本申请同时还提供了一种竖井姿态检测设备、一种电子设备和一种存储介质，具有上述有益效果，在此不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例所提供的一种竖井垂直度测量方法的流程图；
图2为本申请实施例所提供的一种惯导系统的原理示意图；
图3为本申请实施例所提供的一种竖井姿态检测设备的检测原理示意图；
图4为本申请实施例所提供的一种惯导系统结构示意图；
图5为本申请实施例所提供的一种竖井垂直度测量系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
下面请参见图1，图1为本申请实施例所提供的一种竖井垂直度测量方法的流程图。
具体步骤可以包括：
S101：获取所述惯导系统检测的运动信息和所述里程计检测的里程信息；
其中，本实施例可以应用于竖井姿态检测设备，该竖井姿态检测设备可以包括设置于竖井掘进机的惯导系统和设置于井口位置的里程计。惯导系统可以用于检测竖井掘进机的运动信息，运动信息为描述竖井掘进机运动状态的信息。具体的，运动信息中可以包括竖井掘进机的线加速度信息和角速度信息。里程计设置于井口位置，随着竖井掘进机向下掘进，里程计能够确定竖井掘进机向下的掘进里程数，即得到里程信息。
作为一种可行的实施方式，在本步骤之前还可以存在标定惯导系统和里程计的安装位置关系的操作。首先可以在竖井掘进机上选好惯导系统安装位置，两个安装棱镜的固定点，用全站仪测量三者之间的坐标关系，从而确定惯导系统的安装支架中心位置与竖井掘进机中心轴和底部刀盘中心点的位置关系。然后将里程计安装在竖井掘进机的中心钻杆井口的任意位置，同样用全站仪确定位置，里程计的安装尽量保持与钻杆垂直。此标定中存在的误差有：惯导系统中心点与安装支架存在误差，安装支架与竖井掘进机的中心轴存在误差，里程计的安装与惯导坐标系存在误差。在标定后，可以控制竖井掘进机工作，当竖井掘进机初次掘进一段距离后，可以用全站仪标定开挖距离，将全站仪标定的开挖距离与里程计显示的距离进行对比，得到里程计安装误差矩阵；根据惯导系统的姿态变化量和再次测量的安装支架与两固定点的位置关系，确定惯导系统安装误差矩阵；推算惯导系统中心与竖井掘进机中心轴的误差，对惯导系统进行误差补偿。本实施例可以在竖井掘进机初次掘进一段距离后对惯导系统进行初始标定，具体过程如下：停机30min，根据里程计和惯导系统的安装误差矩阵误差修正值，在计算机软件中对惯导系统进行初始参数设置。
S102：利用数据融合算法对所述运动信息和所述里程信息进行误差补偿操作，得到所述竖井掘进机的当前姿态角、当前速度和当前位置；
其中，在得到惯导系统检测的运动信息和里程计检测的里程信息后，本实施例利用数据融合算法对所述运动信息和所述里程信息进行误差补偿操作。由于惯导系统检测的运动信息是通过积分而来，所以惯导系统的误差会随时间积累不断增加，而里程计的里程信息是直接测量的，里程计的误差不随时间变化，本实施例基于惯导系统和里程计的特性，利用里程计检测的里程信息对惯导系统检测的运行信息进行补偿得到补偿后的当前姿态角、当前速度和当前位置。当前姿态角、当前速度和当前位置能够反映竖井掘进机当前的真实工作状态。
作为一种可行的实施方式，本实施例中利用数据融合算法得到所述竖井掘进机的当前姿态角、当前速度和当前位置的过程包括：根据所述运动信息和所述里程信息确定姿态角误差、速度误差推算位置、航位误差、陀螺仪和加速度计漂移量、里程计安装误差、标度因数误差状态量和时间延迟建立误差模型；根据所述误差模型确定当前姿态角、当前速度和当前位置。
S103：根据所述当前姿态角、所述当前速度和所述当前位置确定竖井垂直度。
其中，在得到当前姿态角、当前速度和当前位置的基础上可以计算竖井掘进机当前掘井位置的竖井垂直度。作为一种可行的实施方式，在得到当前姿态角、当前速度和当前位置之后，本实施例还可以根据当前姿态角、当前速度和当前位置确定所述竖井掘进机的实际轨迹，通过对比所述实际轨迹和预设轨迹得到轨迹偏差值，并根据所述轨迹偏差值生成对应的调向指令。
