本實用新型涉及一種礦井掘進機導航地磁輔助檢測裝置。

背景技術：

掘進機是隧道及礦井地下巷道施工的重型機械，將慣性導航技術/信息技術和控制理論等應用于掘進機，提高掘進機的自動化程度，可以降低礦工的勞動強度，提高作業(yè)的效率和精度。在掘進機行走和掘進過程中，實時獲得掘進機的位置和姿態(tài)信息具有重要意義。

導航方式很多，由于掘進機用于隧道或礦井巷道掘進時，環(huán)境惡劣，且無法接收到GPS信號，限制條件較多。而慣性導航系統(tǒng)采用加速度計和陀螺儀分別測量掘進機的比力和角速度，即可解算出掘進機的位置、速度、姿態(tài)信息。慣性導航具有自主性、隱蔽性等特點，但慣性器件通過積分輸出姿態(tài)角，誤差隨時間增長而積累，故單一的慣性導航精度難以達到要求。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型目的是為了解決現(xiàn)有單一的慣性導航精度低的問題，提供了一種礦井掘進機導航地磁輔助檢測裝置。

本實用新型所述礦井掘進機導航地磁輔助檢測裝置，該檢測裝置包括磁傳感器模塊、放大器模塊、ZigBee芯片和A/D采樣模塊；

磁傳感器模塊包括磁傳感器A1，放大器模塊包括儀表放大器A2、儀表放大器A3和儀表放大器A4，ZigBee芯片采用CC2530，A/D采樣模塊包括A/D采樣芯片B1；

磁傳感器A1的OUT-Y端口連接儀表放大器A4的-IN端口，

磁傳感器A1的VSS端口接GND，

磁傳感器A1的OUT+X端口連接儀表放大器A3的+IN端口，

磁傳感器A1的SR+端口連接電容C2的一端，電容C2的另一端同時連接PMOS管Q2的源極和NMOS管Q3的漏極，NMOS管Q3的源極同時接GND和NPN三極管Q1的發(fā)射極，NMOS管Q3的柵極連接ZigBee芯片的P2_0端口，NPN三極管Q1的基極連接電阻R1的一端，電阻R1的另一端連接ZigBee芯片的P2_1端口，NPN三極管Q1的集電極同時連接電阻R2的一端和PMOS管Q2的柵極，PMOS管Q2的漏極連接電阻R3的一端，電阻R3的另一端同時連接電阻R2的另一端、電容C1的一端和+3.3V電源，電容C1的另一端接GND，

磁傳感器A1的OUT+Y端口連接儀表放大器A4的+IN端口，

磁傳感器A1的OUT-Z端口連接儀表放大器A2的-IN端口，

磁傳感器A1的OUT+Z端口連接儀表放大器A2的+IN端口，

磁傳感器A1的VB端口接+3.3V電源，

磁傳感器A1的OUT-X端口連接儀表放大器A3的-IN端口；

儀表放大器A2的兩個RG端口之間并聯(lián)電阻R4，

儀表放大器A2的-VS端口同時連接電池BT1的負極、電容C3的一端和GND，儀表放大器A2的REF端口連接電池BT1的正極，儀表放大器A2的VOUT端口連接A/D采樣芯片B1的AIN1端口，儀表放大器A2的+VS端口同時連接電容C3的另一端和VDD，

儀表放大器A3的兩個RG端口之間并聯(lián)電阻R5，

儀表放大器A3的-VS端口同時連接電池BT2的負極、電容C4的一端和GND，儀表放大器A3的REF端口連接電池BT2的正極，儀表放大器A3的VOUT端口連接A/D采樣芯片B1的AIN2端口，儀表放大器A3的+VS端口同時連接電容C4的另一端和VDD，

儀表放大器A4的兩個RG端口之間并聯(lián)電阻R6，

儀表放大器A4的-VS端口同時連接電容C5的一端和GND，儀表放大器A4的REF端口連接+2.5V電源，儀表放大器A4的VOUT端口連接A/D采樣芯片B1的AIN3端口，儀表放大器A4的+VS端口同時連接電容C5的另一端和VDD；

A/D采樣芯片B1的SCLK端口連接ZigBee芯片的P1_1端口，

A/D采樣芯片B1的MCLKI端口同時連接電容C6的一端和晶振XTAL2的一端，A/D采樣芯片B1的MCLKO端口同時連接電容C7的一端和晶振XTAL2的另一端，接電容C6的另一端連接電容C7的另一端，

A/D采樣芯片B1的端口接GND，

A/D采樣芯片B1的COMMON端口接GND，

A/D采樣芯片B1的REF+端口接+2.5V電源，

A/D采樣芯片B1的REF-端口接VDD，

A/D采樣芯片B1的端口連接ZigBee芯片的P1_2端口，

A/D采樣芯片B1的DOUT端口連接ZigBee芯片的P1_3端口，

A/D采樣芯片B1的DIN端口連接ZigBee芯片的P1_4端口，

A/D采樣芯片B1的VDD端口接VDD，

A/D采樣芯片B1的GND端口同時連接電容C8的一端、ZigBee芯片的1號管腳、2號管腳、3號管腳、4號管腳和GND，電容C8的另一端連接ZigBee芯片的DCOUPL端口；

