基於慣性傳感器的長大錨索鑽孔孔道測量系統的製作方法

2023-10-23 21:08:32 1

基於慣性傳感器的長大錨索鑽孔孔道測量系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種基於慣性傳感器的長大錨索鑽孔孔道測量系統，包括數據採集系統，以及固定數據採集系統的設備專用杆和固定杆、便攜工作站、手持終端，數據採集系統其中的中央晶片A面集成有MEMS運動追蹤模塊、九軸傳感器模塊、數據存儲模塊、藍牙傳輸模塊，其中央晶片B面為主控制器單元，數據採集系統主要用於採集數據，並向手持終端或便攜工作站進行數據傳輸。本發明的優點在於：針對錨索鑽孔特殊的鑽孔環境，本系統具有抗幹擾能力強的特點，經過數據優化處理後能得到高精度的三維空間孔道圖。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明涉及滑坡、高大邊坡巖土工程錨固【技術領域】，具體為一種基於慣性傳感器 的長大錨索鑽孔孔道測量系統。 基於慣性傳感器的長大錨索鑽孔孔道測量系統

【背景技術】
[0002] 錨固技術作為一種有效措施在滑坡治理、高邊坡加固工程中得到了成功的應用， 但由於地質條件和施工技術因素的影響，在錨索工程鑽進施工中，往往產生錨索鑽孔孔道 與設計方向偏離（即所謂的"錨索鑽孔彎曲")。尤其在長大錨索工程施工中，這種鑽孔孔道 的偏離更為嚴重，由此會導致例如塌孔、下錨困難、兩孔交匯、鑽孔報廢、有效錨固力下降等 諸多技術問題，因此對鑽孔孔道的測量和偏離控制也越來越受到設計和施工部門的重視。
[0003] 特別是長大錨索永久性工程，對錨索孔的鑽造質量提出了十分嚴格的技術要求。 但是迄今為止，對於施工部門來說，在長大錨索施工中對錨孔孔道的測量技術還不成熟，尚 無法準確掌握錨孔孔道的偏離特徵，故很難有針對性地採取糾偏工藝。因此，有必要開發一 種能快速、準確得到錨孔孔道偏移特徵的測量系統，以便於進一步控制錨索鑽孔的質量，提 高錨索技術的應用水平。
[0004] 專利申請號為201110048965. 4公開了一種利用陀螺測斜儀點測井眼 的方法，將裝有兩個雙自由度撓性陀螺儀和雙石英加速度計的陀螺測斜儀固 定在載體上，並隨載體伸入井眼內；將陀螺儀和石英加速度計採集的數據帶入 / = arclan ^ , ? = arcsin(^)? β = airsinl+++++)，求出方位角 γ、傾斜角 α、和橫 η，.', g gem a 滾角β。通過陀螺儀採集井下數據，並經濾波、姿態解算以及轉位測量井眼中某一點的方位 角、傾斜角和橫滾角，可靠性好，精度高，測量速度快；本方法通過嵌入式計算機來實現，達 到在井下數據採集和解算的目的，利用測量數據繪製出井眼軌跡圖，便於獲得所鑽井眼的 軌跡；上述方法中採用的陀螺儀是一種靈敏度高，穩定性好，不受磁場幹擾，使用方便，且依 靠測量地球的自轉角速度來完成測量斜點測。但上述方法只能測量2個方位，且主要方法 側重在電信號與數位訊號的轉換算法，沒有形成有效的可操作的成品。
[0005] 中國專利201310146626. 9公開了一種地球物理勘探，特別是一種煤礦井下軌跡 記錄儀；所述煤礦井下軌跡記錄儀，包括：DSP + FPGA處理器、IXD、電源、USB接口、信號調 理電路和傳感器；上述發明對微小的軌跡變化都能進行記錄，提高了合成三維空間軌跡精 確度，避免了由於深度測量裝置帶來的誤差；應用於煤礦井下鑽孔軌跡測量和定向鑽進的 造斜精確度檢測，還應用於測量巷道、迎頭掘進、工作面等從而擴展了應用的範圍，使得軌 跡數據輸出到PC計算機，為其它礦井物探解析軟體提供地理信息。但該發明對重力、鑽進 振動等因素對傳感器採集數據的影響考慮不夠，沒有給出相應解決方案。
