井下鉆機姿態(tài)測量儀及其測量方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種井下鉆機姿態(tài)測量儀及其測量方法。測量儀固定于鉆機推進器的軌道上，包括電源電路模塊、慣性測量系統(tǒng)和控制顯示部分，慣性測量系統(tǒng)包括三軸光纖陀螺儀、三軸加速度計、DSP處理器和FPGA采集電路等，控制顯示部分包括STM32控制器和顯示器等。測量方法中，STM32控制器發(fā)送測量點位置信息和尋北命令給FPGA采集電路，三軸光纖陀螺儀和三軸加速度計開始工作，將敏感的轉(zhuǎn)動運動的角速度和平移運動的加速度在DSP處理器進行姿態(tài)解算，得到鉆機的姿態(tài)；然后，慣性測量系統(tǒng)一直實時測量鉆機的當前姿態(tài)直至測量結(jié)束。本發(fā)明無需借助外界信息僅依靠裝置自身就可以自動、快速、精確地測量與顯示井下鉆機姿態(tài)信息。
【專利說明】井下鉆機姿態(tài)測量儀及其測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及井下鉆機姿態(tài)測量的技術(shù)，具體涉及ー種無需借助外界信息可以自動測量井下鉆機姿態(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)信息的測量。
【背景技術(shù)】
[0002]對于瓦斯礦井，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，要求施工鉆機按照預先設(shè)計的方位角與俯仰角進行打孔作業(yè)。這樣就必須測量鉆機的姿態(tài)信息，以保證鉆機姿態(tài)最終調(diào)整到預先設(shè)計的方位角與俯仰角。目前，公知的井下鉆機方位角、俯仰角的確定是靠人工測量的方式來完成，其借助于巷道本身的方位角，通過人工投影與幾何測量的方法來確定井下鉆機的姿態(tài)信息。這種人エ測量的方法缺點明顯:耗費大量人力、測量時間長、測量誤差大，難以滿足快速精確測量的實際要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服人工測量方法的不足，本發(fā)明提供了ー種井下鉆機姿態(tài)測量儀及其測量方法，該井下鉆機姿態(tài)測量儀采用廣泛應用于航空航天的慣性技術(shù)，其特點是不需要任何外界信息僅靠儀器自身可以自動測定鉆機的初始方位角與俯仰角，當鉆機姿態(tài)調(diào)整時可以動態(tài)測量鉆機的實時方位角與俯仰角。
[0004]本發(fā)明提供的井下鉆機姿態(tài)測量儀，固定于鉆機推進器的軌道上。井下鉆機姿態(tài)測量儀包括電源電路模塊、慣性測量系統(tǒng)和控制顯示部分。慣性測量系統(tǒng)包括慣性測量單元和導航計算機；慣性測量單元包括三軸光纖陀螺儀和三軸加速度計，導航計算機包括信號調(diào)理電路、A/D (模擬/數(shù)字)采樣模塊、DSP (Digital Signal Processing，數(shù)字信號處理)處理器和FPGA (Field 一 Programmable Gate Array,現(xiàn)場可編程門陣列)采集電路。控制顯示部分包括STM32控制器、顯示器、鍵盤鼠標、USB通訊電路和Nand-flash存儲器。
[0005]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量系統(tǒng)和控制顯示部分。
[0006]三軸光纖陀螺儀敏感井下鉆機姿態(tài)測量儀的三個轉(zhuǎn)動運動的角速度，并通過RS422通信線輸入FPGA采集電路。三軸加速度計敏感井下鉆機姿態(tài)測量儀的三個平移運動的加速度，將輸出的電流信號輸入信號調(diào)理電路；信號調(diào)理電路將電流信號通過跨阻運放和低通濾波轉(zhuǎn)換為電壓信號，并輸入給A/D采樣模塊;A/D采樣模塊將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖信號，并輸入給FPGA采集電路。FPGA采集電路將輸入的轉(zhuǎn)動運動的角速度和平移運動的加速度打包后傳給DSP處理器。DSP處理器進行捷聯(lián)姿態(tài)解算得到鉆機的方位角和俯仰角，并傳送給FPGA采集電路。FPGA采集電路通過RS232串ロ輸出給STM32控制器。
