CN102927865A - 高精度gps牙轮钻机自动布孔*** - Google Patents

Abstract

一种高精度GPS牙轮钻机自动布孔***，属于露天采矿数字化穿爆技术领域。包括智能终端、双频GPS模块、GPS差分站、调度控制中心的计算机网络及终端计算机、GPS差分站、智能终端主机软件和调度控制中心软件。优点在于，消除了传统穿爆生产工艺中潜在的、不可控的、影响穿爆质量的各种因素，利用现有高新技术对传统工艺进行改造，实现管理过程精细化、控制过程数字化。

Description

高精度GPS牙轮钻机自动布孔***

技术领域

本发明属于露天采矿数字化穿爆技术领域，特别是提供了一种高精度GPS牙轮钻机自动布孔***。

背景技术

目前我国大部分露天矿沿用传统的穿爆生产工艺，部分企业采用了爆孔设计软件进行前期的平台测量和爆孔生成，更多的企业则几乎不做爆孔设计分析，钻机穿孔定位时凭人工经验摆石堆、打桩、划线等传统标记方法，定位极其不精确，爆孔深度的一致性也得不到保证，***作业后底部不平整，造成后续的铲装作业环境恶劣。为了消除传统穿爆生产工艺中潜在的、不可控的、影响穿爆质量的各种因素，利用现有高新技术对传统工艺进行改造，实现管理过程精细化、控制过程数字化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度GPS牙轮钻机自动布孔***，消除了传统穿爆生产工艺中潜在的、不可控的、影响穿爆质量的各种因素，利用现有高新技术对传统工艺进行改造，实现管理过程精细化、控制过程数字化。

本发明的牙轮钻机自发动布孔***包括智能终端、双频GPS模块、GPS差分站、调度控制中心的计算机网络（包括有线局域网络、无线通讯网络）及终端计算机（包括：网络交换机、网络服务器、调度管理计算机、电子地图计算机、***管理计算机、用户计算机、通讯管理计算机、地址模型计算机）、GPS差分站、智能终端主机软件和调度控制中心软件。

安装位置：

调度控制中心软件安装在调度控制中心的相应终端计算机上；GPS差分站建设在调度控制中心的相对开阔地带，差分数据通过无线通讯网络以广播方式发送给智能终端；智能终端安装在牙轮钻机上，利用所安装的智能终端主机软件，首先通过无线通讯网络与调度控制中心的相应计算机建立连接后，再通过安装在相应计算机上的调度控制中心软件进行数据交换；GPS卫星定位模块安装在智能终端主机内部，通过此模块对钻孔坐标进行精确定位，从而实现对牙轮钻机穿孔位置的定位；无线通讯网络是智能终端主机与调度控制中心的各相应终端计算机之间交换数据的载体；调度控制中心的有线局域网络将各相应终端计算机连接在一起，是调度控制中心软件运行的硬件环境。

各部分之间连接关系：

调度管理计算机、电子地图计算机、***管理计算机、用户计算机、通讯管理与安置在调度控制中心的网络交换机物理相连，通过调度控制中心的计算机网络进行数据交换，网络服务器提供各种相应服务；GPS差分站与通讯管理计算机通过RS232接口相连；智能终端主机通过无线通讯网络与通讯管理计算机进行通讯，采集的数据存储在网络服务器中。***结构(见图1所示)。

1、智能终端

智能终端安装在牙轮钻机上，由嵌入式工控机、双频GPS模块、无线通讯模块、标准RS232串口、RS485接口、电源模块、穿孔深度采集模块、智能终端主机、智能终端显示器、穿孔深度测量模块组成。各部分之间采用相应的高强度电缆连接，外壳采用全封闭金属结构进行封装，结构（见图2所示）。主要完成穿孔位置导航、定位、穿孔深度测量、穿孔完成孔位坐标测量、与地面调度控制中心通讯功能。

