專利名稱：深孔鉆車水平鉆定向系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種深孔鉆車水平鉆定向系統。
背景技術：
深孔鉆車水平鉆定向系統廣泛應用于煤礦深孔鉆車。由于煤礦井下特殊環境，衛星定位、無線電導航均無法在井下深孔鉆車上使用，目前最常用的深孔鉆車水平鉆定向系統是使用自助定位系統，慣性單元就是常用于自助定位系統的一種常見裝姿，慣性單元的優點是獨立于外部信息，但是礦下復雜的磁場環境及慣性單元的漂移誤差、校準困難會導致自助定位系統的不可靠甚至不可用；另一類水平鉆定向系統是全站儀，這也是一種常見的隧道施工監測儀器，但在煤礦下校準困難，且成本較高；還有一種水平鉆定向系統是激光定向系統，該系統比較可靠，但是實施難度較大，且不方便進行水平鉆的絕對空間位姿定位。
發明內容本實用新型在于克服上述不足，提供一種實時定位準確、數據可靠、具備良好可實施性并且成本較低的深孔鉆車水平鉆定向系統。本實用新型的目的是這樣實現的一種深孔鉆車水平鉆定向系統，包括慣性單元、旋轉編碼器、485總線通訊卡、ARM控制器和顯示器，所述慣性單元、旋轉編碼器、485總線通訊卡、ARM控制器都含有相同定義的系統總線接口，通過32芯插針相互疊插在一起，所述485總線通訊卡含有485總線通信接口，所述慣性單元包括UART串行總線接口和六個傳感器，所述六個傳感器分為三個正交安裝的加速度計及三個正交安裝的陀螺儀；旋轉編碼器含有差分信號輸入接口，ARM控制器含有開關量信號輸入接口、差分信號輸入接口、UART串行總線接口和顯示器驅動接口 ；顯示器安裝于深孔鉆車主控制臺一側，ARM控制器置于深孔鉆車的履帶斜上方，通過機械方式進行固定安裝；旋轉編碼器安裝于深孔鉆車水平鉆旋轉支座處；慣性單元安裝于無磁殼體內部、水平鉆上方隨動機構上，通過機械連接安裝于水平鉆聯動的機械部件上。本實用新型深孔鉆車水平鉆定向系統，深孔鉆車主控制臺的數據信號輸入接口和ARM控制器相連，顯示器與ARM控制器的顯示器驅動接口相連，慣性單元信號輸出和ARM控制器的UART串行總線接口相連，旋轉編碼器信號輸出和ARM控制器的差分信號輸入接口相連。本實用新型深孔鉆車水平鉆定向系統，所述慣性單元、旋轉編碼器、ARM控制器均含有備用鋰電池。與現有技術相比，本實用新型的有益效果是本實用新型深孔鉆車水平鉆定向系統利用基于ARM處理器的嵌入式系統技術研制的水平鉆定向系統，易實施、便于移植，且能夠同時處理多個傳感器數據；利用485總線通訊技術實現了定向系統和深孔鉆車控制臺的實時數據通訊，提高了整個定向系統的實時性和可擴展性；使用備用鋰電池為ARM控制器、慣性單元、旋轉編碼器提供備用電源，保證在系統斷電情況下記錄水平鉆的實時空間位姿；使用旋轉編碼器彌補了慣性單元對環境磁場的敏感性；使用雙層卡爾曼濾波數據融合算法保證了定向系統的數據可靠性和精確性。
圖I為本實用新型深孔鉆車水平鉆定向系統安裝結構示意圖；圖2為本實用新型深孔鉆車水平鉆定向系統的結構框圖；圖3為本實用新型深孔鉆車水平鉆定向系統的數據采集軟件程序流程圖。
具體實施方式