ZigBee芯片的DVDD端口接+3.3V電源，

ZigBee芯片的AVDD1端口、AVDD2端口、AVDD3端口、AVDD4端口和AVDD5端口同時接+3.3V電源，

ZigBee芯片的XOCO_Q1端口同時連接電容C13的一端和晶振XTAL3的一端，ZigBee芯片的XOCO_Q0端口同時連接電容C14的一端和晶振XTAL3的另一端，電容C13的另一端和電容C14的另一端同時接GND，

ZigBee芯片的RF_P端口連接電容C12的一端，電容C12的另一端同時連接電感L2的一端和電容C16的一端，電容C16的另一端接GND，

ZigBee芯片的RF_N端口連接電容C11的一端，電容C11的另一端同時連接電感L1的一端和電容C15的一端，電感L1的另一端接GND，

電感L2的另一端同時連接電容C15的另一端和電容C17的一端，電容C17的另一端接天線，

ZigBee芯片的RBIAS端口連接電阻R7的一端，電阻R7的另一端接GND，

ZigBee芯片的P2_4端口同時連接電容C9的一端和晶振XTAL1的一端，

ZigBee芯片的P2_3端口同時連接電容C10的一端和晶振XTAL1的另一端，電容C9的另一端連接電容C10的另一端，

ZigBee芯片的AVDD6端口接+3.3V電源。

本實用新型的優(yōu)點：在礦井掘進機系統(tǒng)中，采用本實用新型提出的地磁導航輔助慣性導航實現(xiàn)掘進機的位置、姿態(tài)和速度的確定，地磁導航通過地磁傳感器采集地磁數(shù)據(jù)，不受時間、地形、天氣的限制。

附圖說明

圖1是本實用新型所述礦井掘進機導航地磁輔助檢測裝置的磁傳感器模塊和放大器模塊的電路結(jié)構示意圖；

圖2是本實用新型所述礦井掘進機導航地磁輔助檢測裝置的A/D采樣模塊的電路結(jié)構示意圖；

圖3是本實用新型所述礦井掘進機導航地磁輔助檢測裝置的ZigBee芯片的電路結(jié)構示意圖。

具體實施方式

具體實施方式一：下面結(jié)合圖1-圖3說明本實施方式，本實施方式所述礦井掘進機導航地磁輔助檢測裝置，該檢測裝置包括磁傳感器模塊、放大器模塊、ZigBee芯片和A/D采樣模塊；

磁傳感器模塊包括磁傳感器A1，放大器模塊包括儀表放大器A2、儀表放大器A3和儀表放大器A4，ZigBee芯片采用CC2530，A/D采樣模塊包括A/D采樣芯片B1；

磁傳感器A1的OUT-Y端口連接儀表放大器A4的-IN端口，

磁傳感器A1的VSS端口接GND，

磁傳感器A1的OUT+X端口連接儀表放大器A3的+IN端口，

磁傳感器A1的SR+端口連接電容C2的一端，電容C2的另一端同時連接PMOS管Q2的源極和NMOS管Q3的漏極，NMOS管Q3的源極同時接GND和NPN三極管Q1的發(fā)射極，NMOS管Q3的柵極連接ZigBee芯片的P2_0端口，NPN三極管Q1的基極連接電阻R1的一端，電阻R1的另一端連接ZigBee芯片的P2_1端口，NPN三極管Q1的集電極同時連接電阻R2的一端和PMOS管Q2的柵極，PMOS管Q2的漏極連接電阻R3的一端，電阻R3的另一端同時連接電阻R2的另一端、電容C1的一端和+3.3V電源，電容C1的另一端接GND，

磁傳感器A1的OUT+Y端口連接儀表放大器A4的+IN端口，

磁傳感器A1的OUT-Z端口連接儀表放大器A2的-IN端口，

磁傳感器A1的OUT+Z端口連接儀表放大器A2的+IN端口，

磁傳感器A1的VB端口接+3.3V電源，

磁傳感器A1的OUT-X端口連接儀表放大器A3的-IN端口；

儀表放大器A2的兩個RG端口之間并聯(lián)電阻R4，

儀表放大器A2的-VS端口同時連接電池BT1的負極、電容C3的一端和GND，儀表放大器A2的REF端口連接電池BT1的正極，儀表放大器A2的VOUT端口連接A/D采樣芯片B1的AIN1端口，儀表放大器A2的+VS端口同時連接電容C3的另一端和VDD，

儀表放大器A3的兩個RG端口之間并聯(lián)電阻R5，

儀表放大器A3的-VS端口同時連接電池BT2的負極、電容C4的一端和GND，儀表放大器A3的REF端口連接電池BT2的正極，儀表放大器A3的VOUT端口連接A/D采樣芯片B1的AIN2端口，儀表放大器A3的+VS端口同時連接電容C4的另一端和VDD，

