[發(fā)明專利]井下鉆機(jī)姿態(tài)測(cè)量?jī)x及其測(cè)量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310562331.X
• 申請(qǐng)日: 2013-11-11
• 公開（公告）號(hào): CN103591927A
• 公開（公告）日: 2014-02-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王小龍;張仲禮;張福平;高爽;程建遠(yuǎn);林鐵;江浩;王繼礦
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司;北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G01C1/00
• 分類號(hào): G01C1/00
• 代理公司: 北京永創(chuàng)新實(shí)專利事務(wù)所 11121
• 代理人: 祗志潔

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及井下鉆機(jī)姿態(tài)測(cè)量的技術(shù)，具體涉及一種無需借助外界信息可以自動(dòng)測(cè)量井下鉆機(jī)姿態(tài)(方位角、俯仰角)信息的裝置和方法，也可用于井下其它設(shè)備姿態(tài)信息的測(cè)量。

背景技術(shù)

對(duì)于瓦斯礦井，必須先抽采瓦斯再采煤。這就要求在井下施工大量的瓦斯抽采孔，而且為保證高的瓦斯抽采率，要求施工鉆機(jī)按照預(yù)先設(shè)計(jì)的方位角與俯仰角進(jìn)行打孔作業(yè)。這樣就必須測(cè)量鉆機(jī)的姿態(tài)信息，以保證鉆機(jī)姿態(tài)最終調(diào)整到預(yù)先設(shè)計(jì)的方位角與俯仰角。目前，公知的井下鉆機(jī)方位角、俯仰角的確定是靠人工測(cè)量的方式來完成，其借助于巷道本身的方位角，通過人工投影與幾何測(cè)量的方法來確定井下鉆機(jī)的姿態(tài)信息。這種人工測(cè)量的方法缺點(diǎn)明顯：耗費(fèi)大量人力、測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、測(cè)量誤差大，難以滿足快速精確測(cè)量的實(shí)際要求。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服人工測(cè)量方法的不足，本發(fā)明提供了一種井下鉆機(jī)姿態(tài)測(cè)量?jī)x及其測(cè)量方法，該井下鉆機(jī)姿態(tài)測(cè)量?jī)x采用廣泛應(yīng)用于航空航天的慣性技術(shù)，其特點(diǎn)是不需要任何外界信息僅靠?jī)x器自身可以自動(dòng)測(cè)定鉆機(jī)的初始方位角與俯仰角，當(dāng)鉆機(jī)姿態(tài)調(diào)整時(shí)可以動(dòng)態(tài)測(cè)量鉆機(jī)的實(shí)時(shí)方位角與俯仰角。

本發(fā)明提供的井下鉆機(jī)姿態(tài)測(cè)量?jī)x，固定于鉆機(jī)推進(jìn)器的軌道上。井下鉆機(jī)姿態(tài)測(cè)量?jī)x包括電源電路模塊、慣性測(cè)量系統(tǒng)和控制顯示部分。慣性測(cè)量系統(tǒng)包括慣性測(cè)量單元和導(dǎo)航計(jì)算機(jī)；慣性測(cè)量單元包括三軸光纖陀螺儀和三軸加速度計(jì)，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)包括信號(hào)調(diào)理電路、A/D（模擬/數(shù)字）采樣模塊、DSP（Digital?Signal?Processing，數(shù)字信號(hào)處理）處理器和FPGA（Field－Programmable?Gate?Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）采集電路。控制顯示部分包括STM32控制器、顯示器、鍵盤鼠標(biāo)、USB通訊電路和Nand-flash存儲(chǔ)器。

電源電路模塊將鎳氫電池組輸出的直流電壓經(jīng)過隔離升壓或降壓，再經(jīng)穩(wěn)壓和限流后供給慣性測(cè)量系統(tǒng)和控制顯示部分。

三軸光纖陀螺儀敏感井下鉆機(jī)姿態(tài)測(cè)量?jī)x的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的角速度，并通過RS422通信線輸入FPGA采集電路。三軸加速度計(jì)敏感井下鉆機(jī)姿態(tài)測(cè)量?jī)x的三個(gè)平移運(yùn)動(dòng)的加速度，將輸出的電流信號(hào)輸入信號(hào)調(diào)理電路；信號(hào)調(diào)理電路將電流信號(hào)通過跨阻運(yùn)放和低通濾波轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并輸入給A/D采樣模塊；A/D采樣模塊將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖信號(hào)，并輸入給FPGA采集電路。FPGA采集電路將輸入的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的角速度和平移運(yùn)動(dòng)的加速度打包后傳給DSP處理器。DSP處理器進(jìn)行捷聯(lián)姿態(tài)解算得到鉆機(jī)的方位角和俯仰角，并傳送給FPGA采集電路。FPGA采集電路通過RS232串口輸出給STM32控制器。

STM32控制器將得到的方位角和俯仰角通過顯示器顯示給用戶，同時(shí)將方位角與俯仰角信息存入Nand-flash存儲(chǔ)器，Nand-flash存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)可通過USB總線傳送到PC機(jī)中，在PC機(jī)中完成數(shù)據(jù)讀取與操作。

基于上面所述的井下鉆機(jī)姿態(tài)測(cè)量?jī)x，本發(fā)明提供的井下鉆機(jī)姿態(tài)測(cè)量方法，具體是：開機(jī)上電后，STM32控制器發(fā)送測(cè)量點(diǎn)位置信息給導(dǎo)航計(jì)算機(jī)，發(fā)送成功后，STM32控制器發(fā)送尋北命令給導(dǎo)航計(jì)算機(jī)；導(dǎo)航計(jì)算機(jī)接收到尋北命令后，觸發(fā)三軸光纖陀螺儀和三軸加速度計(jì)開始工作，并將測(cè)量得井下鉆機(jī)姿態(tài)測(cè)量?jī)x的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的角速度和三個(gè)平移運(yùn)動(dòng)的加速度輸入給DSP處理器進(jìn)行捷聯(lián)姿態(tài)解算，將解算得到鉆機(jī)的方位角和俯仰角輸出給STM32控制器；然后，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量鉆機(jī)的當(dāng)前姿態(tài)并輸出給STM32控制器，直至測(cè)量結(jié)束。

本發(fā)明的井下鉆機(jī)姿態(tài)測(cè)量?jī)x及其測(cè)量方法的有益效果是，本發(fā)明不依賴任何外界信息，通過捷聯(lián)姿態(tài)解算方法自動(dòng)測(cè)量井下鉆機(jī)的姿態(tài)(方位角、俯仰角)信息，并可實(shí)時(shí)顯示給用戶，從而可替代現(xiàn)有人工幾何測(cè)量方法，克服現(xiàn)有方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力、測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、測(cè)量誤差大等缺點(diǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的井下鉆機(jī)姿態(tài)測(cè)量?jī)x的系統(tǒng)原理圖；

圖2是本發(fā)明的控制顯示部分的外部控制面板示意圖；

圖3是本發(fā)明的井下鉆機(jī)姿態(tài)測(cè)量?jī)x的外殼示意圖；

圖4是本發(fā)明的井下鉆機(jī)姿態(tài)測(cè)量?jī)x在鉆機(jī)上的安裝示意圖。

圖5是本發(fā)明的井下鉆機(jī)姿態(tài)測(cè)量方法的流程示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行具體說明。

本發(fā)明提供的井下鉆機(jī)姿態(tài)測(cè)量?jī)x，如圖1所示，包括電源電路模塊1、慣性測(cè)量系統(tǒng)2和控制顯示部分3。