Инерциальная навигация в подземной маркшейдерии

УДК 622.1:528.4

ИНЕРЦИАЛЬНАЯ НАВИГАЦИЯ В ПОДЗЕМНОЙ МАРКШЕЙДЕРИИ

А.Л.Охотин1, Е.Н.Беляев2

Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Авторы рассматривают применение мобильных сканирующих систем для съемки горизонтальных подземных горных выработок. Затрагивают вопросы коррекции инерциальных систем без применения GPS-оборудования. Рассмотривают алгоритм коррекции. Ил. 2. Библиогр. 3 назв.

Ключевые слова: инерциальная навигационная система; лазерный сканер; электронный тахеометр; фильтр Калмана; подземные маркшейдерские сети.

INERTIAL NAVIGATION IN UNDERGROUND MINE SURVEYING A.L.Ohotin, E.N.Belyaev

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.

The authors examine the application of mobile scanning systems to survey horizontal underground mine workings. They deal with the issues of correction of inertial systems without the use of GPS-equipment. They also examine the correction algorithm.

2 figures. 3 sources.

Key words: inertial navigation system; laser scanner; an electronic tacheometer; Kalman filter; underground surveying networks.

В настоящее время наземное и воздушное лазерное сканирование приобретает все большее распространение в геодезии и маркшейдерии. Наземное лазерное сканирование применяется для следующих видов работ: топографическая съемка сравнительно небольших участков местности, съемка фасадов зданий и памятников, исполнительная съемка различных конструкций, мониторинг деформаций, сканирование недоступных подземных полостей. Воздушная лазерная локация применима при создании топографических карт и планов огромных площадей или больших по протяженности линейных объектов, таких как: нефтепроводы, ЛЭП, дороги различного назначения. Использование мобильных сканирующих систем (МСС) является дальнейшим развитием технологии наземного лазерного сканирования, направленным на увеличение производительности и удобства проведения полевых и камеральных работ. МСС позволяет выполнять трехмерную съемку с помощью наземных лазерных сканеров в движении. В качестве движущейся платформы могут быть использованы колесный транспорт, железнодорожные локомотивы, речные суда. Для того чтобы объединить отдельные «облака точек», полученные в движении, в единое «облако точек» в заданной системе координат, наземные лазерные сканеры должны быть дополнены интегральным навигационным комплексом GPS/IMU, включающим спутниковый навигационный приемник GPS и инерциальную систему. Такой комплекс позволяет

определять положение и ориентацию мобильной платформы, на которой устанавливается наземный лазерный сканер.

На сегодняшний день маркшейдерские службы горных предприятий стараются внедрить в свою работу электронные тахеометры, лазерные рулетки, GPS-оборудование и другие современные средства измерений. GPS несомненно очень сильно упрощает работу маркшейдера на поверхности, где есть сигнал со спутников, но что делать тем, кто работает под землей? Использование тахеометра и лазерных рулеток, конечно, упрощает работу в шахте, но не избавляет от методик традиционной съемки, лишь заменяет используемые маркшейдером приборы и инструменты.

При подземных разработках маркшейдер обязан контролировать проходку выработок, находящихся на его участке. Перечень выполняемых им работ обширен: задание направления выработке в плане и по высоте, маркшейдерские съемки для подсчета объемов вынутой горной массы, контроль проектных уклонов, исполнительные съемки крепления выработок, создание съемочного обоснования и прокладка теодолитных и полигонометрических ходов и др. Кроме того, маркшейдер должен быть уверен в правильности своих измерений, для чего он осуществляет контрольные замеры и съемки.

