基于電子羅盤定向的礦山打孔系統(tǒng)設(shè)計(jì)

□羅振禾 廖維奇 李舞陽 羅婷婷 舒雨萌 陳昌豪 陸旺印 林家湘

隨著科技的不斷進(jìn)步，石材(如大理石、花崗巖等)的開采逐漸由爆破式向繩鋸式發(fā)展，繩鋸式具有安全環(huán)保、廢品率低、效率高等優(yōu)點(diǎn)。在使用繩鋸式開采礦山前至少要打三個(gè)孔用以穿過繩索，三個(gè)孔之間相互垂直且相互連通至關(guān)重要，目前主要靠操作人員的經(jīng)驗(yàn)來保證。本文介紹了一種利用電子羅盤在地磁場中的側(cè)向原理來實(shí)現(xiàn)打孔定向的系統(tǒng)裝置，本系統(tǒng)裝置主要包括定向系統(tǒng)(包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng))和調(diào)整機(jī)構(gòu)兩部分，能保證所打的三個(gè)孔相互垂直且相互連通，具有較好的定向精度，滿足生產(chǎn)需要。

一、電子羅盤測向原理

地球周圍分布著磁場。地磁場是一個(gè)矢量，對于一個(gè)固定的地點(diǎn)，這個(gè)矢量可以被分解為兩個(gè)與當(dāng)?shù)厮矫嫫叫械姆至亢鸵粋€(gè)與當(dāng)?shù)厮矫娲怪钡姆至俊ｋ娮恿_盤水平放置時(shí)，電子羅盤的三軸磁阻傳感器的X，Y軸測量輸出為地磁場水平分量HN在兩軸的分解。通過兩軸的數(shù)據(jù)Hx和Hy即可計(jì)算航向角α：

由于地磁南北極與地理南北極存在磁偏角，要得到準(zhǔn)確的南北極方向,必須用計(jì)算結(jié)果加上或減去所在地區(qū)磁偏角，得出前進(jìn)方向與地理北極的夾角即真北方位角A。當(dāng)所在地區(qū)磁偏角β已知時(shí)，真北方位角為:

A=α+β

二、電子羅盤硬件系統(tǒng)

利用MEMS的6軸傳感器MPU-6,500(加速度計(jì)+陀螺儀)和三軸磁阻傳感器HMC5883L，以單片機(jī)stm32作為主控芯片構(gòu)建電子羅盤。運(yùn)用卡爾曼濾波算法對磁力傳感器和加速度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波與融合，構(gòu)建電子羅盤誤差模型，在傾角補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上獲得較高精度的航向角α，俯仰角φ和橫滾角Θ。電子羅盤主要傳感器有以下幾種。

(一)HMC5883L。HMC5883L采用霍尼韋爾各向異性磁阻(AMR)技術(shù)，這些各向異性傳感器具有在軸向高靈敏度和線性高精度的特點(diǎn)。傳感器具有的對正交軸的低靈敏度的固相結(jié)構(gòu)能用于測量地磁場的方向和大小，其測量范圍從毫高斯到8高斯。芯片內(nèi)置12位AD轉(zhuǎn)換器，I2C總線通信，體積小，精度高，成本低，可輸出X,Y,Z三軸的磁場數(shù)據(jù)，便于配合加速度計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理。

(二)MPU-6,500。MPU-6,500的電源電壓為1.71～3.6V，可實(shí)現(xiàn)與stm32芯片使用一個(gè)共同的電源，提高了電路設(shè)計(jì)的集成度；芯片含有16bit的AD轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)高精度的AD轉(zhuǎn)換，提高設(shè)備的精度；加速度計(jì)的測量范圍是可編程的，用戶可根據(jù)需要設(shè)定范圍：±2g，±4g，±8g，±16g，可測量范圍廣，提高了測量的準(zhǔn)確性；該芯片可通過SPI通信接口實(shí)現(xiàn)與其他芯片的通信，而且速度高達(dá)1MHZ，此速度能夠滿足實(shí)時(shí)性的操作與控制，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

三、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本礦山打孔系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由水平調(diào)整機(jī)構(gòu)和垂直調(diào)整機(jī)構(gòu)兩部分組成，它們分別構(gòu)成了水平打孔機(jī)(如圖1所示)和垂直打孔機(jī)(如圖2所示)，位于打孔機(jī)前端的電子羅盤用于實(shí)時(shí)檢測打孔機(jī)在空間中的姿態(tài)(包括航向角即方向角，俯仰角和橫滾角)，并且會通過顯示屏實(shí)時(shí)顯示。操作員通過屏幕的提示即可完成打孔操作。

(一)水平調(diào)整機(jī)構(gòu)。水平調(diào)整機(jī)構(gòu)安裝在水平打孔機(jī)(如圖1)上，水平方向調(diào)整機(jī)構(gòu)包括前端調(diào)整機(jī)構(gòu)和后端調(diào)整機(jī)構(gòu)，用于水平狀態(tài)打孔時(shí)調(diào)整打孔機(jī)的水平方向和俯仰角度。

