一种背包式井下煤炭开采量智能测量装置及其量测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种井下测量装置及其量测方法，特别是一种背包式井下煤炭开采量智能测量装置及其量测方法一种背包式井下煤炭开采量智能测量装置及其量测方法。
【背景技术】
[0002]在采矿、采煤工程中，地下生产采场采空区测址大多采用垂直断面测量法。垂直断面测址法一般采用极坐标法，由于剖面线不可能正好位于测点上，以及测点密度不大，尤其是地下不安全的地段和不便到达的地方。这样求得的采场采空区体积精度不会很高。对于金属矿山特别是品位高的矿体，由于存在较大采空区测误差，造成了国家宝贵财产的流失。
[0003]矿井巷道是特殊的受限空间，电磁波传输特性受到巷道形状和截面尺寸、工作频率、巷道壁电参数、粉尘及金属支柱等影响。矿井巷道通常是由岩石、混凝土或砖头等材料组成，四壁的表面十分粗糙，存在着凹凸不平的随机起伏，同时这些材料不是理想导体而是电导率为有限值的损耗介质。
[0004]惯性传感器包括陀螺仪和加速度计。加速度计目前精度可达10_5g η且对INS误差影响较小。陀螺仪由于其结构复杂、制造困难且其漂移误差对INS精度影响大，而成了惯性传感器重点研究对象。
[0005]第一代惯性技术指1930年以前的惯性技术。第一代惯性技术指1930年以前的惯性技术。自1687年牛顿三大定律的建立，并成为惯性导航的理论基础；到1852年，傅科提出陀螺的定义、原理及应用设想；再到1908年由安修茨研制出世界上第一台摆式陀螺罗经，以及1910年的舒勒调谐原理；第一代惯性技术奠定了整个惯性导航发展的基础。
[0006]第二代惯性技术开始于上世纪40年代火箭发展的初期，其研究内容从惯性仪表技术发展扩大到惯性导航系统的应用。首先是惯性技术在德国V-1I火箭上的第一次成功应用。到50年代中后期，0.5n mile/h的单自由度液浮陀螺平台惯导系统研制并应用成功。1968年，漂移约为0.005° /h的G6B4型动压陀螺研制成功。这一时期，还出现了另一种惯性传感器一加速度计。在技术理论研究方面，为减少陀螺仪表支承的摩擦与干扰，挠性、液浮、气浮、磁悬浮和静电等支承悬浮技术被逐步采用；1960年激光技术的出现为今后激光陀螺(RLG)的发展提供了理论支持；捷联惯性导航(SINS)理论研究趋于完善。
[0007]70年代初期，第三代惯性技术发展阶段出现了一些新型陀螺、加速度计和相应的惯性导航系统，其研究目标是进一步提高INS的性能，并通过多种技术途径来推广和应用惯性技术。这一阶段的主要陀螺包括:静电陀螺、动力调谐陀螺、环形激光陀螺、干涉式光纤陀螺等。
[0008]当前，惯性技术正处于第四代发展阶段，其目标是实现高精度、高可靠性、低成本、小型化、数字化、应用领域更加广泛的导航系统。一方面，陀螺的精度不断提高，漂移量可达10-6 o/h ;另一方面，随着新型固态陀螺仪的逐渐成熟，以及高速大容量的数字计算机技术的进步，SINS在低成本、短期中精度惯性导航中呈现出取代平台式系统的趋势。
[0009]一个惯性传感器IMU包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺利用三轴地磁解耦和三轴加速度计，受外力加速度影响很大，在运动/振动等环境中，输出方向角误差较大，此外地磁传感器有缺点，它的绝对参照物是地磁场的磁力线，地磁的特点是使用范围大，但强度较低，约零点几高斯，非常容易受到其它磁体的干扰，如果融合了 Z轴陀螺仪的瞬时角度，就可以使系统数据更加稳定。加速度测量的是重力方向，在无外力加速度的情况下，能准确输出ROLL/PITCH两轴姿态角度并且此角度不会有累积误差，在更长的时间尺度内都是准确的。但是加速度传感器测角度的缺点是加速度传感器实际上是用MEMS技术检测惯性力造成的微小形变，而惯性力与重力本质是一样的，所以加速度计就不会区分重力加速度与外力加速度，当系统在三维空间做变速运动时，它的输出就不正确了。
[0010]陀螺仪输出角速度，是瞬时量，角速度在姿态平衡上是不能直接使用，需要角速度与时间积分计算角度，得到的角度变化量与初始角度相加，就得到目标角度，其中积分时间Dt越小，输出角度越精确，但陀螺仪的原理决定了它的测量基准是自身，并没有系统外的绝对参照物，加上Dt是不可能无限小，所以积分的累积误差会随着时间流逝迅速增加，最终导致输出角度与实际不符，所以陀螺仪只能工作在相对较短的时间尺度内。
[0011]所以在没有其它参照物的基础上，要得到较为真实的姿态角，就要利用加权算法扬长避短，结合两者的优点，摈弃其各自缺点，设计算法在短时间尺度内增加陀螺仪的权值，在更长时间尺度内增加加速度权值，这样系统输出角度就接近真实值了.
