CN111335879B - 一种钻孔轨迹测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种钻孔轨迹测量装置，钻孔轨迹测量装置安装在首节钻杆中，包括外壳及设置在外壳中的钻孔信息采集单元，钻孔信息采集单元与信号处理单元连接，信号处理单元与存储单元连接，存储单元与通讯电路连接，通讯电路用于与终端设备连接；钻孔信息采集单元用于采集钻孔信息，信号处理单元用于利用钻孔信息，获取钻孔轨迹信息，并对钻孔轨迹信息进行修正处理；存储单元用于存储修正后的钻孔轨迹信息；本发明通过满足在无磁环境，无需对钻杆进行无磁处理，钻孔施工过程能够同时完成测量，使用方便，避免了对钻孔进行冲洗，减少了施工作业环节，降低了操作难度，使用方便，测量结果准确，应用范围广，满足便捷和智能化的钻孔轨迹测量要求。
Description
技术领域
本发明属于矿井下钻孔施工工程技术领域，特别涉及一种钻孔轨迹测量装置。
背景技术
在煤矿生产及施工过程中，由于煤岩层强度不一或地层结构变化等原因，容易造成钻孔偏移量大，进而引起的瓦斯抽放孔施工不到位导致瓦斯抽放效果差、探放水钻孔终孔位置不精准导致放不出水、注浆孔目标层位不准确、防灭火孔探测不到位及钻孔工程量统计繁琐等煤矿生产实际问题，在具体作业中无法准确知道钻孔的实际方位角、倾角、深度及其偏移量大小，因此难以掌握钻孔设计参数与实际参数之间的差距。
目前，已有的钻孔参数测量或者监测设备采用磁性传感器的，需要无磁环境，由于测量或监测设备位于钻杆内部，因此对钻杆需要进行无磁处理，造成了生产成本的提升和设备操作难度加大；同时，煤矿井下设备如锚索、支架、电器、管路、钻杆等钢制产品均会对其测量准确度产生严重影响，另外一些测量或监测设备需要在钻孔施工完成后，对钻孔进行冲洗再向钻孔内部送入设备，增加了施工作业环节和工人操作难度，应用推广范围有限，难以满足便捷、智能化的要求。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种钻孔轨迹测量装置及测量方法，以解决现有技术中钻孔参数测量难度大，成本较高，测量准确度较低的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明提供了一种钻孔轨迹测量装置，钻孔轨迹测量装置安装在首节钻杆中，包括外壳及设置在外壳中的钻孔信息采集单元、信号处理单元、存储单元、通讯电路及电源，钻孔信息采集单元的输出端与信号处理单元的输入端连接，信号处理单元的输出端与存储单元连接，存储单元的输出端与通讯电路连接，通讯电路用于与终端设备连接；
钻孔信息采集单元用于采集钻孔施工信息，并将采集钻孔施工信息传输至信号处理单元，钻孔施工信息包括钻杆动作信息、钻孔环境磁场信息及钻杆内部压力信息；信号处理单元用于利用钻孔施工信息，获取钻孔轨迹信息，并对钻孔轨迹信息进行修正处理，得到修正后的钻孔轨迹信息；存储单元用于存储修正后的钻孔轨迹信息。
进一步的，钻孔信息采集单元包括六轴惯性传感器、三轴磁力计及压力传感器，六轴惯性传感器及三轴磁力计均设置在外壳中，并均与信号处理单元连接；压力传感器设置在外壳的端部，且位于首节钻杆与钻头的连接处；六轴惯性传感器包括三轴陀螺仪传感器及三轴加速度传感器，三轴陀螺仪传感器用于获取钻杆转向角速度信息，三轴加速度传感器用于获取钻杆转向角速度增量信息；三轴磁力计用于获取施工钻孔所在环境的地磁场信息；压力传感器用于钻杆内部压力信息。
进一步的，通讯电路的接线端设置在外壳的端部，通讯电路的接线端上设置有防水体。
进一步的，首节钻杆采用短节钻杆，短节钻杆的长度为0.4-1.0m。
进一步的，信号处理单元获取钻孔轨迹信息，并对钻孔轨迹信息进行降噪及滤波处理过程，具体包括以下步骤：
步骤1、根据设定的钻杆转向顺序，建立欧拉角姿态运动学方程；
步骤2、利用在积分步进内点，关于钻杆转向角速度增量信息的多步算法，计算得到钻头的方位角ψ、滚转角γ和俯仰角θ；
