【《惯性技术对矿山立井罐道的垂直度检测研究》13000字】

实验设计与结果分析实验设计环节是对系统设计进行可行性验证的重要一环，前几章对系统的整体特性进行了分析,在建立所研究问题算法及数学模型的基础上,分析了各要素之间的关系，本文通过实际实验数据的采集及分析,对所提出的罐道垂直度检测方法进行了验证。后期通过信号的滤波、消趋、积分及小波阈值消噪等方法对采集的实验数据进行处理，对处理后的数据进行分析，论证检测方法的可行性，并将经论证可行的分析成果用于指导以后实际工作中的决策过程。只有通过实验，才能发现检测系统及操作方面实际存在的问题，为后期系统的改进、优化提出相应的措施。4.1实验目的（1）组装捷联惯导系统并完成对垂直度相关数据的采集和处理。（2）验证惯性技术在井筒罐道垂直度检测中的可行性。4.2实验方案设计4.2.1方案设计和实验系统组成对矿山立井垂直度进行检测的系统主要是由KJJ-32C激光捷联惯导系统、计算机和数据传输装置组成，如图4.1和4.2所示。本系统最关键的部件是惯性测量单元即IMU，它主要由1个转位机构、3个加速度计、3个激光陀螺和必要的电子线路组成。检测时将组装好的惯导系统放置在罐笼上，由惯性测量单元实时输出三轴加速度及三轴角速度信息，通过计算机采集数据并进行计算处理与分析，可以实时检测罐道垂直度信息和罐笼姿态信息。在实验过程中，采用多次往返测量得到多组测量数据，对采集的多组数据进行分析处理，将处理后的多组数据拟合取平均值，然后复核检查得到的拟合数据，并将拟合数据与矿井安全规范以及往期检测得到的数据进行对比得到立井罐道的垂直度情况。图4.1系统组成示意图图4.2系统组成实物图

4.3实验步骤本次实验平台为山东某矿区立井罐道，井深约为587.3米。实验主要包括以下两个步骤：实验系统的组装和运行、数据的采集和计算。4.3.1实验系统的组装和运行惯导系统在投入使用前应该依次检查其机械安装和连接器连接是否均正确牢固，并确保外部供电电压满足实验需求。本次实验的外部供电装置采用的是24V的蓄电池。图4.4为井下环境惯导系统组装后的实物图，放置于罐笼上实时检测罐道垂直度信息和罐笼姿态信息。为确保电脑与惯导系统的稳定性，使用四个螺丝将其固定在两块平行放置的木板上并用沙袋将其压紧，防止因系统与罐笼发生相对位移而造成的误差。图4.4井下环境惯导系统组装实物图惯导系统操作步骤如4.5所示。图4.5惯导系统操作步骤惯导系统启动后的操作步骤如图4.6所示。图4.6惯导系统启动后的操作步骤4.3.2数据的采集和计算先设置数据存储路径，随后开始数据采集。为了降低零漂的影响，前十分钟系统常保持静止单独采集导航数据。十分钟后载体开始移动，载体移动过程中各传感器采集并存储相应数据，直到完成数据采集。对采集的数据进行预处理，可获取载体的实时位置信息，进而得到立井罐道的垂直度数据。4.4实验结果分析实验系统包括原始数据的采集和数据的分析和处理。整理惯导系统采集并存储的数据可以得到如图4.7所示的原始数据。图4.7原始数据示例通过基于Python编写的程序对陀螺仪数据进行处理可以在MATLAB上呈现出包括井筒横滚角、井筒俯仰角、井筒偏航角在内的井筒姿态信息，如图4.8所示。图4.8井筒姿态信息使用程序处理惯导数据可以得到在井筒每下降100米间罐道在东西方向上偏移随高程的变化量，如图4.9-图4.14所示，偏移值的单位为毫米。图4.9-图4.14东西方向上偏移随高程的变化量可以直观的看到在井深8.25m处罐道向东偏移16mm，在井深176.61m处罐道向西偏移25mm，在这两个位置偏移较大。同样也可以得到在井筒每下降100米间罐道在南北方向上偏移随高程的变化量，如图4.15-图4.20所示，偏移值的单位为毫米。图4.15-图4.20南北方向上偏移随高程的变化量可以直观的看到在井深7.18m处罐道向北偏移14mm，在井深586.34m处罐道向西偏移63mm，在这两个位置偏移较大。在井深584m至587.3m这一段罐笼减速发生抖动导致测得的偏移较大，但结果并不超限。将罐道在整个立井内在东西方向和南北方向的偏移随高程变化表示在同一个三维位移图中，如图4.21所示。图4.21偏移随高程变化的三维图通过编程的手段，筛选出相同高度惯导系统采集的罐道垂直度信息，两组数据取平均，最终拟合出惯导系统随载体运动的三维位移轨迹图，如图4.22所示，该图能较为直观的显示出立井罐道的垂直度情况。通过对测得数据的分析，惯导系统所测数据可以较好的模拟出立井罐道的垂直度情况，且检测精度达到毫米级，这说明惯性技术对立井罐道垂直度检测中具有可行性。图4.22惯导系统随载体运动的三维位移轨迹图

