CN204255373U - 一种矿用陀螺姿态测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种矿用陀螺姿态测量仪，包括主机和子机，主机和子机配合使用，用来测量矿用钻探设备的姿态角，包括方位角、前后倾角和左右倾角。主机的功能是寻北，主要包括长方体外壳、动调陀螺仪，三轴加速度计、控制芯片、显控装置及电源部分，用以测量地球自转角速度分量，从而测量出主机基准与正北的夹角；子机主要包括长方体外壳、微机械陀螺仪、三轴加速度计、控制芯片、显控装置及电源部分，用以测量其自身基准相对于主机基准的方位角旋转变化量、前后倾角及左右倾角。主机和子机两者配合使用即可测量矿用钻探设备的三个姿态角。本实用新型专利无需GPS信号，且不受磁场干扰，适合于煤矿井下钻探设备姿态角的测量。

Description

一种矿用陀螺姿态测量仪

技术领域

本实用新型涉及矿用钻探设备姿态测量技术领域，特别涉及一种矿用陀螺姿态侧量仪。

背景技术

煤矿钻探设备在钻进或探测的过程中，需要调节好其姿态角(方位角及双向倾角)，以满足钻探工艺要求，因而需要一种设备对其姿态角进行准确测量；由于矿井下无GPS信号，目前一般用的方法是用磁罗盘测量及以巷道中线为基准的测量方法，由于钻探设备一般由铁磁材料制造，其对地磁场方向有干扰，为磁罗盘测量法带来较大的测量误差(有时超过10°)；而通过巷道中线为基准来测量时，由于寻找中线的方法目前多是用人工扯线来实现，再通过量角器来量钻探设备与中线夹角，扯线及量夹角时人为因素引入的误差较大，且两过程的误差是累积误差，因而最终方位角的测量误差较大，特别是巷道有倾角或者巷道弯曲时。由上知，在姿态测量过程中，方位角的精确测量是难点。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种矿用陀螺姿态测量仪，用于测量钻探设备的姿态角，由主机和子机两部分组成，通过陀螺原理进行方位角测量，精确度高，且所述姿态测量仪为矿用本安便携式仪器，易于携带，测量时劳动强度低。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的，一种矿用陀螺姿态测量仪，包括用于寻北的主机和用于测量姿态角的子机，所述主机为子机提供方位基准；所述主机包括用于测量地球自转角速度的敏感轴分量的动调陀螺仪、用于测出主机前后倾角和左右倾角的第一三轴加速度计、第一控制芯片、用于实现人机交互的第一显示屏和第一电源模块；所述动调陀螺仪和第一三轴加速度计分别与第一控制芯片连接，所述第一显示屏与第一控制芯片连接，所述第一电源模块经DC/DC变换后给用电单元供电。

进一步，所述子机包括用于测量方位角旋转角速度的微机械陀螺仪、用于测量子机前后倾角和左右倾角的第二三轴加速度计、第二控制芯片、第二显示屏、第二电源模块和薄膜键盘及按钮，所述微机陀螺仪和第二三轴加速度计分别与第二控制芯片连接，所述第二显示屏与第二控制芯片连接，所述薄膜键盘及按钮与第二控制芯片连接，所述第二电源模块经DC/DC变换后给用电单元供电。

进一步，所述主机还包括第一长方形外壳，所述动调陀螺仪、第一三轴加速度计、第一控制芯片和第一电源模块设置于第一长方形外壳内。

进一步，所述子机还包括第二长方形外壳，所述微机械陀螺仪、第二三轴加速度计、第二控制芯片和第二电源模块设置于第二长方形包壳内。

进一步，所述主机表面设置向上的凸出部，所述凸出部具有第一基准面；所述子机的边缘设置在向下延伸的凸沿，所述凸沿具有第二基准面，在子机放在主机上使用时，所述第一基准面与第二基准面紧密贴合。

本实用新型的有益效果：

本实用新型可直接测量钻探设备的方位角及倾角，所用陀螺均不受磁场干扰，且无需GPS信号，适用于煤矿井下环境，在测量方位角时每次测量前对子机进行方位角初始化，可有效的消除微机械陀螺的累积误差，提高了测量精度，该设备为本安便携式仪器，工人劳动强度低。本实用新型为矿用钻探设备姿态测量提供了简单实用的设备及测量方法，提高了钻探准确度及效率，从而提高了煤矿安全系数。

附图说明

为了使本实用新型的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本实用新型提供如下附图进行说明：

图1姿态仪的原理框图，其中a为主机电器原理示意图，b为子机电器原理示意图；

图2为姿态仪结构示意图，子机放在主机上，基准重合；其中a为正视图，b为俯视图；

图3为子机结构示意图，a为正视图，b为侧视图；

图4为主机结构示意图，a为正视图，b为侧剖视图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本实用新型的优选实施例进行详细的描述。

