CN115822479A - 一种水平定向钻机自动装卸钻杆控制方法、***及存储介质 - Google Patents

一种水平定向钻机自动装卸钻杆控制方法、***及存储介质 Download PDF

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卢金龙
王兵
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Abstract

本发明公开了一种水平定向钻机自动装卸钻杆控制方法、***及存储介质，该方法包括：获取动力头的实时位置信息和虎钳的实时位置信息；接收激光雷达的测量数据，根据所述测量数据获取钻杆接缝在钻架上的位置信息；发送虎钳移动控制信号，所述虎钳移动控制信号用于根据虎钳的位置信息和钻杆接缝在钻架上的位置信息，控制虎钳移动到上卸扣位置；响应于虎钳移动到上卸扣位置后，控制虎钳及动力头动作，以使钻杆卸扣或上扣。本发明通过获取钻杆接缝在钻架上的位置信息，并根据动力头的实时位置信息和虎钳的实时位置信息，引导虎钳移动至卸扣位置，保证了虎钳移动的准确，防止夹坏钻杆螺纹，减轻了操机手的劳动强度。

Description

一种水平定向钻机自动装卸钻杆控制方法、***及存储介质
技术领域
本发明涉及水平定向钻机控制技术领域，具体涉及一种水平定向钻机自动装卸钻杆控制方法、***及存储介质。
背景技术
水平定向钻机是一种在不开挖地表的条件下，铺设各种地下公用设施(管道，电缆等)的施工机械，已被广泛用于穿越公路、铁路、建筑物、河流，以及在闹市区、文物保护区、农作物和植被保护区等不易开挖地表的条件下进行供水、煤气、电力、电讯、天然气、石油等管线的铺设。水平定向钻机的施工过程分为导向、回扩、拖管等工序，在每个施工阶段都涉及到钻杆的上扣、卸扣的频繁操作。
在传统施工中，钻杆的卸扣位置主要依靠机手经验判断，在机手经验不足或在天气不好，特别是晚间施工时，经常会造成误判，导致虎钳夹坏螺纹的情况。如何准确获取上卸扣位置，防止夹坏螺纹，减轻操机手工作量是我们需要解决的问题。
另外，钻杆的上扣和卸扣，涉及虎钳平移、分离、合并、旋转、复位以及动力头正转、反转、前推、后拉、钻杆托架升降等多个动作操作，目前全部是依靠机手手动操作，导致机手很辛苦，并可能会发生误操作情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水平定向钻机自动装卸钻杆控制方法、***及存储介质，以解决现有技术虎钳位置移动不准确导致夹坏螺纹的情况。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
第一方面，本发明公开了一种水平定向钻机自动装卸钻杆控制方法，包括：
获取动力头的实时位置信息和虎钳的实时位置信息；
接收激光雷达的测量数据，根据所述测量数据获取钻杆接缝在钻架上的位置信息；
发送虎钳移动控制信号，所述虎钳移动控制信号用于根据虎钳的位置信息和钻杆接缝在钻架上的位置信息，控制虎钳移动到上卸扣位置；
响应于虎钳移动到上卸扣位置后，控制虎钳及动力头动作，以使钻杆卸扣或上扣。
进一步地，获取动力头的实时位置信息包括：根据安装在动力头上的编码器实时计算出动力头的位置信息。
进一步地，获取虎钳的实时位置信息包括：根据安装在虎钳上的编码器实时计算出虎钳的位置信息。
进一步地，获取钻杆接缝在钻架上的位置信息包括：
接收激光雷达测量钻杆的三维点云数据，所述激光雷达安装在钻架的一侧；
根据三维点云数据计算并识别出钻杆接缝的关键特征；
