权利要求
1.便携式矿用惯性导航系统，其特征在于，包括：传感器数据获取单元、设备姿态解算单元、航位推算单元、误差补偿处理单元、数据传输单元和设备电源管理单元;所述传感器数据获取单元，配置为利用矿用设备中的惯性传感器对采集区域的数据进行实时采集;所述设备姿态解算单元，配置为对采集区域的数据进行计算，计算后得到矿用设备的实时姿态;所述航位推算单元，配置为根据矿用设备的实时姿态和速度信息，推算出矿用设备在采集区域中的位置和航迹;所述误差补偿处理单元，配置为对矿用设备在采集区域中的位置和航迹进行实时补偿处理。
2.根据权利要求1所述的便携式矿用惯性导航系统，其特征在于，还包括：
所述数据传输单元，配置为将实时补偿处理后的数据传输至地面监控中心进行统一管理;
所述设备电源管理单元，配置为对矿用设备的电池电量进行实时监控，并根据监控情况进行报警提示。
3.根据权利要求2所述的便携式矿用惯性导航系统，其特征在于，所述传感器数据获取单元，包括惯性传感器和环境传感器，其中，惯性传感器包括加速度计、陀螺仪、磁力计，环境传感器集成有温度传感器、湿度传感器和气压传感器;
惯性传感器和环境传感器用固定频率对采集区域进行实时数据采集，采集完成后得到加速度计数据、陀螺仪数据、磁力计数据和环境传感器数据;
将加速度计数据、陀螺仪数据、磁力计数据和环境传感器数据整合为一个数据包;
数据包包括时间戳、加速度值、角速度值、磁场强度值以及环境参数;
整合完成后得到矿内实时数据;
加速度计数据为获取矿用设备在X、Y、Z三个方向上的加速度值;
陀螺仪数据为获取矿用设备在X、Y、Z三个方向上的角速度值;
磁力计数据为获取矿用设备在X、Y、Z三个方向上的磁场强度值;
环境传感器数据为获取采集区域的温度、湿度和气压值。
4.根据权利要求3所述的便携式矿用惯性导航系统，其特征在于，所述设备姿态解算单元，包括：
将矿内实时数据进行数据预处理和时间同步;
数据预处理和时间同步完成后先进行加速度计数据和陀螺仪数据的解算;
加速度计数据的解算为：加速度计测量的总加速度，是设备因变速运动产生的运动加速度分量与地球重力加速度分量的矢量和，在加速度计静止或运动状态下，先分离出重力分量，在静止状态下，定期记录加速度值，并估算出重力的方向，重力的方向为Z轴方向;
利用加速度计的输出值，通过反正切函数计算俯仰角和横滚角。
5.根据权利要求4所述的便携式矿用惯性导航系统，其特征在于，所述设备姿态解算单元，还包括：
陀螺仪数据的解算为：将获取的角速度值进行数值积分，数值积分后得到矿用设备的角度变化;
利用卡尔曼滤波器对加速度计和陀螺仪的输出数据进行数据结合，数据结合完成后得到初步姿态数据;
将磁力计测得的航向数据与初步姿态中的航向进行融合修正;
修正后得到矿用设备的设备姿态数据。
6.根据权利要求5所述的便携式矿用惯性导航系统，其特征在于，所述航位推算单元，包括：
将设备姿态数据中的实时姿态数据和速度信息进行确认;
实时姿态数据包括俯仰角、横滚角和航向;速度信息包括根据加速度计的数据推算出的设备在各方向上的线性速度;
根据实时姿态数据创建一个旋转矩阵，旋转矩阵用于将矿用设备的局部坐标系转换为全局坐标系;
将矿用设备在局部坐标系中的速度向量的数据通过旋转矩阵转换为全局坐标系中的速度向量;
在每个时间步长内，使用全局速度向量进行矿用设备的位置更新，位置更新后得到矿用设备在采集区域中的位置和航迹,并标注为实际位置数据;
并记录每次更新后的全局位置，形成航迹数据序列。
7.根据权利要求6所述的便携式矿用惯性导航系统，其特征在于，所述误差补偿处理单元，包括：
将实际位置数据进行误差来源分析，误差来源分析包括传感器误差分析、外界环境干扰分析和模型误差分析;
对加速度计的陀螺仪的偏差进行校正，其中，通过在设备静止时测量并记录偏差值，然后在后续的计算中减去偏差值;
利用环境传感器数据对加速度计和陀螺仪的性能进行温度和湿度补偿，同时，使用磁力计数据来检测和补偿磁场干扰;
使用卡尔曼滤波将不同传感器的数据进行融合，并优化姿态和位置估计;
姿态和位置优化估计完成后得到实时补偿处理完成的位置和航迹数据，并标注为目标惯性导航数据。
8.根据权利要求7所述的便携式矿用惯性导航系统，其特征在于，所述数据传输单元，包括：
将目标惯性导航数据传输至地面监控中心，其中，目标惯性导航数据进行数据传输时自动选择传输速度最快的传输通道;
先将目标惯性导航数据划分为若干个长度一致的数据段;
根据数据段的数量计算目标惯性导航数据的数据传输量;
将目标惯性导航数据传输至地面监控中心的传输通道进行确认;
传输通道数量大于四条，将每条传输通道的通道剩余容量和传输信号强度进行实时监控;
选择通道剩余容量大于数据传输量的传输通道，作为目标惯性导航数据传输至地面监控中心的第一传输通道。