步骤3、利用离散非线性扩展卡尔曼滤波器，对钻头的方位角ψ、滚转角γ和俯仰角θ进行修正处理，得到不同时刻钻头的姿态；
步骤4、根据获取的钻孔施工信息的周期性变化，对钻头掘进进尺进行模糊判断，生成有效的钻头掘进进尺数据；
步骤5、利用步骤4中有效的钻头掘进进尺数据，计算得到钻头在掘进过程中累积钻杆个数；结合已知的钻杆长度及不同时刻钻头的姿态，得到钻头在三维空间中实时位置变化，即为钻孔的轨迹信息。
进一步的，步骤1中，欧拉角姿态运动学方程为：
其中，
为钻头姿态的方向余弦阵，上标n表示地理坐标系，下标b表示钻头测量坐标系；
为三轴陀螺仪传感器获取的钻杆转向角速度三维向量构成的反对称阵；三轴陀螺仪传感器获取的钻杆转向角速度三维向量
进一步的，钻头的方位角ψ、滚转角γ和俯仰角θ的数学表达式如下：
其中，钻头姿态的方向余弦阵
进一步的，外壳中填充有密封胶，采用密封胶将钻孔信息采集单元、信号处理单元、存储单元、通讯电路及电源密封在外壳中。
进一步的，终端设备用于对存储单元中存储的修正后的钻孔轨迹信息进行分析处理，绘制钻孔三维轨迹图。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种钻孔轨迹测量装置，通过设置在钻杆内的钻孔信息采集单元进行钻孔信息采集，通过信号处理单元完成对采集的钻孔进行计算滤波降噪处理，并将结果存储在存储单元，测量完成后，将存储单元与终端设备连接，钻孔轨迹信息进行分析整理；本发明无需在无磁环境，无需对钻杆进行无磁处理，缩短了钻杆长度，降低了生产成本，钻孔施工过程能够同时完成测量，使用方便，避免了对钻孔进行冲洗，减少了施工作业环节，降低了操作难度，使用方便，测量结果准确，应用范围广，满足便捷和智能化的钻孔轨迹测量要求。
进一步的，通过采用三轴陀螺仪传感器获取钻杆转向角速度信息，利用三轴加速度传感器获取钻杆转向角速度增量信息，利用三轴磁力计获取施工钻孔所在环境的地磁场信息，利用压力传感器用于钻杆内部压力信息，能够准确测量钻孔施工过程中的钻头姿态信息，所测量的信息能够相互对比验证，有效提高了测量结果的准确性。
进一步的，通过在通讯电路的接线端设置防水体，实现了测量装置的防水功能，确保了测量装置的安全性，提高装置的使用寿命。
进一步的，首节钻杆采用短节钻杆，便于测量完成后进行数据导出，同时满足对装置的检修更换。
进一步的，通过有钻头掘进运动模型，获取钻头姿态，利用卡尔曼滤波，将施工过程中的干扰波和震动噪声剔除，采用模糊逻辑判断的方式监测钻杆的添加操作，获取钻头的掘进进尺，最终获得钻孔的轨迹信息，减少了无用信息对数据计算的干扰，测量结果准确性高，适用范围广。
进一步的，通过在外壳中填充密封胶，实现了测量装置各个部件的密封，确保了装置的防水性能，同时，避免了钻孔过程对各个部件的震动，提高了装置的稳定性，满足各种环境下的使用，提高了测量结果的准确性。
附图说明
图1为本发明所述的一种钻孔轨迹测量装置的结构框图；
图2为本发明所述的一种钻孔轨迹测量装置的整体结构示意图；
图3为本发明所述的一种钻孔轨迹测量装置的装配结构纵剖图；
图4为本发明所述的一种钻孔轨迹测量装置的装配结构横剖图；
图5为本发明所述的一种钻孔轨迹测量装置中信号处理单元的工作原理流程示意图；
图6为本发明所述的一种钻孔轨迹测量装置中的三轴陀螺仪数据及压力数据曲线；
图7为本发明所述的一种钻孔轨迹测量装置中的钻孔俯仰角数据结果曲线；
图8为本发明所述的一种钻孔轨迹测量装置中的钻孔方位角数据结果曲线；
图9为本发明所述的一种钻孔轨迹测量装置中的钻头水平位置变化曲线；
图10为本发明所述的一种钻孔轨迹测量装置中的钻头垂直位置变化曲线；
图11为本发明所述的一种钻孔轨迹测量装置中的钻头三维空间位置变化曲线。