本实施例中竖井姿态检测设备的惯导系统设置于竖井掘进机上，用于检测竖井掘进机的运动信息；竖井姿态检测设备的里程计设置于井口，用于获取里程信息，即竖井掘进机的掘进里程。由于惯导系统检测的运动信息是由积分而来，所以惯导系统的误差会随时间积累，而里程计的里程信息是直接测量的，里程计的误差不随时间变化。基于该特点，本实施例利用里程计辅助惯性导航系统进行组合导航是提高惯导精度，即利用数据融合算法对所述运动信息和所述里程信息进行误差补偿操作，得到所述竖井掘进机的当前姿态角、当前速度和当前位置，进而确定竖井垂直度。本实施例能够提高竖井垂直度的检测精度，降低环境因素对于测量的干扰。
作为一种可行的实施方式，在竖井掘进机启动之前，本实施例还可以利用全站仪检测所述惯导系统的安装支架中心点、所述竖井掘进机的中心轴和所述竖井掘进机底部刀盘中心点的第一位置关系；其中，所述惯导系统通过所述安装支架安装于所述竖井掘进机；在所述竖井掘进机启动预设时长后，利用所述全站仪标定开挖距离，利用所述全站仪检测所述惯导系统的安装支架中心点、所述竖井掘进机的中心轴和所述竖井掘进机底部刀盘中心点的第二位置关系；根据所述开挖距离与所述预设时长内所述里程计记录的里程信息确定里程计安装误差矩阵；根据所述第一位置关系和所述第二位置关系确定惯导系统安装误差矩阵；根据所述里程计安装误差矩阵和所述惯导系统安装误差矩阵计算所述惯导系统的中心与所述竖井掘进机的中心轴的安装误差，并根据所述安装误差对所述惯导系统进行误差补偿。
当然，在所述竖井掘进机启动预设时长后，本实施例可以停止所述竖井掘进机运行，根据所述里程计安装误差矩阵的矩阵误差修正值设置所述里程计的初始参数，根据所述惯导系统安装误差矩阵的矩阵误差修正值设置所述惯导系统的初始参数。
作为对于图1对应实施例的进一步介绍，该实施例还可以存在校准操作，具体过程如下：在所述竖井掘进机启动后，记录所述竖井掘进机的连续工作时长；若所述连续工作时长大于或等于第一预设校准时长，则执行零速校准操作；根据所述连续工作时长确定所述竖井掘进机的总工作时长；若所述总工作时长大于第二预设校准时长，则控制所述竖井掘机进行停机校准；在所述竖井掘机进行停机校准操作达到预设停机校准时长后，控制所述竖井掘进机的转动90度并继续进行停机校准操作。
作为对于图1对应实施例的进一步介绍，利用数据融合算法对所述运动信息和所述里程信息进行误差补偿操作，得到所述竖井掘进机的当前姿态角、当前速度和当前位置的具体过程如下：
步骤1：初始对准：
设陀螺和加速度计的误差均为常值误差，惯导系统静态对准的稳态误差如下：
φE＝▽N/g
φN＝▽E/g
φU＝εE/ωN 公式(1)
其中：
φE和φN为两个水平姿态角的对准误差；
φU为航向角对准误差；
▽E和▽N分别为等效东向和等效北向的加速度计常值误差；
εE为等效东向的陀螺常值误差；
g为当地重力；
ωN当地地球自转的北向分量。
设备采用卡尔曼滤波进行初始对准，对准精度取决于等效东向陀螺的零偏稳定性，等效东向陀螺漂移对于对准误差的影响为：
ΔK＝εE/Ωcosφ 公式(2)
式中：
εE为等效的东向陀螺漂移；
Ω为地球自转速率；
φ为当地纬度。
根据对准精度分析情况，结合设备使用环境。当纬度为53°时，设备的初始对准稳态误差达到最大值。
设备选用陀螺仪的精度为0.005°/h(1σ)，相应的等效东向陀螺的漂移量为0.005°/h(1σ)，代入公式(2)中可得设备处于北纬53°时的稳态误差，即设备最大寻北稳态误差为0.03°(1σ)，满足设备指标要求。
ΔK(max)＝0.005/(15×cos(53))≈0.03°
步骤2：导航解算；
请参见图2，图2为本申请实施例所提供的一种惯导系统的原理示意图，惯导系统可以包括石英挠性加速度计和光纤陀螺，图中Ax、Ay和Az为石英挠性加速度计测量得到的X轴、Y轴和Z轴三个方向上的运动线加速度信息，Gx、Gy和Gz为光纤陀螺测量得到的X轴、Y轴和Z轴三个方向上的运动角速度信息。经过误差补偿和坐标转换后，依据捷联系统在地理坐标系中的机械编排方程，采用四元数算法计算系统的实时姿态横摇角φ，俯仰角θ和航向角ψ，把位置、速度信息输送到滤波器中，采用卡尔曼滤波技术估计位置、航向和姿态误差，并进行修正，同时将估计出的陀螺和加速度计误差传送给惯性测量单元进行误差补偿。
