一种基于惯性测量与轨道信标组合技术的矿井下车辆轨道变形监测方法与流程

本发明属于矿井安全生产监测领域，尤其是一种基于惯性测量与轨道信标组合的矿井下车辆轨道变形监测方法。

背景技术：

由于采动的影响，矿井下地面车辆轨道更容易发生变形，为矿井下运煤车辆等井下运输工具的安全行驶带来了阻碍和隐患，因此需要定期对井下车辆轨道进行变形监测，尤其是采煤频繁时期。

传统的矿井下车辆轨道监测方法采用全站仪等常规测量手段，这些方法存在较大的问题：首先，矿井下车辆轨道随着巷道铺设，所以拐弯较多，因此利用全站仪测量时需要布设密集的测量点然后由内插得到轨道位置序列，需要耗费大量的人力和物力，而且严重影响了矿井运输；其次，由于矿井下车辆轨道变形的不规则性太大，可能变形点恰好位于布设的监测点之间，因此通过全站仪可能不能发现变形点。

运用惯性测量单元的惯性测量技术是从20世纪初发展起来的一种新的导航技术。基本原理是根据牛顿提出的相对惯性空间的力学定律，利用惯性测量仪中的加速度计测量载体的运动加速度，利用陀螺仪测量载体的旋转角速度，然后通过计算机对这些惯性测量值进行处理，得到载体的位置、速度和姿态。与其他类型的导航系统不同，惯性导航系统具有自主导航能力，不需要从运载体传送信号或者从外部接收信号，不受环境、载体机动及无线电干扰的影响，能连续地提供载体位置、速度和姿态等定位导航参数，其数据更新率快、量程较大，且具有短时间内较高的相对精度。近几年，随着惯性器件的低成本、低功耗的发展，惯性测量技术应用愈加广泛。

惯性测量虽然可以实现自主定位，但是由于其定位方式是通过积分解算，所以长时间定位会导致误差的累积。在室外区域，可以通过全球定位系统和惯性测量组合有效解决惯性测量误差累积的问题，但是在遮挡区域，无法接收到全球定位系统信号，因此惯性测量难以保证长时间导航定位的精度和可靠性。

技术实现要素：

本发明的目的提供一种基于惯性测量与轨道信标组合的矿井下车辆轨道变形监测方法，能够简单、快速、有效地检测出矿井下车辆轨道变形。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于惯性测量与轨道信标组合技术的矿井下车辆轨道变形监测方法，其特征在于，在井下车辆轨道铺设完成后，采用惯性测量系统对车辆轨道进行测量，并借助轨道信标点计算车辆轨道的三维空间坐标测量结果，作为初始参考值；并定期利用该方法测量车辆轨道的三维坐标，并与初始参考值比较，两者的差值即车辆轨道的变形值；变形监测过程中，惯性测量单元固定在轨道小车上，轨道小车贴于轨道行驶。

进一步的，具体步骤为：

a.在车辆轨道两端以及车辆轨道上每隔50米处设置轨道信标点，并设置轨道起始点；

b.利用全站仪通过井下已知坐标的上顶点准确测量轨道信标点的三维坐标；

c.惯性测量单元固定在轨道小车上，并将轨道小车放置在轨道起始点处；

d.利用全站仪测量惯性测量单元的初始位置，并通过惯性测量单元的不同点位置计算惯性测量单元的初始姿态；

e.开启轨道小车，通过惯性测量单元采集轨道小车的加速度和角速度；

f.轨道小车行驶过程中，到达各个轨道信标点处，分别记录到达该轨道信标点的时间和当前轨道信标点的位置；

g.利用惯性测量单元的初始位置和初始姿态及轨道小车行驶过程中采集的加速度和角速度，通过力学编排方法计算轨道小车行驶过程中惯性测量单元的运动轨迹；

h.利用轨道小车行驶过程中记录的到达各个轨道信标点的时间和对应的轨道信标点的位置，对通过步骤g所得的惯性测量单元的运动轨迹进行约束和改正，得到经过改正的轨道小车运动轨迹；