Но нередко, с целью контроля или восстановления утраченной документации, случается необходи-

1Охотин Анатолий Леонтьевич, кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой маркшейдерского дела, тел.: (3952)405102, e-mail: Ohotin@istu.edu

Ohotin Anatoly Leontjevich, a candidate of technical sciences, the head of the Chair of Mine Surveying, a professor, tel.: (3952) 405102, e-mail: Ohotin@istu.edu

2Беляев Евгений Николаевич, аспирант, тел.: (3952)526848, e-mail: Belyaev@baigeo.ru Belyaev Yevgeny Nikolayevich, a postgraduate student, tel.: (3952) 526848, e-mail: Belyaev@baigeo.ru

мость выполнить съемку всей выработки, протяженность которой может достигать нескольких километров. Такой объем работ даже с применением электронных тахеометров может растянуться не на одну неделю, и к тому же маркшейдер должен работать в забое, сопровождая проходчиков и указывая им путь. Выполняя такую «глобальную» работу, легко допустить новые ошибки, обусловленные человеческим фактором, на устранение которых снова необходимо затратить немало времени. Для проведения таких работ целесообразно использование возможностей мобильных сканирующих систем, но с условием, что GPS вылетает из работы системы и инерциальный блок остается без корректирующих данных GPS.

Большим недостатком системы инерциальной навигации является то, что ее ошибка со временем накапливается. Это обусловлено интегрирующим действием самой системы. Скорость вычисляется интегрированием ускорения, и постоянная ошибка ускорения преобразуется в непрерывно нарастающую ошибку скорости. В связи с ошибками гироскопа возникают ошибки направления при измерении кажущегося ускорения и ускорения свободного падения, что тоже приводит к нарастанию дополнительных ошибок. Поэтому результаты измерений инерциальной системы требуют периодических коррекций. Для коррекции необходимо, чтобы в какой-то момент времени были известны все, или хотя бы некоторые параметры движения.

Немного о инерциальных системах.

Инерциальная навигация - это метод определения координат, скорости и угловой ориентации объекта на основе измерения и интегрирования его ускорения. Данные о положении и ориентации объекта представляют собой массив одиночных измерений: угол крена, тангажа и угол рыскания (рис. 1). Основной особенностью инерциальной навигации является выдача навигационной информации автономно - без привлечения внешних источников информации (например, сигналов со спутников). Точность выходной навигационной информации напрямую зависит от характеристик чувствительных элементов, входящих в состав системы, поэтому наиболее точное навигационное решение можно получить только в инерциаль-ных системах, построенных на современных гироскопах и акселерометрах.

А

инс

[ Тангаж [

Рис. 1. Угловые измерения инерциальной навигационной системы

Для применения инерциальных систем в подземных условиях необходимо обеспечить достаточный уровень коррекции без использования GPS оборудования. Это может быть обеспечено привязкой мобильной сканирующей системы к пунктам подземной маркшейдерской сети с известными координатами, которые располагаются вдоль всей выработки. Для осуществления привязки к пунктам, в систему необходимо добавить электронный тахеометр, который заменит GPS-приемник. Для привязки необходима остановка транспорта для выполнения измерений. Во время остановки мы получаем данные о параметрах движения, являющиеся также корректирующими, так как в этот момент времени нам известны точные скорость и ускорения, они равны нулю.

Перед началом работ мобильная сканирующая система (МСС) привязывается к подземной маркшейдерской сети посредством традиционных методов измерений с применением тахеометра. Производится измерение так называемых «off-set» параметров. Offset параметры - параметры внешнего ориентирования, другими словами, это домеры по осям X, Y и Z от центра системы (блок ИНС) до центров других устройств, входящих в состав МСС (рис. 2). Измерение этих параметром производится при помощи рулетки после установки и закрепления всех компонентов на своих местах.

В процессе полевых измерений пространственная информация, получаемая средствами МСС, записывается двумя независимыми потоками. Один поток — это данные лазерного сканирования, а второй — данные о положении и ориентации мобильной платформы. Данные лазерного сканирования представляют собой большой массив линейных сканов, каждый из которых содержит информацию о геометрическом профиле в виде множества одиночных измерений.