第五章总结与展望5.1总结本文总结归纳了前人工作经验以及现有部分立井罐道垂直度检测方法的不足之处，研究了基于惯性技术的矿山立井罐道垂直度检测的方法。本文从捷联惯导系统的原理出发，对将捷联惯技术应用在罐道垂直度检测工作上的方法进行了阐述，并通过相应的实验对其可行性进行了验证。以惯性测量单元采集的相关数据为基础，以Python为平台编写了数据处理的程序，并将结果图在MATLAB上展现出来。本次毕业设计主要取得以下几个研究成果：对立井罐道垂直度检测的背景及其意义进行了研究，并对国内外井筒罐道垂直度检则的现状进行了调研，列举并总结了几种常见检测方法的优点和缺点，并介绍了惯性技术国内研究现状及其在工程中的实际应用。学习了捷联惯导系统在矿山立井罐道垂直度测量中的运用。组建了实验平台，组装了实验仪器，进行了相应的实验，通过曲线图以及三维位移轨迹图，能够比较清晰、直观的显示出立井罐道的垂直度情况，也验证了本文所提出的惯性技术在矿山井筒垂直度检测中的可行性。5.2展望由于作者水平以及实验条件的限制，要想使本文研究的基于惯性技术的矿山立井罐道垂直度检测的方法达到比较完善的程度，还有很长的路要走。我认为在未来的研究工作中，可以从以下几个方面展开：(1)实验环境方面，实验以山东某矿区主井为平台，在实际数据处理中中并没有考虑到外界磁场对仪器的干扰以及重力随井筒深度的增加而发生的改变，在今后的研究中要对这些可能影响测量结果的因素要考虑的更加完善。实验矿井的深度不足六百米，今后可尝试在六百米甚至千米以上的矿井应用此项技术。后期可通过加装三维激光扫描仪和CCD工业相机，来获取整个井筒的三维信息，进一步研究影像和点云数据，既能获取立井罐道的垂直度信息，还可以同时检测出井壁是否存在破裂、渗水等现象，对施工安全有积极的意义。(2)陀螺漂移的存在会导致由陀螺仪采集到的信息存在较大的误差，会影响到整个检测的精度。今后的研究中可通过设定多个标靶，采用分段叠加的方法减少陀螺漂移带来的不利影响。(3)今后可尝试通过对同一立井井筒采集数据的解算，得到该立井罐道的变形情况。多次测量多次计算，可以分析得出立井罐道垂直度的参数，进而根据参数找出罐道变形规律。如果能找出立井罐道的变形规律，对同地区或者同地质的矿区的立井进行预防性治理可能会有较大的帮助。

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