一种矿用陀螺姿态测量仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种矿用陀螺姿态测量仪，包括主机和子机，主机和子机配合使用，用来测量矿用钻探设备的姿态角，包括方位角、前后倾角和左右倾角。主机的功能是寻北，主要包括长方体外壳、动调陀螺仪，三轴加速度计、控制芯片、显控装置及电源部分，用以测量地球自转角速度分量，从而测量出主机基准与正北的夹角；子机主要包括长方体外壳、微机械陀螺仪、三轴加速度计、控制芯片、显控装置及电源部分，用以测量其自身基准相对于主机基准的方位角旋转变化量、前后倾角及左右倾角。主机和子机两者配合使用即可测量矿用钻探设备的三个姿态角。本发明无需GPS信号，且不受磁场干扰，适合于煤矿井下钻探设备姿态角的测量。
【专利说明】一种矿用陀螺姿态测量仪
【技术领域】
[0001] 本发明涉及矿用钻探设备姿态测量【技术领域】，特别涉及一种矿用陀螺姿态侧量 仪。
【背景技术】
[0002] 煤矿钻探设备在钻进或探测的过程中，需要调节好其姿态角（方位角及双向倾 角），以满足钻探工艺要求，因而需要一种设备对其姿态角进行准确测量；由于矿井下无 GPS信号，目前一般用的方法是用磁罗盘测量及以巷道中线为基准的测量方法，由于钻探 设备一般由铁磁材料制造，其对地磁场方向有干扰，为磁罗盘测量法带来较大的测量误差 (有时超过10° );而通过巷道中线为基准来测量时，由于寻找中线的方法目前多是用人工 扯线来实现，再通过量角器来量钻探设备与中线夹角，扯线及量夹角时人为因素引入的误 差较大，且两过程的误差是累积误差，因而最终方位角的测量误差较大，特别是巷道有倾角 或者巷道弯曲时。由上知，在姿态测量过程中，方位角的精确测量是难点。
【发明内容】
[0003] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种矿用陀螺姿态测量仪，用于测量钻探设备的 姿态角，由主机和子机两部分组成，通过陀螺原理进行方位角测量，精确度高，且所述姿态 测量仪为矿用本安便携式仪器，易于携带，测量时劳动强度低。
[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，一种矿用陀螺姿态测量仪，包括用 于寻北的主机和用于测量姿态角的子机，所述主机为子机提供方位基准；所述主机包括用 于测量地球自转角速度的敏感轴分量的动调陀螺仪、用于测出主机前后倾角和左右倾角的 第一三轴加速度计、第一控制芯片、用于实现人机交互的第一显不屏和第一电源模块；所述 动调陀螺仪和第一三轴加速度计分别与第一控制芯片连接，所述第一显示屏与第一控制芯 片连接，所述第一电源模块经DC/DC变换后给用电单元供电。
[0005] 进一步，所述子机包括用于测量方位角旋转角速度的微机械陀螺仪、用于测量子 机前后倾角和左右倾角的第二三轴加速度计、第二控制芯片、第二显示屏、第二电源模块和 薄膜键盘及按钮，所述微机陀螺仪和第二三轴加速度计分别与第二控制芯片连接，所述第 二显示屏与第二控制芯片连接，所述薄膜键盘及按钮与第二控制芯片连接，所述第二电源 模块经DC/DC变换后给用电单元供电。
[0006] 进一步，所述主机还包括第一长方形外壳，所述动调陀螺仪、第一三轴加速度计、 第一控制芯片和第一电源模块设置于第一长方形外壳内。
[0007] 进一步，所述子机还包括第二长方形外壳，所述微机械陀螺仪、第二三轴加速度 计、第二控制芯片和第二电源模块设置于第二长方形包壳内。
[0008] 进一步，所述主机表面设置向上的凸出部，所述凸出部具有第一基准面；所述子机 的边缘设置在向下延伸的凸沿，所述凸沿具有第二基准面，在子机放在主机上使用时，所述 第一基准面与第二基准面紧密贴合。
[0009] 本发明的有益效果：
[0010] 本发明可直接测量钻探设备的方位角及倾角，所用陀螺均不受磁场干扰，且无需 GPS信号，适用于煤矿井下环境，在测量方位角时每次测量前对子机进行方位角初始化，可 有效的消除微机械陀螺的累积误差，提高了测量精度，该设备为本安便携式仪器，工人劳动 强度低。本发明为矿用钻探设备姿态测量提供了简单实用的设备及测量方法，提高了钻探 准确度及效率，从而提高了煤矿安全系数。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行 说明：
