[發明專利]一種背包式井下煤炭開采量智能測量裝置及其量測方法

在審

• 申請號: 201410374735.0
• 申請日: 2014-07-31
• 公開（公告）號: CN105318875A
• 公開（公告）日: 2016-02-10
• 發明（設計）人: 王堅;胡安冬;譚興龍;秦長彪;汪云甲
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G01C21/18
• 分類號: G01C21/18;G08C17/02;G01C7/06;E21B47/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

技術領域

本發明涉及一種井下測量裝置及其量測方法，特別是一種背包式井下煤炭開采量智能測量裝置及其量測方法一種背包式井下煤炭開采量智能測量裝置及其量測方法。

背景技術

在采礦、采煤工程中，地下生產采場采空區測址大多采用垂直斷面測量法。垂直斷面測址法一般采用極坐標法，由于剖面線不可能正好位于測點上，以及測點密度不大，尤其是地下不安全的地段和不便到達的地方。這樣求得的采場采空區體積精度不會很高。對于金屬礦山特別是品位高的礦體，由于存在較大采空區測誤差，造成了國家寶貴財產的流失。

礦井巷道是特殊的受限空間，電磁波傳輸特性受到巷道形狀和截面尺寸、工作頻率、巷道壁電參數、粉塵及金屬支柱等影響。礦井巷道通常是由巖石、混凝土或磚頭等材料組成，四壁的表面十分粗糙，存在著凹凸不平的隨機起伏，同時這些材料不是理想導體而是電導率為有限值的損耗介質。

慣性傳感器包括陀螺儀和加速度計。加速度計目前精度可達10-5gn且對INS誤差影響較小。陀螺儀由于其結構復雜、制造困難且其漂移誤差對INS精度影響大，而成了慣性傳感器重點研究對象。

第一代慣性技術指1930年以前的慣性技術。第一代慣性技術指1930年以前的慣性技術。自1687年牛頓三大定律的建立，并成為慣性導航的理論基礎；到1852年，傅科提出陀螺的定義、原理及應用設想；再到1908年由安修茨研制出世界上第一臺擺式陀螺羅經，以及1910年的舒勒調諧原理；第一代慣性技術奠定了整個慣性導航發展的基礎。

第二代慣性技術開始于上世紀40年代火箭發展的初期，其研究內容從慣性儀表技術發展擴大到慣性導航系統的應用。首先是慣性技術在德國V-II火箭上的第一次成功應用。到50年代中后期，0.5nmile/h的單自由度液浮陀螺平臺慣導系統研制并應用成功。1968年，漂移約為0.005°/h的G6B4型動壓陀螺研制成功。這一時期，還出現了另一種慣性傳感器－加速度計。在技術理論研究方面，為減少陀螺儀表支承的摩擦與干擾，撓性、液浮、氣浮、磁懸浮和靜電等支承懸浮技術被逐步采用；1960年激光技術的出現為今后激光陀螺(RLG)的發展提供了理論支持；捷聯慣性導航(SINS)理論研究趨于完善。

70年代初期，第三代慣性技術發展階段出現了一些新型陀螺、加速度計和相應的慣性導航系統，其研究目標是進一步提高INS的性能，并通過多種技術途徑來推廣和應用慣性技術。這一階段的主要陀螺包括：靜電陀螺、動力調諧陀螺、環形激光陀螺、干涉式光纖陀螺等。

當前，慣性技術正處于第四代發展階段，其目標是實現高精度、高可靠性、低成本、小型化、數字化、應用領域更加廣泛的導航系統。一方面，陀螺的精度不斷提高，漂移量可達10-6o/h；另一方面，隨著新型固態陀螺儀的逐漸成熟，以及高速大容量的數字計算機技術的進步，SINS在低成本、短期中精度慣性導航中呈現出取代平臺式系統的趨勢。

一個慣性傳感器IMU包含了三個單軸的加速度計和三個單軸的陀螺利用三軸地磁解耦和三軸加速度計，受外力加速度影響很大，在運動/振動等環境中，輸出方向角誤差較大,此外地磁傳感器有缺點，它的絕對參照物是地磁場的磁力線,地磁的特點是使用范圍大，但強度較低，約零點幾高斯，非常容易受到其它磁體的干擾，如果融合了Z軸陀螺儀的瞬時角度，就可以使系統數據更加穩定。加速度測量的是重力方向，在無外力加速度的情況下，能準確輸出ROLL/PITCH兩軸姿態角度并且此角度不會有累積誤差，在更長的時間尺度內都是準確的。但是加速度傳感器測角度的缺點是加速度傳感器實際上是用MEMS技術檢測慣性力造成的微小形變，而慣性力與重力本質是一樣的,所以加速度計就不會區分重力加速度與外力加速度，當系統在三維空間做變速運動時，它的輸出就不正確了。

陀螺儀輸出角速度，是瞬時量，角速度在姿態平衡上是不能直接使用，需要角速度與時間積分計算角度，得到的角度變化量與初始角度相加，就得到目標角度，其中積分時間Dt越小，輸出角度越精確,但陀螺儀的原理決定了它的測量基準是自身，并沒有系統外的絕對參照物，加上Dt是不可能無限小,所以積分的累積誤差會隨著時間流逝迅速增加，最終導致輸出角度與實際不符，所以陀螺儀只能工作在相對較短的時間尺度內。

所以在沒有其它參照物的基礎上，要得到較為真實的姿態角，就要利用加權算法揚長避短，結合兩者的優點，擯棄其各自缺點,設計算法在短時間尺度內增加陀螺儀的權值，在更長時間尺度內增加加速度權值，這樣系統輸出角度就接近真實值了.