[0007]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，同時將方位角與俯仰角信息存入Nand-flash存儲器，Nand-flash存儲器中的數(shù)據(jù)可通過USB總線傳送到PC機中，在PC機中完成數(shù)據(jù)讀取與操作。
[0008]基于上面所述的井下鉆機姿態(tài)測量儀，本發(fā)明提供的井下鉆機姿態(tài)測量方法，具體是:開機上電后，STM32控制器發(fā)送測量點位置信息給導航計算機，發(fā)送成功后，STM32控制器發(fā)送尋北命令給導航計算機；導航計算機接收到尋北命令后，觸發(fā)三軸光纖陀螺儀和三軸加速度計開始工作，并將測量得井下鉆機姿態(tài)測量儀的三個轉(zhuǎn)動運動的角速度和三個平移運動的加速度輸入給DSP處理器進行捷聯(lián)姿態(tài)解算，將解算得到鉆機的方位角和俯仰角輸出給STM32控制器；然后，導航計算機實時測量鉆機的當前姿態(tài)并輸出給STM32控制器，直至測量結(jié)束。
[0009]本發(fā)明的井下鉆機姿態(tài)測量儀及其測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)解算方法自動測量井下鉆機的姿態(tài)(方位角、俯仰角)信息，并可實時顯示給用戶，從而可替代現(xiàn)有人工幾何測量方法，克服現(xiàn)有方法費時費力、測量時間長、測量誤差大等缺點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明的井下鉆機姿態(tài)測量儀的系統(tǒng)原理圖；
[0011]圖2是本發(fā)明的控制顯示部分的外部控制面板示意圖；
[0012]圖3是本發(fā)明的井下鉆機姿態(tài)測量儀的外殼示意圖；
[0013]圖4是本發(fā)明的井下鉆機姿態(tài)測量儀在鉆機上的安裝示意圖。
[0014]圖5是本發(fā)明的井下鉆機姿態(tài)測量方法的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進行具體說明。
[0016]本發(fā)明提供的井下鉆機姿態(tài)測量儀，如圖1所示，包括電源電路模塊1、慣性測量系統(tǒng)2和控制顯不部分3。
[0017]電源電路模塊I包括鎳氫電池組、充電接口和二次電源模塊。鎳氫電池組輸出的直流電壓經(jīng)過隔離升壓或降壓，產(chǎn)生的電壓經(jīng)穩(wěn)壓和限流后供給慣性測量系統(tǒng)2和控制顯示部分3。
[0018]慣性測量系統(tǒng)2包括慣性測量單元21和導航計算機22。慣性測量單元21包括三軸加速度計211和三軸光纖陀螺儀212。導航計算機22包括信號調(diào)理電路221、A/D采樣模塊222、FPGA采集電路223和DSP處理器224。
[0019]三軸加速度計211敏感井下鉆機姿態(tài)測量儀的三個平移運動的加速度。三軸光纖陀螺儀212敏感井下鉆機姿態(tài)測量儀的三個轉(zhuǎn)動運動的角速度。三軸光纖陀螺儀212將敏感得到的轉(zhuǎn)動運動的角速度信號通過RS422通信線輸入FPGA采集電路223。三軸加速度計211敏感得到的平移運動的加速度信號輸出為電流信號，將電流信號輸入信號調(diào)理電路221。在信號調(diào)理電路221中將電流信號通過跨阻運放和低通濾波轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后將電壓信號輸入給A/D采樣模塊222。A/D采樣模塊222將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖信號，并輸入給FPGA采集電路223。FPGA采集電路223將三軸光纖陀螺儀212輸入的轉(zhuǎn)動運動的角速度信號和A/D采樣模塊222輸入的平移運動的加速度信號打包后，傳送給DSP處理器224。DSP處理器224進行捷聯(lián)姿態(tài)解算得到鉆機的方位角和俯仰角，并傳送給FPGA采集電路223。FPGA采集電路223通過RS232串ロ將鉆機的方位角和俯仰角輸出給控制顯示部分3的STM32控制器31，并存儲在Nand-flash存儲器32中。
