一種基于組合導航技術的超深礦井罐籠位姿測量系統及方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及礦井罐籠位姿檢測領域，具體設及一種基于組合導航技術的超深礦井 罐籠位姿測量系統及方法。
【背景技術】
[0002] 礦井提升系統是井下與地面聯系的主要工具，主要用于提升煤炭、礦石，升降設備 和人員，是礦山生產中的關鍵設備之一。由于礦井環境惡劣，容易造成提升系統元器件失 效，現階段缺乏對提升過程的全程實時監控，常常發生提升機超速、過卷，導致礦井生產中 斷、設備損壞、人員傷亡等事故發生，給煤礦生產帶來極大的經濟損失。
[0003] 提升系統的罐籠是直接與煤礦、設備和人員相接觸的，提升系統的性能主要反映 在罐籠的安全性和準確性。罐籠定位不精確，將降低生產效率；一旦發生傾斜、過卷、卡罐等 故障將導致重大事故。因此，其可靠、高效、安全運行具有十分重要的意義，將直接關系到礦 山生產的安全和效益，必須對其進行實時監控。
[0004] 隨著我國淺表層礦產資源的枯竭，部分礦山已進入超過1000m深部開采，未來 15~20年內，我國將有大批金屬礦山轉入深部開采。相較于淺層礦井，深井及超深井提升 系統大量程、高速度、重載荷的工作特點，要求系統有更高的安全性和可靠性；同時要求提 升系統定位精度高，縮短提升時間，提高開采效率，降低開采成本。
[0005] 目前國內礦井罐籠無姿態檢測，缺少傾斜預警，存在安全問題；位置測量根據卷筒 旋轉帶動深度指示器或編碼器間接計算出罐籠位置，而鋼絲繩在自身重力及重載荷下發生 彈性伸長、在卷筒上打滑、纏繞半徑隨纏繞層數變化等問題導致定位精度差；W上問題隨著 井深增加更加嚴重，不能滿足超深井采礦要求。因此，有必要開發一種測量精度高、安全可 靠的新型罐籠位姿測量裝置。
【發明內容】
[0006] 為解決上述現有技術的不足，本發明提供了一種基于組合導航技術的超深礦井罐 籠位姿測量系統及方法，該系統抗干擾能力強、測量精度高、可靠性高。
[0007] -種基于組合導航技術的超深礦井罐籠位姿測量系統，包括捷聯慣性導航裝置、 地面處理裝置、旋轉編碼器、接近開關和感應通信電纜；
[0008] 所述捷聯慣性導航系統安裝在罐籠頂部；
[0009] 所述旋轉編碼器安裝在提升機卷筒的卷軸上；
[0010] 所述感應通信電纜鋪設于礦井側壁；
[0011] 所述接近開關設置在井筒壁上；
[0012] 所述旋轉編碼器和接近開關與安裝在礦井地表面的地面處理裝置進行通信連接， 所述地面處理裝置通過感應通信電纜與捷聯慣性導航裝置進行通信連接；
[0013] W捷聯慣性導航系統、接近開關和旋轉編碼器構建成組合導航式位姿測量系統。
[0014] 所述捷聯慣性導航系統包括慣性單元、數據采集及處理模塊、導航解算及信息融 合模塊、數據存儲模塊及通信模塊；
[0015] 所述慣性單元通過SPI總線與數據采集及處理模塊相連，所述數據采集及處理模 塊與導航解算及信息融合模塊相連，所述數據采集及處理模塊與導航解算及信息融合模塊 均與所述數據存儲模塊相連，所述數據存儲模塊與通信模塊相連。
[0016] 所述數據采集及處理模塊與導航解算及信息融合模塊均采用TI公司的TMS320系 列C6748浮點型DSP處理器。
[0017] 一種基于組合導航技術的超深礦井罐籠位姿測量方法，將數據采集與處理和導航 解算與信息融合分配給兩個不同的處理器處理；
[0018] 所述數據采集與處理的過程如下：
[0019] 首先讀取捷聯慣性導航系統中的慣性單元的數據，根據慣性單元偏置溫度系數進 行線性溫度誤差補償，然后讀取地面處理裝置數據，最后存儲數據，上傳數據至上位機；
[0020] 所述導航解算與信息融合的過程如下：