[0012] 图1姿态仪的原理框图，其中a为主机电器原理示意图，b为子机电器原理示意 图；
[0013] 图2为姿态仪结构示意图，子机放在主机上，基准重合；其中a为正视图，b为俯视 图；
[0014] 图3为子机结构示意图，a为正视图，b为侧视图；
[0015] 图4为主机结构示意图，a为正视图，b为侧剖视图。
【具体实施方式】
[0016] 下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0017] 图1姿态仪的原理框图，其中a为主机电器原理示意图，b为子机电器原理示意图； 图2为姿态仪结构示意图，子机放在主机上，基准重合；其中a为正视图，b为俯视图；图3 为子机结构示意图，a为正视图，b为侧视图；图4为主机结构示意图，a为正视图，b为侧剖 视图。
[0018] 一种矿用陀螺姿态测量仪，包括主机1和子机2,两者配合使用，用来测量钻探设 备机构的方位角及倾角。
[0019] 如图1所示，所述主机包括第一长方形外壳、动调陀螺仪、第一三轴加速度计、第 一控制芯片、第一显不屏6和第一电源模块；所述动调陀螺仪、第一三轴加速度计、第一控 制芯片和第一电源模块设置于第一长方形外壳内。所述动调陀螺仪和第一三轴加速度计分 别与第一控制芯片连接，所述第一显示屏与第一控制芯片连接，所述第一电源模块经DC/DC 变换后给用电单元供电；所述第一显示屏用于实现人机交互。
[0020] 所述主机起寻北作用，子机提供方位基准；使用过程中一直保持静止（包括寻北 的过程和配合子机测量的过程）。动调陀螺仪的转子高速自转，同时又随地球的自转进行 旋转，从而产生陀螺效应，利用该效应来测量地球自转角速度的敏感轴分量，再通过反正切 函数来求主机外壳基准与正北的夹角，从而完成寻北；在寻北过程中，当主机有一定的倾角 时，第一三轴加速度计可以测出前后倾角和左右倾角，在计算主机与真北夹角时，将所测的 两倾角考虑到算法里即可；为了保证寻北的精度，寻北时主机尽量保持水平，且不在高纬度 地区（如南北极圈内）。
[0021] 主机外壳基准与正北的夹角Vtl的计算方法为：
[0022]
【权利要求】
1. 一种矿用陀螺姿态测量仪，其特征在于：包括用于寻北的主机和用于测量姿态角的 子机，所述主机为子机提供方位基准； 所述主机包括用于测量地球自转角速度的敏感轴分量的动调陀螺仪、用于测出主机前 后倾角和左右倾角的第一三轴加速度计、第一控制芯片、用于实现人机交互的第一显示屏 和第一电源模块；所述动调陀螺仪和第一三轴加速度计分别与第一控制芯片连接，所述第 一显示屏与第一控制芯片连接，所述第一电源模块经DC/DC变换后给用电单元供电。
2. 根据权利要求1所述的陀螺姿态测量仪，其特征在于：所述子机包括用于测量方位 角旋转角速度的微机械陀螺仪、用于测量子机前后倾角和左右倾角的第二三轴加速度计、 第二控制芯片、第二显示屏、第二电源模块和薄膜键盘及按钮，所述微机陀螺仪和第二三轴 加速度计分别与第二控制芯片连接，所述第二显示屏与第二控制芯片连接，所述薄膜键盘 及按钮与第二控制芯片连接，所述第二电源模块经DC/DC变换后给用电单元供电。
3. 根据权利要求1所述的矿用陀螺姿态测量仪，其特征在于：所述主机还包括第一长 方形外壳，所述动调陀螺仪、第一三轴加速度计、第一控制芯片和第一电源模块设置于第一 长方形外壳内。
4. 根据权利要求2所述的矿用陀螺姿态测量仪，其特征在于：所述子机还包括第二长 方形外壳，所述微机械陀螺仪、第二三轴加速度计、第二控制芯片和第二电源模块设置于第 二长方形包壳内。
5. 根据权利要求1所述的矿用陀螺姿态测量仪，其特征在于：所述主机表面设置向上 的凸出部，所述凸出部具有第一基准面；所述子机的边缘设置在向下延伸的凸沿，所述凸沿 具有第二基准面，在子机放在主机上使用时，所述第一基准面与第二基准面紧密贴合。
【文档编号】G01C21/10GK104457747SQ201410766919
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月12日 优先权日:2014年12月12日
【发明者】肖玉清, 黄麟森, 段勋兴, 王清峰, 陈松林, 王国震, 王宇, 胡小林, 吴锋, 宋辉, 陶勇, 李新, 张先韬, 秦怡, 傅双玲 申请人:中煤科工集团重庆研究院有限公司