[0012]在导航中用着很重要的应用价值。惯性传感器IMU大多用在需要进行运动控制的设备，如汽车和机器人上。也应用于无人航空器、姿态测量、各种跟踪和稳定系统、姿态参考、船舶姿态的动态测量、机器及制造业。
[0013]基于惯性传感器的定位技术具有定位的自主性和连续性，其传感器涉及到加速度计、陀螺仪、磁罗盘等。基于不同的物理特性和应用环境，这些传感器可以相互组合实现不同的配置方案，如陀螺仪和加速度计组合、磁罗盘和加速度计组合等。且随着微机电系统的快速发展，各种传感器尺寸不断变小，成本降低，可将其广泛应用于各种智能移动终端设备，使得其定位范围不受限制，也不会受外界信号和环境干扰。其定位方法主要分为两种，一种是传统的积分定位方法，依据牛顿运动定律，通过三个方向的加速度数据积分计算出三维速度和位置，理论上计算结果更精确可靠，但实际应用中，由于加速度计存在数据漂移，使用牛顿运动定律加速度两次积分计算的结果产生持续的累计误差，几秒时间内误差可达几十米，甚至几百米；另一种是航迹推算方法，依据人行走的步数和步长进行定位，定位效果比传统的积分定位方法更准确，但是由于航迹推算方法根据人行走的位移与航向进行位置推算，定位精度依赖于计步效果和行人航向以及行人的步长等因素，因而随着行走时间增加，其定位误差也在不断累积。
【发明内容】
[0014]本发明针对现有技术的不足，提供一种背包式井下煤炭开采量智能测量装置及其量测方法，用以实现在井下无电磁波环境下的定位量测，并解决井下硬件易损耗及计算挖出煤的体积得出煤炭开采量精确度较低的问题。
[0015]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0016]1.一种背包式井下煤炭开采量智能测量装置，该定位测量装置包括惯性传感器模块、时钟模块、液晶显示模块、控制按键面板、数据存储模块、RS-232通讯接口、无线传输模块、电源模块、中央处理器和服务器；惯性传感器模块、时钟模块、控制按键面板和无线传输模块的输出端均与中央处理器的输入端连接，电源模块为定位测量装置提供电源，中央处理器的输出端与液晶显示模块连接，中央处理器与数据存储模块双向通讯连接，数据存储模块与RS-232通讯接口连接，无线传输模块的输出端与服务器的输入端连接；
[0017](1)所述的惯性传感器模块包括加速度计、陀螺仪和方向传感器，该模块获取人员行走中的加速度，方向和转弯信息；
[0018](2)所述的时钟模块记录定位时间；所述的液晶显示模块显示中央处理器收到的服务器回传点位坐标，供用户查看自己的位置；所述的控制按键面板进行采样参数和文件名称的交互式设置；所述的无线传输模块建立中央处理器与服务器之间的数据实时传输；
[0019](3)所述的数据存储模块与RS-232通讯接口连接，数据存储模块存储中央处理器处理后的惯性传感器数据和时钟数据，其存储文件的名称可以根据时钟模块记录的时间自动建立，或者通过控制按键面板手动建立，其备份数据在事后通过RS-232通讯接口传输给计算机系统进行后续处理与分析；
[0020](4)所述的电源模块包括电池组和电源转换电路，该模块为装置提供电源，其电源转换电路分别与惯性传感器模块、时钟模块、液晶显示模块、数据存储模块、无线传输模块和中央处理器连接，并将电池组提供的稳压电源转换成与之相连接的装置各部件所需的供电电源；
[0021](5)所述的中央处理器通过通讯接口电路连接惯性传感