其中，1外壳，2钻孔信息采集单元，3信号处理单元，4存储单元，5通讯电路，6电源，7终端设备，8防水体，9首节钻杆，10钻孔轨迹测量装置，11钻头，12固定件；21六轴惯性传感器，22三轴磁力计，23压力传感器。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如附图1-11所示，本发明提供了一种钻孔轨迹测量装置，所述钻孔轨迹测量装置10固定安装在首节钻杆9中，包括外壳1、钻孔信息采集单元2、信号处理单元3、存储单元4、通讯电路5、电源6、终端设备7及防水体8，钻孔信息采集单元2、信号处理单元3、存储单元4、通讯电路5及电源6均密封设置在外壳1中。
外壳1通过固定件12固定安装在首节钻杆9中，外壳1中填充有密封胶，采用密封胶将钻孔信息采集单元2、信号处理单元3、存储单元4、通讯电路5及电源6密封在外壳1中；通过在外壳1中填充密封胶，实现了测量装置各个部件的密封，确保了测量装置的防水性能，同时，避免了钻孔施工过程对各个部件的震动，提高了装置的稳定性，满足各种环境下的使用，提高了测量结果的准确性。
钻孔信息采集单元2的输出端与信号处理单元3的输入端连接，信号处理单元3的输出端与存储单元4连接，存储单元4的输出端与通讯电路5连接，通讯电路5的接线端设置在外壳1的端部，防水体8密封设置在通讯电路5的接线端上，通过在通讯电路5的接线端设置防水体8，实现了测量装置的防水功能，确保了测量装置的安全性，提高装置的使用寿命；通讯电路5通过数据线与终端设备7连接，终端设备7用于对存储单元4中存储的修正后的钻孔轨迹信息进行分析处理，绘制钻孔三维轨迹图；首节钻杆9采用短节钻杆，首节钻杆9采用短节钻杆，便于测量完成后进行数据导出，同时满足对装置的检修更换；优选的，短节钻杆的长度为0.4-1.0m。
钻孔信息采集单元2用于采集钻孔施工信息，并将采集钻孔施工信息传输至信号处理单元3，钻孔施工信息包括钻杆动作信息、钻孔环境磁场信息及钻杆内部压力信息；信号处理单元3用于利用钻孔是个信息，获取钻孔轨迹信息，并对钻孔轨迹信息进行降噪及滤波处理，得到修正后的钻孔轨迹信息；存储单元4用于存储修正后的钻孔轨迹信息。
钻孔信息采集单元2包括六轴惯性传感器21、三轴磁力计22及压力传感器23，六轴惯性传感器21及三轴磁力计22均设置在外壳1中，并均与信号处理单元3连接；压力传感器23设置在外壳1的端部，且位于首节钻杆9与钻头11的连接处；六轴惯性传感器21包括三轴陀螺仪传感器及三轴加速度传感器，三轴陀螺仪传感器用于获取钻杆转向角速度信息，三轴加速度传感器用于钻杆转向角速度增量信息；三轴磁力计22用于获取施工钻孔所在环境的地磁场信息；压力传感器23用于钻杆内部压力信息。
信号处理单元3对测量值进行降噪、滤波、修正处理，三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器测量得到的数据包涵了大量的干扰震动噪声，考虑到实际工程硬件实现，采用高效简单的均值滤波对数据进行降噪处理；信号处理单元3获取钻孔轨迹信息时，包括以下步骤：
步骤1、建立钻头掘进运动模型
根据设定的钻杆转向顺序，建立欧拉角姿态运动学方程，建立的欧拉角姿态运动学方程如下式(1)所示：
其中，
为钻头姿态的方向余弦阵，其上标n表示地理坐标系，下标b表示钻头测量坐标系；
表示x，y，z三轴陀螺仪传感器获取的钻杆转向角速度三维向量构成的反对称阵；三轴陀螺仪传感器获取的钻杆转向角速度三维向量
步骤2、利用在积分步进内点，关于钻杆转向角速度增量信息的多步算法，计算得到钻头的方位角ψ、滚转角γ和俯仰角θ。
根据矩阵链乘规则计算公式(1)中的姿态方向余弦阵
有:
其中，k为tk时刻；由于i系是绝对不动的惯性参考坐标系，其与时间无关；n系在本应用环境下近似不动；而b系相对于i系是动坐标系，跟时间有关；
其中，矩阵
表示以i系作为参考基准，b系从tk-1时刻到tk时刻的旋转变化，
可由三轴陀螺仪传感器获取的钻杆转向角速度三维向量
确定；
其中，钻杆转向角速度增量为
Δθk×为其反对称阵。