[0020]控制顯示部分3包括STM32控制器31、Nand-flash存儲器32、LCD顯示器33、鼠標鍵盤34和USB通訊電路35。STM32控制器31將得到的方位角和俯仰角通過IXD顯示器33顯示給用戶，同時將方位角與俯仰角信息存入Nand-flash存儲器32。Nand-flash存儲器32中的數(shù)據(jù)可通過USB總線傳送到PC機中，在PC機中完成數(shù)據(jù)讀取與操作。
[0021]如圖2所示，為本發(fā)明的井下鉆機姿態(tài)測量儀的控制顯示部分的外部控制面板示意圖。其中，控制面板上設(shè)有開關(guān)電源按鈕、USB接ロ、充電接ロ、鍵盤鼠標接ロ以及IXD顯示器33。
[0022]如圖3所示，井下鉆機姿態(tài)測量儀具有一個采用不銹鋼材料制成的外殼，慣性測量系統(tǒng)2放置在箱中。
[0023]本發(fā)明提供的鉆機姿態(tài)測量儀，整體包括如下組成部件:采用不銹鋼材料制成的外殼、LCD、防水鼠標、鎳氫電池組、三軸光纖陀螺傳感器、三軸加速度計傳感器、STM32控制器、計算模塊、儲存模塊、充電/USB航空頭及輔助夾具。
[0024]如圖4所示，本發(fā)明提供的鉆機姿態(tài)測量儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，包括:三軸加速度計傳感器、三軸光纖陀螺傳感器、信號調(diào)理電路、A/D采樣模塊、FPGA、DSP、STM32控制器、電源電路、IXD顯示器、鼠標鍵盤、USB通訊電路和存儲器Flash。
[0025]采用三個高精度光纖陀螺和三個石英加速度計組成慣性測量組件，通過信號調(diào)理電路再經(jīng)24位A/D采樣模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號送入下位機控制器FPGA，再送入DSP處理器，利用尋北算法及姿態(tài)更新算法輸出鉆機的方位角與俯仰角信息，再將方位角與俯仰信息返回FPGA，后經(jīng)RS232串ロ送入微控制器STM32，將方位角與俯仰角信息存入Nand flash存儲器并通過顯示器顯示操作菜單、鉆機姿態(tài)信息等。Nand flash存儲器中的數(shù)據(jù)可通過USB總線傳送到PC機中，在PC機中完成數(shù)據(jù)讀取與操作
[0026]如圖4所示，通過輔助夾具將井下鉆機姿態(tài)測量儀固定于鉆機推進器的軌道上。開機后鎳氫電池組輸出的直流電壓經(jīng)隔離升壓或降壓電路產(chǎn)生兩路±5V、一路±15V、一路+5V，再經(jīng)穩(wěn)壓與限流，分別供給慣性測量系統(tǒng)2中的三軸光纖陀螺儀212、三軸加速度計211及導航計算機22。如圖1所示，其中一路±5V和一路+ 5V供給三軸光纖陀螺儀212，一路土 15V供給三軸加速度計211，另外一路±5V供給導航計算機22。三軸光纖陀螺儀212的輸出通過RS422接ロ輸入FPGA采集電路223，三軸加速度計211的輸出為電流，經(jīng)過信號調(diào)理電路221中的跨阻運放及低通濾波轉(zhuǎn)化為電壓，再通過A/D采樣模塊222轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號輸入FPGA采集電路223。FPGA采集電路223將采集的陀螺儀信號和加速度計信號傳給DSP處理器224進行導航解算。DSP處理器224將經(jīng)過導航解算得到的方位角及俯仰角輸入給FPGA采集電路223，F(xiàn)PGA采集電路223通過RS232通信線和STM32控制器31進行通信。
[0027]控制顯示部分3主要由STM32控制器31擴展組成，擴展單元包括Nand-flash存儲器32、LCD顯示器33、鼠標鍵盤34和USB通訊電路34。Nand-flash存儲器32用以存儲FPGA采集電路223通過RS232通訊ロ傳到STM32控制器31的姿態(tài)信息、三軸光纖陀螺儀212的輸出信號和三軸加速度計211的輸出的經(jīng)過處理得到的數(shù)字脈沖信號。IXD顯示器33采用640X480的彩色IXD，顯示操作菜単、參數(shù)設(shè)置及測量結(jié)果等。鼠標鍵盤34進行初始參數(shù)(當前位置)的輸入和控制命令的選擇。USB通訊電路35可以將Nand-flash存儲器31中的數(shù)據(jù)傳送到PC機中。