在东北天坐标系(n系)下，载体坐标系(b系)到导航坐标系(n系)的转换矩阵
Figure BDA0002400262240000091
Figure BDA0002400262240000092
式中：
ψ——航向角；
θ——俯仰角；
φ——横摇角。
载体姿态的变化规律可用矩阵微分方程描述：
Figure BDA0002400262240000093
式中：
Figure BDA0002400262240000094
Figure BDA0002400262240000095
Figure BDA0002400262240000096
Figure BDA0002400262240000097
为陀螺敏感载体相对于惯性空间的角运动。
其中，Ω为姿态变化矩阵，ω为地球自转角速度，i为惯性坐标系，e为地球坐标系，VN为北向速度，VE为东向速度，RM为赤道半径，RN为地球极半径，H为高度，T为矩阵转置，L为纬度
姿态方程的求解采用四元数法。设t时刻载体坐标系的转动四元数为
q＝[a b c d]T 公式(5)
则姿态方程等价的四元数方程为：
Figure BDA0002400262240000098
式中：
Figure BDA0002400262240000101
Figure BDA0002400262240000102
四元数方程写成矩阵形式为：
Figure BDA0002400262240000103
式中：
Figure BDA0002400262240000104
假定在一个采样周期内载体的转动角速度保持不变，则四元数方程(6)可写成：
Figure BDA0002400262240000105
式中：
Figure BDA0002400262240000106
σ＝[σx σy σz]T为角增量。
所以式(7)可以为：
qk+1＝[exp(∑/2)]qk 公式(8)
将公式(8)展开得到：qk+1＝qk·rk
式中：
rk＝[ac asσx asσy asσz]T；
Figure BDA0002400262240000107
Figure BDA0002400262240000108
Figure BDA0002400262240000109
计算出四元数q(t)后可以求得t时刻的方向余旋矩阵：
Figure BDA0002400262240000111
由方向余旋阵可以计算出该时刻的姿态角：
Figure BDA0002400262240000112
Figure BDA0002400262240000113
Figure BDA0002400262240000114
光纤陀螺测量陀螺坐标系相对惯性坐标系的角速度ωG/I在陀螺坐标系的分量，经陀螺漂移补偿得到载体坐标系相对惯性坐标系的角速度
Figure BDA0002400262240000115
再经坐标变换得到其在载体坐标系的相应分量
Figure BDA0002400262240000116
其中变换阵
Figure BDA0002400262240000117
包含了各种安装误差引起的中间变换。
加速度计测量加速度计坐标系中的比力分量FA，经变换阵
Figure BDA0002400262240000118
得到其在载体坐标系的分量FB，变换阵
Figure BDA0002400262240000119
同样包含了相应的中间变换，并由姿态变换阵
Figure BDA00024002622400001110
将其变为导航坐标系的分量FN；
导航坐标系中的机械编排方程将按水平指北系编排进行加速度修正、速度位置解算，给出地理坐标系相对惯性坐标系的角速度在地理坐标系中的分量，并由姿态阵
Figure BDA00024002622400001111
变换成载体坐标系中的分量