9.根据权利要求8所述的便携式矿用惯性导航系统，其特征在于，所述数据传输单元，还包括：
当第一传输通道大于两条时，选择传输信号强度最强的作为传输信号强度的第二传输通道;
最终目标惯性导航数据通过第一传输通道或第二传输通道传输至地面监控中心;
地面监控中心将目标惯性导航数据中的当前位置信息、导航状态及路径数据进行数据可视化处理;
数据可视化处理后得到目标惯性导航数据的三维导航数据，同时，三维导航数据在地面监控中心的显示终端进行显示。
10.根据权利要求9所述的便携式矿用惯性导航系统，其特征在于，所述设备电源管理单元，包括：
先对矿用设备的电池电量进行监测，其中，通过电压传感器实时监测矿用设备电池的输出电压，并根据电池的电压推算出矿用设备电池的剩余电量;
再对矿用设备的电池健康状态进行监测，其中，利用环境传感器中集成的温度传感器对电池的工作温度进行监测，同时，监测电池的充放电循环次数来评估电池的健康状态;
将电池电量报警阈值和电池健康状态报警阈值进行设定;
将获取的矿用设备电池的剩余电量和健康状态，分别与设定的报警阈值进行数据比对;
当获取的矿用设备电池的剩余电量和健康状态的阈值，不在设定的报警阈值范围内时，则自动触发警报提示。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及惯性导航技术领域，具体为便携式矿用惯性导航系统。
背景技术
[0002]惯性导航系统是一种不依赖于外部信息，也不向外部辐射能量的自主式导航系统。
[0003]公开号为CN105277196A的中国专利公开了一种用于测量载体姿态信息的矿用导航惯性测量系统及方法，主要通过采用一个倾角传感器敏感水平角的初始值(X轴和Y轴)，通过三轴陀螺的X轴和Y轴的旋转角速度信息即可计算得到当前时刻的载体的水平角信息，而载体的航向角信息则利用三轴陀螺敏感即可得到，因此，本实施方式中，利用一个倾角传感器替换原有的三个加速度计，可节约数万元制作成本，同时，本测量系统完全能够使用于矿用领域，倾角传感器的利用率高，提升了整个测量系统的性价比，上述专利虽然解决了导航惯性测量的问题，但是在实际操作中还包括以下问题：1.没有根据获取的设备数据进行有效的设备姿态解算，从而导致设备姿态的精准性降低;2.没有将获取的设备导航数据进行进一步的坐标系转换，以及没有对设备导航数据进行有效的补偿处理，从而导致数据的可靠性降低;3.设备导航数据传输至控制平台时，没有选择传输速度最快的传输信道，从而使数据传输效率降低导致无法及时对数据进行控制。
发明内容
[0004]本发明的目的在于提供便携式矿用惯性导航系统，通过对加速度计的陀螺仪的偏差进行校正，可以显著提高传感器数据的准确性，利用环境传感器数据对加速度计和陀螺仪的性能进行补偿，能够减少环境因素对传感器性能的影响，使用旋转矩阵将局部坐标系转换为全局坐标系，确保了位置更新的准确性，减少了因坐标系不同而产生的误差，不仅考虑了设备的姿态数据，还结合了速度信息，从而能够全面描述设备的运动状态，通过监测电池的充放电循环次数和工作温度，可以评估电池的健康状态，从而合理安排电池的维护和使用，延长电池的使用寿命，可以解决现有技术中的问题。
[0005]为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0006]便携式矿用惯性导航系统，包括：传感器数据获取单元、设备姿态解算单元、航位推算单元、误差补偿处理单元、数据传输单元和设备电源管理单元;
[0007]所述传感器数据获取单元，配置为利用矿用设备中的惯性传感器对采集区域的数据进行实时采集;
[0008]所述设备姿态解算单元，配置为对采集区域的数据进行计算，计算后得到矿用设备的实时姿态;
[0009]所述航位推算单元，配置为根据矿用设备的实时姿态和速度信息，推算出矿用设备在采集区域中的位置和航迹;
[0010]所述误差补偿处理单元，配置为对矿用设备在采集区域中的位置和航迹进行实时补偿处理。
[0011]优选的，还包括：
[0012]所述数据传输单元，配置为将实时补偿处理后的数据传输至地面监控中心进行统一管理;
[0013]所述设备电源管理单元，配置为对矿用设备的电池电量进行实时监控，并根据监控情况进行报警提示。
[0014]优选的，所述传感器数据获取单元，包括惯性传感器和环境传感器，其中，惯性传感器包括加速度计、陀螺仪、磁力计，环境传感器集成有温度传感器、湿度传感器和气压传感器;
[0015]惯性传感器和环境传感器用固定频率对采集区域进行实时数据采集，采集完成后得到加速度计数据、陀螺仪数据、磁力计数据和环境传感器数据;
[0016]将加速度计数据、陀螺仪数据、磁力计数据和环境传感器数据整合为一个数据包;
[0017]数据包包括时间戳、加速度值、角速度值、磁场强度值以及环境参数;