各部分之间连接关系：

智能终端主机内置嵌入式工控机。嵌入式工控机包含4个RS232接口、1个以太网接口、1个VGA接口、1个扩展RS485接口、2个USB接口。智能终端显示器通过VGA接口与智能终端主机连接；双频GPS模块通过RS232接口与嵌入式工控机连接；穿孔深度测量模块与扩展RS485接口相连；以太网接口与无线通讯模块相连接。

（1）嵌入式工控机（图3所示）

智能终端采用WinSystems公司EPX系列无风扇结构的嵌入式工控机，它体积小、发热低、抗干扰能力强，具有1个以太网接口、4个RS232接口、2个USB接口和一个VGA接口，各接口功能如下：

所述的以太网接口与UBNT公司的无线模块连接，通过覆盖现场的无线通讯网络完成与调度控制中心的数据交换。

所述的RS232接口1和接口2用于采集GPS定位数据；接口3用于接收GPS差分数据；接口4用于采集穿孔深度数据。

所述的VGA接口用于智能终端主机与智能终端显示器之间的连接。

所述的USB接口用于安装操作***及调试应用程序

（2）双频GPS定位模块

双频GPS定位模块安装在智能终端主机内，用RS232方式与嵌入式工控机通讯。本***采用两块双频GPS定位模块，应用载波相位差分方式使定位精度达到水平1cm+1ppm，高程±2cm+1ppm,实现高精度快速定位。

每块双频GPS定位模块具有两个RS232接口，接口1接收GPS定位数据，接口2接收GPS差分数据。第一块双频GPS定位模块的接口1与嵌入式工控机的RS232接口1连接，向***提供GPS定位数据，接口2与嵌入式工控机的RS232接口3连接，接收GPS差分数据；第二块双频GPS定位模块的接口1与嵌入式工控机的RS232接口2连接，向***提供GPS定位数据，接口2与嵌入式工控机的RS232接口3连接，接收GPS差分数据。

由于牙轮钻机体积庞大，钻杆支架高度一般距离地面20米左右，工作过程晃动较大。如果用一块GPS模块直接安装在钻架顶端，钻机的微小动作都会导致测量误差的增大，为了解决穿孔点位坐标位置的在线测量，采用两块双频GPS定位模块，利用已知两点坐标求第三点坐标方式，计算出钻机钻杆坐标即穿孔位置坐标。在实际应用时通过实践检验，使用钻杆与两个GPS天线在同一直线方式（直线方位角法）或钻杆与两个GPS天线成等腰三角形（等腰三角形法）方式均可准确地确定钻杆位置坐标，有效的解决了震动、晃动带来的测量误差。具体使用直线方位角法还是等腰三角形法可以根据牙轮钻机的具体情况确定。

所述的直线方位角法的具体情况是，牙轮钻机钻杆处在两个GPS接收天线的延长线上或者牙轮钻机钻杆处在两个GPS接收天线之间，通过已知的两个GPS点坐标和A、B的长度计算出钻杆坐标。（见图4所示）

设：GPS1的坐标为（x_B，y_B），GPS2的坐标为（x_A，y_A）

求：钻杆的坐标为（X，Y）

其中：方位角为M

M＝arctan((y_a-y_b)/(x_a-x_b))

方位角分四种情况：

第一种情况（第一象限）：

当y_A-y_B>0，x_A-x_B>0时，N=M

第二种情况（第二象限）：

当y_A-y_B<0，x_A-x_B>0时，N=180°－M

第三种情况（第三象限）：

当y_A—y_B<0，x_A—x_B<0时，N=180°＋M

第四种情况（第四象限）：

当y_A—y_B>0，x_A—x_B<0时，N=360°－M

钻杆坐标的计算

X=x_B+A*cosN

Y=y_B+A*sinN

通过计算所得的坐标（X，Y）即为钻杆的位置坐标，也是钻机需要穿孔的位置坐标。

所述的等腰三角形法的具体情况是，牙轮钻机钻杆与两个GPS天线成等腰三角形，钻杆处在等腰三角形的顶点，通过已知的两个GPS点坐标和R的长度计算出钻杆坐标。（见图5所示）。