[0006] 上述兩項技術有各自的使用條件，在長大錨索孔道測量時應用還存在技術上的不 足。
[0007] 實際運用中，鑽孔孔道測量數據誤差主要來源於慣性傳感器的精度誤差與在測量 過程中機械振動帶來的誤差，加速度計極易受到機械振動的影響，陀螺儀由於零點漂移誤 差的存在，各傳感器的安裝定位誤差等。由於這些誤差的綜合作用，致使在測量儀輸出中引 入了靜態偏差和動態偏差項。


【發明內容】

[0008] 本發明的目的是針對現有技術的不足，提供了一種基於慣性傳感器的長大錨索鑽 孔孔道測量系統，包括數據採集系統，以及固定數據採集系統的設備專用杆和固定杆、便攜 工作站、手持終端，數據採集系統其中的中央晶片A面集成有MEMS運動追蹤模塊、九軸傳感 器模塊、數據存儲模塊、藍牙傳輸模塊，其中央晶片B面為主控制器單元，數據採集系統主 要用於採集數據，並向手持終端或便攜工作站進行數據傳輸。
[0009] 所述的MEMS運動追蹤模塊、九軸傳感器模塊的作用是獲取錨索在鑽孔過程中連 續特徵點上的運動慣性數據，通過對每個特徵點的數據進行解算獲得連續特徵點的三維坐 標，從而由各個特徵點的空間三維坐標構建出整個鑽孔孔道位置； 所述的便攜工作站為置入軟體系統的計算機，通過藍牙接收數據採集系統採集的數 據，進行數據處理，並進行可視化顯示，或生成標準格式的數據與圖形導出到其他設備； 進一步的，所述的軟體系統為數據接收系統、數據處理算法系統、誤差補償處理系統以 及三維空間軌跡顯示系統； 數據接收系統為接收中央單元採集的數據，並臨時存儲，以便於進行下一步的處理； 數據處理算法系統是將採集的原始數據按卡爾曼濾波算法進行處理，得到可掌握的格 式的各特徵點三維空間坐標，利於圖形顯示； 誤差補償處理系統是通過馬爾科夫運動模型的速度修正算法對原始三維坐標數據進 行處理，消除重力、振動等對數據結果的影響； 三維空間軌跡顯示系統是基於OpenGL的數據處理與軌跡生成軟體，完成從運動慣性 數據到特徵點的空間三維坐標的解算功能，進一步從特徵點坐標到三維軌跡的繪製和顯 /_J、1 〇
[0010] 所述九軸傳感器模塊分別為三軸陀螺儀、三軸加速度計以及磁力傳感器模塊，三 軸陀螺儀完成錨索當前姿態角的測量，三軸加速度計完成錨索鑽孔過程中在X，Y，Z方向上 產生的加速度，磁力傳感器完成對傾斜誤差的補償，校正運動慣性數據。
[0011] 數據存儲模塊為SD卡，傳感器模塊經過運動感測融合算法處理後輸出原始的感 測數據，並作為輸入進入主控單元再次經過數據優化算法後以數據包的形式高速的存儲到 SD卡讀寫模塊上，以備之後讀取數據進行三維孔道重構； 藍牙傳輸模塊主要承擔通信、數據傳輸功能，將SD卡中存儲的數據傳輸入便攜工作站 或手持終端進行處理。
[0012] 所述手持終端為控制數據採集系統進行工作或停止工作的設備，採用藍牙技術對 數據採集系統進行控制；並且帶有顯示屏；實時顯示設備所處狀態及通過藍牙技術對電源 電量監控得到的電源的電量，預設電量不足報警閾值；並能通過android平臺對感測數據 處理、完成鑽孔孔道的繪製與顯示。
[0013] 可充電電源為整個鑽孔軌跡測量系統提供需要的供電電源。