1.前端調(diào)整機(jī)構(gòu)。前端調(diào)整機(jī)構(gòu)由前端升降頂板(12)、前端升降底板(13)、前端升降連桿(7)(11)、前端絲桿(3)、前端升降栓(10)、前端絲桿轉(zhuǎn)動手柄(1)、前端升降板推桿(4)組成。所述前端升降連桿2、4(11)可以相對于前端升降頂板(12)和前端升降底板(13)的U形槽做直線運(yùn)動，使得前端升降頂板(12)相對前端升降底板(13)做垂直高度上的升降運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)打孔機(jī)前端垂直高度的調(diào)整。

2.后端調(diào)整機(jī)構(gòu)。后端調(diào)整機(jī)構(gòu)在方向調(diào)整中起重要的作用，配合前端調(diào)整機(jī)構(gòu)使方向調(diào)整更加精確。后端調(diào)整機(jī)構(gòu)組成與前端調(diào)整機(jī)構(gòu)組成相同。所述后端調(diào)整機(jī)構(gòu)的頂板栓(22)運(yùn)動于打孔機(jī)后端板(18)U形槽內(nèi)，運(yùn)動時(shí)打孔機(jī)會繞前端調(diào)整機(jī)構(gòu)的頂板栓(5)旋轉(zhuǎn)，從而改變打孔機(jī)方向。所述后端調(diào)整機(jī)構(gòu)能改變打孔機(jī)后端的垂直高度，當(dāng)打孔機(jī)前端與后端的高度不處于同一水平面上時(shí)(不處于水平狀態(tài)，此時(shí)俯仰角不為零)，而所述前端調(diào)整機(jī)構(gòu)和后端調(diào)整機(jī)構(gòu)分別通過轉(zhuǎn)動絲桿轉(zhuǎn)動手柄來調(diào)節(jié)所述前端板(6)和后端板(18)相對于地面的高度，并通過電子羅盤的姿態(tài)信息提示，當(dāng)提示為水平姿態(tài)時(shí)，打孔機(jī)即處于水平狀態(tài)。

(二)垂直調(diào)整機(jī)構(gòu)。垂直調(diào)整機(jī)構(gòu)安裝在垂直打孔機(jī)上(如圖2所示)，所述垂直方向調(diào)整機(jī)構(gòu)包括前端支撐機(jī)構(gòu)和后端支撐機(jī)構(gòu)。所述前端支撐機(jī)構(gòu)由前端支撐桿(28)和前端支撐座(29)構(gòu)成；所述前端支撐機(jī)構(gòu)關(guān)于打孔機(jī)中心線對稱，兩側(cè)各有一個(gè)，用于在打孔機(jī)垂直于地面打孔時(shí)支撐打孔機(jī)前端的重量。所述后端支撐機(jī)構(gòu)由兩個(gè)后端支撐座和兩個(gè)后端支撐桿(30)構(gòu)成，用于在打孔機(jī)垂直于地面打孔時(shí)支撐打孔機(jī)后端的重量。要使打孔機(jī)程垂直狀態(tài)，通過調(diào)整后端支撐座2(31)相對于地面的位置，并通過電子羅盤(9)的姿態(tài)角度提示，當(dāng)提示為垂直姿態(tài)時(shí)打孔機(jī)即處于垂直狀態(tài)。

在實(shí)際操作過程中，先通過調(diào)整垂直打孔機(jī)(如圖2所示)的垂直調(diào)整機(jī)構(gòu)，使鉆頭軸線與水平垂直，打出垂直孔；然后通過調(diào)整水平打孔機(jī)(如圖1所示)的水平調(diào)整機(jī)構(gòu)滑槽內(nèi)的圓柱銷來調(diào)整水平的方向角，通過轉(zhuǎn)動前后絎架結(jié)構(gòu)的絲桿來調(diào)整俯仰角，打出兩個(gè)水平孔，并保證三個(gè)孔之間相互連通。

圖1 水平打孔機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2 垂直打孔機(jī)結(jié)構(gòu)圖

四、電子羅盤軟件系統(tǒng)

(一)系統(tǒng)初始化。單片機(jī)各個(gè)外設(shè)進(jìn)行初始，如系統(tǒng)定時(shí)器、串口、時(shí)鐘、SPI接口、I2C接口。

(二)傳感器校正。由于電子元器件具有零點(diǎn)漂移和溫度漂移的原因，所以各個(gè)傳感器在工作前需要進(jìn)行軟件校正，以提高傳感器的測量精度。加速度計(jì)通過水平校正法重新標(biāo)定各軸零點(diǎn)，獲得X、Y、Z軸的零點(diǎn)偏移值；磁力計(jì)通過橢球校正法重新標(biāo)定各軸零點(diǎn)，獲得X、Y、Z軸的零點(diǎn)偏移值。

(三)獲取數(shù)據(jù)。芯片通過通信接口與傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取，獲取到的數(shù)據(jù)用于姿態(tài)解算。芯片通過I2C通信接口獲取磁力傳感器HMC5883L的Hx，Hy，Hz三軸數(shù)據(jù)，通過SPI通信接口獲取加速度傳感器MPU-6,500的Ax，Ay，Az三軸數(shù)據(jù)。