Figure BDA00024002622400001112
将
Figure BDA00024002622400001113
与
Figure BDA00024002622400001114
求差得到载体相对地理坐标系的角速度在载体坐标系中的分量
Figure BDA00024002622400001115
变化成角增量
Figure BDA00024002622400001116
通过四元数更新算法，求得姿态阵
Figure BDA00024002622400001117
并算得姿态角ψ、φ、θ；
惯性解算得到的位置、速度和航向角等信息，采用卡尔曼滤波技术结合里程计输入的里程增量信息估计位置、航向角和姿态等误差，并进行修正；此过程同样可估计出陀螺和加速度计的误差，并可进行相应的误差补偿。
步骤3：基于里程计的位置误差修正；
惯导系统的速度是由积分而来，存在误差随时间的积累，而里程计的速度是直接测量量，其误差不随时间变化。由于这一特点，利用里程计辅助惯性导航系统进行组合导航是提高惯导精度的有效手段。惯导与里程计的组合具有比纯惯性导航系统更高的精度，利用里程计的输出数据(速度或里程增量)与惯导系统中的陀螺数据进行组合，来有效控制惯导误差随时间的累积和发散。
通常惯导系统坐标系与里程计的坐标系需要在系统工作前使用水平仪和全站仪等设备标校一致。
从载体坐标系(b系)到里程计坐标系(VMS系)的变换通过3次连续旋转完成。
Figure BDA0002400262240000121
在理想情况下，结合里程计输出可得tj-1～tj时刻行进路程ΔSj在里程计坐标系的投影为：
Figure BDA0002400262240000122
当组合导航时使用里程计提供的里程增量信息时，需要将(ΔSVMS)j在载体系内进行投影得到：
Figure BDA0002400262240000123
定位误差主要由初始对准误差，姿态角保持精度和里程计的误差所确定。
ΔK＝ΔK0+ΔK1；
K0为初始对准误差，K1为姿态保持误差。
利用里程计和惯导航向推算位置算法，令路程为D，里程计误差系数为ξ，可以导出位置的误差半径计算公式为：
Figure BDA0002400262240000124
请参见图3、图4，图3为本申请实施例所提供的一种竖井姿态检测设备的检测原理示意图，图4为本申请实施例所提供的一种惯导系统结构示意图，实施例采用惯导系统与里程计的组合作为竖井姿态检测设备。该竖井姿态检测设备包括惯性导航装置和里程计以及地面的计算机，其中惯性导航装置包括核心部件惯性测量单元(IMU)、数据采集模块、信号处理模块、数据处理模块及辅件。惯性测量单元包括三个光纤陀螺和三个加速度计，用于测量系统的角速度以及加速度并将测量数据输送给数据采集系统。数据采集模块采集惯导数据，并传递给信号处理模块；里程计测量竖井掘进里程，并传递给信号处理模块。信号处理模块用于处理惯导系统数据和里程计数据，计算竖井掘进机姿态。竖井姿态检测设备包括设置于竖井掘进机的惯导系统和设置于井口位置的里程计，所述竖井垂直度测量设备包括：
设置于所述竖井掘进机的惯导系统，用于获取所述竖井掘进机的运动信息；其中，所述运动信息包括所述竖井掘进机的线加速度信息和角速度信息；
设置于井口位置的里程计，用于获取所述竖井掘进机当前掘进位置对应的里程信息；
处理器，用于获取所述惯导系统检测的运动信息和所述里程计检测的里程信息；还用于利用数据融合算法对所述运动信息和所述里程信息进行误差补偿操作，得到所述竖井掘进机的当前姿态角、当前速度和当前位置；还用于根据所述当前姿态角、所述当前速度和所述当前位置确定竖井垂直度。
进一步的，所述惯导系统包括：
光纤陀螺仪，用于获取所述竖井掘进机的横摇角、俯仰角和航向角；
加速度计，用于获取所述竖井掘进机的位置信息和速度信息。
Ax、Ay、Az为石英挠性加速度计测量得到的系统运动线加速度信息，Gx、Gy、Gz为光纤陀螺测量得到的系统运动角速度信息，通过里程计测量得到载体里程增量信息，经过安装误差转换后，采用四元数算法对设备的姿态俯仰角(