通过公式(3)-(4)可以计算表示钻头姿态的方向余弦阵:
由公式(5)可得钻头的方位角ψ、滚转角γ和俯仰角θ：
步骤3、利用离散非线形扩展卡尔曼滤波器，对钻头的方位角ψ、滚转角γ和俯仰角θ进行修正处理，得到不同时刻钻头的姿态角度。
对由钻头掘进运动模型，计算得到的钻头方位角ψ、滚转角γ和俯仰角θ，利用卡尔曼滤波进行数据融合提高***精度；由于钻头在掘进过程中，高速转动特性决定了所采用的卡尔曼滤波器需采用非线性扩展卡尔曼滤波器，使其状态和观测模型不必是线性状态函数。
假设一个连续的或离散的随机***可以用一个非线性的动力学方程式和一个描述测量结果的模型方程式来表示，如表1所示。
表1.动力学和测量的非线性模型
***方程中的函数f()可以用于根据公式(1)中建立的钻头掘进运动模型设计得到，其作用是利用先前的估计来计算预测状态，类似地，函数h()可以用于根据预测状态来计算预测测量。
依据钻头掘进运动模型，选择三个欧拉角：俯仰角θ、滚转角γ和方位角ψ作为非线性扩展卡尔曼滤波器的状态向量；
选择x，y，z三轴加速度计获取的钻杆转向角速度以及利用三轴磁力计获取施工钻孔所在环境的地磁场信息计算的方位角作为非线性扩展卡尔曼滤波器测量值z(t)：
本发明中的离散非线性扩展卡尔曼滤波器(EKF)的方程式为：
Pk＝(I-KkHk)Pk|k-1跟新***协方差矩阵
利用离散非线性扩展卡尔曼滤波器(EKF)对钻头掘进过程中的三个欧拉角：俯仰角θ、滚转角γ和方位角ψ作进行实时修正得到精确的钻头所在位置的姿态角度，用于后续钻头三维位置的生成。
步骤4、利用压力传感器获取的钻杆内部压力信息及三轴陀螺仪获取的钻杆转向角速度信息的周期性变化，对钻头掘进进尺进行模糊判断，生成有效的钻头掘进进尺数据。
在钻头掘进过程中存在近似周期性的添加钻杆操作，考虑到实际应用中压力传感器及三轴陀螺仪采集的信息数据会被大量的噪声干扰，使采用固定门限来确定钻杆添加会造成很大的误差，因此本发明采用模糊逻辑判断的方式去监测钻杆的添加操作。在钻头正常工作状态下，压力传感器和三轴陀螺仪会呈现出近似周期性的数据变化。在钻头掘进时三轴陀螺仪和压力传感器采集的数据会先后出现持续峰值，而在添加钻杆时三轴陀螺仪存在明显的往返旋转数据，压力传感器会出现平滑段数据，如图6中所示.
步骤5、利用步骤4中有效的钻头掘进进尺数据，计算得到钻头在掘进过程中累积钻杆个数；结合已知的钻杆长度及不同时刻钻头的姿态角度，得到钻头在三维空间中实时位置变化，如附图7-10所示，即为钻孔的轨迹信息。
工作原理
本发明所述的一种钻孔轨迹测量装置，针对在煤矿生产、施工过程中由于煤岩层强度不一，地层结构变化等原因，造成钻孔偏移量大，进而引起的瓦斯抽放孔施工不到位，导致瓦斯抽放效果差、探放水钻孔终孔位置不精准导致放不出水、注浆孔目标层位不准确、防灭火孔探测不到位、钻孔工程量统计繁琐等煤矿生产实际问题，在具体作业中无法准确知道钻孔的实际倾角、方位角及偏移量大小，因此难以掌握钻孔设计参数与实际参数之间的差距。
本发明所述的一种钻孔轨迹测量装置，该钻孔轨迹测量装置安装在钻杆内；具体工作方法为：利用六轴惯性传感器、三轴磁力计及压力传感器实时采集钻孔钻进过程中的数据信息，并将数据信息传至信号处理单元，由信号处理单元对上述传感器所采集的数据信息进行处理，计算出钻孔内不同时刻钻头的方位角ψ、滚转角γ和俯仰角θ，通过滤波和补偿算法对计算结果进行修正处理，并将修正处理后的结果存至存储单元，如附图7-10所示；钻孔施工完成退出钻具后，将该钻孔轨迹测量装置从钻杆中取出，通过数据线路连接传输至终端分析设备，由终端分析设备对数据进行分析并绘制钻孔三维轨迹图，如附图11所示。
本发明不需要无磁环境，无需对钻杆进行无磁处理，节省了生产成本；同时避免了煤矿井下设备如锚索、支架、电器、管路、钻杆等钢制产品均会对测量准确度产生的严重影响；不增加施工作业环节和工人操作难度，有效满足便捷、智能化的要求。