图1姿态仪的原理框图，其中a为主机电器原理示意图，b为子机电器原理示意图；图2为姿态仪结构示意图，子机放在主机上，基准重合；其中a为正视图，b为俯视图；图3为子机结构示意图，a为正视图，b为侧视图；图4为主机结构示意图，a为正视图，b为侧剖视图。

一种矿用陀螺姿态测量仪，包括主机1和子机2，两者配合使用，用来测量钻探设备机构的方位角及倾角。

如图1所示，所述主机包括第一长方形外壳、动调陀螺仪、第一三轴加速度计、第一控制芯片、第一显示屏6和第一电源模块；所述动调陀螺仪、第一三轴加速度计、第一控制芯片和第一电源模块设置于第一长方形外壳内。所述动调陀螺仪和第一三轴加速度计分别与第一控制芯片连接，所述第一显示屏与第二控制芯片连接，所述第一电源模块经DC/DC变换后给用电单元供电；所述第一显示屏用于实现人机交互。

所述主机起寻北作用，为子机提供方位基准；使用过程中一直保持静止(包括寻北的过程和配合子机测量的过程)。动调陀螺仪的转子高速自转，同时又随地球的自转进行旋转，从而产生陀螺效应，利用该效应来测量地球自转角速度的敏感轴分量，再通过反正切函数来求主机外壳基准与正北的夹角，从而完成寻北；在寻北过程中，当主机有一定的倾角时，第一三轴加速度计可以测出前后倾角和左右倾角，在计算主机与真北夹角时，将所测的两倾角考虑到算法里即可；为了保证寻北的精度，寻北时主机尽量保持水平，且不在高纬度地区(如南北极圈内)。

主机外壳基准与正北的夹角ψ₀的计算方法为：

式(1)中，ω_Y为地球自转角速度在敏感轴Y轴上的分量，ω_X为地球自转角速度在敏感轴X轴上的分量，θ为前后倾角，γ为左右倾角，ω_e为地球自转角速度，为纬度。

所述子机包括第二长方形外壳、微机械陀螺仪、第二三轴加速度计、第二控制芯片、第二显示屏3、第二电源模块和薄膜键盘及按钮，所述微机械陀螺仪、第二三轴加速度计、第二控制芯片和第二电源模块设置于第二长方形包壳内。所述微机陀螺仪和第二三轴加速度计分别与第二控制芯片连接，所述第二显示屏与第二控制芯片连接，所述薄膜键盘及按钮与第二控制芯片连接，所述第二电源模块经DC/DC变换后给用电源单元供电。

所述子机用于测量钻探设备的姿态角，倾角通过第二三轴加速度计直接测量，在测量方位角时，子机先放在主机基准上，通过初始化而得到方位角测量基准，从主机上拿到钻探设备上的方位角旋转变化量通过微机械陀螺来测量，方位角基准与方位角旋转变化量求和即为所测量方位角值。

所述主机表面设置向上的凸出部(即前述的主机基准)，所述凸出部具有第一基准面5；所述子机的边缘设置在向下延伸的凸沿，所述凸沿具有第二基准面4，在子机放在主机上使用时，所述第一基准面与第二基准面紧密贴合。

所述第二三轴加速度计可以方便测量子机的倾角，包括前后倾角和左右倾角。

所述微机陀螺仪可以方便测出方位角旋转角速度，再用四元数姿态矩阵即可求得方位角旋转变化量，此方位角变化量加上主机提供的方位角基准即可得到子机基准的方位角，从而可进行整个钻探设备机构的方位角测量。

在每次方位角测量前都要对子机初始化以得到方位角基准，从而消除微机械陀螺累积误差；当子机有倾角时(即微机械陀螺仪有倾角时)，在计算方位角旋转角度时，将倾角考虑进去即可。

方位角变化量的计算方法为：

由参考坐标系R至子机固联坐标系b旋转过程中的转换矩阵为将子机的转动等效为绕瞬轴u(单位向量)转过θ角一次完成，将该点在参考坐标系R中的向量r^R和在子机坐标系中的向量r^b看作零标量的四元数，则r^R和r^b间的变换关系可采用四元数乘法表示：

$r^R=Q\⊗r^b\⊗Q*---\left(2\right)$

该式为坐标变换的四元数乘表示法，其中Q为R系至b系的旋转四元数。

$Q=q_0+q_1{i}_0+q_2{j}_0+q_3{k}_0=\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}+(l{i}_0+m{j}_0+n{k}_0)\sin \frac{\mathrm{\θ}}{2}=\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}+u^R\sin \frac{\mathrm{\θ}}{2}$