Figure BDA0002400262240000131
θ)和方位航向角ψ等姿态矩阵进行实时更新，并对更新的姿态矩阵进行解算，输出设备的方位、姿态等信息，再通过一次积分获得载体的三维线速度，二次积分获得载体的位置信息，位置、速度信息反馈到滤波器中，与里程计信息组合进行融合滤波，采用卡尔曼滤波技术再估计位置、姿态和方位误差，并进行修正，同时将估计出的陀螺和加速度计误差传送给惯性测量单元进行误差补偿，最终得到满足指标要求的位置、姿态和方位等导航信息。
开始掘进时，惯导系统和里程计同步采集数据。
在实时数据处理过程中，本实施例可以采用数据融合算法，对惯导系统和里程计误差进行准确估计和补偿，输出竖井掘进机准确的姿态、速度、位置信息。
SINS系统方程
姿态解算方程
东北天坐标系(n系)下，载体坐标系(b系)到导航坐标系(n系)的转换矩阵：
Figure BDA0002400262240000141
式中：
其中，ψ为方位角，θ为俯仰角，γ为横摇角。
载体姿态的变化规律可用矩阵微分方程描述：
Figure BDA0002400262240000142
式中：
Figure BDA0002400262240000143
Figure BDA0002400262240000144
Figure BDA0002400262240000145
Figure BDA0002400262240000146
为陀螺敏感载体相对于惯性空间的角运动。
姿态方程的求解可以采用四元数法。
速度更新的惯导基本方程为：
Figure BDA0002400262240000147
式中：
Vn＝[VE VN VU]T；其中，VU为Z向(天向)速度。
展开上式：
Figure BDA0002400262240000148
其中，f为比力。
在一个速度更新周期(tk，tk+1]内，有：
Figure BDA0002400262240000151
加速度计输出脉冲为比力增量，上式中的积分项由下式计算：
Figure BDA0002400262240000152
其中，
Figure BDA0002400262240000153
为加速度计量测输出比力，T为更新周期。
航位推算系统方程如下：
航位推算位置方程，里程计输出速度在里程计坐标系可以表示成：
Figure BDA0002400262240000154
其中vD为里程计测量的速度大小，若m系和b系重合则有：
Figure BDA0002400262240000155
可以得出航位推算位置更新方程为：
Figure BDA0002400262240000156
Figure BDA0002400262240000157
Figure BDA0002400262240000158
其中，L、λ、h为东北天三方向的位移。
航位推算姿态方程与SINS姿态更新方程类似，只是将载体加速度计测量载体运动引起的转动换成里程计测量的速度。
在系统数学误差模型建模过程中，本实施例可以取状态变量为姿态角误差、速度误差位推算位置、航误差，陀螺和加速度计漂移、里程计安装误差、标度因数误差状态量和时间延迟，建立状态方程。
Figure BDA0002400262240000159
连续系统的状态方程为：
Figure BDA00024002622400001510
其中，
Figure BDA00024002622400001511
Figure BDA0002400262240000161
Figure BDA0002400262240000162
Figure BDA0002400262240000163
Figure BDA0002400262240000164
量测方程为：
Figure BDA0002400262240000165
其中，
Figure BDA0002400262240000166
经过上述操作可以在计算机软件界面显示竖井的姿态角、偏差值和轨迹。竖井掘进机根据界面显示进行调向。