Для синхронизации данных лазерного сканирования с данными о положении и ориентации мобильной платформы необходимо точно знать время. В МСС, применяемой на земной поверхности, временную метку передает СРБ-приемник, метка добавляется в сырые данные ИНС и лазерного сканера. В нашем случае с такой задачей справится СРБ-эмулятор - это программа, эмулирующая работу СРБ-приемника и установленная на персональном компьютере. С помощью программного обеспечения время синхронизации сохраняется в файле «сырых» данных. Таким образом, каждое измерение, выполненное с помощью

71 /тОёНЗ -->

у

^Напцавлени^^ движения

сканера, имеет точную временную метку. Данные о положении и ориентации мобильной платформы представляют собой массив одиночных измерений инерциальной системой, имеющих собственную временную метку в формате UTC или времени GPS. Эти данные записываются в файл. Попутно во время движения проводится коррекция инерциальной системы посредством остановки и проведения измерений тахеометром на пункты подземной маркшейдерской сети, а также на пунктах с известными координатами подвешиваются светоотражающие сферы для безостановочной их съемки лазерным сканером. При дальнейшей постобработке эти сферы распознаются, им присваиваются известные координаты и они используются для контроля и корректировки траектории движения.

Классический метод коррекции ИНС, применяемый при воздушном лазерном сканировании и МСС, базируется на применении фильтра Калмана. Результатом фильтрации является предоставление точной, поддерживаемой в актуальном состоянии информации о положении и скорости объекта, при наличии серии измерений положения объекта, каждое из которых в некоторой степени неточно. Фильтр Калмана использует известную нам математическую модель динамики объекта, которая описывает, какие изменения состояния объекта возможны, чтобы устранить погрешности измерения и предоставить хорошей точности положение объекта в данный момент (фильтрация), в будущие моменты (предсказание) или в какие-то из прошедших моментов (интерполяция или сглаживание).

практически непрерывная коррекция, так как GPS каждую секунду определяет свои координаты и посылает их на вход фильтра Калмана. Работу каждого шага фильтра Калмана можно разделить на два этапа: прогноз и корректировка. Этап прогноза вычисляет вектор состояния по его же значению на предыдущем шаге работы фильтра. На этапе корректировки в алгоритм поступают данные текущих измерений, которые используются для уточнения прогнозного значения вектора состояния и вычисления оценки вектора состояния динамической системы.

Исходя из вышесказанного следует, что в подземных условиях обеспечить в настоящее время подобный уровень коррекции ИНС непосредственно при производстве измерений не представляется возможным. Для получения траектории, соответствующей необходимым требованиям точности, нам необходимо обеспечить сбор достаточного количества возможных корректирующих данных для решения траектории в режиме постобработки:

1) пространственные координаты положения ИНС, получаемые тахеометром при измерении на пункты подземной маркшейдерской сети;

2) моменты времени, когда скорость и ускорения равны нулю.

Во время камеральных работ данные с инерци-альной системы и данные, полученные тахеометром, совместно анализируются и подвергаются математической обработке. После получения траектории движения МСС приступают к комплексной обработке данных лазерного сканирования. Методика обработки является широко известной и не отходит от стандартных принципов камеральных работ.

При работе ИНС совместно с GPS обеспечивается

Библиографический список

1. Бромберг П.В. Теория инерциальной навигации. М.: геодезии. СПб: Электроприбор, 1997. Наука, 1979. 3. Материалы сайта http://ru.wikipedia.org

2. Дмитриев С.П. Инерциальные методы в инженерной

УДК 622.7

ЛАЗЕРНАЯ ЛОКАЦИЯ ПРИ СЪЕМКЕ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ А.В.Соболев1

Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассматриваются аспекты производства съемочных работ с помощью технологии лазерной локации. Приводится описание технологии лазерной локации, раскрываются теоретические основы лазерной локации, дается описание применения технологии в различных аппаратно-технологических условиях, формируется ряд вопросов относительно плотности и точности съемочных работ с использованием технологии лазерной локации. Ил. 2. Библиогр. 3 назв.

Ключевые слова: лазерная локация; воздушный лазерный сканер; наземный лазерный сканер; открытые горные работы; плотность сканирования; точность сканирования.

LASER LOCATION WHEN SURVEYING OPEN CAST MINING A.V.Sobolev

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.

The author considers the aspects of survey work performing with the application of the technology of laser location. The

1Соболев Александр Владимирович, ассистент кафедры маркшейдерского дела, тел: (3952)405102, e-mail: sobolev@baigeo.ru Sobolev Alexander Vladimirovich, an assistant of the Chair of Mine Surveying, tel: (3952) 405102, e-mail: sobolev@baigeo.ru