[发明专利]一种基于组合导航技术的超深矿井罐笼位姿测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及矿井罐笼位姿检测领域，具体涉及一种基于组合导航技术的超深矿井罐笼位姿测量系统及方法。

背景技术

矿井提升系统是井下与地面联系的主要工具，主要用于提升煤炭、矿石，升降设备和人员，是矿山生产中的关键设备之一。由于矿井环境恶劣，容易造成提升系统元器件失效，现阶段缺乏对提升过程的全程实时监控，常常发生提升机超速、过卷，导致矿井生产中断、设备损坏、人员伤亡等事故发生，给煤矿生产带来极大的经济损失。

提升系统的罐笼是直接与煤矿、设备和人员相接触的，提升系统的性能主要反映在罐笼的安全性和准确性。罐笼定位不精确，将降低生产效率；一旦发生倾斜、过卷、卡罐等故障将导致重大事故。因此，其可靠、高效、安全运行具有十分重要的意义，将直接关系到矿山生产的安全和效益，必须对其进行实时监控。

随着我国浅表层矿产资源的枯竭，部分矿山已进入超过1000m深部开采，未来15～20年内，我国将有大批金属矿山转入深部开采。相较于浅层矿井，深井及超深井提升系统大量程、高速度、重载荷的工作特点，要求系统有更高的安全性和可靠性；同时要求提升系统定位精度高，缩短提升时间，提高开采效率，降低开采成本。

目前国内矿井罐笼无姿态检测，缺少倾斜预警，存在安全问题；位置测量根据卷筒旋转带动深度指示器或编码器间接计算出罐笼位置，而钢丝绳在自身重力及重载荷下发生弹性伸长、在卷筒上打滑、缠绕半径随缠绕层数变化等问题导致定位精度差；以上问题随着井深增加更加严重，不能满足超深井采矿要求。因此，有必要开发一种测量精度高、安全可靠的新型罐笼位姿测量装置。

发明内容

为解决上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于组合导航技术的超深矿井罐笼位姿测量系统及方法，该系统抗干扰能力强、测量精度高、可靠性高。

一种基于组合导航技术的超深矿井罐笼位姿测量系统，包括捷联惯性导航装置、地面处理装置、旋转编码器、接近开关和感应通信电缆；

所述捷联惯性导航装置安装在罐笼顶部；

所述旋转编码器安装在提升机卷筒的卷轴上；

所述感应通信电缆铺设于矿井侧壁；

所述接近开关设置在井筒壁上；

所述旋转编码器和接近开关与安装在矿井地表面的地面处理装置进行通信连接，所述地面处理装置通过感应通信电缆与捷联惯性导航装置进行通信连接；

以捷联惯性导航装置、接近开关和旋转编码器构建成组合导航式位姿测量系统。

所述捷联惯性导航装置包括惯性单元、数据采集及处理模块、导航解算及信息融合模块、数据存储模块及通信模块；

所述惯性单元通过SPI总线与数据采集及处理模块相连，所述数据采集及处理模块与导航解算及信息融合模块相连，所述数据采集及处理模块与导航解算及信息融合模块均与所述数据存储模块相连，所述数据存储模块与通信模块相连。

所述数据采集及处理模块与导航解算及信息融合模块均采用TI公司的TMS320系列C6748浮点型DSP处理器。

一种基于组合导航技术的超深矿井罐笼位姿测量方法，将数据采集与处理和导航解算与信息融合分配给两个不同的处理器处理；

所述数据采集与处理的过程如下：

首先读取捷联惯性导航装置中的惯性单元的数据，根据惯性单元偏置温度系数进行线性温度误差补偿，然后读取地面处理装置数据，最后存储数据，上传数据至上位机；

所述导航解算与信息融合的过程如下：

通过将捷联惯性导航装置安装在罐笼顶部，利用捷联惯性导航装置的惯性单元测量出罐笼运动加速度和角速度，采用四元数法建立罐笼姿态矩阵，通过SINS解算出罐笼位置和姿态信息；通过地面处理装置采集井筒壁上的接近开关和提升机卷筒轴上的旋转编码器测量罐笼的位置和速度，采用联合卡尔曼滤波算法将捷联惯性导航装置的速度和位置信息与罐笼位置与速度进行信息融合，反馈校正捷联惯性导航装置，实现罐笼位置和姿态的精确测量。

所述信息融合的步骤如下：

步骤1：建立捷联惯性导航装置误差模型，包括三轴陀螺仪误差模型、加速度测量误差模型、位置误差模型及姿态角误差模型^[1]；

步骤2：以步骤1中的捷联惯性导航装置误差模型建立离散化的组合导航式位姿测量系统的状态方程^[2]；

所述组合导航式位姿测量系统是指由捷联惯性导航装置、接近开关和旋转编码器组成；