惯导系统长期在井下工作，会产生漂移而不准确，为了提高测量精度措施：竖井掘进机需至少每12h进行一次零速校准，对准时间5min。若长时间的井下使用时，为保证水平姿态角的高精度，则采取停机2小时进行对准，然后竖井掘进机转动90°再停机2小时进行对准的措施。本实施例采用组合惯导系统作为竖井掘进机的实时测量装置。该组合惯导系统包括惯性导航装置和里程计以及地面的计算机，其中惯性导航装置由核心部件惯性测量单元(IMU)、数据采集模块、信号处理模块、数据处理模块及辅件构成。惯性测量单元由三个光纤陀螺仪和三个加速度计组成，测量系统的角速度以及加速度，将测量数据输送给数据采集系统。数据采集模块采集惯导数据，并传递给信号处理模块；里程计测量竖井掘进里程，并传递给信号处理模块；信号处理模块处理惯导系统数据和里程计数据，计算竖井掘进机姿态；辅件是系统对外的接口及结构支撑。
由惯导系统和里程计构成的竖井姿态检测设备适用于全泥浆环境、1000m水深；耐高压、水密性能好。由惯导系统和里程计构成的竖井姿态检测设备安装在竖井掘进机的位置可以任意选择，安装简单方便，无局限性。由惯导系统和里程计构成的竖井姿态检测设备通过对陀螺仪和加速度计零偏、里程计刻度因子、惯性导航系统和里程计之间的姿态误差进行实时估计，融合惯导系统和里程计信息的计算，有效提高了系统测量精度；利用里程计的输出数据(速度或里程增量)与惯导系统中的陀螺数据进行组合，可有效控制惯导误差随时间的增长。惯性导航装置的信号处理模块计算功能强大，可以处理复杂的数据和算法，如姿态角误差、速度误差位推算位置、航误差，陀螺和加速度计漂移、里程计安装误差、标度因数误差状态量和时间延迟等建立状态方程，输出高精度的姿态、速度、位置信息。
请参见图5，图5为本申请实施例所提供的一种竖井垂直度测量系统的结构示意图，该系统应用于竖井姿态检测设备，所述竖井姿态检测设备包括设置于竖井掘进机的惯导系统和设置于井口位置的里程计，所述竖井垂直度测量系统包括：
信息获取模块100，用于获取所述惯导系统检测的运动信息和所述里程计检测的里程信息；其中，所述运动信息包括所述竖井掘进机的线加速度信息和角速度信息；
误差补偿模块200，用于利用数据融合算法对所述运动信息和所述里程信息进行误差补偿操作，得到所述竖井掘进机的当前姿态角、当前速度和当前位置；
垂直度计算模块300，用于根据所述当前姿态角、所述当前速度和所述当前位置确定竖井垂直度。
本实施例中竖井姿态检测设备的惯导系统设置于竖井掘进机上，用于检测竖井掘进机的运动信息；竖井姿态检测设备的里程计设置于井口，用于获取里程信息，即竖井掘进机的掘进里程。由于惯导系统检测的运动信息是由积分而来，所以惯导系统的误差会随时间积累，而里程计的里程信息是直接测量的，里程计的误差不随时间变化。基于该特点，本实施例利用里程计辅助惯性导航系统进行组合导航是提高惯导精度，即利用数据融合算法对所述运动信息和所述里程信息进行误差补偿操作，得到所述竖井掘进机的当前姿态角、当前速度和当前位置，进而确定竖井垂直度。本实施例能够提高竖井垂直度的检测精度，降低环境因素对于测量的干扰。
进一步的，还包括：
初始误差补偿模块，用于在所述竖井掘进机启动之前，利用全站仪检测所述惯导系统的安装支架中心点、所述竖井掘进机的中心轴和所述竖井掘进机底部刀盘中心点的第一位置关系；其中，所述惯导系统通过所述安装支架安装于所述竖井掘进机；还用于在所述竖井掘进机启动预设时长后，利用所述全站仪标定开挖距离，利用所述全站仪检测所述惯导系统的安装支架中心点、所述竖井掘进机的中心轴和所述竖井掘进机底部刀盘中心点的第二位置关系；还用于根据所述开挖距离与所述预设时长内所述里程计记录的里程信息确定里程计安装误差矩阵；还用于根据所述第一位置关系和所述第二位置关系确定惯导系统安装误差矩阵；还用于根据所述里程计安装误差矩阵和所述惯导系统安装误差矩阵计算所述惯导系统的中心与所述竖井掘进机的中心轴的安装误差，并根据所述安装误差对所述惯导系统进行误差补偿。
进一步的，还包括：
初始参数设置模块，用于在所述竖井掘进机启动预设时长后，停止所述竖井掘进机运行；还用于根据所述里程计安装误差矩阵的矩阵误差修正值设置所述里程计的初始参数；还用于根据所述惯导系统安装误差矩阵的矩阵误差修正值设置所述惯导系统的初始参数。