以上所述仅表示本发明的优选实施方式，任何人在不脱离本发明的原理下而做出的结构变形、改进和润饰等，这些变形、改进和润饰等均视为在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种钻孔轨迹测量装置，其特征在于，钻孔轨迹测量装置(10)安装在首节钻杆(9)中，包括外壳(1)及设置在外壳(1)中的钻孔信息采集单元(2)、信号处理单元(3)、存储单元(4)、通讯电路(5)及电源(6)，钻孔信息采集单元(2)的输出端与信号处理单元(3)的输入端连接，信号处理单元(3)的输出端与存储单元(4)连接，存储单元(4)的输出端与通讯电路(5)连接，通讯电路(5)用于与终端设备(7)连接；
钻孔信息采集单元(2)用于采集钻孔施工信息，并将采集钻孔施工信息传输至信号处理单元(3)，钻孔施工信息包括钻杆动作信息、钻孔环境磁场信息及钻杆内部压力信息；信号处理单元(3)用于利用钻孔施工信息，获取钻孔轨迹信息，并对钻孔轨迹信息进行修正处理，得到修正后的钻孔轨迹信息；存储单元(4)用于存储修正后的钻孔轨迹信息；
钻孔信息采集单元(2)包括六轴惯性传感器(21)、三轴磁力计(22)及压力传感器(23)，六轴惯性传感器(21)及三轴磁力计(22)均设置在外壳(1)中，并均与信号处理单元(3)连接；压力传感器(23)设置在外壳(1)的端部，且位于首节钻杆(9)与钻头(11)的连接处；六轴惯性传感器(21)包括三轴陀螺仪传感器及三轴加速度传感器，三轴陀螺仪传感器用于获取钻杆转向角速度信息，三轴加速度传感器用于获取钻杆转向角速度增量信息；三轴磁力计(22)用于获取施工钻孔所在环境的地磁场信息；压力传感器(23)用于钻杆内部压力信息。
2.根据权利要求1所述的一种钻孔轨迹测量装置，其特征在于，通讯电路(5)的接线端设置在外壳(1)的端部，通讯电路(5)的接线端上设置有防水体(8)。
3.根据权利要求1所述的一种钻孔轨迹测量装置，其特征在于，首节钻杆(9)采用短节钻杆，短节钻杆的长度为0.4-1.0m。
4.根据权利要求1所述的一种钻孔轨迹测量装置，其特征在于，信号处理单元(3)获取钻孔轨迹信息，并对钻孔轨迹信息进行降噪及滤波处理过程，具体包括以下步骤：
步骤1、根据设定的钻杆转向顺序，建立欧拉角姿态运动学方程；
步骤2、利用在积分步进内点，关于钻杆转向角速度增量信息的多步算法，计算得到钻头的方位角ψ、滚转角γ和俯仰角θ；
步骤3、利用离散非线性扩展卡尔曼滤波器，对钻头的方位角ψ、滚转角γ和俯仰角θ进行修正处理，得到不同时刻钻头的姿态；
步骤4、根据获取的钻孔施工信息的周期性变化，对钻头掘进进尺进行模糊判断，生成有效的钻头掘进进尺数据；
步骤5、利用步骤4中有效的钻头掘进进尺数据，计算得到钻头在掘进过程中累积钻杆个数；结合已知的钻杆长度及不同时刻钻头的姿态，得到钻头在三维空间中实时位置变化，即为钻孔的轨迹信息。
5.根据权利要求4所述的一种钻孔轨迹测量装置，其特征在于，步骤1中，欧拉角姿态运动学方程为：
其中，
为钻头姿态的方向余弦阵，上标n表示地理坐标系，下标b表示钻头测量坐标系；
为三轴陀螺仪传感器获取的钻杆转向角速度三维向量构成的反对称阵；三轴陀螺仪传感器获取的钻杆转向角速度三维向量
6.根据权利要求4所述的一种钻孔轨迹测量装置，其特征在于，钻头的方位角ψ、滚转角γ和俯仰角θ的数学表达式如下：
其中，钻头姿态的方向余弦阵
7.根据权利要求1所述的一种钻孔轨迹测量装置，其特征在于，外壳(1)中填充有密封胶，采用密封胶将钻孔信息采集单元(2)、信号处理单元(3)、存储单元(4)、通讯电路(5)及电源(6)密封在外壳(1)中。
8.根据权利要求1所述的一种钻孔轨迹测量装置，其特征在于，终端设备(7)用于对存储单元(4)中存储的修正后的钻孔轨迹信息进行分析处理，绘制钻孔三维轨迹图。
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