CN113310521A - 一种以救援提升舱为载体的救援井井筒动态测量装置 - Google Patents

Abstract

一种以救援提升舱为载体的救援井井筒动态测量装置，包括舱体本体，所述舱体本体上设置有图像采集单元；所述舱体本体的内腔中还设置有数据采集单元；所述图像采集单元和数据采集单元均连接至控制系统；其中，图像采集单元用于采集救援提升舱运行时井筒结构的视频信息；所述数据采集单元主要包括激光测距传感器、拉压力传感器和编码器，激光测距传感器用于实时获取该测量装置到井壁的距离，拉压力传感器用于实时采集该测量装置运行时钢丝绳末端承受的拉力和压力，编码器用于实时获取该测量装置所处的深度和运行的速度。本发明可以对救援井井筒进行实时监测，并通过地面上的上位机实时获得具体的井筒结构参数，及时获知救援提升过程中的潜在风险。

Description

一种以救援提升舱为载体的救援井井筒动态测量装置

技术领域

本发明属于矿难应急救援技术领域，涉及一种以救援提升舱为载体的救援井井筒动态测量装置。

背景技术

钻孔救援是近年来矿难应急救援领域出现的一种新型救援方式，通过地面钻竖直孔构造救援井，使用救援提升舱将被困人员提升至地面，已在全世界范围内多次成功运用，但钻孔救援尚处于发展阶段，信息化程度薄弱。救援提升过程中随时可能发生不可预测的突发性事故，如井筒变形或损坏，直接影响提升工作的顺利进行。以往的矿用救援提升舱够实现被困人员的转移与保护，也可以通过舱外的摄像头观察到井筒的状况，但无法得到具体的井筒结构参数，也无法确保井筒变形处救援提升舱的通过性能，可能会造成提升舱的卡滞或损坏，直接影响救援的进度。因此，钻孔救援需要更先进的技术和更具体的救援井状态信息，保证救援过程的顺利进行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以救援提升舱为载体的救援井井筒动态测量装置，通过六个激光测距传感器获得救援提升舱到井壁的距离，并运用最小二乘圆法进行拟合处理，得到救援井井筒的结构参数，并结合救援提升舱所处的深度、拉压力、摄像视频等信息，显示于上位机界面中。本发明可以装在矿用救援提升舱中，能够在矿难救援过程中对救援井井筒进行实时监测，并通过地面上的上位机及时获知救援提升过程中的潜在风险，指导救援提升工作的顺利进行。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种以救援提升舱为载体的救援井井筒动态测量装置，包括舱体本体，所述舱体本体上设置有图像采集单元；所述舱体本体的内腔中还设置有数据采集单元；所述图像采集单元和数据采集单元均连接至控制系统；其中，图像采集单元用于获取救援提升舱运行时井筒结构的视频信息；所述数据采集单元包括六个激光测距传感器，六个激光测距传感器呈圆周方向均布在舱体本体的内腔底板上，用于采集激光测距传感器到井壁的距离，所述数据采集单元还用于采集该测量装置所处的深度、运行的速度以及该测量装置运行时钢丝绳末端承受的拉力和压力。

优选地，所述图像采集单元包括两个矿用本安型摄像机，两个矿用本安型摄像机分别通过摄像机支架安装在舱体本体顶部外表面和底部外表面上；所述矿用本安型摄像机用于获取救援提升舱运行时井筒结构的视频信息，并将采集到的传输至控制系统。

优选地，六个激光测距传感器中呈180°布置的两个激光测距传感器的激光射线共线且其反向延长线均过底板圆的中心；

所述舱体本体的侧壁上沿其圆周方向均布有六个圆孔；六个圆孔的开设位置与六个激光测距传感器的安装位置一一对应。

优选地，所述数据采集单元还包括用于获取该测量装置所处深度和运行速度的编码器。

优选地，所述控制系统包括第一矿用调制解调器、第一采集卡、第一机箱、上位机、第二采集卡、第二机箱、第二矿用调制解调器；其中，所述图像采集单元的输出端依次经过第一矿用调制解调器和第二矿用调制解调器连接上位机的输入端；数据采集单元的输出端分别与第一采集卡和第二采集卡连接，所述第一采集卡安装在第一机箱上，第一机箱与上位机连接；所述第二采集卡安装在第二机箱上，所述第二机箱与上位机连接。

优选地，所述舱体本体的顶部外表面中心位置处设置有吊钩机构。

优选地，所述吊钩机构包括第一吊环螺钉，所述第一吊环螺钉安装在舱体本体的顶部外表面的中心位置处；第一吊环螺钉的自由端连接有连接卡扣；所述连接卡扣连接有第二吊环螺钉；所述第二吊环螺钉的自由端连接有拉压力传感器；所述拉压力传感器还连接有第三吊环螺钉，所述第三吊环螺钉的自由端连接有钢丝绳。所述拉压力传感器用于获取该测量装置运行时钢丝绳末端承受的拉力和压力。