已知：A(X₁,Y₁)，B(X₂,Y₂)两点位是等腰三角形底边两点（A，B两点分别是GPS的两个定位点），L为A,B两点间距离，R为左臂长。求C点坐标。

$\mathrm{RL}=\sqrt{4R^2-L^2}/L$

X=X₁+((X₂-X₁）-(Y₂-Y₁)*RL）/2

Y=Y₁+((X₂_X₁)*RL+(Y₂-Y₁))/2

通过计算所得的坐标（X，Y）即为钻杆的位置坐标，也是钻机需要穿孔的位置坐标。

（3）无线通讯模块

PPM-WIRELESS无线通讯模块嵌入PC04结构的扩展板上，与嵌入式工控机采用PC104接口连接，封装在智能终端主机内。实现以下功能：

接收控制中心指令；

接收***设计的穿孔坐标数据；

接收控制中心的GPS差分数据；

上传给调度控制中心钻机作业位置坐标；

上传给调度控制中心牙轮钻机当前工作状态；

上传给调度控制中心穿孔位置坐标及穿孔深度数。

（4）标准RS232接口

标准RS232接口1和接口2用分别于采集2块GPS定位模块数据；串口3用于接收GPS差分数据；串口4用于采集穿孔深度数据。

（5）穿孔深度采集模块

穿孔深度采集模块用于实时采集牙轮钻机的钻孔深度，是精确孔底控制的关键部件。由于穿孔深度采集的实时性和穿孔动作的特殊性，制约了很多的采集方式不能应用，通过实验采用OMRON旋转编码器加智能仪表组合方式有效的解决了穿孔过程的正反转和深度采集的实时性。

OMRON旋转编码器与牙轮钻机的主轴采用柔性链接，随着主轴的旋转而旋转。OMRON编码器旋转一周产生500个脉冲，脉冲输出信号接入到LGD100仪表，仪表根据旋转编码器的旋转方向记录编码器产生的脉冲数。

LGD100脉冲记录仪表具有2路脉冲的输入接口，1路RS485接口。脉冲的输入接口分别记录OMRON旋转编码器的输出的正、反转脉冲，正传脉冲数减反转脉冲数即为钻杆实际钻孔时进米产生的脉冲数，通过旋转编码器旋转一周的进米深度和产生的脉冲数计算出单脉冲的深度比，计算出穿孔深度数据；LGD100仪表的RS485接口通过RS232—RS485转换器，与PC104嵌入式工控机的串口4连接，采集穿孔深度数据。

（6）电源模块

电源模块为智能终端主机硬件提供稳定电源，输入电压：DC9—36V，输出电压：DC12V。具有滤波、防雷、抗干扰能力。

（7）智能终端显示器

智能终端显示器由液晶屏、触摸屏组成。液晶屏用来显示指令和与生产相关的信息界面，液晶屏幕采用彩色8.4英寸，屏幕分辨率800×600，可视角大于160度，工作环境温度-35°C-70°C，采用镶嵌式安装结构；触摸屏用来操作相应按钮，下端加托架，液晶屏与触摸屏之间加5毫米平板玻璃，增加强度。

2、GPS差分站

要实现钻机应用GPS***自动布孔，需要智能终端主机GPS定位精度提高到厘米级。因此，需要建立高精度中心差分站，将差分信息发送到智能终端主机，GPS差分站结构（如图6所示）。其具体功能如下。

（1）提供RTK差分信号

利用基站的连续观测数据进行组网，通过MESH网，向矿区用户实时发布RTK差分数据（精度1—2厘米）。

（2）提供DGPS伪距差分信号

通过无线通讯网络等通信手段发布GPS伪距差分信号（差分精度为亚米级），为GIS用户和车辆导航用户提供数据采集和导航定位服务。

（3）原始数据处理

采集保存原始数据，按照1秒的采样率向用户提供全面实时的原始观测数据，并能根据用户的权限，满足用户的需求，使其能方便的检索、查询和提取原始数据或者经过一定处理之后的数据。