[0014] 本發明的優點在於：針對錨索鑽孔特殊的鑽孔環境，本系統具有抗幹擾能力強的 特點，經過數據優化處理後能得到高精度的三維空間孔道圖。考慮到實際施工過程中工作 人員的使用感受，本發明針對現實可能情況設計出操作簡單的硬體裝置及簡單的安裝過 程；專門開發配套的客戶端軟體，在數據採集過程完成之後，工作人員經過簡單的操作之後 就能生成準確的鑽孔孔道三維空間圖。該產品成本低，輕便小巧，使用方便，測量誤差小於 3%,續測能力出色。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1為長大錨索鑽孔孔道測量系統具體結構框架圖。
[0016] 圖2為長大錨索鑽孔孔道測量系統硬體組構三維圖。
[0017] 圖3為長大錨索鑽孔孔道測量系統硬體組構剖面圖。
[0018] 圖4為數據採集系統硬體組構。
[0019] 圖5為中央晶片A面硬體組構。
[0020] 圖6為中央晶片B面硬體組構。
[0021] 圖7為馬爾科夫運動模型速度修正算法的流程框圖。
[0022] 圖8為長大錨索鑽孔孔道測量系統操作流程。
[0023] 圖中：1 -推進鑽頭；2 -數據米集系統；3 -設備專用杆；4 -固定杆；5 -手持終 端；6 -便攜工作站；7 -螺絲扣連接；8 -中央晶片；9 一封裝盒；10 -可充電電源；11 一 USB接口；12 -固定彈簧；13 -集成電路；14 一數據存儲模塊（SD卡);15 -藍牙傳輸模塊； 16 - MEMS運動追蹤模塊；17 -九軸傳感器模塊；18 -主控制器單元。 具體實施例
[0024] 下面結合附圖對本發明作進一步描述。
[0025] 一種錨索鑽孔孔道的測量系統，包括硬體系統與軟體系統。整個系統的具體結構 框架如圖1。硬體系統由設備專用杆3、數據採集系統2、推進鑽頭1、固定杆4、可充電電源 10、手持終端5、便攜工作站6組成。如圖2?6。
[0026] 設備專用杆3為長圓管型鋁製管件，圓管內部中間部位留有凸起的卡口，便於兩 端置入數據採集系統2,設備專用杆3兩端採用加橡膠圈的螺絲扣7的方式連接推進鑽頭1 與固定杆4。
[0027] 推進鑽頭1起密封、保護數據採集系統2以及便於設備專用杆3進入鑽孔目的。
[0028] 固定杆4起固定、密封數據採集系統2以及加橡膠圈的螺絲扣7連接外接鑽杆之 用。
[0029] 手持終端的功能主要分3個部分：（1)通過藍牙通信技術，控制中央單元的運行與 停止。（2)在中央控制單元充電之後，實時發送電量的信息，監控中央控制單元的電源電量， 電量不足報警閾值時，警告使用人員進行充電。（3)當中央控制單元數據採樣完成後，手持 設備對中央控制單元下發停止採集的命令，此時中央控制單元收到停止命令後，停止採集 數據，同時將保存在控制單元中SD卡中的數據傳送給手持設備端，手持設備對數據進行濾 波、誤差修正處理，通過顯示屏顯示出錨索鑽孔孔道三維圖形。功能（3)依賴於在Android 平臺下安裝軟體系統來實現。
[0030] 便攜工作站6為置入軟體系統的計算機，通過藍牙技術接收數據採集系統2採集 的數據，進行數據處理，並進行可視化顯示，亦可生成標準格式的數據與圖形，可導出到其 他設備。
[0031] 數據採集系統2是錨索鑽孔的三維軌跡的測量系統硬體部分的核心部分，為封裝 圓管型元件，主要功能採集數據，並向手持終端5或便攜工作站6進行數據傳輸。主要由集 成的中央晶片8、電源10、封裝盒9及外裝封閉鋁製圓管組成。鋁製圓管留有USB接口 11， 以便於為電源10充電。封裝盒9將中央晶片8與電源10封裝，並連出有引線，連接到鋁製 圓管的USB接口 11，以供電源10充電之用。封裝盒9與鋁製圓管間採用彈簧12連接，不僅 可起固定作用，還可以在振動時起緩衝作用。