i.轨道小车贴于轨道行驶，所以轨道小车运动轨迹即为是轨道的坐标序列图。

更进一步的，步骤g中，所述力学编排方法为捷联解算算法；通过捷联解算算法，根据惯性测量单元的初始位置和初始姿态信息，解算得到轨道小车当前时间的位置、速度和姿态。

更进一步的，步骤h中，对通过步骤g所得的惯性测量单元的运动轨迹进行约束和改正的方法为：当轨道小车经过轨道信标点时，将矿井下已知点坐标和全站仪观测解算轨道信标点坐标，与通过步骤g所得的惯性测量单元的运动轨迹进行Kalman滤波融合解算，实现误差纠正，得到轨道小车运动轨迹。

本发明的有益效果：1、本监测方法易操作，效率高，不会影响矿井下轨道的正常运输工作；2、惯性测量系统的数据采集频率高，监测的矿井下测量轨道变形点空间分辨率高，相比于利用全站仪观测的信标点的间隔较大，降低了工作量。

附图说明

图1是本发明方法流程图；

图2是本发明的组合技术数据处理流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明在井下车辆轨道铺设完成后，采用惯性测量系统对车辆轨道进行测量，并借助轨道信标点计算车辆轨道的三维空间坐标测量结果，作为初始参考值；并定期利用该方法测量车辆轨道的三维坐标，并与初始参考值比较，两者的差值即车辆轨道的变形值。

矿井车辆轨道监测方法如下：

a.在轨道两端以及每隔50米处的轨道上设置轨道信标点，对于拐弯处可以适当降低信标点的间距，对于直线巷道可以适当提高信标点的间距；

b.利用全站仪通过井下已知坐标的上顶点准确测量轨道信标点的三维坐标，连续观测三次，每次测量两个测回，并取平均值作为信标点的坐标；

c.惯性测量单元固定在轨道小车上，并将轨道小车放置在轨道起始点处，确保小车在起始点处保持静止十分钟，进行初始对准；

d.利用全站仪测量惯性测量单元的初始位置，并通过测量惯性单元上不同点位置计算惯性测量单元的初始姿态，利用初始对准获取的姿态对全站仪测量的姿态进行验证；

e.开启轨道小车，惯性测量单元采集运动的加速度和角速度，小车行驶过程中，通过降低行驶速度的方法确保小车贴于轨道行驶，不发生跳跃现象；

f.轨道小车行驶过程中，到达各个轨道信标点处，分别记录到达该轨道信标点的时间和当前轨道信标点的位置；

g.利用惯性测量单元的初始位置和初始姿态及小车行驶过程中采集的加速度和角速度，通过力学编排计算轨道小车行驶过程中惯性测量单元的运动轨迹；

h.利用轨道小车行驶过程中记录的到达各个轨道信标点的时间和对应的轨道信标点的位置，对通过步骤g所得的惯性测量单元的运动轨迹进行约束和改正，得到经过改正的轨道小车运动轨迹；

i.轨道小车贴于轨道行驶，所以轨道小车运动轨迹可以认为是轨道的坐标序列图。

惯性测量与轨道信标组合技术数据处理流程如图2所示，惯性测量单元的加速度计和陀螺仪分别观测得到加速度和角速度信息，通过捷联解算算法，在初始位置和姿态信息的基础上，解算得到当前时间的位置、速度和姿态，当轨道车辆经过信标点时，通过矿井下已知点坐标和全站仪观测解算信标点坐标，和惯性导航系统解算的位置、速度和姿态进行Kalman滤波融合解算，实现误差纠正，得到轨道位置序列。

变形监测过程中，惯性测量单元固定在轨道小车上，轨道小车贴于轨道行驶，所以惯性测量单元解算结果能够有效反映出轨道的三维位置序列。