(四)姿態(tài)解算。對獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)卡爾曼數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)融合得到物體在空間中的姿態(tài)數(shù)據(jù)航向角α，俯仰角φ和橫滾角Θ。

(五)水平打孔模式。在水平打孔模式下，打孔機(jī)的俯仰角φ和橫滾角Θ等于0°(即打孔機(jī)處于水平狀態(tài))，航向角α需人工輸入。首先輸入打孔機(jī)的打孔方向角(以正北為0°，正東為90°，正南為180°，正西為270°)，然后系統(tǒng)檢測打孔機(jī)鉆頭朝向是否正確，若鉆頭方向與輸入打孔方向一致則認(rèn)為機(jī)械校正完成，校正完成后系統(tǒng)進(jìn)入打孔狀態(tài)。由于打孔機(jī)在打孔的時(shí)候，機(jī)架會產(chǎn)生劇烈的震動，打孔機(jī)的打孔方向可能會因此產(chǎn)生偏移，因此打孔機(jī)的方向需要實(shí)時(shí)檢測。所以在打孔狀態(tài)下，系統(tǒng)會實(shí)時(shí)檢測打孔機(jī)方向，如果出現(xiàn)打孔機(jī)方向和之前輸入方向產(chǎn)生的誤差大于系統(tǒng)設(shè)定誤差，那么系統(tǒng)會通過發(fā)出聲光提示，需要重新校正。

(六)垂直打孔模式。在垂直打孔模式下，打孔機(jī)的俯仰角φ等于90°(即打孔機(jī)垂直于地面打孔)，此時(shí)打孔機(jī)姿態(tài)為系統(tǒng)默認(rèn)。此模式下也擁有和水平模式下的校正功能和實(shí)時(shí)檢測姿態(tài)功能。

圖3 程序流程圖

五、打孔精度

運(yùn)用橢球擬合算法校正磁力傳感器，并運(yùn)用卡爾曼濾波算法對磁力傳感器和加速度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、融合得到的航向角，俯仰角和橫滾角精度理論上均能控制在1°～2°之間。

由于電子羅盤測向誤差導(dǎo)致打孔機(jī)鉆頭定向時(shí)會產(chǎn)生1°～2°的誤差，而這個(gè)誤差是系統(tǒng)允許的誤差。在打孔機(jī)完成打孔作業(yè)時(shí)打孔機(jī)鉆頭的位置會偏離原計(jì)劃的打孔位置，若此偏離距離較大時(shí)，所需要打的三個(gè)孔無法相互連通，那么會導(dǎo)致繩鋸機(jī)的切割繩也無法穿過所需連通的孔進(jìn)行切割作業(yè)，而這樣的打孔作業(yè)是無法滿足生產(chǎn)要求的，因此需要計(jì)算在系統(tǒng)的誤差內(nèi)，打孔機(jī)可以打孔的深度，這個(gè)深度表明了打孔機(jī)能夠滿足生產(chǎn)要求所能打孔的最大深度。此深度能保證所打的三個(gè)孔相互連通，能使繩鋸機(jī)的切割繩穿過進(jìn)行切割作業(yè)。

實(shí)際中打孔機(jī)鉆頭直徑為8cm，假設(shè)打孔機(jī)在完成打孔時(shí)鉆頭偏離原計(jì)劃打孔位置的距離為7cm(繩鋸機(jī)的切割繩直徑為1cm，此時(shí)切割繩恰好能穿過孔進(jìn)行切割作業(yè)，能滿足生產(chǎn)的需求)，而且由于電子羅盤的測量誤差導(dǎo)致定向時(shí)鉆頭中心偏移了原計(jì)劃中心的角度為1°，那么用L表示打孔機(jī)可打孔的深度。根據(jù)勾股定理得：

計(jì)算出打孔機(jī)可打孔的深度為4m。

再次假設(shè)打孔機(jī)鉆頭中心偏移2°，打孔機(jī)在完成打孔時(shí)鉆頭偏離原計(jì)劃打孔位置的距離為7cm，根據(jù)上面的公式可計(jì)算出打孔機(jī)可打孔的深度2m。因此電子羅盤的精度在1°～2°之間，打孔偏差為7cm時(shí)，打孔深度為2m～4m。

六、結(jié)語

利用磁力傳感器在地球中的測向原理，同時(shí)加入加速度傳感器使得系統(tǒng)具有姿態(tài)檢測、校正的功能。當(dāng)電子羅盤的精度在1°～2°之間，打孔偏差為7cm時(shí)，打孔機(jī)的打孔深度為2m～4m，此打孔深度已經(jīng)可以滿足礦山打孔的需求。此系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)打孔方式中精度不高、打孔機(jī)操作員需要大量經(jīng)驗(yàn)積累的問題，降低了礦山開采的難度，提高了礦石開采的效率和質(zhì)量。