CN111365064B - 一种矿用本安型开孔定向仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤矿施工设备技术领域，公开了一种矿用本安型开孔定向仪包括：定向仪壳体，定向仪壳体上方的设有若干个楔块，相对的两个楔块之间安装有固定带，楔块的内侧均设有倾斜的接触面，钻杆通过固定带固定安装在相对的两个楔块之间；定向仪壳体内部安装有电池箱和控制箱，控制箱内设有控制线路板；控制线路板包括电源模块、采集单元、姿态处理单元、三轴陀螺仪和三轴加速度计；本发明固定安装在钻杆上，通过三轴光纤陀螺仪和三轴加速度计的检测、计算并连续实时显示当前钻机俯仰角度和方位角度信息，进而实现钻机快速精确开孔定位的目的。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿施工设备技术领域，特别是指一种矿用本安型开孔定向仪。
背景技术
随着我国煤炭综采技术的推广和应用,对煤矿瓦斯抽放量和抽放效率提出了越来越高的要求，安全生产是煤矿开采的必要条件，采煤前需对煤层钻孔进行瓦斯抽放。这就要求在井下钻探大量的瓦斯抽采孔。
为保证井下安全以及较高的钻孔成孔率，要求施工钻机按照预先设计的方位角与俯仰角进行钻进施工作业，精准确定钻孔开孔角度是实现钻机钻进轨迹的精确控制的前提。
现有的煤矿钻机在进行煤矿瓦斯抽采、探放水和顶底板注浆等需要钻孔的作业时，常由于没有配备专用的开孔定向设备而最后出现钻孔偏差过大情况，不但影响工作效率，甚至出现废孔情况。
发明内容
本发明提出一种矿用本安型开孔定向仪，解决了现有技术中无法连续精确的检测钻孔开孔方位角和倾斜角的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种矿用本安型开孔定向仪，包括：
定向仪壳体，所述定向仪壳体上方的设有若干个楔块，所述楔块两两相对，且相对的两个楔块之间安装有固定带，所述楔块的内侧均设有倾斜的接触面，钻杆安装在相对的两个楔块之间，所述固定带将钻杆固定使其紧贴在所述接触面上；所述定向仪壳体的侧面上安装有显示屏、电源开关和通信接口；
电池箱，所述电池箱安装在所述定向仪壳体内部，所述电池箱的顶部设有固定在所述定向仪壳体顶板的压板，所述电池箱的侧部和底部与所述定向仪壳体之间设有减震垫板；
控制箱，所述控制箱的顶部与所定向仪壳体固定连接，所述控制箱的底部与所述定向仪壳体之间安装有减震垫板；
所述控制箱内部设有控制线路板，所述显示屏、电源开关和通信接口与所述控制线路板电连接；所述电源开关连接所述电池箱的电源输出端口与控制箱的电源输入端口，用于控制电源的通断；所述通信接口与上位机通信连接，用于与上位机进行数据通信；所述显示屏用于实时显示此时的方位角、俯仰角、横滚角及位置信息，同时显示电池组电量；
所述控制线路板包括：电源模块、采集单元、姿态处理单元和测量元件；
所述测量元件包括三轴陀螺仪和三轴加速度计；
所述采集单元采集所述三轴陀螺仪和三轴加速度计的测量数据，包括三轴陀螺仪信号处理电路和三轴加速度计信号处理电路；
姿态处理单元与所述采集单元电连接，根所感测的角度信息中计算出姿态角变化的角速度，计算出姿态矩阵和新的姿态角，然后根据钻机的移动在显示屏上连续显示位置信息。
作为优选的技术方案，所述楔块的外侧设有用于安装固定带的连接件，所述固定带的两端安装在两个相对楔块的连接件上。
作为优选的技术方案，所述电池组包括多组电池单体，所述电池单体通过串并联组成电池组，所述电池单体的输出电压为3.2V，所述电池组的输出电压为16V。
作为优选的技术方案，所述电源模块包括包括EMC电路、16V/6V电压转换电路、所述6V/5V电压转换电路和6V/3.3V电压转换电路，所述电池组的输出端与所述EMC电路的输入端电连接，所述16V/6V电压转换电路的输入端电连接至所述EMC电路的输出端，所述16V/6V电压转换电路的输出端输出6V直流电源；所述16V/6V电压转换电路的输出端分别与所述6V/5V电压转换电路和6V/3.3V电压转换电路的输入端电连接，将6V直流电源转换成5V和3.3V的供电电源。