一种以救援提升舱为载体的救援井井筒动态测量方法，基于所述的一种以救援提升舱为载体的救援井井筒动态测量装置，包括以下步骤：

根据六个激光测距传感器到井壁的测距值以及其安装位置，利用最小二乘圆法来确定救援井井筒的结构参数，所述救援井井筒的结构参数为井筒各截面轮廓曲线的理想中心坐标及半径值。并结合编码器和拉压力传感器得到的该测量装置所处深度、运行速度、所承受的拉压力信息，显示于上位机人机界面上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种以救援提升舱为载体的救援井井筒动态测量装置，解决了现有技术不能参数化地得到井筒的结构参数、获取救援提升舱运行状态参数单一的问题，本发明能够获得救援井井筒各截面轮廓曲线的理想中心坐标及半径值等井筒结构参数及救援提升舱运行状态信息，且获取到的不同信息可以做到相互补充、相互验证，能够在救援提升舱运行过程中实时监测到可能发生的井筒变形，能够提高救援效率，指导救援提升工作的顺利进行。

附图说明

图1是救援井井筒动态测量装置外观结构图；

图2是救援井井筒动态测量装置的俯视剖面图；

图3是救援井井筒动态测量装置中机箱和采集卡的连接方式图；

图4是救援井井筒动态测量装置的总体结构框图；

图5是救援井井筒动态测量装置的测量原理图；

图6是救援井井筒动态测量上位机软件的人机界面。

附图标记说明如下：

1、舱体本体；2、舱门；3、吊环螺钉；4、连接卡扣；5、拉压力传感器；6、钢丝绳；7、通信电缆线；8、矿用本安型摄像机；9、内六角螺栓；10、垫片；11、摄像机支架；12、隔爆外壳；13、激光测距传感器；14、铰链；15、激光测距传感器电缆线；16、十字槽盘头螺钉；17、第一矿用调制解调器；18、变送器；19、矿用本安型直流电源；20、电源接线端子；21、电源输入线；22、第一机箱；23、第一采集卡；24、采集卡接线端子；25、采集卡输入电缆线；26、分线盒；27、上位机；28、编码器；29、第二采集卡；30、第二机箱；31、第二矿用调制解调器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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中的具体含义。

如图1-图6所示，本发明提供的一种以救援提升舱为载体的救援井井筒动态测量装置，包含井下和地面两部分。井下部分为装置的核心部件，包括圆柱形结构的舱体本体1，所述舱体本体1的侧壁上设置有两个舱门2，两个舱门2呈180°布置。

所述舱体本体1的顶部外表面中心位置处设置有吊钩机构；同时，所述舱体本体1上设置有图像采集单元，所述图像采集单元连接有控制系统；所述控制系统安装在舱体本体1的内腔中。

所述舱体本体1的内腔中还设置有数据采集单元，所述数据采集单元与控制系统连接。

所述吊钩机构包括第一吊环螺钉3，所述第一吊环螺钉3安装在舱体本体1的顶部外表面的中心位置处；第一吊环螺钉3的自由端连接有连接卡扣4；所述连接卡扣4连接有第二吊环螺钉；所述第二吊环螺钉的自由端连接有拉压力传感器5；所述拉压力传感器5还连接有第三吊环螺钉，所述第三吊环螺钉的自由端连接有钢丝绳6。

所述拉压力传感器5连接至控制系统，其用于实时采集该测量装置运行时钢丝绳6末端承受的拉力和压力，以反映测量装置在运行过程中的受力情况，便于地面人员获知测量装置的运行状态。

所述图像采集单元包括两个矿用本安型摄像机8，两个矿用本安型摄像机8分别通过摄像机支架11安装在舱体本体1顶部外表面和底部外表面上。

每个矿用本安型摄像机8分别与第一矿用调制解调器17和矿用本安型直流电源19连接；其中，所述矿用本安型直流电源19用于向矿用本安型摄像机8供电。

所述第一矿用调制解调器17用于将采集到的数据进行调制、打包，之后将打包数据传输至控制系统。

所述矿用本安型摄像机8用于获取救援提升舱运行时井筒结构的视频信息，其具有红外夜视功能，可以在井筒内的昏暗环境中工作。

所述数据采集单元包括六个激光测距传感器13，六个激光测距传感器13呈圆周方向均布在舱体本体1的内腔底板上，且呈180°布置的两个激光测距传感器13的激光射线共线且其反向延长线均过底板圆的中心。