4、调度控制中心的计算机网络

调度控制中心的计算机网络由有线局域网络和无线通讯网络组成。有线局域网络采用100M以太网将相应的终端计算机物理相连，实现数据共享。无线通讯网络为采区内的移动设备（包括牙轮钻机、电铲、矿车等）提供信号覆盖，使需要控制的设备接收到调度控制中心的指令、数据以及为调度控制中心提供生产过程数据。

5、智能终端主机软件

智能终端主机软件安装在智能终端主机内，负责接收、解析调度控制中心的各种指令、***作业作业计划数据，并为调度控制中心采集生产过程数据、穿孔位置坐标数据、穿孔深度数据等，基本功能如下：

岗位人员登陆：操作岗位人员接班上岗后进行登陆（具备判别是否为本设备操作人员能力）。作用：进行到人的生产组织、统计、分析的基础。

操作申请：钻机启车作业前向中心发出申请，得到批准后方可进行作业；作业类型包括：正常作业、移动钻位、检修作业等；设备故障抢修申请附带故障初步判断，按电器、机械分大类，按部位细分小类。作用：进行作业审批，并可完成不同作业内容下的生产经营数据采集。

穿孔计划：从模拟******得到（或给定）爆区的具体***布孔坐标、孔距、孔深等，为牙轮钻提供作业计划相关数据。

***作业计划通过中心无线网络发给某台钻机，形成布孔分布控制图。智能终端根据作业计划的孔位坐标值，在屏幕模拟显示出爆区的布孔分布情况图，当司机选中具体某一个钻孔时，智能终端为司机穿孔作业导航。

穿孔作业：当智能终端判断出具体的穿孔位置之后，向牙轮钻司机发出可以穿孔信息，开始穿孔作业，同时实时测量穿孔深度数据，当达到设计深度时提示司机穿孔完成。

穿孔完成：穿孔完成后智能终端将钻孔坐标、米道数据、穿孔数量、穿孔速度等数据上传到中心数据库***。

设备故障：在钻机出现故障时及时向控制中心反馈情况，控制中心根据故障情况，安排修理人员进行处理，处理完毕后，向控制中心反馈信息。

6、调度控制中心软件

调度控制中心软件包括调度管理计算机上安装的软件、通讯管理计算机上安装的软件、电子地图计算机上安装的软件、***管理计算机安装的软件（本次发明不包含）、地址模型计算机上安装的软件（本次发明不包含）五部分组成。

***各部分之间的关系（见图7所示）

***管理计算机设计出穿孔位置坐标及穿孔深度，形成***作业计划；

电子地图计算机对***作业计划进行合理性审查；

通讯管理计算机把穿孔计划数据发送到智能终端主机；

智能终端主机根据***作业计划进行钻孔作业,钻孔作业完成的数据通过无线通讯网络实时传送到调度控制中心的网络服务器数据库；

***管理计算机读取中心数据库的穿孔结果，进行计算机模拟***，确定装药量及起爆顺序；

地址模型计算机读取***完成的暴区坐标、孔深、孔性质等数据，形成三维地址模型。

本发明的创新包括一下五方面：

1、运用两块双频GPS模块实现牙轮钻机钻杆位置定位

牙轮钻机本身设备庞大，工作时震动剧烈，而且钻架高出地面20多米，一块双频GPS模块不能解决钻杆位置的精确。为了解决钻杆位置的精确定位，运用两块双频GPS模块实现钻杆位置的精确定位。

2.与***设计***、地址模型***数据共享

该***与***设计***、地址模型***数据共享，实现设计、生产、管理全流程闭环控制。

3.穿孔位置导航

改变原来凭人工经验摆石堆、打桩、划线等传统标记方法，利用双频GPS模块实现穿孔位置精确导航，不仅提高了穿孔精度，而且消除了雨、雪、雾、白天、夜间的影响因素，实现了钻机全天候作业。