[0032] 可充電電源10為整個鑽孔孔道測量系統提供需要的供電電源。
[0033] 中央晶片8為集成晶片，分A、B兩面。中央晶片A面集成有MEMS運動追蹤模塊 16、九軸傳感器模塊17、數據存儲模塊14、藍牙傳輸模塊15。
[0034] MEMS運動追蹤模塊16/九軸傳感器模塊17整合了陀螺儀、加速度計、磁力傳感器， 提供九軸運動感測追蹤功能。其中，三軸陀螺儀完成錨索當前姿態角的測量，三軸加速度計 完成錨索鑽孔過程中在X，Y，Z方向上產生的加速度，磁力傳感器完成對傾斜誤差的補償， 校正運動慣性數據。此模塊的主要作用是獲取錨索在鑽孔過程中連續特徵點上的運動慣性 數據，通過對每個特徵點的數據進行解算獲得連續特徵點的三維坐標，從而由各個特徵點 的空間三維坐標構建出整個鑽孔孔道位置。
[0035] 數據存儲模塊為SD卡，傳感器模塊經過運動感測融合算法處理後輸出原始的感 測數據，並作為輸入進入主控單元再次經過數據優化算法後以數據包的形式高速的存儲到 SD卡存儲模塊上，以備之後讀取數據進行三維孔道重構。本系統中，傳感器模塊經過運動感 測融合算法處理後輸出原始的感測數據，並作為輸入進入主控單元再次經過數據優化算法 後以數據包的形式高速的存儲到SD卡讀寫模塊上，以備之後讀取數據進行三維孔道重構。
[0036] 藍牙傳輸模塊主要承擔通信、數據傳輸功能，將SD卡中存儲的數據傳輸入便攜工 作站或手持終端進行處理。
[0037] 中央晶片B面集成主控制器單元，作為整個中央晶片部分的控制單元，所有的控 制算法以及信息存儲控制都由它來完成。
[0038] 軟體系統由數據接收系統、數據處理算法系統、誤差補償處理系統、三維空間孔道 顯示系統、手持終端應用組成。
[0039] 數據接收系統為接收中央單元採集的數據，並臨時存儲，以便於進行下一步的處 理。
[0040] 數據處理算法系統是將採集的原始數據按卡爾曼濾波算法進行處理，得到可掌握 的格式的各特徵點三維空間坐標，利於圖形顯示。
[0041] 誤差補償處理系統是通過馬爾科夫運動模型的速度修正算法對原始三維坐標數 據進行處理，消除重力、振動等對數據結果的影響。
[0042] 三維空間孔道顯示系統是基於OpenGL的數據處理與孔道生成軟體，完成從運動 慣性數據到特徵點的空間三維坐標的解算功能，進一步從特徵點坐標到三維孔道的繪製和 顯示。將處理後的鑽孔孔道數據以三維圖形形式展示，繪製三維孔道圖形時，首先調用相應 函數繪製外部框架以及坐標軸，外部框架和坐標軸刻度繪製好後，開始繪製鑽孔孔道圖。通 過聲明一個相應類型的二次曲面對象，調用相應函數得到聲明的二次方程對象，利用相應 函數加載鑽孔空間坐標數據繪製鑽孔孔道。為了顯示的更直觀，通過相應函數將孔道的起 點(鑽孔起點)移動至立方體框架的中心。同時作出原設計鑽孔位置，以便於對比，並在實測 量孔道發生偏轉點處標示出偏轉角度。
[0043] 鑽孔數據採集系統，由內部的MEMS運動追蹤模塊16與九軸傳感器模塊17組成的 慣性傳感器實時監測錨索鑽孔過程中產生的運動慣性數據和磁通量信號，經過主控單元優 化處理後將原始數據放在數據存儲模塊，測量結束後通過藍牙傳輸模塊15輸出到便攜工 作站6或手持終端5。
[0044] -套本系統中採用兩個鑽孔數據採集系統，目的是為了相互校正，提高測量精度。
[0045] 主控制器單元18,主要採用基於ATmega328核心處理器的Arduino Uno開源開發 板，該開發板搭載8位微控制器，具有32KB存儲器容量、USB接口、ICSP header、I2C總線、 工作時鐘16MHz。由於錨索鑽孔孔道測量實時性要求不高，因此這樣一款主控開發板完全滿 足數據採集和處理的要求。通過程序實現從運動追蹤模塊高速的獲取傳感器的感測數據， 並且傳感器和主控制器之間採用有線連接的方式來滿足較高的數據傳輸速率要求，避免其 他因素帶來的噪聲幹擾。