所述舱体本体1的侧壁上沿其圆周方向均布有六个圆孔；六个圆孔的开设位置与六个激光测距传感器13的安装位置一一对应；用作发射和接收激光信号的窗口。

每个激光测距传感器13通过三个十字槽盘头螺钉16与舱体本体1的内腔底板相连。

每个激光测距传感器13连接至控制系统。

所述控制系统包括第一采集卡23、第一机箱22、第二采集卡29、第二机箱30和上位机27；其中，每个激光测距传感器13与激光测距传感器电缆线15连接，激光测距传感器电缆线15与置于分线盒26内的采集卡输入电缆线25连接，所述采集卡输入电缆线25的自由端与第一采集卡23连接；所述第一采集卡23插装在第一机箱22中，如图3所示。

其中，分线盒26用于将六路激光测距传感器13的模拟输出线和电源线分开，模拟输出线采用差分接法接在采集卡接线端子24，所述采集卡接线端子24与采集卡输入电缆线25连接；电源线依次通过电源输入线21和电源接线端子20接入矿用本安型直流电源19中。

所述拉压力传感器15经过变送器18和采集卡接线端子24与第一采集卡23连接，其中，变送器18用于将传感器的输出信号进行放大，将力学信号转换成标准电流、电压信号输出。

所述拉压力传感器15和变送器18的电源线与矿用本安型直流电源19连接。

第一采集卡23用于采集激光测距传感器13和变送器18的模拟电压信号，第一机箱22用于控制采集卡与外部主机之间的定时、同步和数据传输，并为第一采集卡23供电。

由于救援提升舱的输出信号要经过几百米长的通信电缆线7的传输，存在传输距离远、传输条件苛刻等问题。又由第一机箱22以以太网的方式输出，难以满足远距离传输的需要，故采用第一矿用调制解调器17将第一机箱22得到的数据进行调制、打包，从而实现远传。

所述第一矿用调制解调器17通过通信电缆线7连接第二矿用调制解调器31，所述第二矿用调制解调器31置于地面上。

所述第二矿用调制解调器31用于将接收到的打包数据进行解调，并将解调后的数据传输至上位机27。

此外，编码器28经过第二采集卡29和第二机箱30接于第二矿用调制解调器31的另一路网口.其中，编码器28用于记录测量装置所处的深度和运行的速度。

第二采集卡29用于采集编码器28产生的脉冲信号，并经过第二机箱30的传输接在第二矿用调制解调器31上。第二矿用调制解调器31将输出信号通过网线接于上位机27的网口上。

所述上位机27置于地面上，可以是普通PC或工控机。

所述上位机27用于将接收到的解调后的数据转化为测量装置获得的实时的井筒结构参数信息、视频及拉压力信息，并得到测量装置提升或下放的深度和速度信息。

通信电缆线7为双绞线。

所述舱体本体1的内腔中还设置有三根支柱，用于支承舱体。

所述舱体本体1的内腔中还设置有隔爆外壳12；所述第一机箱22、第一采集卡23、第一矿用调制解调器17、变送器18和矿用本安型直流电源19均置于所述隔爆外壳12的内腔中。

电源接线端子20和采集卡接线端子24嵌在隔爆外壳12上。隔爆外壳12通过四个十字槽盘头螺钉16与舱体1的底板相连。

所述第一采集卡23选用美国NI公司的C系列电压输入模块NI-9205。所述第二采集卡29选用美国NI公司的C系列计数器输入模块NI-9361。所述第一机箱22、第二机箱30使用与采集卡配套的CompactDAQ机箱。

救援井井筒动态测量装置的总体结构框图见图4。

上位机27程序的原理如下：

如图5所示，为表征救援井井筒的结构参数，本发明采用最小二乘圆法来确定救援井井筒各截面轮廓曲线的理想中心坐标及半径值。

如图5所示，内部的实心圆表示该测量装置的舱体本体1的外轮廓，圆心O即为舱体底板圆的圆心，并以O点为坐标原点建立测量装置坐标系，点划线为激光测距传感器13的安装圆，其半径为L。舱体本体1外部的闭合实线为救援井井筒一截面的轮廓曲线，虚线为拟合得到的最小二乘圆。P_i(x_i,y_i)(i＝1,2,L,n)(n表示圆周上总的测点数，这里n＝6)为井筒截面的一个测点，该点到O点的距离为R_i，图中R_i＝l_i+L，对应的角度为θ_i。