4.精确孔底控制

运用高精度GPS牙轮钻机自动布孔***，不仅保证其所钻孔的水平定位精度，而且还能对穿孔深度进行动态跟踪，使所穿孔深精确控制在同一个水平面或在一个水平角的坡面内。使***质量得到明显提高。

5.穿孔结果自动测量

钻机穿孔位置坐标、穿孔深度自动测量，并通过无线通讯网络传送到调度控制中心。调度控制中心对生产过程动态监测、穿孔和***测量一体化，实现管理过程精细化、控制过程数字化。

附图说明

图1为***网络结构图。

图2为智能终端主机结构图。

图3为车载智能终端设备嵌入式工控机硬件图。

图4为GPS接收机天线位置图。

图5为GPS接收机天线位置图。

图6为GPS差分天线配置及线路配置图。

图7为***设计审核流程图。

图8为穿孔位置坐标图。

图9为电子地图。

图10为药量计算图。

图11为中***联线图。

图12为穿孔任务书图。

图13为***指令书图。

图14为WGS-84坐标系图。

图15为坐标系空间转换流程图。

具体实施方式

1.首钢矿业公司水厂铁矿矿简介

该***于2009年底在首钢矿业公司水厂铁矿正式开始运行。首钢矿业公司水厂铁矿位于河北省唐山市境内的迁安市与迁西县交界处，矿区面积19.55km2，1969年建成投产,至今已连续开采40余年，累计采出矿石约3.1亿t。现保持年采剥总量5600万t，矿石1100万t，原矿处理量1800万t的规模，是亚洲特大型露天铁矿之一。目前在用YZ-55钻机6台，45-R钻机1台。

2.完善和改进现有Blast-Code计算机***设计软件设计

（1）改进***设计工作

自行开发程序，实现在采场平面图上批量自动提取炮孔的坐标，改进现在***测量出图程序，实现***测量图纸的全面数字化。

（2）建立分水平***测量电子图板

可以方便地被***地形地质数据库调用，显示已经***的炮孔，实现方便、快捷、精准的接爆区设计。

（3）完善现有计算机***设计

根据水厂铁矿目前实际情况，结合软件中存在的问题，重新进行软件编程，把软件升级到4.0版本，解决其存在的不能利用我矿现在SURPAC软件采场数据库文件进行及时更新、部分功能不完善等问题。

（4）建立***地形地质数据库

可以方便地利用SURPAC软件进行实时更新，可以迅速地为加载***电子地图和***数据库进行***设计。

（5）建立矿岩可爆性数学模型。

与水厂铁矿现场实际相结合，完善露天矿矿岩可爆性分级数学模型，并据此对水厂铁矿采场进行***分区，完善台阶垂直中深孔微差***模块，实现灵活多样的自动***设计、人工***设计审查。

3、数据采集、处理、坐标转换软件研发

数据采集、处理软件研发

在计算机上利用外置***地形地质数据库进行人工炮孔设计，然后利用blast-code***设计4.0版本程序进行***设计合理性审查的人工辅助计算机***设计审核流程(如图7所示)。