[0018]整合完成后得到矿内实时数据;
[0019]加速度计数据为获取矿用设备在X、Y、Z三个方向上的加速度值;
[0020]陀螺仪数据为获取矿用设备在X、Y、Z三个方向上的角速度值;
[0021]磁力计数据为获取矿用设备在X、Y、Z三个方向上的磁场强度值;
[0022]环境传感器数据为获取采集区域的温度、湿度和气压值。
[0023]优选的，所述设备姿态解算单元，包括：
[0024]将矿内实时数据进行数据预处理和时间同步;
[0025]数据预处理和时间同步完成后先进行加速度计数据和陀螺仪数据的解算;
[0026]加速度计数据的解算为：加速度计测量的总加速度，是设备因变速运动产生的运动加速度分量与地球重力加速度分量的矢量和，在加速度计静止或运动状态下，先分离出重力分量，在静止状态下，定期记录加速度值，并估算出重力的方向，重力的方向为Z轴方向;
[0027]利用加速度计的输出值，通过反正切函数计算俯仰角和横滚角。
[0028]优选的，所述设备姿态解算单元，还包括：
[0029]陀螺仪数据的解算为：将获取的角速度值进行数值积分，数值积分后得到矿用设备的角度变化;
[0030]利用卡尔曼滤波器对加速度计和陀螺仪的输出数据进行数据结合，数据结合完成后得到初步姿态数据;
[0031]将磁力计测得的航向数据与初步姿态中的航向进行融合修正;
[0032]修正后得到矿用设备的设备姿态数据。
[0033]优选的，所述航位推算单元，包括：
[0034]将设备姿态数据中的实时姿态数据和速度信息进行确认;
[0035]实时姿态数据包括俯仰角、横滚角和航向;速度信息包括根据加速度计的数据推算出的设备在各方向上的线性速度;
[0036]根据实时姿态数据创建一个旋转矩阵，旋转矩阵用于将矿用设备的局部坐标系转换为全局坐标系;
[0037]将矿用设备在局部坐标系中的速度向量的数据通过旋转矩阵转换为全局坐标系中的速度向量;
[0038]在每个时间步长内，使用全局速度向量进行矿用设备的位置更新，位置更新后得到矿用设备在采集区域中的位置和航迹,并标注为实际位置数据;
[0039]并记录每次更新后的全局位置，形成航迹数据序列。
[0040]优选的，所述误差补偿处理单元，包括：
[0041]将实际位置数据进行误差来源分析，误差来源分析包括传感器误差分析、外界环境干扰分析和模型误差分析;
[0042]对加速度计的陀螺仪的偏差进行校正，其中，通过在设备静止时测量并记录偏差值，然后在后续的计算中减去偏差值;
[0043]利用环境传感器数据对加速度计和陀螺仪的性能进行温度和湿度补偿，同时，使用磁力计数据来检测和补偿磁场干扰;
[0044]使用卡尔曼滤波将不同传感器的数据进行融合，并优化姿态和位置估计;
[0045]姿态和位置优化估计完成后得到实时补偿处理完成的位置和航迹数据，并标注为目标惯性导航数据。
[0046]优选的，所述数据传输单元，包括：
[0047]将目标惯性导航数据传输至地面监控中心，其中，目标惯性导航数据进行数据传输时自动选择传输速度最快的传输通道;
[0048]先将目标惯性导航数据划分为若干个长度一致的数据段;
[0049]根据数据段的数量计算目标惯性导航数据的数据传输量;
[0050]将目标惯性导航数据传输至地面监控中心的传输通道进行确认;
[0051]传输通道数量大于四条，将每条传输通道的通道剩余容量和传输信号强度进行实时监控;
[0052]选择通道剩余容量大于数据传输量的传输通道，作为目标惯性导航数据传输至地面监控中心的第一传输通道。
[0053]优选的，所述数据传输单元，还包括：
[0054]当第一传输通道大于两条时，选择传输信号强度最强的作为传输信号强度的第二传输通道;
[0055]最终目标惯性导航数据通过第一传输通道或第二传输通道传输至地面监控中心;
[0056]地面监控中心将目标惯性导航数据中的当前位置信息、导航状态及路径数据进行数据可视化处理;
[0057]数据可视化处理后得到目标惯性导航数据的三维导航数据，同时，三维导航数据在地面监控中心的显示终端进行显示。
[0058]优选的，所述设备电源管理单元，包括：
[0059]先对矿用设备的电池电量进行监测，其中，通过电压传感器实时监测矿用设备电池的输出电压，并根据电池的电压推算出矿用设备电池的剩余电量;
[0060]再对矿用设备的电池健康状态进行监测，其中，利用环境传感器中集成的温度传感器对电池的工作温度进行监测，同时，监测电池的充放电循环次数来评估电池的健康状态;
[0061]将电池电量报警阈值和电池健康状态报警阈值进行设定;
[0062]将获取的矿用设备电池的剩余电量和健康状态，分别与设定的报警阈值进行数据比对;
[0063]当获取的矿用设备电池的剩余电量和健康状态的阈值，不在设定的报警阈值范围内时，则自动触发警报提示。