设C(u₁,u₂)为拟合出的最小二乘圆的圆心坐标，R为最小二乘圆的半径。则由最小二乘圆法可得该井筒截面轮廓曲线的理想中心坐标及半径值分别为：

现已知六个激光测距传感器13的安装位置，若以x轴为起点，逆时针方向角度为正，则可得到各激光测距传感器13的安装角度，即得到井筒上对应测点的角度θ_i。

又由激光测距传感器13的测距值l_i(即该传感器到井筒的距离)，将其代入上式即可得到该井筒截面轮廓曲线的理想中心坐标及半径值。

然而激光测距传感器13的为模拟电压输出，输出的电压大小随测距值的大小而变化。由试验可得将输出电压值U_i转换为对应的测距值l_i的关系式为：

l_i＝47.4197·U_i+25.2947

若设定激光测距传感器13的安装圆的半径L为240mm，则：

R_i＝l_i+L＝47.4197·U_i+25.2947+240＝47.4197·U_i+265.2947

最终，结合最小二乘圆公式以及输出电压值至测距值的转换式，改进后的井筒截面轮廓曲线的理想中心坐标及半径值公式为：

当测量装置在救援井井筒中运行的过程中，可以根据该公式得到对应井筒截面轮廓曲线的理想中心坐标及半径值，本发明在上位机27的LabVIEW软件中进行编程，将该公式以公式节点模块的形式嵌入LabVIEW程序中。此外，该LabVIEW程序可以结合矿用本安型摄像机8、拉压力传感器5和编码器28所得数据将之显示于LabVIEW软件前面板上，提供实时的信息显示。

如图6所示为救援井井筒动态测量上位机软件的主界面，其左侧一栏显示视频图像信息，右上两个图表可以实时显示救援提升舱运行过程中井筒直径随所处深度变化的图像信息以及救援提升舱运行的速度图像信息，下部显示井筒直径、井筒中心坐标、深度、速度等的具体值，以及相应的报警灯。其中显示的井筒直径值是拟合出的半径值的二倍，井筒中心坐标即井筒截面轮廓曲线的理想中心坐标，分为X坐标和Y坐标。此外，所得的数据可以存盘至相应的文件路径中。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种以救援提升舱为载体的救援井井筒动态测量装置，其特征在于，包括舱体本体(1)，所述舱体本体(1)上设置有图像采集单元；所述舱体本体(1)的内腔中还设置有数据采集单元；所述图像采集单元和数据采集单元均连接至控制系统；其中，图像采集单元用于获取救援提升舱上下运行时井筒结构的视频信息；所述数据采集单元包括六个激光测距传感器(13)，六个激光测距传感器(13)呈圆周方向均布在舱体本体(1)的内腔底板上，用于实时采集激光测距传感器(13)到井壁的距离，所述数据采集单元还用于实时采集该测量装置所处的深度、运行的速度以及测量装置运行时钢丝绳末端承受的拉力和压力。

2.根据权利要求1所述的一种以救援提升舱为载体的救援井井筒动态测量装置，其特征在于，所述图像采集单元包括两个矿用本安型摄像机(8)，两个矿用本安型摄像机(8)分别通过摄像机支架(11)安装在舱体本体(1)顶部外表面和底部外表面上；所述矿用本安型摄像机(8)用于获取救援提升舱运行时井筒结构的视频信息，并将采集到的视频信息传输至控制系统。

3.根据权利要求1所述的一种以救援提升舱为载体的救援井井筒动态测量装置，其特征在于，六个激光测距传感器(13)中呈180°布置的两个激光测距传感器(13)的激光射线共线且其反向延长线均过底板圆的中心；

所述舱体本体(1)的侧壁上沿其圆周方向均布有六个圆孔；六个圆孔的开设位置与六个激光测距传感器(13)的安装位置一一对应。

4.根据权利要求1所述的一种以救援提升舱为载体的救援井井筒动态测量装置，其特征在于，所述数据采集单元还包括用于实时获取该测量装置所处深度和运行速度的编码器(28)以及用于实时采集测量装置运行时钢丝绳末端承受的拉力和压力的拉压力传感器(5)。

5.根据权利要求1所述的一种以救援提升舱为载体的救援井井筒动态测量装置，其特征在于，所述控制系统包括第一矿用调制解调器(17)、第一采集卡(23)、第一机箱(22)、上位机(27)、第二采集卡(29)、第二机箱(30)、第二矿用调制解调器(31)；其中，所述图像采集单元的输出端依次经过第一矿用调制解调器(17)和第二矿用调制解调器(31)连接上位机(27)的输入端；数据采集单元的输出端分别与第一采集卡(23)和第二采集卡(29)连接，所述第一采集卡安装在第一机箱(22)上，第一机箱(22)与上位机(27)连接；所述第二采集卡(29)安装在第二机箱(30)上，所述第二机箱(30)与上位机(27)连接。

6.一种以救援提升舱为载体的救援井井筒动态测量方法，其特征在于，基于权利要求1-5中任一项所述的一种以救援提升舱为载体的救援井井筒动态测量装置，包括以下步骤：

根据六个激光测距传感器(13)到井壁的测距值以及其安装位置，利用最小二乘圆法来确定救援井井筒的结构参数，所述救援井井筒的结构参数为井筒各截面轮廓曲线的理想中心坐标及半径值。

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