作为优选的技术方案，所述电源模块还包括6V/±12V电压转换电路、所述6V/±12V电压转换电路包括反相调节器芯片和第一稳压电路，所述反相调节器芯片将输入的6V的电源转换成+12.5V和-12.5V电源并通过所述第一稳压电路处理成+12V和-12V的直流稳压电源为三轴加速度计信号处理电路供电。
作为优选的技术方案，所述姿态处理单元包括处理单片机和通信单片机，所述处理单片机用于接收并处理所述三轴陀螺仪和三轴加速度计发送的数据，所述通信单片机通过第一串行端口与所述控制单片机连接并接收控制单片机输出的钻杆的方位角、俯仰角、横滚角数据，通过第二串行端口与所述控制单片机连接并接收GPS数据，所述通信单片机通过所述通信接口与上位机通信连接。
作为优选的技术方案，所述通信接口是RS232接口。
本发明的有益效果在于：本发明固定安装在钻杆上，通过三轴陀螺仪和三轴加速度计的检测数据计算得出钻杆的方位角、俯仰角、横滚角和位置，将数据在显示屏上显示出来，以便于调整开孔的角度，实现钻机钻进轨迹的精确控制。
本发明中，电池箱内置于定向仪壳体中，有利于减小定向仪的整体体积，内置式的电池箱，可以有效的避免碰撞和外部损伤；电池箱与定向仪壳体之间设有减震垫，抗震性能好，为电源的稳定输出提供保障。
本发明能够连续显示的当前位置数据信息，可实现钻机开孔方位的连续调节，能够更直观的显示使当前位置数据与目标位置数据的偏差量，为钻机方位调整提供了依据，使开孔方位偏差最小，提高了钻机开孔调节的效率，钻机开孔精度高。无需进行多次姿态测量频繁调整操作，连续测量可以极大的缩短开孔定位时间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例内部电池箱和控制箱的结构示意图；
图3为本发明实施例电路原理框图；
图4为本发明实施例中EMC电路的原理图；
图5为16V/6V电压转换电路的原理图；。
图6为6V/5V电压转换电路的原理图；
图7为通信单片机的电路的原理图。
图中，1-壳体；11-电池箱；12-控制箱；2-楔块；21-连接件；3-固定带；301-接触面；4-钻杆；5-电源开关；6-显示屏；7-RS232通信接口；8-减震垫板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
其中，在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“/”表示或的意思，例如，A/B可以表示A或B；本文中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，在本申请实施例的描述中，“多个”是指两个或多于两个。
以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
如图1和图2所示，一种矿用本安型开孔定向仪，包括：
定向仪壳体1，定向仪壳体1上方的设有若干个楔块2，楔块2两两相对，且相对的两个楔块2之间安装有固定带3，优选的，楔块2的外侧设有用于安装固定带3的连接件21，固定带3的两端安装在两个相对楔块2的连接件21上。
楔块2的内侧均设有倾斜的接触面301，钻杆4安装在相对的两个楔块2之间，固定带3将钻杆4固定使其紧贴在接触面301上；定向仪壳体1的侧面上安装有显示屏6、电源开关5和通信接口。优选的，通信接口是RS232接口7。
电池箱11，电池箱11安装在定向仪壳体1内部，定向仪壳体1上设有电池组的充电接口。
电池箱11的顶部设有固定在定向仪壳体1顶板的压板，电池箱11的侧部和底部与定向仪壳体1之间设有减震垫板8。电池箱内安装有电池组，电池组包括多组电池单体，电池单体通过串并联组成电池组，电池单体共10节，单节电池标称3.2V，同时两组电池单体并联，并联出5组之后相互串联组成电池组，电池输出总电压16V。电池单体容量为1.5Ah，两组并联容量为3Ah，可连续给开孔定向仪供电3小时。
控制箱12，控制箱12的顶部与所定向仪壳体1固定连接，控制箱12的底部与定向仪壳体1之间也安装有减震垫板8。
优选的，减震垫板8是橡胶垫。
控制箱内部设有控制线路板，显示屏6、电源开关5和RS232接口7与控制线路板电连接；电源开关5连接电池箱的电源输出端口与控制箱的电源输入端口，用于控制电源的通断；RS232接口7与上位机通信连接，用于与上位机进行数据通信；显示屏6用于实时显示此时的方位角、俯仰角、横滚角及位置信息，同时显示电池组电量。