[0064]与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
[0065]1.本发明提供的便携式矿用惯性导航系统，通过反正切函数计算俯仰角和横滚角，能够精确反映设备的倾斜情况，卡尔曼滤波器能够综合加速度计和陀螺仪的输出数据，充分利用两者的优点，提高姿态数据的准确性和稳定性，通过实时监控和分析矿用设备的运动状态和环境参数，可以及时发现潜在的安全隐患，从而采取预防措施，避免事故发生。
[0066]2.本发明提供的便携式矿用惯性导航系统，通过对加速度计的陀螺仪的偏差进行校正，可以显著提高传感器数据的准确性，利用环境传感器数据对加速度计和陀螺仪的性能进行补偿，能够减少环境因素对传感器性能的影响，使用旋转矩阵将局部坐标系转换为全局坐标系，确保了位置更新的准确性，减少了因坐标系不同而产生的误差，不仅考虑了设备的姿态数据，还结合了速度信息，从而能够全面描述设备的运动状态。
[0067]3.本发明提供的便携式矿用惯性导航系统，根据传输通道的剩余容量和传输信号强度进行实时监控，并优先选择满足数据传输需求的通道，确保了数据传输的稳定性和可靠性，通过监测电池的充放电循环次数和工作温度，可以评估电池的健康状态，从而合理安排电池的维护和使用，延长电池的使用寿命，当电池电量或健康状态达到预设的报警阈值时，自动触发警报提示，有助于及时发现潜在问题，防止因电池故障导致的设备停机或安全事故。
附图说明
[0068]图1为本发明的矿用惯性导航单元示意图;
[0069]图2为本发明的矿用惯性导航流程示意图。
具体实施方式
[0070]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0071]为了解决现有技术中，没有根据获取的设备数据进行有效的设备姿态解算，从而导致设备姿态的精准性降低的问题，请参阅图1和图2，本实施例提供以下技术方案：
[0072]便携式矿用惯性导航系统，包括：传感器数据获取单元、设备姿态解算单元、航位推算单元、误差补偿处理单元、数据传输单元和设备电源管理单元;
[0073]所述传感器数据获取单元，配置为利用矿用设备中的惯性传感器对采集区域的数据进行实时采集;
[0074]所述设备姿态解算单元，配置为对采集区域的数据进行计算，计算后得到矿用设备的实时姿态;
[0075]所述航位推算单元，配置为根据矿用设备的实时姿态和速度信息，推算出矿用设备在采集区域中的位置和航迹;
[0076]所述误差补偿处理单元，配置为对矿用设备在采集区域中的位置和航迹进行实时补偿处理;
[0077]所述数据传输单元，配置为将实时补偿处理后的数据传输至地面监控中心进行统一管理;
[0078]所述设备电源管理单元，配置为对矿用设备的电池电量进行实时监控，并根据监控情况进行报警提示。
[0079]具体的，通过传感器数据获取单元能够全面反映采集区域的环境状况，为矿山管理和安全监测提供重要依据，通过设备姿态解算单元能够处理传感器噪声和数据不确定性，提高数据融合的鲁棒性，通过航位推算单元使用旋转矩阵将局部坐标系转换为全局坐标系，确保了位置更新的准确性，减少了因坐标系不同而产生的误差，通过误差补偿处理单元能够充分利用多个传感器的数据，提高数据的冗余度和可靠性，通过数据传输单元实时监控传输通道的剩余容量和传输信号强度，有助于及时发现并解决问题，确保数据传输和处理的顺利进行，通过设备电源管理单元监测电池的充放电循环次数和工作温度，可以评估电池的健康状态，从而合理安排电池的维护和使用。
[0080]传感器数据获取单元，惯性传感器和环境传感器，其中，惯性传感器包括加速度计、陀螺仪、磁力计，环境传感器集成有温度传感器、湿度传感器和气压传感器;
[0081]惯性传感器和环境传感器用固定频率对采集区域进行实时数据采集，采集完成后得到加速度计数据、陀螺仪数据、磁力计数据和环境传感器数据;
[0082]将加速度计数据、陀螺仪数据、磁力计数据和环境传感器数据整合为一个数据包;
[0083]数据包包括时间戳、加速度值、角速度值、磁场强度值以及环境参数;
[0084]整合完成后得到矿内实时数据。
[0085]加速度计数据为获取矿用设备在X、Y、Z三个方向上的加速度值;
[0086]陀螺仪数据为获取矿用设备在X、Y、Z三个方向上的角速度值;
[0087]磁力计数据为获取矿用设备在X、Y、Z三个方向上的磁场强度值;
[0088]环境传感器数据为获取采集区域的温度、湿度和气压值。