[0046] 藍牙傳輸模塊15,藍牙技術作為一門低成本低功耗的無線連接技術，將鑽孔數據 採集系統與外界設備建立起專門的連接。利用藍牙模塊實現將數據存儲模塊的孔道信息數 據包通過無線發送的方式傳給外部設備，無須通過有線連接的方式來實現數據傳輸。除此 之外，主控制單元的啟動和關閉也是通過藍牙發送指令的方式來實現，從而達到了真正的 獨立運行，一旦鑽孔數據採集盒安裝完成無須頻繁的拆卸，便可以實現從採集到孔道生成 的全部控制過程。
[0047] 可充電電源模塊10,整個鑽孔孔道測量系統需要一個供電電源，主要給主控單元 Arduino Uno供電，再由Arduino Uno給其他模塊供電。考慮到系統的便利性，電源採用可 充電式移動電源作為供電模塊。不僅可以為系統提供穩定的5V工作電壓，還具有拆卸方 便、充電簡單等特點。
[0048] 基於OpenGL的數據處理與孔道生成軟體：主要用於提取到數據存儲模塊中的感 測數據包後，通過數據處理解算出空間三維坐標，實現鑽孔孔道三維重構。該軟體主要分為 兩部分，基於馬爾科夫運動模型速度修正算法的數據處理模塊和基於OpenGL的鑽孔孔道 三維重構模塊。其中基於馬爾科夫運動模型速度修正算法的數據處理模塊主要針對錨索鑽 孔過程中巨大的機械振動、短時間內位移的平穩增長過程、安裝鑽杆帶來的短暫停滯等特 點分別採用了卡爾曼濾波算法，馬爾科夫過程和無線定位方法來對數據進行二次處理，處 理後的感測數據更加精準。這些多次處理後精準的感測數據通過馬爾科夫運動模型速度修 正算法便可以解算出特徵點的空間三維坐標。
[0049] 而基於OpenGL的鑽孔孔道三維重構模塊主要在得到特徵點的空間三維坐標後進 行鑽孔孔道三維重構，並且在這個重構的三維模型中反映處理後的一些特徵數據,例如在 鑽孔孔道什麼位置發生了多少度的偏轉等信息，為後期研究提供技術支持。
[0050] 在本發明中對不同的偏差，採用不同的技術進行補償，如各傳感器的安裝定位誤 差，屬於靜態偏差項，可通過精確測量其誤差值進行在線補償。對於陀螺儀的零點漂移和加 速度計由于振動影響造成的誤差，屬於動態誤差。通過補償濾波融合，以此來校正鑽孔運動 的姿態，估計出角度誤差和角速率偏差。以修正陀螺輸出產生的角度漂移，從而得到最優的 運動方向。通過對加速度的數據進行濾波處理，確定鑽孔當時狀態，消除計算速度時的漂 移。二者結合得到最優的孔道位置。
[0051] 由於外接鑽杆的長度是有限的，一般長度在1. 5m?2m，因此，需要在鑽杆推進 過程中停止下來再外接另一段鑽杆，這時本發明的系統處於靜止狀態；只有在續接上一段 鑽杆後，重新推進鑽杆才能處於運動狀態；根據接上鑽杆的時間差，本發明的系統的運動狀 態可以看著是一個馬爾科夫模型，一共分為2個狀態：靜止狀態和運動狀態。在運動狀態， 三軸加速度傳感器受到地球重力場、鑽杆的推力、機械振動的作用，而在靜止狀態，只受到 地球重力場的作用。
[0052] 因此，設計基於慣性傳感設備的馬爾科夫運動模型的速度修正算法如下： (1)根據加速度傳感器採集到的三軸加速度的值為A設定兩個閥值 K'、K: ( 若'κ,+ <+a : ψι： +·-- + a： <欠:,，則認為錨索鑽孔處於運動狀態；否則， 認為系統處於靜止狀態。