进一步的，误差补偿模块200，用于根据所述运动信息和所述里程信息确定姿态角误差、速度误差推算位置、航位误差、陀螺仪和加速度计漂移量、里程计安装误差、标度因数误差状态量和时间延迟建立误差模型；还用于根据所述误差模型确定当前姿态角、当前速度和当前位置。
进一步的，还包括：
调向模块，用于根据当前姿态角、当前速度和当前位置确定所述竖井掘进机的实际轨迹；还用于对比所述实际轨迹和预设轨迹得到轨迹偏差值，并根据所述轨迹偏差值生成对应的调向指令。
进一步的，还包括：
校准模块，用于在所述竖井掘进机启动后，记录所述竖井掘进机的连续工作时长；还用于若所述连续工作时长大于或等于第一预设校准时长，则执行零速校准操作；还用于根据所述连续工作时长确定所述竖井掘进机的总工作时长；还用于若所述总工作时长大于第二预设校准时长，则控制所述竖井掘机进行停机校准；还用于在所述竖井掘机进行停机校准操作达到预设停机校准时长后，控制所述竖井掘进机的转动90度并继续进行停机校准操作。
本方案采用了基于组合里程计信息的惯导系统来检测竖井垂直度，实时将里程计信息通过光纤电缆传输给惯导系统，由惯导系统的信号采集模块融合两者数据进行处理获得实时位置信息。
本技术方案将惯导系统安装在竖井掘进机设备上，里程计安装在井口位置测量竖井掘进机的钻杆下放的距离，通过实时融合惯导系统的数据和里程计数据计算竖井掘进机的实时位置信息，包括姿态信息(方位角、俯仰角、横滚角)、速度信息、位置信息。计算机根据位置信息计算与设计轴线的偏差，从而指引竖井掘进机调向。首先对惯导系统和里程计进行标定，标定完成以后，进行初始位置零速校准，随着竖井掘进机向下掘进，惯导系统实时采集数据，结合地面里程计实时传送的里程信息通过数据处理模块处理数据，将数据发送给电气PLC模块，由电气PLC模块通过光纤发送至地面计算机，计算机的界面软件处理数据并显示竖井的偏差值和轨迹。
由于装置部分的实施例与方法部分的实施例相互对应，因此装置部分的实施例请参见方法部分的实施例的描述，这里暂不赘述。
本申请还提供了一种存储介质，其上存有计算机程序，该计算机程序被执行时可以实现上述实施例所提供的步骤。该存储介质可以包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本申请还提供了一种电子设备，可以包括存储器和处理器，所述存储器中存有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时，可以实现上述实施例所提供的步骤。当然所述电子设备还可以包括各种网络接口，电源等组件。
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (9)

1.一种竖井垂直度测量方法，其特征在于，应用于竖井姿态检测设备，所述竖井姿态检测设备包括设置于竖井掘进机的惯导系统和设置于井口位置的里程计，所述竖井垂直度测量方法包括：
获取所述惯导系统检测的运动信息和所述里程计检测的里程信息；其中，所述运动信息包括所述竖井掘进机的线加速度信息和角速度信息；
利用数据融合算法对所述运动信息和所述里程信息进行误差补偿操作，得到所述竖井掘进机的当前姿态角、当前速度和当前位置；
根据所述当前姿态角、所述当前速度和所述当前位置确定竖井垂直度；
其中，还包括：
在所述竖井掘进机启动之前，利用全站仪检测所述惯导系统的安装支架中心点、所述竖井掘进机的中心轴和所述竖井掘进机底部刀盘中心点的第一位置关系；其中，所述惯导系统通过所述安装支架安装于所述竖井掘进机；
在所述竖井掘进机启动预设时长后，利用所述全站仪标定开挖距离，利用所述全站仪检测所述惯导系统的安装支架中心点、所述竖井掘进机的中心轴和所述竖井掘进机底部刀盘中心点的第二位置关系；
根据所述开挖距离与所述预设时长内所述里程计记录的里程信息确定里程计安装误差矩阵；
根据所述第一位置关系和所述第二位置关系确定惯导系统安装误差矩阵；