[0089]具体的，能够精确获取矿用设备在X、Y、Z三个方向上的加速度值，这对于了解设备的运动状态、振动情况等至关重要，提供设备在三个方向上的角速度值，有助于监测设备的旋转和倾斜情况，对于设备的姿态控制和稳定性分析具有重要意义，测量磁场强度值，可用于确定设备的方向，特别是在地下等GPS信号受限的环境中，磁力计成为确定方位的关键传感器，集成温度、湿度和气压传感器，能够全面反映采集区域的环境状况，为矿山管理和安全监测提供重要依据，惯性传感器以固定频率对采集区域进行实时数据采集，确保数据的连续性和时效性。这对于及时发现异常情况、预防事故具有关键作用，将加速度计、陀螺仪、磁力计和环境传感器的数据整合为一个数据包，包含时间戳、加速度值、角速度值、磁场强度值以及环境参数等多维度信息。这种综合性的数据包有助于矿山管理者全面了解设备状态和环境状况，为决策提供支持，通过实时监控和分析矿用设备的运动状态和环境参数，可以及时发现潜在的安全隐患，如设备故障、环境异常等，从而采取预防措施，避免事故发生。同时，精确的数据有助于优化设备的工作流程，提高
采矿效率。
[0090]设备姿态解算单元，包括：
[0091]将矿内实时数据进行数据预处理和时间同步;
[0092]数据预处理和时间同步完成后先进行加速度计数据和陀螺仪数据的解算;
[0093]加速度计数据的解算为：加速度计测量的总加速度，是设备因变速运动产生的运动加速度分量与地球重力加速度分量的矢量和，在加速度计静止或运动状态下，先分离出重力分量，在静止状态下，定期记录加速度值，并估算出重力的方向，重力的方向为Z轴方向;
[0094]利用加速度计的输出值，通过反正切函数计算俯仰角和横滚角。
[0095]陀螺仪数据的解算为：将获取的角速度值进行数值积分，数值积分后得到矿用设备的角度变化;
[0096]利用卡尔曼滤波器对加速度计和陀螺仪的输出数据进行数据结合，数据结合完成后得到初步姿态数据;
[0097]将磁力计测得的航向数据与初步姿态中的航向进行融合修正;
[0098]修正后得到矿用设备的设备姿态数据。
[0099]具体的，数据预处理可以去除噪声和异常值，提高数据的准确性和可靠性。时间同步确保不同传感器数据在时间上的一致性，为后续的数据解算提供基础，加速度计数据的解算能够分离出重力分量，并估算出重力的方向，这对于确定设备的姿态至关重要。通过反正切函数计算俯仰角和横滚角，能够精确反映设备的倾斜情况。陀螺仪数据的数值积分能够实时反映设备的角度变化，提供动态姿态信息，卡尔曼滤波器能够综合加速度计和陀螺仪的输出数据，充分利用两者的优点，提高姿态数据的准确性和稳定性。滤波器能够处理传感器噪声和数据不确定性，提高数据融合的鲁棒性，磁力计能够测量地球的磁场方向，提供航向信息。将磁力计测得的航向数据与初步姿态中的航向进行融合修正，可以进一步提高设备姿态数据的准确性，其中，针对卡尔曼滤波传感器数据融合的验证实验如下表格所示：
[0100]
实验目的验证“卡尔曼滤波融合加速度计/陀螺仪/磁力计数据”的有效性，证明设备姿态解算的准确性实验设备1.本申请系统1套;2.标准姿态测量仪(俯仰角/横滚角精度≤±0.1°，航向精度≤±0.5°)1台;3.三轴运动模拟器(可模拟矿用设备姿态变化：俯仰角-30°~30°、横滚角-30°~30°、航向0°~360°)1台;4.姿态数据采集软件(同步记录系统与标准仪数据)1套实验步骤1. 姿态设置：在运动模拟器上设置5组典型矿用设备姿态(①静止水平：俯仰0°/横滚0°/航向0°;②俯仰15°/横滚0°/航向90°;③俯仰0°/横滚15°/航向180°;④俯仰-10°/横滚-10°/航向270°;⑤动态变化：俯仰0°→20°→0°，横滚0°→15°→0°，航向0°→360°，耗时60s);2. 数据采集：每组姿态下，分别采集“单独传感器数据(无融合)”与“卡尔曼滤波融合后数据”，同时记录标准姿态测量仪数据，每组静态姿态采集10min，动态姿态采集3次;3. 误差计算：对比融合前后数据与标准仪数据的偏差实验数据记录项1.5组姿态下融合前/后俯仰角、横滚角、航向的误差值;2.静态姿态10min内的误差最大值/最小值/平均值;3.动态姿态3次运行的误差变化曲线稳定性和可行性评价指标1. 可行性：融合后俯仰角/横滚角误差≤±0.3°，航向误差≤±1°，较融合前误差降低≥60%，即证明融合方案可行;2. 稳定性：静态姿态10min内误差标准差≤±0.05°，动态姿态3次运行误差标准差≤±0.1°，即证明姿态解算稳定性实验目的验证“卡尔曼滤波融合加速度计/陀螺仪/磁力计数据”的有效性，证明设备姿态解算的准确性实验设备4.本申请系统1套;5.标准姿态测量仪(俯仰角/横滚角精度≤±0.1°，航向精度≤±0.5°)1台;6.三轴运动模拟器(可模拟矿用设备姿态变化：俯仰角-30°~30°、横滚角-30°~30°、航向0°~360°)1台;4.姿态数据采集软件(同步记录系统与标准仪数据)1套实验步骤1. 