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        基于最小二乘圓法的救援井井徑動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2021-09-09 06:27:42顧海榮郭項(xiàng)偉徐信芯張雅倩
        實(shí)驗(yàn)室研究與探索 2021年8期
        關(guān)鍵詞:井徑激光測(cè)距井筒

        顧海榮, 郭項(xiàng)偉, 徐信芯,2, 張雅倩, 羅 佳

        (1.長(zhǎng)安大學(xué)公路養(yǎng)護(hù)裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,西安710064;2.河南省高遠(yuǎn)公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)有限公司,河南新鄉(xiāng)453003)

        0 引 言

        近年來(lái),我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)持續(xù)穩(wěn)定好轉(zhuǎn),但較大事故持續(xù)不斷,重特大事故還未得到根本遏制,煤礦系統(tǒng)性安全風(fēng)險(xiǎn)猶存[1]。當(dāng)煤礦發(fā)生透水、火災(zāi)、冒頂?shù)仁鹿适构ぷ魅藛T被困于井下,而救援人員又無(wú)法靠近事故地點(diǎn)時(shí),建立直達(dá)事故地點(diǎn)的通道進(jìn)行施救是煤礦應(yīng)急救援的主要任務(wù)[2]。鉆孔救援一般通過(guò)鉆取地面大直徑逃生鉆孔,并以救援提升艙為載體營(yíng)救井下被困人員,是有效實(shí)施救援的重要技術(shù)途徑[3-5]。目前,逃生鉆孔內(nèi)大多要安裝無(wú)縫鋼套管。但井筒套管處于一個(gè)由巖土、地應(yīng)力場(chǎng)、水和溫度場(chǎng)環(huán)境共同組成的復(fù)雜自然環(huán)境中[6],加上工程因素和地震等突發(fā)因素的影響,井筒套管可能會(huì)產(chǎn)生變形甚至是破裂損壞,造成救援提升過(guò)程中提升艙的卡滯,直接影響救援工作的順利進(jìn)行。因此,在救援提升過(guò)程中對(duì)井筒結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量很有必要。

        激光測(cè)量因其具有測(cè)量精度高、速度快等特點(diǎn),在礦山井筒測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用。于志龍等[7]利用激光垂準(zhǔn)儀建立雙激光基準(zhǔn),并在井筒中選取特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量和坐標(biāo)計(jì)算,通過(guò)對(duì)比特征點(diǎn)坐標(biāo)的變化得出井筒變形情況。王正洋等[8]研制了由6個(gè)手持式激光測(cè)距儀和鋁合金框架組合而成的礦井立井井筒變形檢測(cè)裝置,并確立了通過(guò)井筒斷面測(cè)量及罐道變形檢測(cè)來(lái)檢測(cè)井筒變形的方法。查劍林[9]設(shè)計(jì)了一款井筒內(nèi)壁快速成圖系統(tǒng),其通過(guò)安置于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上的激光位移傳感器進(jìn)行三維掃描來(lái)得到井筒數(shù)據(jù)信息,并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的軟件模塊。馬福義等[10]利用三維激光掃描儀掃描豎井井筒,對(duì)獲得的點(diǎn)云進(jìn)行三維建模并將其與參考井筒模型進(jìn)行比較獲得井筒變形情況。

        本文在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建了救援井井徑動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng),以測(cè)量平臺(tái)模擬提升艙,采用激光測(cè)距傳感器獲得測(cè)量平臺(tái)與井壁間的距離,并利用最小二乘圓法對(duì)所獲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,最終在LabVIEW軟件中對(duì)井筒結(jié)構(gòu)參數(shù)等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。通過(guò)試驗(yàn)計(jì)算分析了該系統(tǒng)誤差,表明該系統(tǒng)可用于指導(dǎo)救援提升工作。

        1 最小二乘圓算法

        為表征救援井井筒的結(jié)構(gòu)參數(shù),在測(cè)量過(guò)程中需要確定每個(gè)井筒截面的理想圓心位置及其到截面輪廓的距離,即擬合出井筒截面輪廓曲線的圓心坐標(biāo)和半徑值。最小二乘圓(LSC)是一種評(píng)定基準(zhǔn)圓,它使從被測(cè)輪廓上各點(diǎn)到該圓的徑向距離的平方和為最?。?1-14],其得到的圓心坐標(biāo)能較準(zhǔn)確地反映井筒軸線位置。本文采用LSC法來(lái)確定井筒截面的理想中心。

        如圖1所示,閉合的實(shí)線為井筒截面輪廓;虛線為擬合得到的LSC。以提升艙測(cè)量平臺(tái)中心點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn)建立測(cè)量平臺(tái)坐標(biāo)系,Pixi,y( )i(i=1,2,…,m)為井筒截面輪廓的一測(cè)點(diǎn),該點(diǎn)到O點(diǎn)的距離為Ri,對(duì)應(yīng)的角度為θi。