（1）打开水厂铁矿***地形地质数据库，输入坐标确定设计爆区所在地理位置，准确的了解其地质概况（岩性、硬度、断层等）。

（2）打开对应水平的水厂铁矿分水平爆区模板图，找到紧挨着设计爆区的已爆爆区，并将其加载到水厂铁矿***地质地形图上。

（3）做好上面两步骤之后，根据水厂铁矿***分区指导参数表，根据设计爆区的地理位置情况，确定其分区和孔网参数，并开始设计爆区。

（4）在爆区设计完成之后，生成暴区穿孔位置坐标，(如图8所示)。

（5）牙轮钻自动布孔***与***设计数据共享结果

首先，打开保存坐标的文件，找到并核对坐标个数是否与设计爆区的孔数相一致。

然后，将保存坐标的文件(.txt)用Excel软件打开，并将其的x与y进行相互对调，并保存文件。

将第二步保存的文件打开，并复制其全部内容；然后打开终端***的钻孔计划文件，将内容复制到里面；最后打开终端***程序，将钻孔计划数据导入到***里。

（6）下传设计爆区的炮孔坐标到钻机GPS终端

首先，在数据导入牙轮钻自动布孔***之后，打开电子地图，检查地图中的孔数与地理位置是否与设计一致，(如图9所示)。

其次，在***设计结果通过合理性数据检验之后，将***设计孔位坐标通过无线传输模块传送到牙轮钻机智能终端上，以其坐标指导穿孔作业。

（7）岗位操作人员按设计坐标进行穿孔作业

第一，在钻机终端接收到爆区坐标设计数据之后，拿出同步送达的纸质穿孔任务书，将其与终端屏幕上的孔数进行核对；

第二，在核对完之后，在屏幕上找寻并确定钻机将要穿孔的孔号。按屏幕的孔位位置移动钻机，找准位置，开始穿孔作业；

第三，在穿孔结束后，在钻机终端机上按完成，将孔的实际坐标传到牙轮钻机终端布孔管理***中。

钻机岗位作业流程为：

打开GPS终端→进行岗位注册→发出作业请示→接到调度指令后移动钻机对准孔位，达到***精度要求→***解锁，允许钻机进行穿孔作业。

（8）导出成孔坐标

在爆区穿孔完成之后，牙轮钻机自动布孔***将钻机反馈回来的所有孔位坐标，保存在中心数据库中，同时将穿孔结果形成文本文件。

（9）整理成孔坐标

打开上一步保存的文件，另存为一份excel文件，将其提供给测量使用。

（10）导入计算机***设计***，审查***设计

首先，打开计算机***设计***，将第（9）步整理的dat文件导入***之中。

在数据导入***之后，开始***设计，设计通过审查后，输出：药量计算表（如如图10所示）、联线图（如图11所示）、穿孔任务书（如图12所示）、***指令书（如图13所示）等。

（11）测量出图验收***量及完成设计

技术员在拿到通过审查的设计图纸和爆区综合平面图之后，即可根据设计组织后续的***计划和***施工。

（12）为地址模型模块提供穿孔结果

钻机穿孔完成数据包括坐标位置、孔深、穿孔性质等数据通过三维的采矿地质模型***精确计算出采区范围内的矿、岩总量，合理安排采掘计划，使采矿生产科学、合理、有序，实现企业科学发展。

4.坐标转换软件研发

由于模拟***设计模块、地址模型模块均采用BJ-54坐标系，而GPS***采用WGS-84坐标系，要想实现各模块之间的数据共享，必须对不同的坐标系进行相互转换。

WGS-84与BJ-54坐标转换

为了适应地址模型软件以及模拟***软件，***需要将WGS-84坐标与BJ-54坐标进行相互转换，因此，需要建立与之相适应的数学模型，实现不同坐标系内的坐标旋转、平移和高程拟合，达到科学合理应用的目的。

在GPS***中，卫星主要被作为位置已知的空间观测目标。因此，为了确定地面观测站位置，GPS卫星的瞬间位置也应换算到统一的地球坐标***中。

（1）WGS-84坐标系：大地坐标系WGS-84（World Geodetic System-84）是目前GPS所采用的坐标***，GPS所发布的星历参数就是基于此坐标***的。（见图14所示）

WGS-84坐标系的原点为地球质心M，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地极（Conventional Terrestrial Pole,CTP），X轴指向BIH1984.0定义的零子午面与CTP相应的赤道的交点，Y轴垂直于XMZ平面，且与Z、X轴构成右手坐标系（如图4）。WGS-84坐标系采用的地球椭球，称为WGS-84椭球，主要参数为：①长半径a=6378137m；②WGS-84椭球扁率f=1/298.257223563；③地球（含大气层）引力常数GM=(3986005×10⁸)m³/s²；④正常二阶带谐系数C2.0=484.16685×10^-6；⑤地球自转角速度ω=(7292115×10^-11)rad/s。