姿态设置：在运动模拟器上设置5组典型矿用设备姿态(①静止水平：俯仰0°/横滚0°/航向0°;②俯仰15°/横滚0°/航向90°;③俯仰0°/横滚15°/航向180°;④俯仰-10°/横滚-10°/航向270°;⑤动态变化：俯仰0°→20°→0°，横滚0°→15°→0°，航向0°→360°，耗时60s);2. 数据采集：每组姿态下，分别采集“单独传感器数据(无融合)”与“卡尔曼滤波融合后数据”，同时记录标准姿态测量仪数据，每组静态姿态采集10min，动态姿态采集3次;3. 误差计算：对比融合前后数据与标准仪数据的偏差实验数据记录项1.5组姿态下融合前/后俯仰角、横滚角、航向的误差值;2.静态姿态10min内的误差最大值/最小值/平均值;3.动态姿态3次运行的误差变化曲线稳定性和可行性评价指标1. 可行性：融合后俯仰角/横滚角误差≤±0.3°，航向误差≤±1°，较融合前误差降低≥60%，即证明融合方案可行;2. 稳定性：静态姿态10min内误差标准差≤±0.05°，动态姿态3次运行误差标准差≤±0.1°，即证明姿态解算稳定性
[0101]为了解决现有技术中，没有将获取的设备导航数据进行进一步的坐标系转换，以及没有对设备导航数据进行有效的补偿处理，从而导致数据的可靠性降低的问题，请参阅图1和图2，本实施例提供以下技术方案：
[0102]航位推算单元，包括：
[0103]将设备姿态数据中的实时姿态数据和速度信息进行确认;
[0104]实时姿态数据包括俯仰角、横滚角和航向;速度信息包括根据加速度计的数据推算出的设备在各方向上的线性速度;
[0105]根据实时姿态数据创建一个旋转矩阵，旋转矩阵用于将矿用设备的局部坐标系转换为全局坐标系;
[0106]将矿用设备在局部坐标系中的速度向量的数据通过旋转矩阵转换为全局坐标系中的速度向量;
[0107]在每个时间步长内，使用全局速度向量进行矿用设备的位置更新，位置更新后得到矿用设备在采集区域中的位置和航迹,并标注为实际位置数据;
[0108]并记录每次更新后的全局位置，形成航迹数据序列。
[0109]具体的，通过实时姿态数据(俯仰角、横滚角和航向)和加速度计数据推算的线性速度，可以精确描述矿用设备的动态状态。使用旋转矩阵将局部坐标系转换为全局坐标系，确保了位置更新的准确性，减少了因坐标系不同而产生的误差，不仅考虑了设备的姿态数据，还结合了速度信息，从而能够全面描述设备的运动状态。通过记录每次更新后的全局位置，形成了完整的航迹数据序列，为后续的数据分析和处理提供了丰富的信息，旋转矩阵的使用使得方案可以适应不同的坐标系转换需求，从而提高了方案的灵活性。通过调整旋转矩阵的参数，可以方便地实现不同坐标系之间的转换，其中，针对旋转矩阵坐标系转换的验证实验如下表格所示：
[0110]
实验目的验证“旋转矩阵将局部坐标系转换为全局坐标系”的准确性，证明航位推算中位置更新的可靠性实验设备1.本申请系统1套;2.激光定位仪(定位精度≤±2mm)1台(作为全局坐标标准);3.可编程运动平台(可模拟矿用设备直线/曲线运动，速度0~1m/s)1台;4.数据同步软件(同步系统与激光定位仪时间戳)1套实验步骤1. 坐标系标定：通过激光定位仪确定运动平台的全局坐标系原点;2. 运动控制：设置运动平台3组预设轨迹(①直线运动：5m匀速;②曲线运动：半径2m的圆周运动;③变加速运动：0→1m/s→0加速/减速)，每组轨迹重复运行5次;3. 数据采集：实时记录本系统“局部坐标系速度向量→旋转矩阵转换→全局坐标系速度向量→位置更新”的全过程数据，同时记录激光定位仪测量的全局位置数据;4. 数据对比：计算每组轨迹中系统输出的全局位置与激光定位仪标准位置的偏差实验数据记录项1.3组轨迹下每次运行的局部→全局坐标转换后位置值;2.每次运行的位置偏差值(系统输出-激光定位仪数据);3.每组轨迹5次运行的偏差最大值/最小值/平均值稳定性和可行性评价指标1. 可行性：直线轨迹位置偏差≤±5cm，曲线轨迹偏差≤±8cm，变加速轨迹偏差≤±10cm，即证明转换方案可行;2. 稳定性：每组轨迹5次运行的偏差标准差≤±2cm，即证明坐标系转换稳定性实验目的验证“旋转矩阵将局部坐标系转换为全局坐标系”的准确性，证明航位推算中位置更新的可靠性实验设备3.本申请系统1套;4.激光定位仪(定位精度≤±2mm)1台(作为全局坐标标准);3.可编程运动平台(可模拟矿用设备直线/曲线运动，速度0~1m/s)1台;4.数据同步软件(同步系统与激光定位仪时间戳)1套实验步骤1. 坐标系标定：通过激光定位仪确定运动平台的全局坐标系原点;2. 运动控制：设置运动平台3组预设轨迹(①直线运动：5m匀速;②曲线运动：半径2m的圆周运动;③变加速运动：0→1m/s→0加速/减速)，每组轨迹重复运行5次;3. 数据采集：实时记录本系统“局部坐标系速度向量→旋转矩阵转换→全局坐标系速度向量→位置更新”的全过程数据，同时记录激光定位仪测量的全局位置数据;4. 数据对比：计算每组轨迹中系统输出的全局位置与激光定位仪标准位置的偏差实验数据记录项1.3组轨迹下每次运行的局部→全局坐标转换后位置值;2.每次运行的位置偏差值(系统输出-激光定位仪数据);3.每组轨迹5次运行的偏差最大值/最小值/平均值稳定性和可行性评价指标1. 可行性：直线轨迹位置偏差≤±5cm，曲线轨迹偏差≤±8cm，变加速轨迹偏差≤±10cm，即证明转换方案可行;2. 稳定性：每组轨迹5次运行的偏差标准差≤±2cm，即证明坐标系转换稳定性