[0021] 通過將捷聯慣性導航系統安裝在罐籠頂部，利用捷聯慣性導航系統的慣性單元測 量出罐籠運動加速度和角速度，采用四元數法建立罐籠姿態矩陣，通過SINS解算出罐籠位 置和姿態信息；通過地面處理裝置采集井筒壁上的接近開關和提升機卷筒軸上的旋轉編碼 器測量罐籠的位置和速度，采用聯合卡爾曼濾波算法將捷聯慣性導航系統的速度和位置信 息與罐籠位置與速度進行信息融合，反饋校正捷聯慣性導航系統，實現罐籠位置和姿態的 精確測量。
[0022] 所述信息融合的步驟如下：
[0023] 步驟1 :建立捷聯慣性導航系統誤差模型，包括=軸巧螺儀誤差模型、加速度測量 誤差模型、位置誤差模型及姿態角誤差模型
[0024] 步驟2 :W步驟1中的捷聯慣性導航系統誤差模型建立離散化的組合導航式位姿 測量系統的狀態方程
[0025] 所述組合導航式位姿測量系統是指由捷聯慣性導航系統、接近開關和旋轉編碼器 組成；
[00%] 步驟3 :構建信息融合卡爾曼濾波器，并依據組合導航式位姿測量系統的狀態向 量建立信息融合卡爾曼濾波器中各子濾波器的觀測方程，求得各子濾波器的狀態向量估計 值；
[0027] 所述信息融合卡爾曼濾波器包括第一子濾波器、第二子濾波器、第=子濾波器W 及主濾波器，所述第一子濾波器、第二子濾波器及第=子濾波器均與主濾波器相連；
[0028] 所述第一子濾波器、第二子濾波器、第=子濾波器W及主濾波器均為卡爾曼濾波 器；
[0029] 【各濾波器狀態方程與組合導航式位姿測量系統狀態方程結構相同；】
[0030] 將捷聯慣性導航系統的速度與編碼器速度之差作為第一子濾波器的輸入信號；
[0031] 將捷聯慣性導航系統的位置信號與接近開關位置信號之差作為第二子濾波器的 輸入信號；
[0032] 將捷聯慣性導航系統的東、北方向的零速度和零位置信號作為約束條件，構造成 虛擬信號作為第=子濾波器的輸入信號；
[0033] 第一子濾波器的觀測方程為：Zi化）=Hi化)Xi化)+vi化）
[0034] 第一子濾波器觀測向量Zi化）=[Vu-vJ，Vb為地面處理裝置基于旋轉編碼器計 算得到的罐籠速度，Vi(k)為第一子濾波器觀測噪聲，是均值為零的高斯白噪聲序列，由高 斯函數可得，Xi(k)為第一子濾波器的狀態向量，第一子濾波器觀測矩陣Hi化）=[0ix8 1 0lX6] 1X15;
[0035] 第二子濾波器的觀測方程為：Z2 (k) = & (k)X2化)+V2化）；
[0036] 第二子濾波器觀測向量Z2(k)=出-H,]，H為捷聯慣性導航系統解算出的罐籠垂直 位置，H，為接近開關位置信號，V2(k)為第二子濾波器位置觀測噪聲，是均值為零的高斯白 噪聲序列；X2(k)為第二子濾波器的狀態向量，&化）=[0ix5 1OlxJlXlS為第二子濾波器位 置觀測矩陣；
[0037] 第S子濾波器觀測方程為：Z3化）=&化)X3化)+V3化）
[0038] 第S子濾波器觀測向量Z3化）=[LEVeV。]T，L和E為捷聯慣性導航系統東向和 西向位置，V。和V。為捷聯慣性導航系統東向和西向速度，V3(k)為第S子濾波器觀測噪聲， 是均值為零的高斯白噪聲序列；X3(k)為第=子濾波器的狀態向量；
[0039] 第S子濾波器觀測矩陣&化）為：
[0040] k表示離散時刻；
[0041] 步驟4 :按照如下規則將組合導航式位姿測量系統整體的過程信息包括Qi化)、 i-,(k)及Pi似平均分配到各子濾波器：
柳44] 其中，Qi似、名頗及Pi似分別為各濾波器的噪聲方差陣、狀態估計向量、估計誤 差協方差，i=l，2,3，m;
[0045] Qg化)、木:似、Pg化）分別為組合導航式位姿巧慢系統的噪聲方差陣、狀態估計向 量、估計誤差協方差；Ai(k)為分配參