[0053] (2)對運動狀態的數據進行去毛刺的濾波處理，靜止狀態和運動狀態都是 連續的，對靜止和運動狀態中的突變，一般是由於機械振動的誤差造成的。確定運 動狀態的時亥IJ ^+: 。其中7：,,表示錨索鑽孔第k個時間靜止狀態的時間段，其中 ( 2 S B ,表示錨索鑽孔第k-Ι個時間運動狀態的時間段。
[0054] (3)採用四元數卡爾曼濾波的方式，對採集到加速度、陀螺儀、磁通量傳感器中的 原始數據進行濾波融合，校正由於機械振動、零點漂移的誤差，得出傳感器坐標系相對參考 坐標系的姿態角變化的四元數。
[0055] (4)重力場是固定不變的，在參考坐標系下的值為g=[0 0 1]，通過（3)得出的傳 感器坐標系相對參考坐標系變化的姿態角的變化，計算出重力場在傳感器坐標系下的影響 在傳感器坐標系下測得的重力的值為￡々=卜 見+++++即 為錨索鑽孔的傳感器坐標系運動加速度的值。
[0056] (5)將錨索鑽孔的傳感器坐標系運動加速度的值轉化為在參考坐標系下的運動加
[0057] (6)若採樣時刻[++ ，則可以判斷出錨索鑽孔處於靜止狀 態，在靜止狀態下，可以設定錨索鑽孔三軸的運動速度均為ra,^ (! ilj;否則進行第（9) 止 /J/ ο
[0058] (7)實際上由於加速度傳感器的漂移、振動引起的誤差，心，衝i 通過對 A進行積分處理，得到其速度漂移誤差= ?;,?Λ. , ，漂移誤差初始值重〇開始。 若7； ,進行第（8)步，對速度漂移誤差進行修正，否則進行第（11)步。
[0059] (8)可以計算出在--η 時間段內，錨索鑽孔運動速度的平均漂移誤差為 丨，作為下一時刻運動狀態的速度漂移。
[0060] (9)根據前一時刻的速度V,:和當前時刻的加速度加速度積分，得到當前時 刻的速度、+' ++:1 : -f "... Λ/ ,再進行第（11)步。
[0061] (10)根據第（8)步計算得出的速度漂移誤差，修正第（9)步m時刻得到的速度值 …x' v.w通過推動設備杆造成錨索鑽孔的運動，運動的速度值不可能太大，可以 根據錨索鑽孔運動速率的規律，設定其一個閾值卜vn.f j。若丨 取v:,,. = ?vw >〇,取、=v?,?。
[0062] 圖7為馬爾科夫運動模型速度修正算法的流程框圖。
[0063] 為進一步闡明本發明所採用的技術手段，下面結合附圖對具體實施說明如下。
[0064] (1)按照圖2的型式，將兩個數據採集系統2裝入設備專用杆3, 一端通過螺絲扣 7旋進推進鑽頭，另一端旋進固定杆4,將數據採集系統2固定，固定杆4再外接鑽杆，即可 推進鑽孔進行測試工作。
[0065] (2)將安裝好的設備放入鑽孔孔口後，通過手持終端5開啟數據採集系統2開始工 作，穩定的將設備杆推入鑽孔，直到孔底，然後再穩定的將此設備抽出鑽孔，當設備杆到達 鑽孔口時，再通過手持終端5關閉數據採集系統2,使其停止工作，這樣一個鑽孔就測試完 畢，同時每一個點由於運動方向不同測量有兩次數據，以備數據處理時相互校正，提高測量 精度。
[0066] (3)在設備杆運動過程中，數據採集系統2中九軸傳感器模塊17實時採集運動的 加速度、角度和磁通量變化等數據，並通過MEMS運動追蹤模塊16、主控制器單元18進行數 據優化。
[0067] (4)將步驟3中優化後的數據以規定的數據包格式存儲到數據存儲模塊14。
[0068] (5)通過藍牙傳輸模塊15或者讀取SD卡14,讀取完整的感測數據包。
[0069] (6)將步驟5中讀取的所有數據作為輸入基於OpenGL的數據處理和孔道生成軟體 系統的手持終端5或便攜工作站6。
