[发明专利]基于激光测距和加速度测量的井下姿态测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种基于激光测距和加速度测量对井下姿态进行测量的系统及方法。

背景技术

井下测量是矿井生产建设过程中的重要工作，它是矿山安全生产的眼睛，在整个矿业生产建设过程中，做好测量基础工作具有重要的意义，它是矿上安全建设的重要保证。因而发展先进的井下测量方法，开发实用有效的测量工具与系统对于国民经济建设具有重要的价值，同时也有利于社会稳定，促进和谐社会建设。

姿态测量作为井下测量的一个重要环节，对于保证矿山安全生产的进行尤其具有重要意义，因为在开采掘进之前，必须利用钻机进行钻探操作，以便将瓦斯和水排出。而钻机的姿态方位和工作状态对于生产效率和安全监控具有直接的影响。对井下的钻探工具进行有效、方便的姿态方位测量系统已成为矿山生产企业的迫切需求。

由于井下环境的特殊性，传统的姿态方位测量方法都存在一些问题。如电磁测量方法，由于井下地磁干扰极为突出，使得偏向角的测量几乎无法进行。基于信标的方法，则由于井下巷道的尺寸局限，使得信标的安装受到限制。基于惯性导航的测量方法，则同样受到成本和尺寸局限的约束。

考虑到在地质勘探过程中，地质参考基准方向往往已预先给出，因而采用人工设定基准参考平面，将测量角度的问题转化为测量相对于基准参考平面上特殊点的距离问题，利用激光测距传感器结合加速度传感器实现对偏向角、俯仰角、滚装角的测量是一种简单可行的井下姿态姿态测量方法。

发明内容

为了解决上述问题，协助使用者在矿井等恶劣环境下快速地获取待测物体的姿态方位信息，从而为进一步的工程操作提供准确可靠的依据，本发明提出一种基于激光测距和加速度测量的井下姿态测量系统及方法。

本发明所述的一种基于激光测距和加速度测量的井下姿态测量系统及方法，实现在井下等恶劣环境下，对待测物体的偏向角、俯仰角和滚转角进行量测，其原理是通过布置基准参考板实现对地质基准参考面的人工确定，在基准参考板上布置三个反光材料块，三个反光材料块构成直角坐标系的坐标轴，通过测量安装在待测物体两端的激光测距传感器到反光材料块之间的距离，可以解算出待测物体相对于基准参考面坐标系的偏向角和俯仰角，同时由安装在待测物体上的加速度传感器可获取待测物体在欧氏空间三个轴向的加速度矢量，利用三个轴向的加速度矢量可计算出待测物体的滚转角。

本发明所述的一种基于激光测距和加速度测量的井下姿态测量系统，其特征在于，该系统包括：基准参考板1、反光材料块组2、基准参考板支架3、激光测距传感器组4、加速度传感器单元5、测量控制器6，其中，

基准参考板1固定于基准参考板支架3上并与基准参考板支架3通过多轴方式连接，依据地质基准参考平面与测试环境平面的关系调整基准参考板支架3与基准参考板1之间的逆时针转角和后向仰角；

基准参考板1上固定有两条相互垂直且带有刻度的滑动导轨；

反光材料块组2由三个反光材料块组成，三个反光材料块按照几何垂直关系对齐安装在基准参考板1上的两条滑动导轨上，由滑动导轨上的刻度获得位于垂直点处的反光材料块分别与其他两个反光材料块之间的距离，作为初始参考距离输出给测量控制器6；

激光测距传感器组4由两个激光测距传感器701和702组成，用于参照两个激光测距传感器之间的距离调节基准参考板1上的滑动导轨，使安装在基准参考板1上的反光材料块组2位于激光测距传感器组4的测量范围内，获取两个激光测距传感器到基准参考板1上三个反光材料块之间的六个测量距离，并将六个测量距离输出给测量控制器6；

加速度传感器单元5安装在待测物体表面几何位置中心处，用于获取待测物体关于欧氏空间三个轴向的加速度矢量测量值；

测量控制器6通过防爆电缆与激光测距传感器组4和加速度传感器单元5相连，用于根据初始参考距离、激光测距传感器组4的测量值计算待测物体的偏向角、俯仰角，根据加速度传感器单元5的测量值计算待测物体的滚转角，并显示待测物体的方位角度。

另一方面，本发明还提出一种基于激光测距和加速度传感器的井下姿态测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：在待测物体上安装激光测距传感器组4和加速度传感器单元5，启动测量控制器6，其中，激光测距传感器组4由两个激光测距传感器701和702组成；

步骤2：依据地质基准参考平面与测试环境平面的关系调整基准参考板支架3与基准参考板1之间的逆时针转角和后向仰角；