第 32 卷 第 1 期 2012 年 3 月 安徽理工大学学报( 自然科学版) ( Journal of Anhui University of Science and Technology Natural Science ) Vol． 32 No． 1 Mar． 2012 基于光纤陀螺的捷联惯导系统的测试设计 连 杰，冯 宏，王继矿 ( 中煤科工集团西安研究院，陕西 西安 710077 ) 摘 要:我国煤矿井下瓦斯治理钻孔工程量巨大，目前主要采用人工丈量的方法测量标定开孔 方位与角度参数，稳钻时间长、效率低、精度差。针对这一问题，提出基于光纤陀螺的捷联惯导 系统开孔参数新方法，该系统采用陀螺与加速度计的捷联惯导系统对钻孔的方位角、倾角进行 测量，可以显著提高钻孔方位与角度参数的标定效率与精度，降低管理成本。 关键词:瓦斯治理; 钻孔定位; 捷联惯导 中图分类号:TD712 文章编号:1672 － 1098 文献标识码:A 01 － 0050 － 03 2012 ( ) The Test and Designe of SINS Based on Fiber － optic Gyroscope ， ， LIAN Jie FENG Hong WANG Ji － kuang ( Xi’an Research Institute of China Coal Technology ＆ Engineering Group Corp : ， drilling engineering is a huge project in coal mines． Currently parameters of borehole open- Xi’an Shaanxi 710054 In China China Abstract ， ， ) ing position and azimuth angle as a main method measured and demarcated artificially ， low efficiency and poor accuracy． In order to solve this problem stabilizing time ， which results in long drill a new method of borehole o- pening parameters determination by SINS based on FOG was proposed． The system uses inertial navigation sys- ， tem with gyro and accelerometer to measure borehole opening azimuth angle and inclination improves efficiency and accuracy of borehole opening position and angle parameters calibration ， which significantly ， and reduces ad- ministration costs． Key words gas control ; borehole positioning ; SINS : 我国煤矿生产中钻孔的施工工程量巨大［ ］， 1 仅 2010 年全国煤矿井下施工瓦斯治理钻孔就达 ，相当于围绕地球赤道 1. 83 圈。成吨重 73500 km 的钻机设备在井下有限的空间按照给定的方位、角 度快速瞄准给定的设计点施工，本身就存在较大的 难度，加上罗盘受钻机等磁性物质的影响无法进行 钻孔方位标定，使钻孔施工方位准确标定难度进一 步增加。目前井下现场钻孔方位标定与验收，大多 采用几何方法，单孔方位标定时间少则几十分钟， 多则数小时，消耗了大量的人力资源，造成管理成 本的增加，同时也增加了井下的安全风险。为改变 现状，本文提出基于光纤陀螺的捷联惯导系统测量 井下开孔参数新方法，既可提高煤矿井下钻孔的施 工精度，也能提高管理水平，降低管理成本。该系 统研发具有重要的现实意义与良好的市场前景。 1 系统原理 1. 1 光纤陀螺基本原理 光纤陀螺的工作原理是 Sagnac 效应，它是相 对惯性空间转动的闭环光路中所传播光的一种普 遍的相关效应，理想条件下，环形光路系统中的 Sa- gnac 效应如图 1 所示。一束光经分束器 M 进入同 一光学回路中，分成完全相同的两束光 CC ， 和 CW 分别沿顺时针方向和逆时针方向相向传播，当回路 绕垂直于自身的轴以 Ω 的角速度转动时，两束光 ，该相位差的大小与光回路的旋 将产生相位差 Δl 转速率成正比［ ］ 2 。 收稿日期:2012 － 01 － 03 作者简介:连杰，( 1987 － ) ，男，安徽淮北人，在读硕士，研究方向为地球物理探测仪器技术。 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第 1 期 连杰，等: 基于光纤陀螺的捷联惯导系统的测试设计 为导航坐标系下的信息，然后进行导航计算［ ］ 4 15 。 捷联式惯导系统敏感元件便于安装、维修和更 换，适合井下复杂、恶劣环境的使用，且捷联系统敏 感元件易于重复布置，去掉了常平架平台，既在惯 性敏感元件级别上实现冗余技术，可提高性能和可 靠性，又消除了稳定平台稳定过程的各种误差，同 时还可减小系统的体积。故在设计中采用捷联式 惯导系统，把加速度计和陀螺仪直接固连在钻机载 体上，实时计算姿态矩阵，通过姿态矩阵把陀螺测 得的角速度信息和加速度计测得的加速度信息变 换至导航坐标系进行导航计算，从而测得钻机姿态 信息［ 5 － 9 ］ 。 