[0111]误差补偿处理单元，包括：
[0112]将实际位置数据进行误差来源分析，误差来源分析包括传感器误差分析、外界环境干扰分析和模型误差分析;
[0113]对加速度计的陀螺仪的偏差进行校正，其中，通过在设备静止时测量并记录偏差值，然后在后续的计算中减去偏差值;
[0114]利用环境传感器数据对加速度计和陀螺仪的性能进行温度和湿度补偿，同时，使用磁力计数据来检测和补偿磁场干扰;
[0115]使用卡尔曼滤波将不同传感器的数据进行融合，并优化姿态和位置估计;
[0116]姿态和位置优化估计完成后得到实时补偿处理完成的位置和航迹数据，并标注为目标惯性导航数据。
[0117]具体的，从传感器误差、外界环境干扰和模型误差三个角度对实际位置数据进行全面的误差来源分析。这种全面的分析有助于准确识别影响数据精度的主要因素，为后续的数据处理和优化提供有针对性的指导，通过对加速度计的陀螺仪的偏差进行校正，特别是在设备静止时测量并记录偏差值，并在后续计算中减去这些偏差值，可以显著提高传感器数据的准确性。这种校正方法简单有效，能够大幅度减少因传感器自身误差引起的数据偏差，利用环境传感器数据(如温度和湿度)对加速度计和陀螺仪的性能进行补偿，能够减少环境因素对传感器性能的影响。同时，使用磁力计数据来检测和补偿磁场干扰，进一步提高了传感器数据的稳定性和可靠性，使用卡尔曼滤波将不同传感器的数据进行融合，并优化姿态和位置估计，这种方法能够充分利用多个传感器的数据，提高数据的冗余度和可靠性。卡尔曼滤波算法能够动态地调整各个传感器数据的权重，从而得到更加准确和鲁棒的位置和姿态估计，姿态和位置优化估计完成后，得到的实时补偿处理完成的位置和航迹数据具有较高的精确性。这种实时性和精确性对于需要高精度导航和定位的应用场景(如自动驾驶、无人机导航等)至关重要，经过上述处理和优化后得到的数据被标注为目标惯性导航数据，这些数据具有较高的可靠性和准确性，可以直接用于后续的导航和定位任务。这种数据的可用性提高了整个系统的实用性和应用范围，其中，针对加速度计及陀螺仪偏差校正和环境传感器补偿的验证实验如下表格所示：
[0118]
实验目的验证“对加速度计/陀螺仪偏差校正+利用温湿度/磁场数据补偿”的有效性，降低传感器误差，证明系统数据采集准确性实验设备1.本申请便携式矿用惯性导航系统1套;2.标准高精度惯性测量单元(IMU，精度≤0.1°/h)1台;3.可调控温湿度箱(温度范围-10~60℃，湿度范围20%~90%RH)1台;4.可控磁场干扰源(磁场强度0~500μT)1台;5.数据采集软件(记录传感器原始数据与校正后数据)实验步骤1. 偏差校正阶段：将本系统与标准IMU置于水平静止平台，连续采集30min静止数据，记录加速度计X/Y/Z轴偏差值、陀螺仪X/Y/Z轴偏差值，作为校正基准值;2. 环境补偿阶段：将系统放入温湿度箱，设置3组环境参数(①25℃/50%RH(常温常湿)、②-10℃/30%RH(低温低湿)、③60℃/90%RH(高温高湿))，每组稳定30min后，开启磁场干扰源(分别施加100μT、300μT、500μT干扰)，采集校正前(未减偏差+未补偿环境)与校正后(减偏差+环境补偿)的加速度/角速度数据;3. 重复验证：每组环境参数重复实验5次，确保数据重复性实验数据记录项1.各环境下校正前/后加速度计X/Y/Z轴误差值(与标准IMU对比);2.各环境下校正前/后陀螺仪X/Y/Z轴误差值(与标准IMU对比);3.不同磁场干扰强度下的补偿误差值稳定性和可行性评价指标1.可行性：校正后加速度计误差≤0.05m/s²，陀螺仪误差≤0.5°/h，即证明方案可实现;2. 稳定性：5次重复实验中，误差标准差≤0.01m/s²(加速度计)、≤0.1°/h(陀螺仪)，即证明系统数据采集稳定性
[0119]为了解决现有技术中，设备导航数据传输至控制平台时，没有选择传输速度最快的传输信道，从而使数据传输效率降低导致无法及时对数据进行控制的问题，请参阅图1和图2，本实施例提供以下技术方案：
[0120]数据传输单元，包括：
[0121]将目标惯性导航数据传输至地面监控中心，其中，目标惯性导航数据进行数据传输时自动选择传输速度最快的传输通道;