[0028]如圖5所示，為利用本發(fā)明的井下鉆機姿態(tài)測量儀進行井下鉆機姿態(tài)測量方法的流程。開機上電后，通過鼠標鍵盤34輸入測量點位置信息(經(jīng)度、緯度、高度)，并在IXD顯示器33顯示，點擊“參數(shù)設(shè)置”命令，STM32控制器31將位置信息通過RS232接口發(fā)送給導航計算機22，導航計算機22接收到位置信息后，返回“收到”應答。通過顯示器33觀察至IJ “收到”應答后，再通過STM32控制器31下發(fā)“尋北命令”，導航計算機22接收到后通過FPGA采集電路223采集三軸光纖陀螺儀212和三軸加速度計211敏感的數(shù)據(jù)，并輸入給DSP處理器224進行尋北解算，同時實時上傳姿態(tài)參數(shù)、尋北狀態(tài)及尋北時間。尋北結(jié)束后，將尋北姿態(tài)參數(shù)信息和尋北結(jié)束標志上傳到STM32控制器31并顯示到IXD顯示器33上。之后井下鉆機姿態(tài)測量儀自動轉(zhuǎn)入到連續(xù)測量模式，實時測量鉆機的當前姿態(tài)，并將測量解算的姿態(tài)存入Nand-flash存儲器32中，同時上傳到STM32控制器31并顯示到IXD顯示器33上，直至測量結(jié)束。
[0029]本發(fā)明無需借助外界信息僅依靠裝置自身就可以自動、快速、精確地測量與顯示井下鉆機姿態(tài)信息。
【權(quán)利要求】
1.一種井下鉆機姿態(tài)測量儀，其特征在于，包括:電源電路模塊、慣性測量系統(tǒng)和控制顯示部分；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量系統(tǒng)和控制顯示部分；慣性測量系統(tǒng)包括慣性測量單元和導航計算機；慣性測量單元包括三軸光纖陀螺儀和三軸加速度計，導航計算機包括信號調(diào)理電路、A/D采樣模塊、DSP處理器和FPGA采集電路；控制顯示部分包括STM32控制器、顯示器、鍵盤鼠標、USB通訊電路和Nand-flash存儲器； 三軸光纖陀螺儀敏感井下鉆機姿態(tài)測量儀的三個轉(zhuǎn)動運動的角速度，并通過RS422通信線輸入FPGA采集電路；三軸加速度計敏感井下鉆機姿態(tài)測量儀的三個平移運動的加速度，將輸出的電流信號輸入信號調(diào)理電路；信號調(diào)理電路將電流信號通過跨阻運放和低通濾波轉(zhuǎn)換為電壓信號，并輸入給A/D采樣模塊;A/D采樣模塊將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖信號，并輸入給FPGA采集電路；FPGA采集電路將輸入的轉(zhuǎn)動運動的角速度和平移運動的加速度打包后傳給DSP處理器；DSP處理器進行捷聯(lián)姿態(tài)解算得到鉆機的方位角和俯仰角，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，同時將方位角與俯仰角信息存入Nand-flash存儲器，Nand-flash存儲器中的數(shù)據(jù)可通過USB總線傳送到PC機中，在PC機中完成數(shù)據(jù)讀取與操作。
2.基于權(quán)利要求1所述的井下鉆機姿態(tài)測量儀的井下鉆機姿態(tài)測量方法，其特征在于，具體實現(xiàn)過程為:開機上電后，STM32控制器發(fā)送測量點位置信息給導航計算機，發(fā)送成功后，STM32控制器發(fā)送尋北命令給導航計算機；導航計算機接收到尋北命令后，觸發(fā)三軸光纖陀螺儀和三軸加速度計開始工作，并將測量得井下鉆機姿態(tài)測量儀的三個轉(zhuǎn)動運動的角速度和三個平移運動的加速度輸入給DSP處理器進行捷聯(lián)姿態(tài)解算，將解算得到鉆機的方位角和俯仰角輸出給STM32控制器；然后，導航計算機實時測量鉆機的當前姿態(tài)并輸出給STM32控制器，直至測量結(jié)束。
【文檔編號】G01C1/00GK103591927SQ201310562331
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月11日
【發(fā)明者】王小龍, 張仲禮, 張福平, 高爽, 程建遠, 林鐵, 江浩, 王繼礦 申請人:中煤科工集團西安研究院有限公司, 北京航空航天大學