如图3至图7所示，控制线路板包括：电源模块、采集单元、姿态处理单元和测量元件。
测量元件是三轴光纤陀螺、三轴高精度MEMSE加速度计，现有技术中的能够实现相同功能的三轴陀螺仪和三轴加速度计均适用于本发明。
采集单元采集三轴陀螺仪和三轴加速度计的测量数据，包括三轴陀螺仪信号处理电路和三轴加速度计信号处理电路。
姿态处理单元与采集单元电连接，根所感测的角度信息中计算出姿态角变化的角速度，计算出姿态矩阵和新的姿态角，然后根据钻机的移动在显示屏上连续显示位置信息。
电源模块包括包括EMC电路、16V/6V电压转换电路、6V/±12V电压转换电路、6V/5V电压转换电路和6V/3.3V电压转换电路。
电池组的输出端与EMC电路的输入端电连接，16V/6V电压转换电路的输入端电连接至EMC电路的输出端，16V/6V电压转换电路的输出端输出6V直流电源。
EMC电路包括共轭电感T1，共轭电感的输入端电连接有电感B4和B5，共轭电感T1的输入端和输出端分别电连接有3个滤波电容，共轭电感B5的输入端通过熔断器F1与电池组的输出端电连接。
16V/6V电压转换电路通过降压芯片LT1612将16V直流电源降压至6V直流电源。
16V/6V电压转换电路的输出端分别与6V/±12V电压转换电路、6V/5V电压转换电路和6V/3.3V电压转换电路的输入端电连接，将6V直流电源转换成±12V、5V和3.3V的供电电源。
6V/±12V电压转换电路包括反相调节器芯片ADP3605，反相调节器芯片包括两个分别用输出+12.5V和-12.5V电源的输出管脚。+12.5V和-12.5V电源的输出管脚分别连接有第一稳压电路，反相调节器芯片将输入的6V的电源转换成+12.5V和-12.5V电源并通过第一稳压电路处理成+12V和-12V的直流稳压电源为三轴加速度计信号处理电路供电。
6V/5V电压转换电路包括电压保护芯片LT3891和稳压芯片LT3015，16V/6V电压转换电路的输出端与电压保护芯片LT3891的输入端电连接，电压保护芯片LT3891的输出管脚电连接至稳压芯片LT3015的输入管脚，稳压芯片LT3015的输出管脚输出5V的稳定电源。
6V/3.3V电压转换电路通过LM1117芯片输出3.3V稳压芯片。
姿态处理单元包括处理单片机和通信单片机，处理单片机用于接收并处理三轴陀螺仪和三轴加速度计发送的数据，处理单片机电连接有GPS模块，用于获取当前纬度数据；通信单片机通过第一串行端口与控制单片机连接并接收控制单片机输出的钻杆的方位角、俯仰角、横滚角数据，通过第二串行端口与控制单片机连接并接收GPS数据，通信单片机通过通信接口与上位机通信连接。本实施例中，处理单片机采用STM32F407VET6型单片机，通信单片机采用MKV31F512VLH型单片机。
采集单元包括485/422转换器MAX3485，三轴陀螺仪通过485/422转换器与控制单元电连接。
采集单元还包括用于将三轴加速度计的检测信号进行放大处理的运算放大器芯片AD827和将放大后的信号进行模数转换的模数转换芯片ADS1256，模数转换芯片ADS1256与处理单片机STM32F407VET6电连接。
本发明的工作原理如下：
本发明在使用时，将定向仪放在钻机卡盘与前夹持器之间的钻杆下方，再用固定带穿过楔块上的连接件，使定向仪上方四个楔块紧贴钻杆外壁，将固定带卡紧。
三轴光纤陀螺和三轴加速计分别感应出载体坐标系相对于惯性坐标系的角速度矢量和载体系的比力矢量。再从比力中扣除有害加速度值，计算出重力加速度，再经过积分运算就得到载体在导航坐标系中的速度和位置信息，得到载体的姿态、速度、位置等信息，从而测量出开孔定向仪方位角、俯仰角和横滚角信息。
姿态处理单元通过采集单元得到载体静态位置信息，此时载体坐标系和导航坐标系重合，由于载体运动，经过方位、俯仰角、横滚角三次旋转就可得到3个转角构成的姿态矩阵，因此，当载体相对于地球运动时，实际上也就是引起姿态矩阵中个姿态角的变化，考虑到地球的自传以及载体相对地球的转动，就可以从测量单元中陀螺所感测的角度信息中计算出姿态角变化的角速度，然后，由姿态角的变化的角速度可以准确的计算出姿态矩阵和新的姿态角，然后根据钻机的移动在显示屏上连续且实时显示位置信息，无需进行多次姿态测量频繁调整操作，连续测量可以极大的缩短测量开孔方位时间。