如圖I所示，圖I為深孔鉆車水平鉆定向系統的安裝結構示意圖，包括慣性單元、旋轉編碼器、485總線通訊卡、ARM控制器和顯示器，所述慣性單元、旋轉編碼器、485總線通訊卡、ARM控制器都含有相同定義的系統總線接口，通過32芯插針相互疊插在一起，所述485總線通訊卡含有485總線通信接口，所述慣性單元包括UART串行總線接口和六個傳感器，所述六個傳感器分為三個正交安裝的加速度計及三個正交安裝的陀螺儀；旋轉編碼器含有差分信號輸入接口，ARM控制器含有開關量信號輸入接口、差分信號輸入接口、UART串行總線接口和顯示器驅動接口；顯示器安裝于深孔鉆車主控制臺一側，便于實施監測水平鉆空間位姿；ARM控制器置于深孔鉆車的履帶斜上方，通過機械方式進行固定安裝；旋轉編碼器安裝于深孔鉆車水平鉆旋轉支座處，通過電動機的執行機構實時測量水平鉆的旋轉角度；慣性單元安裝于無磁殼體內部、水平鉆上方隨動機構上，通過機械連接安裝于水平鉆聯動的機械部件上；深孔鉆車主控制臺的數據信號輸入接口和ARM控制器相連，顯示器與ARM控制器的顯示器驅動接口相連，慣性單元信號輸出和ARM控制器的UART串行總線接口相連，旋轉編碼器信號輸出和ARM控制器的差分信號輸入接口相連，其他擴展故障復位端口和ARM控制器的開關量輸入接口相連；如圖2所示，圖2為深孔鉆車水平鉆定向系統的結構框圖，主要由ARM控制電路和傳感器單元兩部分組成，ARM控制電路是所述深孔鉆車水平鉆定向系統的算法處理部分，主要實現反饋信號的處理、信號同步、卡爾曼濾波數據融合算法和控制信號的發生等，是系統工作時的核心部分。ARM控制電路主要由ARM控制器、擴展存儲單元和顯示器三部分構成，其中ARM控制器、擴展存儲單元和顯示器均由一塊硬件板卡實現，在每塊硬件板卡上均有自定義結構的數據總線接口，通過23芯插針相互疊插在一起構成一個整體；傳感器單元也包括兩個子模塊慣性單元和旋轉編碼器，慣性單元包括六個傳感器，六個傳感器為三個正交安裝的加速度計和三個正交安裝的陀螺儀，六個傳感器采集到的數據信息，首先經過一塊硬件板卡將數據信息預處理、打包后送至ARM控制器，六個傳感器的信號和ARM控制器的UART串行總線接口相連。旋轉編碼器用于測量水平鉆相對于車體的相對旋轉角，測量精度較高，其信號線直接和ARM控制器的SPI總線接口相連。在ARM控制器和傳感器單元部分，均含有備用鋰電池，以保證在系統斷電的情況下系統仍然能夠正常工作，實時記錄水平鉆的空間姿態信息以避免其發生異常情況。深孔鉆車水平鉆定向系統還通過485總線通訊卡和負責整體控制的深孔鉆車主控制臺相連。工作方式可以分成主動式或被動式,主動式是由深孔鉆車主控制臺直接發送數據查詢命令，被動式是深孔鉆車水平鉆定向系統定時向主控制臺發送數據信息，并在顯示器上實時更新。此外，每塊ARM控制器上具有一個由4位BCD碼開關構成的通訊速率選擇開關，可以用來設定和深孔鉆車主控制臺通訊的速率。深孔鉆車水平鉆定向系統可以分成圖I中四個模塊分別安裝在挖掘機上。圖3為深孔鉆車水平鉆定向系統的數據采集軟件程序流程圖，圖中，加速度計、陀螺儀及旋轉編碼器的數據信息采集至ARM控制器后，首先進行數據信息同步，之后分別單獨進行水平鉆的位姿解算。陀螺儀和加速度計的數據信息解算之后，進行卡爾曼濾波數據融合算法，對水平鉆的空間位姿信息進行校正。