[0070] 在軟體系統中，用長大錨索鑽孔孔道測量優化方法將數據處理解算出精準的特徵 點的空間三維坐標點，利用這些點繪製鑽孔孔道三維空間圖。
[0071] 圖8為長大錨索鑽孔孔道測量系統操作流程。
【權利要求】
1. 一種基於慣性傳感器的長大錨索鑽孔孔道測量系統，包括數據採集盒，以及固定數 據採集盒的設備專用杆和固定杆，以及手持終端、便攜工作站、可充電電源，其特徵在於：數 據採集系統其中的中央晶片A面集成有MEMS運動追蹤模塊、九軸傳感器模塊、數據存儲模 塊、藍牙傳輸模塊，其中央晶片B面為主控制器單元，數據採集系統主要用於採集數據，並 向手持終端或便攜工作站進行數據傳輸； 所述的MEMS運動追蹤模塊、九軸傳感器模塊的作用是獲取錨索在鑽孔過程中連續特 徵點上的運動慣性數據，通過對每個特徵點的數據進行解算獲得連續特徵點的三維坐標， 從而由各個特徵點的空間三維坐標構建出整個鑽孔孔道位置； 便攜工作站為置入軟體系統的計算機，通過藍牙技術接收數據採集系統採集的數據， 進行數據處理，並進行可視化顯示，亦可生成標準格式的數據與圖形導出到其他設備； 進一步的，所述的軟體系統為數據接收系統、數據處理算法系統、誤差補償處理系統以 及三維空間軌跡顯示系統； 數據接收系統為接收中央單元採集的數據，並臨時存儲，以便於進行下一步的處理； 數據處理算法系統是將採集的原始數據按卡爾曼濾波算法進行處理，得到可掌握的格 式的各特徵點三維空間坐標，利於圖形顯示； 誤差補償處理系統是通過馬爾科夫運動模型的速度修正算法對原始三維坐標數據進 行處理，消除重力、振動等對數據結果的影響； 三維空間軌跡顯示系統是基於OpenGL的數據處理與軌跡生成軟體，完成從運動慣性 數據到特徵點的空間三維坐標的解算功能，進一步從特徵點坐標到三維軌跡的繪製和顯 /_J、1 〇
2. 根據權利要求1所述的基於慣性傳感器的長大錨索鑽孔孔道測量系統，其特徵在 於：所述九軸傳感器模塊分別為三軸陀螺儀、三軸加速度計以及磁力傳感器，三軸陀螺儀完 成錨索當前姿態角的測量，三軸加速度計完成錨索鑽孔過程中在X，Y，Z方向上產生的加速 度，磁力傳感器完成對傾斜誤差的補償，校正運動慣性數據。
3. 根據權利要求1所述的基於慣性傳感器的長大錨索鑽孔孔道測量系統，其特徵在 於：數據存儲模塊為SD卡，傳感器模塊經過運動感測融合算法處理後輸出原始的感測數 據，並作為輸入進入主控單元再次經過數據優化算法後以數據包的形式高速的存儲到SD 卡數據存儲模塊上，以備之後讀取數據進行三維孔道重構。
4. 根據權利要求1所述的基於慣性傳感器的長大錨索鑽孔孔道測量系統，其特徵在 於：藍牙傳輸模塊主要承擔通信、數據傳輸功能，將SD卡中存儲的數據傳輸入便攜工作站 或手持終端進行處理。
5. 根據權利要求1所述的基於慣性傳感器的長大錨索鑽孔孔道測量系統，其特徵在 於：所述手持終端為控制數據採集系統進行工作或停止工作的設備，採用藍牙技術對數據 採集系統進行控制；並且帶有顯示屏；實時顯示設備所處狀態及通過藍牙技術對電源電量 監控得到的電源的電量，預設電量不足報警閾值；並能通過android平臺對感測數據處理、 完成鑽孔孔道的繪製與顯示。
【文檔編號】E21B47/022GK104110252SQ201410161748
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年4月21日 優先權日:2014年4月21日
【發明者】於貴, 朱寶龍, 李貌, 羅傑, 覃木慶, 張寬, 於興國 申請人:中鐵西北科學研究院有限公司西南分院