2 钻机开孔参数测量系统设计 2. 1 钻机开孔参数测量系统的结构 测量井下钻机开孔参数在陀螺选型上选用光 纤陀螺，与传统机电陀螺相比，光纤陀螺无运动部 件和磨损部件，为全固态仪表，成本低，寿命长，重 量轻，体积小，动态范围大，精度应用覆盖面广， 抗电磁干扰，无加速度引起的漂移，结构设计灵活， 生产工艺简单，应用范围广。与激光陀螺相比，光 纤陀螺无需几千伏的点火电压，无克服“自锁”用 的机械抖动装置，无超高精度的光学加工，不必 非常严格的气体密封，装配工艺简便，功耗低，可 靠性高。 加速度计是捷联惯导系统中另一个关键性元 件，在设计中采用微机械加速度计，其体积小、功耗 低、成本低，易集成，精度也符合设计需要。系统结 构如图 3 所示。 图 1 环形光路中的 Sagnac 图 如图 1 ( a ) 所示，在无旋转条件下，两束光传输 时间相等，为 tc = tw = 2πR = L c c ) 所示，旋转条件下 如图 1 ( b 2πR tc = c － ΩR 传输时间差: 传输光程差: ΔL = Δt·c = ， tw = 2πR c + ΩR Δt = tc － tw = 4πΩR c2 4πR2 Ω c 传输相位差: ΔΦs = 4πRL λ0 c Ω 因为旋转角速率产生的光程差太小，很难被检 测，所以可以通过检测光强来检测相位差，进而检 测转动角速率。 1. 2 捷联式惯导系统基本原理 惯导系统是一种应用高精度的陀螺仪和加速 度计等惯性敏感器件测量运动载体在惯性参考系 的加速度，将其对时间进行积分，并变换到导航坐 标系中，通过计算得出运动载体的速度、位置、姿态 等导航参数的自主式导航系统［ ］ 3 捷联式惯性导航系统结构如图 2 所示，加速度 计和陀螺仪直接安装在载体上，在计算机中实时计 算姿态矩阵，即计算出载体坐标系与导航坐标系之 间的关系，从而把载体坐标系的加速度计信息转换 。 图 2 捷联惯导系统结构原理图 图 3 钻机开孔参数测量系统 从图 3 可见，在捷联式惯导系统中嵌入式导航 计算机，主要负责计算姿态矩阵，在线补偿陀螺仪 和加速度计的误差并实现数据管理、传输等功能。 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

25 安徽理工大学学报( 自然科学版) 第 32 卷 系统采用主从式双处理器方式，同时使用 DSP 芯 片和单片机进行处理。单片机具有较强的控制能 力，完成数据交换、外设控制等操作; DSP 拥有强 大的高速运算能力，进行姿态解算、误差补偿等 运算工作，而且 DSP 芯片集成了内部存储器以及 丰富的端口资源，减少了系统的外设，便于系统小 型化［ ］ 10 。 2. 2 钻机开孔参数测量系统的测试方法 该系统的操作流程如图 4 所示，将仪器带入到 井下前，工作人员通过连接计算机的 USB 接口导 入设计好的钻孔施工参数，固定到井下钻机上，系 统便可以对比测得的钻机给轴线的姿态信息与施 工设计参数，并使用语音提示，指导施工人员如何 调整钻机姿态，实现精确、快速稳固钻机。同时仪 器把开孔时测得的姿态信息通过已有的通信网络 传送到地面监控管理系统，显示并记录每一个钻孔 开孔的实际参数，方便管理、设计人员进行后续的 调整。 图 4 系统操作流程 3 结束语 钻机开孔参数测量系统可应用在煤矿井下，既 可以智能语音提示，指导施工人员按照设计的技术 参数调整钻机姿态，稳固钻机，可显著的降低井下 钻孔的标定时间与劳动强度，又可以辅助监督钻孔 施工进行钻孔施工信息的管理。对系统进一步开 发，可以实现实时测量钻机更多的技术参数，比如 钻机转速、扭矩、给进力、进尺速度等信息的采集、 统计与分析，实现自动识别孔内岩性，自动绘制钻 孔地质柱状、地质剖面图等，具有广阔的应用前景。 参考文献: ］ 李钢，范喜生，马丕梁，等． 本煤层瓦斯预抽钻孔合理 ［ 1 ) : ］ 布置间距的确定［ ． 煤炭科学技术， J ， 39 2011 3 ( 56 － 58． ］ 张桂才． 光纤陀螺原理与技术［ ［ M 2 ］ ． 北京: 国防工业 出版社， : 28 － 35． ［ ］ 秦永元． 惯性导航［ M 3 2010 ］ ． 北京: 科学出版社， 2006 : 203 － 216． ［ ］ 4 ， JOHN L WESTON． 捷联惯性 ］ ． 张天光，王秀萍，王丽霞，等译． 第 2 DAVID H TITTERTON 导航技术［ M 版． 北京: 国防工业出版社， 2010 12 － 39． : ］ 朱金冬，任建新，唐品利，等． 一种新型陀螺测斜仪的 ［ 5 ， 30 硬件设计及其误差补偿技术［ ］ ． 测井技术， J ( 2006 ) : 6 580 － 582． ］ 李艳． 用于油井测斜仪的光纤陀螺研究［ ］ ［ J 6 ． 测井技 术， 2007 ( ， 31 1 ) : 14 － 16． ］ ］ 徐海刚，郭宗本． 旋转式光纤陀螺寻北仪研究［ ［ J ． 7 压电与声光， ( ， 32 1 ) : 2010 38 － 41． ［ ］ 高爽，张春熹，颜廷洋． 光纤陀螺油井测斜仪研究与 8 ］ 设计［ ． 测井技术， J 2006 ( ， 30 6 ) : 571 － 573． ［ ］ 刘飞，周卫宁，林恒． 捷联惯导系统加速度计采集电 9 ］ 路设计［ ． 电光与控制， J 2011 ( ， 18 7 ) : 86 － 89． ［ ］ 王宇飞，陈俊，孙芳． 陀螺测斜仪中的陀螺设计选型 10 ］ ［ ． 测井技术， J 2004 ( ， 28 3 ) : 234 － 236． ( 责任编辑: 姚多喜，李 丽) 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net