$\begin{array}{c}Q\⊗r^b\⊗Q*=M\left(Q\right)M^{\′}(Q*)\left[\begin{array}{c}0\\ r^b\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{cccc}{q}_0& -q_1& -q_2& -q_3\\ q_1& q_0& -q_3& q_2\\ q_2& q_3& q_0& -q_1\\ q_3& -q_2& q_1& q_0\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}{q}_0& q_1& q_2& q_3\\ -q_1& q_0& -q_3& q_2\\ {-q}_2& q_3& q_0& -q_1\\ {-q}_3& {-q}_2& q_1& q_0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ r_x^b\\ r_y^b\\ r_z^b\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{cccc}\×& 0& 0& 0\\ \×& q_1^2+q_0^2-q_3^2-q_2^2& 2(q_1{q}_2-q_0{q}_3)& 2(q_1{q}_3+q_0{q}_2)\\ \×& 2(q_1{q}_2+q_0{q}_3)& q_2^2-q_3^2+q_0^2-q_1^2& 2(q_2{q}_3-q_0{q}_1)\\ \×& 2(q_1{q}_3-q_0{q}_2)& 2(q_2{q}_3+q_0{q}_1)& q_3^2-q_2^2-q_1^2+q_0^2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ r_x^b\\ r_y^b\\ r_z^b\end{array}\right]\end{array}$

上式矩阵中右下角的3×3方块即为所以(2)式可写成：

$\left[\begin{array}{c}0\\ r^R\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}\×& 0& 0& 0\\ \×& & & \\ \×& & C_b^R& \\ \×& & & \end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ r^b\end{array}\right]$

即： $r^R=C_b^R{r}^b---\left(3\right)$

式(3)为坐标变换的矩阵表示法，则坐标变换阵就是姿态矩阵，由姿态矩阵可计算出微机械陀螺所测的方位角变化量Δψ。

此方位角变化量与主机提供的方位角基准求和即可得到子机的方位角，即方位角ψ＝ψ₀+Δψ。

在测量钻探设备姿态时，先测量方位角，方位角满足要求后再测量倾角；测量过程为：先将主机水平静止放置在需要测量的钻探设备旁，进行寻北；寻北完成后，主机显示屏显示出主机基准与真北夹角；对子机输入主机的寻北方位角，再将子机基准与主机基准重合，按下子机初始化按钮；然后将子机拿到钻探设备上去测量，在此过程中，子机方位角不断变化，即由主机基准的方位角变化到钻探设备基准的方位角，该变化量由微机械陀螺计算出，子机初始化时基准方位角与自身所测方位角变化量求和即可得钻探设备的方位角，若方位角有偏差，先将子机从钻探设备上拿下来放在主机基准上，再调节钻探设备方位角，然后子机按下初始化按钮，通过主机方位基准(该基准不变)对子机方位角再次进行初始化，再拿到钻探设备上去测量；照此步骤进行下去，直到钻探设备调到所需的方位角(在允许误差范围内)，即完成方位角测量与调节，然后再调节钻探设备倾角，调倾角时，直接将子机放在钻探设备上，边调节边观察即可，无需要反复放在主机基准上进行初始化。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种矿用陀螺姿态测量仪，其特征在于：包括用于寻北的主机和用于测量姿态角的子机，所述主机为子机提供方位基准；

所述主机包括用于测量地球自转角速度的敏感轴分量的动调陀螺仪、用于测出主机前后倾角和左右倾角的第一三轴加速度计、第一控制芯片、用于实现人机交互的第一显示屏和第一电源模块；所述动调陀螺仪和第一三轴加速度计分别与第一控制芯片连接，所述第一显示屏与第一控制芯片连接，所述第一电源模块经DC/DC变换后给用电单元供电。

2.根据权利要求1所述的陀螺姿态测量仪，其特征在于：所述子机包括用于测量方位角旋转角速度的微机械陀螺仪、用于测量子机前后倾角和左右倾角的第二三轴加速度计、第二控制芯片、第二显示屏、第二电源模块和薄膜键盘及按钮，所述微机陀螺仪和第二三轴加速度计分别与第二控制芯片连接，所述第二显示屏与第二控制芯片连接，所述薄膜键盘及按钮与第二控制芯片连接，所述第二电源模块经DC/DC变换后给用电单元供电。

3.根据权利要求1所述的矿用陀螺姿态测量仪，其特征在于：所述主机还包括第一长方形外壳，所述动调陀螺仪、第一三轴加速度计、第一控制芯片和第一电源模块设置于第一长方形外壳内。

4.根据权利要求2所述的矿用陀螺姿态测量仪，其特征在于：所述子机还包括第二长方形外壳，所述微机械陀螺仪、第二三轴加速度计、第二控制芯片和第二电源模块设置于第二长方形包壳内。

5.根据权利要求1所述的矿用陀螺姿态测量仪，其特征在于：所述主机表面设置向上的凸出部，所述凸出部具有第一基准面；所述子机的边缘设置在向下延伸的凸沿，所述凸沿具有第二基准面，在子机放在主机上使用时，所述第一基准面与第二基准面紧密贴合。