由于旋轉編碼器測量數據較為精確，但僅僅表征水平鉆和鉆車之間的相對偏航角變化，不能得到水平鉆的絕對空間位姿。為此，將得到的相對偏航角和卡爾曼濾波得到的水平鉆空間位姿進行第二次卡爾曼濾波數據融合算法，得到更加準確的水平鉆偏航角。最后將水平鉆偏航角存入擴展存儲器Flash中，同時以被動形式或主動形式傳送至深孔鉆車主控制臺。深孔鉆車水平鉆定向系統的工作原理如下深孔鉆車主控制臺發送水平鉆姿態主動查詢命令或者定時查詢命令，并通過485總線發送給ARM控制器；ARM控制器按照圖3所示算法得出水平鉆的實時空間姿態，然后將數據通過485總線發送至深孔鉆車主控制臺，同時將姿態信息在顯示器中進行更新，以便深孔鉆車操作人員可以隨時看到水平鉆空間位姿動態數據；深孔鉆車主控制臺根據收到的信息，可以下達多種反饋指令，包括姿零、關閉、發送定時時間和查詢過往數據；這些數據都會幫助深孔鉆車控制臺進行相應的操作，避免事故發生。
權利要求1.一種深孔鉆車水平鉆定向系統，其特征是包括慣性單元、旋轉編碼器、485總線通訊卡、ARM控制器和顯示器，所述慣性單元、旋轉編碼器、485總線通訊卡、ARM控制器都含有相同定義的系統總線接口，通過32芯插針相互疊插在一起，所述485總線通訊卡含有485總線通信接口，所述慣性單元包括UART串行總線接口和六個傳感器，所述六個傳感器分為三個正交安裝的加速度計及三個正交安裝的陀螺儀；旋轉編碼器含有差分信號輸入接口，ARM控制器含有開關量信號輸入接口、差分信號輸入接口、UART串行總線接口和顯示器驅動接口 ；顯示器安裝于深孔鉆車主控制臺一側，ARM控制器置于深孔鉆車的履帶斜上方，通過機械方式進行固定安裝；旋轉編碼器安裝于深孔鉆車水平鉆旋轉支座處；慣性單元安裝于無磁殼體內部、水平鉆上方隨動機構上，通過機械連接安裝于水平鉆聯動的機械部件上。
2.根據權利要求I所述的一種深孔鉆車水平鉆定向系統，其特征是深孔鉆車主控制臺的數據信號輸入接口和ARM控制器相連，顯示器與ARM控制器的顯示器驅動接口相連，慣性單元信號輸出和ARM控制器的UART串行總線接口相連，旋轉編碼器信號輸出和ARM控制器的差分信號輸入接口相連。
3.根據權利要求I或2所述的一種深孔鉆車水平鉆定向系統，其特征是所述慣性單元、旋轉編碼器、ARM控制器均含有備用鋰電池。
專利摘要本實用新型涉及一種深孔鉆車水平鉆定向系統，包括慣性單元、旋轉編碼器、485總線通訊卡、ARM控制器和顯示器，慣性單元和旋轉編碼器獲取水平鉆的空間位姿信息，然后將數據傳送至ARM控制器；ARM控制器根據收到的信息，進行同步處理，之后分別解算水平鉆的空間位姿及空間偏航角；分別進行兩層卡爾曼濾波數據融合算法，得到水平鉆真實可靠的空間位姿數據，并儲存至擴展存儲器；根據深孔鉆車控制臺的指令，被動式或主動式進行水平鉆位子數據傳遞，并實時顯示在顯示器中。本實用新型深孔鉆車水平鉆定向系統，實時定位準確、數據可靠、具備良好可實施性并且成本較低。
文檔編號E21B47/024GK202810652SQ20122007484
公開日2013年3月20日 申請日期2012年3月2日 優先權日2012年3月2日
發明者余意, 尚留記, 李遜 申請人:江陰中科礦業安全科技有限公司