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用于煤矿钻机的矿用寻北仪

1 概述

矿用寻北仪基于三轴一体光纤陀螺及三轴加速度计,可完成初始对准、姿态保持功能,实时输出载体姿态参考值。

本发明是一种井下钻机姿态测量方法。其固定于钻机推进器的轨道上,开始工作后会将敏感的转动运动的角速度和平移运动的加速度在处理器进行姿态解算,得到钻机的姿态;然后,惯性测量系统一直实时测量钻机的当前姿态直至测量结束。本发明无需借助外界信息仅依靠装置自身就可以自动、快速、精确地测量与显示井下钻机姿态信息。

此款寻北仪是我们专门为煤矿研发的,它降低了煤矿寻北仪的使用成本,并且性能稳定,很多公司都对其有浓厚的兴趣,表达要与我们合作的意向。

2 产品功能特性与技术指标

2.1 主要功能

矿用寻北仪的主要功能包括:

1) 角速率和加速度测量功能;

2) 自对准功能;

3) 姿态跟踪功能;

4) RS-422/RS232串行通讯。

矿用寻北仪的坐标轴定义如图1。其中X轴正向沿系统接插件方向,系统通过底面四个安装法兰安装时Z轴定义朝天方向,X、Y、Z构成笛卡尔正交坐标系。

系统输出航向角/方位角表示:Y轴正向与地理北向夹角,北偏东为角度增加方向。

系统输出俯仰角/倾角表示:Y轴正向与水平面夹角,偏上为正。

图1 DBY系列寻北仪坐标极性定义(俯视图)


2.2 技术指标

DBY系列寻北仪的主要技术指标如下:

1) 寻北时间: 3分钟

2) 连续工作时间:不少于60分钟

3) 输出更新率:1kHz

4) 系统对准精度:

l 俯仰/横滚角(1σ):≤0.03°

l 航向角(1σ):≤0.5°

5) 姿态保持精度:

l 俯仰/横滚角(20min):≤0.1°

l 航向角(20min):≤0.5°

3 设备接口定义

3.1数据接口定义

SX1接插件引出一个DB9母头,按标准四线RS422连接。用户仅需将上述串口连接至采集计算机即可进行测量,注意发数波特率为614.4kbps,需要配套采集设备方可进行数据采集。

3.2硬件接口定义

DBY系列寻北仪采用RS422串口输出,波特率为614.4Kbps,每帧数据共60字节,每字节包含1起始位(0)、8数据位、1停止位(1),每字节先传送低位,每帧数据先传送低字节,暂无校验。具体数据格式如下表所示:

Table 1 data frame format

字节(共60字节) 数据内容 补充说明
1~4 帧头 0X EB8055AA
5~8 X陀螺数据 先低后高,无量纲数字量
9~12 Y陀螺数据 先低后高,无量纲数字量
13~16 Z陀螺数据 先低后高,无量纲数字量
17~20 X加表数据 先低后高,无量纲数字量
21~24 Y加表数据 先低后高,无量纲数字量
25~28 Z加表数据 先低后高,无量纲数字量
29~32 纬度 先低后高,0.000001°
33~36 经度 先低后高,0.000001°
37~40 高度 先低后高,1m 
41~44 计数器 先低后高,2.5ms
45~46 俯仰角/倾角 先低后高,0.01°
47~48 横滚角 先低后高,0.01°
49~50 航向角/方位角 先低后高,0.01°
51~56 待定字节
57~60 帧尾 0X FF000034


4 相关采集软件说明

简版矿用寻北仪采集软件如下图所示:

导航数据模块:在系统寻北完成之后,对准信息显示在区域左侧,右侧部分实时跟踪系统三维姿态信息。

控制命令模块:“寻北指令”可在不断电情况下重新进行寻北;纬度、经度、高度三个编辑框内可输入当前工作地点经纬度(手机定位即可),输入完成之后点击“发送经纬度”可进行经纬度信息装订,即时写入系统内部存储器,发送完成之后点击“寻北指令”可在新输入的经纬度下进行寻北,断电不丢失,上位机界面上“上位机”—“纬度、经度、高度”处数据更新至新的经纬度即表示装订成功。

传感器数据模块:包括陀螺和加速度计原始输出数据;内部计数器为上电即进行计数,点击“寻北指令”之后清零;纬度、经度、高度为装订的信息。

数据保存在软件当前目录,命名如“0924205117imu_data.txt”(文档建立时间),数据列依次为三轴陀螺、三轴加表、三轴姿态角、纬度、经度、高度。

5测试过程及数据

5.1 测试过程

矿用寻北仪需按正确操作秩序进行试验。试验步骤简要说明如下:

(1)系统安装:将DBY系列寻北仪通过底面固定于测试台基准面上;

(2)接插件连接:按要求连接电源及数据接口,详见第3部分内容;

(3)系统上电:外界线性电源确定调试完毕,检查各部分连线均无问题之后,打开外部线性电源,同时查看电源电流是否在正常功耗范围之内,若有出现电流过大或过小情况均需断电检查,电流大小正确情况下方可继续试验;

(4)系统工作:系统上电之后,SX1所接的数据接口应有数据输出,格式详见第3部分,利用提供的DBY系列寻北仪采集软件即可采集到数据,系统上电之后需3分钟对准时间(寻北时间),3分钟之内尽量保证系统处于静止状态,对准完成之后(3分钟之后)即进入导航阶段,此时转动承载装置,寻北仪即可实时跟踪三个姿态角变化,若需重新对准(寻北),则按第三部分点击“寻北指令”按钮进行重新寻北(第三部分)。


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