根据所述里程计安装误差矩阵和所述惯导系统安装误差矩阵计算所述惯导系统的中心与所述竖井掘进机的中心轴的安装误差，并根据所述安装误差对所述惯导系统进行误差补偿。
2.根据权利要求1所述竖井垂直度测量方法，其特征在于，还包括：
在所述竖井掘进机启动预设时长后，停止所述竖井掘进机运行；
根据所述里程计安装误差矩阵的矩阵误差修正值设置所述里程计的初始参数；
根据所述惯导系统安装误差矩阵的矩阵误差修正值设置所述惯导系统的初始参数。
3.根据权利要求1所述竖井垂直度测量方法，其特征在于，利用数据融合算法对所述运动信息和所述里程信息进行误差补偿操作，得到所述竖井掘进机的当前姿态角、当前速度和当前位置，包括：
根据所述运动信息和所述里程信息确定姿态角误差、速度误差推算位置、航位误差、陀螺仪和加速度计漂移量、里程计安装误差、标度因数误差状态量和时间延迟建立误差模型；
根据所述误差模型确定当前姿态角、当前速度和当前位置。
4.根据权利要求1所述竖井垂直度测量方法，其特征在于，还包括：
根据当前姿态角、当前速度和当前位置确定所述竖井掘进机的实际轨迹；
对比所述实际轨迹和预设轨迹得到轨迹偏差值，并根据所述轨迹偏差值生成对应的调向指令。
5.根据权利要求1所述竖井垂直度测量方法，其特征在于，还包括：
在所述竖井掘进机启动后，记录所述竖井掘进机的连续工作时长；
若所述连续工作时长大于或等于第一预设校准时长，则执行零速校准操作；
根据所述连续工作时长确定所述竖井掘进机的总工作时长；
若所述总工作时长大于第二预设校准时长，则控制所述竖井掘进机进行停机校准；
在所述竖井掘进机进行停机校准操作达到预设停机校准时长后，控制所述竖井掘进机的转动90度并继续进行停机校准操作。
6.一种竖井姿态检测设备，其特征在于，所述竖井姿态检测设备包括设置于竖井掘进机的惯导系统和设置于井口位置的里程计，所述竖井垂直度测量设备包括：
设置于所述竖井掘进机的惯导系统，用于获取所述竖井掘进机的运动信息；其中，所述运动信息包括所述竖井掘进机的线加速度信息和角速度信息；
设置于井口位置的里程计，用于获取所述竖井掘进机当前掘进位置对应的里程信息；
处理器，用于获取所述惯导系统检测的运动信息和所述里程计检测的里程信息；还用于利用数据融合算法对所述运动信息和所述里程信息进行误差补偿操作，得到所述竖井掘进机的当前姿态角、当前速度和当前位置；还用于根据所述当前姿态角、所述当前速度和所述当前位置确定竖井垂直度；
初始误差补偿模块，用于在所述竖井掘进机启动之前，利用全站仪检测所述惯导系统的安装支架中心点、所述竖井掘进机的中心轴和所述竖井掘进机底部刀盘中心点的第一位置关系；其中，所述惯导系统通过所述安装支架安装于所述竖井掘进机；还用于在所述竖井掘进机启动预设时长后，利用所述全站仪标定开挖距离，利用所述全站仪检测所述惯导系统的安装支架中心点、所述竖井掘进机的中心轴和所述竖井掘进机底部刀盘中心点的第二位置关系；还用于根据所述开挖距离与所述预设时长内所述里程计记录的里程信息确定里程计安装误差矩阵；还用于根据所述第一位置关系和所述第二位置关系确定惯导系统安装误差矩阵；还用于根据所述里程计安装误差矩阵和所述惯导系统安装误差矩阵计算所述惯导系统的中心与所述竖井掘进机的中心轴的安装误差，并根据所述安装误差对所述惯导系统进行误差补偿。
7.根据权利要求6所述竖井姿态检测设备，其特征在于，所述惯导系统包括：
光纤陀螺仪，用于获取所述竖井掘进机的横摇角、俯仰角和航向角；
加速度计，用于获取所述竖井掘进机的位置信息和速度信息。
8.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时实现如权利要求1至5任一项所述竖井垂直度测量方法的步骤。
9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器加载并执行时，实现如上权利要求1至5任一项所述竖井垂直度测量方法的步骤。
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