矿井陀螺仪定位研究

乔禹涵

摘   要：针对恶劣的煤矿井下环境，文章提出将陀螺仪传感器及惯性导航技术应用在矿井目标定位领域。其定位精度高、定位速度快的特点，能极大地降低硬件设备的通信开销，并使抗干扰能力显著增强。

关键词：目标定位;陀螺仪;惯性导航系统

煤矿在我国分布广泛，但由于我国的煤田地质条件复杂，生产条件恶劣，开采技术水平相对落后，导致我国煤矿生产的事故频发，对于作业人员的安全问题构成了极大的威胁。在煤矿井下多变的环境中，噪声干扰可能会给定位带来较大的误差，且基于传统方法的系统需要专门的硬件设备支撑以及大量的工作，存在定位精度不高、定位效率低等问题，给定位带来很多不便，在一定程度上限制了定位系统的应用效果。

1    陀螺仪运行原理分析与设计

1.1  运行原理，陀螺仪定向运行程序

（1）陀螺仪在井下确定定向方位时，必须先在地面先在地面确定三个独立测量仪器数据常数。（2）井下定向测试已知边上，独立测量4次陀螺仪位置。（3）陀螺仪上井后，需要地面预设已知边上再次测量4个仪器设备常量数据。以上3个基本操作流程基本程序在两天内完成数据的采集。

1.2  陀螺仪定向技术适用矿井井筒设备安装

矿井井筒由线缆、梯子间、管道、罐道等设备组成，其中罐道梁和罐道是立井煤矿设备的核心部分，工程师在安装井筒设备过程中，根据设计方案标注设备安装基本测量准线方位，获知琦铜矿副井井筒深度为1 000 m左右。由于客观条件的局限性，放线操作难度较大，通过陀螺仪定向技术在设备进筒安装过程中获得极好的效果。采用矿井陀螺仪定向设置装置固定井底垂球位置，井底矿井钢梁固定好，可以标注预设钢梁位置。

2    惯性导航技术的发展及其应用

通过承载固体运动过程建立固定常量标准，测试运动提的角速度与姿态角，根据物体加速的测量其线加速度数据，根据表座变换和积分运算的统计，计算出载体相对于基准坐标系的位置与瞬间加速度。工程师可以利用陀螺仪的特性确定一组参考坐标系，根据陀螺仪与加速度计算出运载器直线运动轨迹与旋转运动方位，获取的实验数据经过控制系统实现矿井井下运载物体的自由导航运行。

平台式导航系统陀螺仪和加速度安装器在机电导航平台，根据载体加速度体现出的信息输入导航运算系统，推算出航行器的位置与陀螺仪的位置信息，陀螺仪在施矩信息的引导下稳定控制平台而确定航行器设备的方位信息与姿态，原理框架如图1所示。

3    陀螺仪惯性导航在矿井中的应用

目前，在煤炭矿井施工过程中机器人采用导航定位系统，由于受到矿下各种不利因素的影响，传统导航技术会受到很大限制，不能够正常地参加煤炭开采工作。由于惯性导航技术能够避开地下矿井的不利因素，其适用于地下开采与煤炭工人井下安全工作的定位。最近几年出现煤炭移动机器定位系统，包含数字罗经与接连惯性测量传感器定位系統。该陀螺定位系统可以迅速提供操作工人的速度，姿态与位置，避免外界因素的干扰。陀螺感应定位系统设置防磁防金属外壳设备，应用激光测距仪。里程仪较为方便地提供地标等参数，用于修正位置误差，进一步提高设备的定位准确性。

4    陀螺仪是矿井工人的“保护神”与“千里眼”

我国煤炭资源极其丰富，煤炭存储量位居世界前列，矿井深度达到地下几百米，甚至达到千米。如何安全地定位设备，保证井下工作人员的安全性是急需解决的问题。陀螺传感仪的出现，不仅解决了矿井井下定向问题，也及时解决了煤炭开采定位预定方向的难题。随着井下惯测系统的出现，应用陀螺仪将观察得更加准确，看得更加深远。由于陀螺仪精准度不受时空限制、测量时间短、使用方便，定向与定位精准将大量用于矿山测量勘探工作。尤其是我国浅部矿产资源日益枯竭，矿山深井开采数量越来越多，陀螺仪定向的优点更加显著，陀螺仪使用在矿山井下将会更加普遍，由此带来的经济效益也会更加明显。

[参考文献]

[1]李金祥.陀螺经纬仪和垂准仪在深竖井中的联系测量系统及应用[J].铁道标准设计，2015（9）：94-95.

[2]张沛杰.深竖井及洞内控制测量中多种测量仪器联合定向的应用研究[J].科技创新与应用，2016（22）：42-43.