儀表放大器A4的兩個RG端口之間并聯(lián)電阻R6，

儀表放大器A4的-VS端口同時連接電容C5的一端和GND，儀表放大器A4的REF端口連接+2.5V電源，儀表放大器A4的VOUT端口連接A/D采樣芯片B1的AIN3端口，儀表放大器A4的+VS端口同時連接電容C5的另一端和VDD；

A/D采樣芯片B1的SCLK端口連接ZigBee芯片的P1_1端口，

A/D采樣芯片B1的MCLKI端口同時連接電容C6的一端和晶振XTAL2的一端，A/D采樣芯片B1的MCLKO端口同時連接電容C7的一端和晶振XTAL2的另一端，接電容C6的另一端連接電容C7的另一端，

A/D采樣芯片B1的端口接GND，

A/D采樣芯片B1的COMMON端口接GND，

A/D采樣芯片B1的REF+端口接+2.5V電源，

A/D采樣芯片B1的REF-端口接VDD，

A/D采樣芯片B1的端口連接ZigBee芯片的P1_2端口，

A/D采樣芯片B1的DOUT端口連接ZigBee芯片的P1_3端口，

A/D采樣芯片B1的DIN端口連接ZigBee芯片的P1_4端口，

A/D采樣芯片B1的VDD端口接VDD，

A/D采樣芯片B1的GND端口同時連接電容C8的一端、ZigBee芯片的1號管腳、2號管腳、3號管腳、4號管腳和GND，電容C8的另一端連接ZigBee芯片的DCOUPL端口；

ZigBee芯片的DVDD端口接+3.3V電源，

ZigBee芯片的AVDD1端口、AVDD2端口、AVDD3端口、AVDD4端口和AVDD5端口同時接+3.3V電源，

ZigBee芯片的XOCO_Q1端口同時連接電容C13的一端和晶振XTAL3的一端，ZigBee芯片的XOCO_Q0端口同時連接電容C14的一端和晶振XTAL3的另一端，電容C13的另一端和電容C14的另一端同時接GND，

ZigBee芯片的RF_P端口連接電容C12的一端，電容C12的另一端同時連接電感L2的一端和電容C16的一端，電容C16的另一端接GND，

ZigBee芯片的RF_N端口連接電容C11的一端，電容C11的另一端同時連接電感L1的一端和電容C15的一端，電感L1的另一端接GND，

電感L2的另一端同時連接電容C15的另一端和電容C17的一端，電容C17的另一端接天線，

ZigBee芯片的RBIAS端口連接電阻R7的一端，電阻R7的另一端接GND，

ZigBee芯片的P2_4端口同時連接電容C9的一端和晶振XTAL1的一端，

ZigBee芯片的P2_3端口同時連接電容C10的一端和晶振XTAL1的另一端，電容C9的另一端連接電容C10的另一端，

ZigBee芯片的AVDD6端口接+3.3V電源。

具體實施方式二：本實施方式對實施方式一作進一步說明，磁傳感器A1采用三軸弱磁磁場傳感器HMC1043實現(xiàn)，測量地磁場的X、Y、Z軸分量，測量范圍為±6高斯，靈敏度為1mV/V/Gauss，分辨率為120μGauss。

本實施方式中，HMC1043根據(jù)各向異性磁阻效應測量地磁場的X、Y、Z軸分量，具有較高的靈敏度和分辨率。

具體實施方式三：本實施方式對實施方式一作進一步說明，儀表放大器A2、儀表放大器A3和儀表放大器A4均采用儀表放大器AD8221，輸入失調(diào)電壓為25μV，失調(diào)電壓漂移為0.3μV/℃，共模抑制比最大值為145dB，增益范圍為1-1000倍。

本實施方式中，根據(jù)檢測磁場的變化范圍，磁場傳感器的輸出最大電壓為±20mV，需要對傳感器的微弱信號進行放大，選用儀表放大器AD8221，AD8221具有低輸入失調(diào)電壓25μV，和失調(diào)電壓漂移為0.3μV/℃，共模抑制比最高可達145dB。既可以采用單電源供電，也可采用雙電源供電，增益范圍為1至1000倍，通過外接電阻調(diào)節(jié)，其增益為

具體實施方式四：本實施方式對實施方式一作進一步說明，A/D采樣芯片B1采用十六位A/D轉(zhuǎn)換器AD7706實現(xiàn)，包括三個準差分輸入通道，分別輸入X、Y、Z三軸的地磁信號。

本實施方式中，AD7706具有自校準、動態(tài)范圍廣、分辨率高的特點。

本實用新型中，礦井掘進機地磁輔助檢測系統(tǒng)是掘進機采集系統(tǒng)的一個基本傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，作為傳感器網(wǎng)絡的基本構成單元，采集和處理地磁信息，并發(fā)送給相鄰節(jié)點或?qū)⑾噜徆?jié)點發(fā)過來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)節(jié)點或更靠近協(xié)調(diào)節(jié)點的節(jié)點。傳感器節(jié)點采用CC2530，適應2.4GHz IEEE 802.15.4的RF收發(fā)器，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，輸出功率4.5dBm。CC2530無線收發(fā)包括一個數(shù)據(jù)包過濾和地址識別模塊，將采集的地磁信息通過由25和26腳的分立電容和電感巴倫電路進行發(fā)射。