（2）1954年北京坐标系：1954年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系。该坐标系采用原苏联的克拉索夫斯基椭球体，其参数为：长半径a＝6378245m，扁率f=1/298.3，原点位于原苏联的普尔科夫。该椭球并未依据当时我国的天文观测资料进行重新定位，而是由前苏联西伯利亚地区的一等锁，经我国的东北地区传算过来的，该坐标系的高程异常是以前苏联1955年大地水准面重新平差的结果为起算值，按我国天文水准路线推算出来的，而高程又是以1956年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准。

（3）坐标系的转换（见图15）：在WGS-84下的GPS解算结果具有极高的精度，但由于生产的需要，必须进行坐标的转换，为避免转换过程中造成精度损失，同时又能满足监测与生产两方面的要求，监测网应进行两种坐标***的转换，一是将监测点的GPS坐标转换成矿区生产坐标***，可通过与原有矿区生产坐标***中的稳定点联测求解相应转换参数，高程则采用拟合方法求定点的正常高，以满足生产需要；二是在矿区选取适当子午线作中央子午线建立监测网用的平面坐标系，将GPS坐标转换成该平面坐标***中的坐标，并采用大地高，这样可避免因坐标***的转换造成精度损失。

（4）智能终端：安装在钻机驶室内，使用液晶触摸显示屏幕方式操作，采用双频率GPS定位模块采集位置坐标，应用无线通讯网络与调度控制中心实现通讯。具有抗震、防尘、抗干扰、断电保持工作能力，是牙轮钻机自动布孔***的执行者。***设计结果的存储、穿孔位置的导航、穿孔完成坐标的测量、穿孔深度的采集都来自智能终端主机，因此，智能终端也是***的核心部分。

Claims (10)

1.一种高精度GPS牙轮钻机自动布孔***，其特征在于，包括智能终端、双频GPS模块、GPS差分站、调度控制中心的计算机网络及终端计算机、GPS差分站、智能终端主机软件和调度控制中心软件； 

调度控制中心的计算机网络包括有线局域网络、无线通讯网络； 

终端计算机包括网络交换机、网络服务器、调度管理计算机、电子地图计算机、***管理计算机、用户计算机、通讯管理计算机、地址模型计算机； 

调度控制中心软件安装在调度控制中心的相应终端计算机上；GPS差分站建设在调度控制中心的相对开阔地带，差分数据通过无线通讯网络以广播方式发送给智能终端；智能终端安装在牙轮钻机上，利用所安装的智能终端主机软件，首先通过无线通讯网络与调度控制中心的相应计算机建立连接后，再通过安装在相应计算机上的调度控制中心软件进行数据交换；GPS卫星定位模块安装在智能终端主机内部，通过此模块对钻孔坐标进行精确定位，从而实现对牙轮钻机穿孔位置的定位；无线通讯网络是智能终端主机与调度控制中心的各相应终端计算机之间交换数据的载体；调度控制中心的有线局域网络将各相应终端计算机连接在一起，是调度控制中心软件运行的硬件环境。 

各部分之间连接关系： 

调度管理计算机、电子地图计算机、***管理计算机、用户计算机、通讯管理与安置在调度控制中心的网络交换机物理相连，通过调度控制中心的计算机网络进行数据交换，网络服务器提供各种相应服务；GPS差分站与通讯管理计算机通过RS232接口相连；智能终端主机通过无线通讯网络与通讯管理计算机进行通讯，采集的数据存储在网络服务器中。 

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述的智能终端安装在牙轮钻机上，由嵌入式工控机、双频GPS模块、无线通讯模块、标准RS232串口、RS485接口、电源模块、穿孔深度采集模块、智能终端主机、智能终端显示器、穿孔深度测量模块组成；各部分之间采用电缆连接，外壳采用全封闭金属结构进行封装，完成穿孔位置导航、定位、穿孔深度测量、穿孔完成孔位坐标测量、与地面调度控制中心通讯功能； 