开孔定向仪通过RS232接口与上位机通信，当开孔定向仪从A地运往B地使用时，由于两地的经纬度差异，间接增大测量误差，所以当开孔定向仪从A地运往B地使用时，通过RS232通信接口在上位机发送B地纬度信息指令，更改采集单元初始化数据，以此减小井下开孔误差，以提高测量的精度。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种矿用本安型开孔定向仪，其特征在于，包括：
定向仪壳体，所述定向仪壳体上方的设有若干个楔块，所述楔块两两相对，且相对的两个楔块之间安装有固定带，所述楔块的内侧均设有倾斜的接触面，钻杆安装在相对的两个楔块之间，所述固定带将钻杆固定使其紧贴在所述接触面上；所述定向仪壳体的侧面上安装有显示屏、电源开关和通信接口；
电池箱，所述电池箱安装在所述定向仪壳体内部，所述电池箱的顶部设有固定在所述定向仪壳体顶板的压板，所述电池箱的侧部和底部与所述定向仪壳体之间设有减震垫板；
控制箱，所述控制箱的顶部与所述定向仪壳体固定连接，所述控制箱的底部与所述定向仪壳体之间安装有减震垫板；
所述控制箱内部设有控制线路板，所述显示屏、电源开关和通信接口与所述控制线路板电连接；所述电源开关连接所述电池箱的电源输出端口与控制箱的电源输入端口，用于控制电源的通断；所述通信接口与上位机通信连接，用于与上位机进行数据通信；所述显示屏用于实时显示此时的方位角、俯仰角、横滚角及位置信息，同时显示电池组电量；
所述控制线路板包括：电源模块、采集单元、姿态处理单元和测量元件；
所述测量元件包括三轴陀螺仪和三轴加速度计；
所述采集单元采集所述三轴陀螺仪和三轴加速度计的测量数据，包括三轴陀螺仪信号处理电路和三轴加速度计信号处理电路；
姿态处理单元与所述采集单元电连接，根据所感测的角度信息中计算出姿态角变化的角速度，计算出姿态矩阵和新的姿态角，然后根据钻机的移动在显示屏上连续显示位置信息；
所述姿态处理单元包括处理单片机和通信单片机，所述处理单片机用于接收并处理所述三轴陀螺仪和三轴加速度计发送的数据，处理单片机电连接有GPS模块，所述通信单片机通过第一串行端口与所述处理单片机连接并接收处理单片机输出的钻杆的方位角、俯仰角、横滚角数据，通过第二串行端口与所述处理单片机连接并接收GPS数据，所述通信单片机通过所述通信接口与上位机通信连接；
三轴光纤陀螺和三轴加速计分别感应出载体坐标系相对于惯性坐标系的角速度矢量和载体系的比力矢量，再从比力中扣除有害加速度值，计算出重力加速度，再经过积分运算就得到载体在导航坐标系中的速度和位置信息，得到载体的信息，从而测量出开孔定向仪方位角、俯仰角和横滚角信息。
2.如权利要求1所述的一种矿用本安型开孔定向仪，其特征在于：所述楔块的外侧设有用于安装固定带的连接件，所述固定带的两端安装在两个相对楔块的连接件上。
3.如权利要求1所述的一种矿用本安型开孔定向仪，其特征在于：所述电池组包括多组电池单体，所述电池单体通过串并联组成电池组，所述电池单体的输出电压为3.2V，所述电池组的输出电压为16V。
4.如权利要求1所述的一种矿用本安型开孔定向仪，其特征在于：所述电源模块包括EMC电路、16V/6V电压转换电路、6V/5V电压转换电路和6V/3.3V电压转换电路，所述电池组的输出端与所述EMC电路的输入端电连接，所述16V/6V电压转换电路的输入端电连接至所述EMC电路的输出端，所述16V/6V电压转换电路的输出端输出6V直流电源；所述16V/6V电压转换电路的输出端分别与所述6V/5V电压转换电路和6V/3.3V电压转换电路的输入端电连接，将6V直流电源转换成5V和3.3V的供电电源。
5.如权利要求1所述的一种矿用本安型开孔定向仪，其特征在于：所述电源模块还包括6V/±12V电压转换电路、所述6V/±12V电压转换电路包括反相调节器芯片和第一稳压电路，所述反相调节器芯片将输入的6V的电源转换成+12.5V和-12.5V电源并通过所述第一稳压电路处理成+12V和-12V的直流稳压电源为三轴加速度计信号处理电路供电。
6.如权利要求1所述的一种矿用本安型开孔定向仪，其特征在于：所述通信接口是RS232接口。
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