[0122]先将目标惯性导航数据划分为若干个长度一致的数据段;
[0123]根据数据段的数量计算目标惯性导航数据的数据传输量;
[0124]将目标惯性导航数据传输至地面监控中心的传输通道进行确认;
[0125]传输通道数量大于四条，将每条传输通道的通道剩余容量和传输信号强度进行实时监控;
[0126]选择通道剩余容量大于数据传输量的传输通道，作为目标惯性导航数据传输至地面监控中心的第一传输通道。
[0127]当第一传输通道大于两条时，选择传输信号强度最强的作为传输信号强度的第二传输通道;
[0128]最终目标惯性导航数据通过第一传输通道或第二传输通道传输至地面监控中心;
[0129]地面监控中心将目标惯性导航数据中的当前位置信息、导航状态及路径数据进行数据可视化处理;
[0130]数据可视化处理后得到目标惯性导航数据的三维导航数据，同时，三维导航数据在地面监控中心的显示终端进行显示。
[0131]具体的，通过自动选择传输速度最快的传输通道，确保了目标惯性导航数据能够迅速、高效地传输至地面监控中心。这种自动选择机制减少了数据传输的延迟，提高了实时性，将目标惯性导航数据划分为若干个长度一致的数据段，便于管理和传输。这种分段处理不仅简化了数据传输的复杂性，还有助于在数据传输过程中进行错误检测和纠正，根据传输通道的剩余容量和传输信号强度进行实时监控，并优先选择满足数据传输需求的通道，确保了数据传输的稳定性和可靠性。当有多条符合条件的通道时，进一步根据传输信号强度进行选择，进一步提升了数据传输的质量，通过计算目标惯性导航数据的数据传输量，并与传输通道的剩余容量进行比较，确保了数据传输的可行性。这种容量匹配机制避免了因通道容量不足而导致的传输失败，地面监控中心对接收到的目标惯性导航数据进行可视化处理，生成三维导航数据，并在显示终端进行显示。这种可视化处理不仅提高了数据的可读性，还有助于监控人员更直观地了解目标的导航状态和路径信息，实时监控传输通道的剩余容量和传输信号强度，以及数据可视化处理后的显示，都体现了实时监控与反馈的重要性。这种监控和反馈机制有助于及时发现并解决问题，确保数据传输和处理的顺利进行，传输通道数量大于四条，以及根据数据传输量和传输信号强度进行智能选择，都体现了方案的灵活性和可扩展性。随着技术的发展和需求的增加，可以方便地增加更多的传输通道或优化选择算法，以适应更复杂的数据传输需求。
[0132]设备电源管理单元，包括：
[0133]先对矿用设备的电池电量进行监测，其中，通过电压传感器实时监测矿用设备电池的输出电压，并根据电池的电压推算出矿用设备电池的剩余电量;
[0134]再对矿用设备的电池健康状态进行监测，其中，利用环境传感器中集成的温度传感器对电池的工作温度进行监测，同时，监测电池的充放电循环次数来评估电池的健康状态;
[0135]将电池电量报警阈值和电池健康状态报警阈值进行设定;
[0136]将获取的矿用设备电池的剩余电量和健康状态，分别与设定的报警阈值进行数据比对;
[0137]当获取的矿用设备电池的剩余电量和健康状态的阈值，不在设定的报警阈值范围内时，则自动触发警报提示。
[0138]具体的，通过电压传感器实时监测电池的输出电压，并推算剩余电量，以及利用温度传感器和充放电循环次数监测电池健康状态，实现了对电池状态的即时掌握。当电池电量或健康状态达到预设的报警阈值时，自动触发警报提示，有助于及时发现潜在问题，防止因电池故障导致的设备停机或安全事故，实时监测电池状态有助于预防电池过热、过充、过放等可能导致爆炸或火灾的安全隐患。警报系统的及时触发可以提醒操作人员采取必要的预防措施，保障人员和设备的安全，通过监测电池的充放电循环次数和工作温度，可以评估电池的健康状态，从而合理安排电池的维护和使用，延长电池的使用寿命。避免电池因过度使用或不当维护而提前报废，降低更换电池的成本，实时监测电池状态有助于确保矿用设备在关键时刻有足够的电力支持，提高设备的可靠性和稳定性。减少因电池故障导致的设备停机时间，提高设备的工作效率，通过数据比对和阈值判断，自动触发警报提示，降低了人工监测的劳动强度，提高了监测的准确性和效率。
[0139]需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0140]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型。
说明书附图(2)
声明：
“便携式矿用惯性导航系统” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：中国煤炭科工集团太原研究院有限公司, 山西天地煤机装备有限公司
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