所述的各部分之间电缆连接关系： 

嵌入式工控机包含4个RS232接口、1个以太网接口、1个VGA接口、1个扩展RS485接口、2个USB接口；智能终端显示器通过VGA接口与智能终端主机连接；双频GPS模块通过RS232接口与嵌入式工控机连接；穿孔深度测量模块与扩展RS485接口相连；以太网接口与无线通讯模块相连接。 

3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述的双频GPS定位模块安装在智能终端主机内，用RS232方式与嵌入式工控机通讯；采用两块双频GPS定位模块，应用载波相位差分方式使定位精度达到水平1cm+1ppm，高程±2cm+1ppm,实现高精度快速定位。 

每块双频GPS定位模块具有两个RS232接口，接口1接收GPS定位数据，接口2接收GPS差分数据；第一块双频GPS定位模块的接口1与嵌入式工控机的RS232接口1连接，向***提供GPS定位数据，接口2与嵌入式工控机的RS232接口3连接，接收GPS差分数据；第二块双频GPS定位模块的接口1与嵌入式工控机的RS232接口2连接，向***提供GPS定位数据，接口2与嵌入式工控机的RS232接口3连接，接收GPS差分数据。 

4.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述的无线通讯模块的PPM-WIRELESS无线通讯模块嵌入PC04结构的扩展板上，与嵌入式工控机采用PC104接口连接，封装在智能终端主机内；实现以下功能： 

接收控制中心指令； 

接收***设计的穿孔坐标数据； 

接收控制中心的GPS差分数据； 

上传给调度控制中心钻机作业位置坐标； 

上传给调度控制中心牙轮钻机当前工作状态； 

上传给调度控制中心穿孔位置坐标及穿孔深度数。 

5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述的标准RS232接口1和接口2用分别于采集2块GPS定位模块数据；串口3用于接收GPS差分数据；串口4用于采集穿孔深度数据。 

6.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述的穿孔深度采集模块用于实时采集牙轮钻机的钻孔深度，采用OMRON旋转编码器加智能仪表组合方式解决了穿 孔过程的正反转和深度采集的实时性； 

OMRON旋转编码器与牙轮钻机的主轴采用柔性链接，随着主轴的旋转而旋转；OMRON编码器旋转一周产生500个脉冲，脉冲输出信号接入到LGD100仪表，仪表根据旋转编码器的旋转方向记录编码器产生的脉冲数。 

7.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述的电源模块为智能终端主机硬件提供稳定电源，输入电压：DC9—36V，输出电压：DC12V。具有滤波、防雷、抗干扰能力。 

8.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述的智能终端显示器由液晶屏、触摸屏组成；液晶屏用来显示指令和与生产相关的信息界面，液晶屏幕采用彩色8.4英寸，屏幕分辨率800×600，可视角大于160度，工作环境温度-35°C—70°C，采用镶嵌式安装结构；触摸屏用来操作相应按钮，下端加托架，液晶屏与触摸屏之间加5毫米平板玻璃，增加强度。 

9.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述的GPS差分站功能如下： 

提供RTK差分信号：利用基站的连续观测数据进行组网，通过MESH网，向矿区用户实时发布RTK差分数据，精度1—2厘米； 

提供DGPS伪距差分信号：通过无线通讯网络等通信手段发布GPS伪距差分信号，差分精度为亚米级，为GIS用户和车辆导航用户提供数据采集和导航定位服务； 

原始数据处理：采集保存原始数据，按照1秒的采样率向用户提供全面实时的原始观测数据，并能根据用户的权限，满足用户的需求，使其能方便的检索、查询和提取原始数据或者经过一定处理之后的数据。 

10.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述的智能终端主机软件安装在智能终端主机内，负责接收、解析调度控制中心的各种指令、***作业作业计划数据，并为调度控制中心采集生产过程数据、穿孔位置坐标数据、穿孔深度数据。 

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