本發(fā)明屬于礦井安全生產(chǎn)監(jiān)測領(lǐng)域，尤其是一種基于慣性測量與軌道信標組合的礦井下車輛軌道變形監(jiān)測方法。

背景技術(shù)：

由于采動的影響，礦井下地面車輛軌道更容易發(fā)生變形，為礦井下運煤車輛等井下運輸工具的安全行駛帶來了阻礙和隱患，因此需要定期對井下車輛軌道進行變形監(jiān)測，尤其是采煤頻繁時期。

傳統(tǒng)的礦井下車輛軌道監(jiān)測方法采用全站儀等常規(guī)測量手段，這些方法存在較大的問題：首先，礦井下車輛軌道隨著巷道鋪設，所以拐彎較多，因此利用全站儀測量時需要布設密集的測量點然后由內(nèi)插得到軌道位置序列，需要耗費大量的人力和物力，而且嚴重影響了礦井運輸；其次，由于礦井下車輛軌道變形的不規(guī)則性太大，可能變形點恰好位于布設的監(jiān)測點之間，因此通過全站儀可能不能發(fā)現(xiàn)變形點。

運用慣性測量單元的慣性測量技術(shù)是從20世紀初發(fā)展起來的一種新的導航技術(shù)?；驹硎歉鶕?jù)牛頓提出的相對慣性空間的力學定律，利用慣性測量儀中的加速度計測量載體的運動加速度，利用陀螺儀測量載體的旋轉(zhuǎn)角速度，然后通過計算機對這些慣性測量值進行處理，得到載體的位置、速度和姿態(tài)。與其他類型的導航系統(tǒng)不同，慣性導航系統(tǒng)具有自主導航能力，不需要從運載體傳送信號或者從外部接收信號，不受環(huán)境、載體機動及無線電干擾的影響，能連續(xù)地提供載體位置、速度和姿態(tài)等定位導航參數(shù)，其數(shù)據(jù)更新率快、量程較大，且具有短時間內(nèi)較高的相對精度。近幾年，隨著慣性器件的低成本、低功耗的發(fā)展，慣性測量技術(shù)應用愈加廣泛。

慣性測量雖然可以實現(xiàn)自主定位，但是由于其定位方式是通過積分解算，所以長時間定位會導致誤差的累積。在室外區(qū)域，可以通過全球定位系統(tǒng)和慣性測量組合有效解決慣性測量誤差累積的問題，但是在遮擋區(qū)域，無法接收到全球定位系統(tǒng)信號，因此慣性測量難以保證長時間導航定位的精度和可靠性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的提供一種基于慣性測量與軌道信標組合的礦井下車輛軌道變形監(jiān)測方法，能夠簡單、快速、有效地檢測出礦井下車輛軌道變形。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于慣性測量與軌道信標組合技術(shù)的礦井下車輛軌道變形監(jiān)測方法，其特征在于，在井下車輛軌道鋪設完成后，采用慣性測量系統(tǒng)對車輛軌道進行測量，并借助軌道信標點計算車輛軌道的三維空間坐標測量結(jié)果，作為初始參考值；并定期利用該方法測量車輛軌道的三維坐標，并與初始參考值比較，兩者的差值即車輛軌道的變形值；變形監(jiān)測過程中，慣性測量單元固定在軌道小車上，軌道小車貼于軌道行駛。

進一步的，具體步驟為：

a.在車輛軌道兩端以及車輛軌道上每隔50米處設置軌道信標點，并設置軌道起始點；

b.利用全站儀通過井下已知坐標的上頂點準確測量軌道信標點的三維坐標；

c.慣性測量單元固定在軌道小車上，并將軌道小車放置在軌道起始點處；

d.利用全站儀測量慣性測量單元的初始位置，并通過慣性測量單元的不同點位置計算慣性測量單元的初始姿態(tài)；

e.開啟軌道小車，通過慣性測量單元采集軌道小車的加速度和角速度；

f.軌道小車行駛過程中，到達各個軌道信標點處，分別記錄到達該軌道信標點的時間和當前軌道信標點的位置；

g.利用慣性測量單元的初始位置和初始姿態(tài)及軌道小車行駛過程中采集的加速度和角速度，通過力學編排方法計算軌道小車行駛過程中慣性測量單元的運動軌跡；

h.利用軌道小車行駛過程中記錄的到達各個軌道信標點的時間和對應的軌道信標點的位置，對通過步驟g所得的慣性測量單元的運動軌跡進行約束和改正，得到經(jīng)過改正的軌道小車運動軌跡；

i.軌道小車貼于軌道行駛，所以軌道小車運動軌跡即為是軌道的坐標序列圖。

更進一步的，步驟g中，所述力學編排方法為捷聯(lián)解算算法；通過捷聯(lián)解算算法，根據(jù)慣性測量單元的初始位置和初始姿態(tài)信息，解算得到軌道小車當前時間的位置、速度和姿態(tài)。