        圖1 最小二乘圓示意圖

        圖中:C(u1,u2)為擬合出的最小二乘圓圓心坐標(biāo);R為最小二乘圓的半徑,則各測(cè)點(diǎn)到該圓心的距離R′i為

        因此,各測(cè)點(diǎn)到最小二乘圓的徑向距離,即半徑誤差εi=R′i-R的平方和為

        使用最小二乘圓法即要求上式的值為最小。

        在滿足圓度誤差遠(yuǎn)小于半徑的前提下,半徑誤差εi可近似表示為

        由此得到最小二乘圓線性模型:

        由文獻(xiàn)[15]可知,式(4)是一個(gè)超定方程組,其正則方程為

        如果各測(cè)點(diǎn)均布于圓周,θi=iΔθ,Δθ=2π/m,且m充分大,則有:代入式(5)可得:

        由此可得最小二乘圓的圓心坐標(biāo)和半徑分別為

        2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2.1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

        救援井井徑動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)硬件的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示,可將其分為井下和地面兩部分。井下部分由激光測(cè)距傳感器、數(shù)據(jù)采集終端、井下調(diào)制解調(diào)器、紅外攝像頭、拉壓力傳感器等組成;地面部分由地面中心站、井上調(diào)制解調(diào)器、深度測(cè)量裝置、提升裝置等組成。通過(guò)一對(duì)調(diào)制解調(diào)器將采集終端采集到的數(shù)據(jù)在井下進(jìn)行調(diào)制、打包并通過(guò)雙絞線傳輸?shù)降孛孢M(jìn)行解調(diào),并結(jié)合深度和提升數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳送至地面中心站的計(jì)算機(jī)中。井下各裝置通過(guò)直流電源供電。

        圖2 救援井井徑動(dòng)態(tài)測(cè)量硬件系統(tǒng)

        2.2 激光測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

        激光測(cè)量屬于無(wú)接觸測(cè)量,具有精度高、速度快、抗光、電干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),在許多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。基于這些特點(diǎn),本文采用激光測(cè)距傳感器對(duì)井筒進(jìn)行測(cè)量。

        激光測(cè)距傳感器選型主要考慮量程、線性度、工作條件、采樣頻率等要素。經(jīng)調(diào)研和比較,選用美國(guó)邦納公司生產(chǎn)的Q4X系列激光測(cè)距傳感器Q4XTULAF500-Q8。該傳感器為1級(jí)激光CMOS傳感器,量程為25~500 mm,能夠探測(cè)到亞毫米級(jí)的距離變化,且外殼堅(jiān)固,防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP69K,能夠滿足井筒測(cè)量的要求。

        如圖3所示,將6個(gè)激光測(cè)距傳感器呈60°均布裝于測(cè)量平臺(tái)同一圓上,其圓心與測(cè)量平臺(tái)中心重合,并保證呈180°布置的兩傳感器測(cè)量射線共線。

        圖3 激光測(cè)距傳感器的布置

        數(shù)據(jù)采集終端由數(shù)據(jù)采集卡和機(jī)箱組成。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡選用美國(guó)NI公司的C系列電壓輸入模塊NI-9205,使用與之配套的CompactDAQ機(jī)箱。采用差分接法將6路激光傳感器輸出線接在采集卡的相應(yīng)接線端子上。

        3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)軟件部分是在LabVIEW軟件上實(shí)現(xiàn)。使用DAQmx模板中的創(chuàng)建虛擬通道VI、定時(shí)(采樣時(shí)鐘)VI、開(kāi)始任務(wù)VI、讀取VI、清除任務(wù)VI等完成激光傳感器數(shù)據(jù)采集程序的框架構(gòu)建[16]。由于激光測(cè)距傳感器的信號(hào)輸出方式為模擬電壓輸出,故將創(chuàng)建虛擬通道VI設(shè)置為“AI電壓”選項(xiàng),并為之配置接線方式、物理通道、輸入電壓最大值和最小值等。同樣地,為采樣時(shí)鐘VI配置采樣模式、采樣速率,將讀取VI設(shè)置為“模擬1D波形N通道N采樣”選項(xiàng),以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)傳感器模擬信號(hào)的連續(xù)采集。

        經(jīng)讀取VI后,對(duì)各路傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行平滑濾波和均值化處理,然后通過(guò)添加公式節(jié)點(diǎn)將電壓值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的距離值輸出,其中的轉(zhuǎn)換關(guān)系式由對(duì)激光傳感器的標(biāo)定得出。輸出的距離值信號(hào)將進(jìn)入最小二乘圓子VI中,其程序框圖如圖4所示。其中,第1個(gè)公式節(jié)點(diǎn)中列出了最小二乘圓圓心坐標(biāo)和半徑的計(jì)算公式,即式(7);第2個(gè)公式節(jié)點(diǎn)通過(guò)計(jì)算最小二乘圓圓心到各測(cè)點(diǎn)的距離返回最大和最小半徑,從而得到井筒截面的圓度誤差。最小二乘圓子VI輸出的最小二乘圓圓心坐標(biāo)、井筒截面平均直徑、最大最小直徑、圓度誤差可實(shí)時(shí)顯示于LabVIEW前面板上,且可通過(guò)最小二乘圓圓心坐標(biāo)求得測(cè)量平臺(tái)中心相對(duì)于擬合圓圓心的偏心量e和偏心角度θ,計(jì)算公式如下:

        圖4 最小二乘圓子VI程序框圖

        式中,(u1,u2)為最小二乘圓圓心坐標(biāo)。

        此外,在程序中設(shè)置了井徑報(bào)警燈和偏心報(bào)警燈,當(dāng)測(cè)得的井筒直徑小于設(shè)定的直徑或測(cè)量平臺(tái)中心偏離設(shè)定的閾值后,報(bào)警燈被觸發(fā),以提醒地面操作人員。

        系統(tǒng)前面板由攝像頭顯示面板、可視化面板、圖表面板、數(shù)值顯示面板、報(bào)警燈面板、設(shè)置面板等組成,如圖5所示。首先,對(duì)激光測(cè)量模塊的保存路徑、拉力值范圍、井深值范圍、攝像頭視頻保存路徑等進(jìn)行設(shè)置,點(diǎn)擊“運(yùn)行”后,時(shí)間、XY坐標(biāo)、井徑、拉力、深度等數(shù)據(jù)會(huì)保存在相應(yīng)的文件路徑中,并可以通過(guò)前面板的圖表面板看出井徑、速度等的變化情況??梢暬姘逋ㄟ^(guò)調(diào)用與測(cè)試所得數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)井筒形貌的三維展現(xiàn)。

        圖5 救援井井筒直徑動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)前面板

        4 試驗(yàn)驗(yàn)證及分析

        在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建試驗(yàn)臺(tái),使用內(nèi)徑為φ606 mm,高度為2.5 m的豎直圓筒來(lái)模擬救援井井筒,用外徑φ560 mm的測(cè)量平臺(tái)模擬提升艙,測(cè)量平臺(tái)的組成如圖6所示。

        圖6 測(cè)量平臺(tái)的組成

        試驗(yàn)時(shí),在井壁內(nèi)人工添加標(biāo)志物模擬井筒變形,通過(guò)控制提升裝置中電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速模擬提升艙經(jīng)過(guò)井筒變形處的過(guò)程。首先,在井筒內(nèi)適當(dāng)位置張貼標(biāo)志物模擬徑向凹陷變形即局部變形,凹陷值為5 mm,然后保持測(cè)量平臺(tái)水平,使提升裝置分別以20、40、60、100 mm/s的速度提升測(cè)量平臺(tái)。同樣地,在井筒同一位置整個(gè)圓周貼滿標(biāo)志物模擬縮徑變形,使縮徑后的井徑為φ597 mm,其他條件與上述試驗(yàn)均相同。最后,撤去全部標(biāo)志物,測(cè)量未變形井筒的井徑變化。圖7所示為不同速度下所獲得的部分井徑數(shù)據(jù)。由于試驗(yàn)過(guò)程中采樣率不變,測(cè)量相同井段時(shí)所獲數(shù)據(jù)會(huì)隨著速度的增大而減少,故提升速度為60和100 mm/s的試驗(yàn)只保留20組數(shù)據(jù)。

        圖7 不同提升速度下測(cè)得的井徑變化

        由圖7可知,以上4種速度提升時(shí)能夠看出變形處的井徑變化,且變形處測(cè)得的井徑誤差在±2 mm。又由井筒公稱直徑為φ606 mm,計(jì)算可得,當(dāng)提升速度為20和40 mm/s時(shí),未變形井筒段擬合圓直徑相對(duì)誤差在±0.3%;當(dāng)提升速度為60和100 mm/s時(shí),未變形段的相對(duì)誤差在±0.8%。

        5 結(jié) 語(yǔ)

        本文設(shè)計(jì)了一套救援井井筒直徑動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng),其硬件部分通過(guò)測(cè)量平臺(tái)上的激光測(cè)距、拉壓力傳感器、攝像頭獲取井下信息,并結(jié)合深度測(cè)量裝置和提升控制裝置的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳送至上位機(jī)中。通過(guò)在LabVIEW軟件上對(duì)6個(gè)均布的激光測(cè)距傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘圓擬合,并將得到的井徑、井筒中心坐標(biāo)等數(shù)據(jù)顯示于LabVIEW前面板,構(gòu)建了軟件系統(tǒng)的核心內(nèi)容。通過(guò)在井筒內(nèi)壁人工設(shè)置變形點(diǎn),并以不同速度提升測(cè)量平臺(tái)來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的精度。試驗(yàn)表明,以20~100 mm/s速度提升時(shí),該系統(tǒng)的相對(duì)誤差在±0.8%范圍內(nèi),并可通過(guò)LabVIEW前面板的圖表面板看出井徑的變化情況。結(jié)果表明,該系統(tǒng)可用于指導(dǎo)鉆孔救援提升工作,提高救援效率。

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