更進一步的，步驟h中，對通過步驟g所得的慣性測量單元的運動軌跡進行約束和改正的方法為：當軌道小車經(jīng)過軌道信標點時，將礦井下已知點坐標和全站儀觀測解算軌道信標點坐標，與通過步驟g所得的慣性測量單元的運動軌跡進行Kalman濾波融合解算，實現(xiàn)誤差糾正，得到軌道小車運動軌跡。

本發(fā)明的有益效果：1、本監(jiān)測方法易操作，效率高，不會影響礦井下軌道的正常運輸工作；2、慣性測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集頻率高，監(jiān)測的礦井下測量軌道變形點空間分辨率高，相比于利用全站儀觀測的信標點的間隔較大，降低了工作量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法流程圖；

圖2是本發(fā)明的組合技術(shù)數(shù)據(jù)處理流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例和附圖對本發(fā)明進行詳細說明。

如圖1所示，本發(fā)明在井下車輛軌道鋪設完成后，采用慣性測量系統(tǒng)對車輛軌道進行測量，并借助軌道信標點計算車輛軌道的三維空間坐標測量結(jié)果，作為初始參考值；并定期利用該方法測量車輛軌道的三維坐標，并與初始參考值比較，兩者的差值即車輛軌道的變形值。

礦井車輛軌道監(jiān)測方法如下：

a.在軌道兩端以及每隔50米處的軌道上設置軌道信標點，對于拐彎處可以適當降低信標點的間距，對于直線巷道可以適當提高信標點的間距；

b.利用全站儀通過井下已知坐標的上頂點準確測量軌道信標點的三維坐標，連續(xù)觀測三次，每次測量兩個測回，并取平均值作為信標點的坐標；

c.慣性測量單元固定在軌道小車上，并將軌道小車放置在軌道起始點處，確保小車在起始點處保持靜止十分鐘，進行初始對準；

d.利用全站儀測量慣性測量單元的初始位置，并通過測量慣性單元上不同點位置計算慣性測量單元的初始姿態(tài)，利用初始對準獲取的姿態(tài)對全站儀測量的姿態(tài)進行驗證；

e.開啟軌道小車，慣性測量單元采集運動的加速度和角速度，小車行駛過程中，通過降低行駛速度的方法確保小車貼于軌道行駛，不發(fā)生跳躍現(xiàn)象；

f.軌道小車行駛過程中，到達各個軌道信標點處，分別記錄到達該軌道信標點的時間和當前軌道信標點的位置；

g.利用慣性測量單元的初始位置和初始姿態(tài)及小車行駛過程中采集的加速度和角速度，通過力學編排計算軌道小車行駛過程中慣性測量單元的運動軌跡；

h.利用軌道小車行駛過程中記錄的到達各個軌道信標點的時間和對應的軌道信標點的位置，對通過步驟g所得的慣性測量單元的運動軌跡進行約束和改正，得到經(jīng)過改正的軌道小車運動軌跡；

i.軌道小車貼于軌道行駛，所以軌道小車運動軌跡可以認為是軌道的坐標序列圖。

慣性測量與軌道信標組合技術(shù)數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示，慣性測量單元的加速度計和陀螺儀分別觀測得到加速度和角速度信息，通過捷聯(lián)解算算法，在初始位置和姿態(tài)信息的基礎(chǔ)上，解算得到當前時間的位置、速度和姿態(tài)，當軌道車輛經(jīng)過信標點時，通過礦井下已知點坐標和全站儀觀測解算信標點坐標，和慣性導航系統(tǒng)解算的位置、速度和姿態(tài)進行Kalman濾波融合解算，實現(xiàn)誤差糾正，得到軌道位置序列。

變形監(jiān)測過程中，慣性測量單元固定在軌道小車上，軌道小車貼于軌道行駛，所以慣性測量單元解算結(jié)果能夠有效反映出軌道的三維位置序列。