根据激光雷达的安装位置和钻杆接缝的关键特征获取钻杆接缝在钻架上的位置。
进一步地，识别出钻杆接缝的关键特征可采用空间数据对比叠加、高斯滤波、密度引导的边界点提取和霍夫检测算法的任意一种或多种。
进一步地，根据虎钳的位置和钻杆接缝在钻架上的位置，控制虎钳移动到上卸扣位置包括：
根据钻杆接缝在钻架上的位置和虎钳的实时位置获取虎钳和钻杆接缝的相对距离；
根据虎钳和钻杆接缝的相对距离控制虎钳移动到上卸扣位置。
进一步地，响应于虎钳移动到上卸扣位置后，控制虎钳及动力头动作，以使钻杆卸扣包括：
接收自动卸扣指令后，动力头旋转后拉钻杆，若识别到钻杆卸扣位置，自动控制虎钳移动至卸扣位置，若未识别到卸扣位置，手动控制虎钳移动至卸扣位置；
前虎钳夹紧远端钻杆，后虎钳夹紧待卸扣钻杆旋转卸扣，待卸扣钻杆一端卸扣后松开后虎钳；
动力头旋转后拉待卸扣钻杆至设定位置，后虎钳再次夹紧待卸扣钻杆，动力头旋转卸扣，待卸扣钻杆另一端完成卸扣后，松开后虎钳、动力头移动至指定位置完成自动卸扣。
进一步地，控制控制虎钳及动力头动作，以使钻杆上扣包括：
接收自动上扣指令后判断虎钳是否夹紧远端钻杆；当虎钳夹紧远端钻杆后，判断钻杆托架是否落下；
当钻杆托架已落下，动力头根据设定的速度旋转前推，以使待上扣钻杆和虎钳夹紧的远端钻杆连接；判断***当前扭矩，当扭矩达到设定值时，松开虎钳，完成自动上扣；
当钻杆托架未落下，动力头根据设定的速度旋转前推，同时判断动力头是否到达钻杆托架限位位置，若到达则停止自动上扣，若未到达钻杆托架限位位置，动力头继续旋转前推，使待上扣钻杆和虎钳夹紧的远端钻杆连接，直到***扭矩达到设定值，落下钻杆托架，松开虎钳，完成自动上扣。
第二方面，本发明公开了一种水平定向钻机自动装卸钻杆控制***，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1~8任一项所述方法的步骤。
第三方面，计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现权利要求1~8任一项所述方法的步骤。
根据上述技术方案，本发明的实施例至少具有以下效果：本发明通过激光雷达获取的测量数据，可自动计算获取出钻杆接缝在钻架上的位置信息；通过获取钻杆接缝在钻架上的位置信息、动力头的实时位置信息和虎钳的实时位置信息，引导虎钳移动至卸扣位置，保证了虎钳移动到上卸扣位置的准确，防止夹坏钻杆螺纹，减轻了操机手的劳动强度。
附图说明
图1为本发明钻杆设备的示意图；
图2为本发明钻杆接缝测试示意图；
图3为本发明自动卸扣的流程图；
图4为本发明自动上扣的流程图。
其中： 1、动力头、2、钻杆、3、钻架、4、后虎钳、5、前虎钳。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
实施例1
如图1和图2所示，一种水平定向钻机自动装卸钻杆控制方法，包括：获取动力头1的实时位置信息和虎钳的实时位置信息；接收激光雷达的测量数据，根据所述测量数据获取钻杆2接缝在钻架3上的位置信息；发送虎钳移动控制信号，所述虎钳移动控制信号用于根据虎钳的位置信息和钻杆2接缝在钻架3上的位置信息，控制虎钳移动到上卸扣位置；响应于虎钳移动到上卸扣位置后，控制虎钳及动力头1动作，以使钻杆2卸扣或上扣。
本发明通过获取钻杆2接缝在钻架3上的位置信息，并根据动力头1的实时位置信息和虎钳的实时位置信息，引导虎钳移动至卸扣位置，保证了虎钳移动的准确，防止夹坏钻杆2螺纹，减轻了操机手的劳动强度。
本发明通过激光雷达和视觉算法，结合动力头1位置检测，识别出钻杆2接缝位置，判断卸扣位置，进而引导虎钳移动至目标位置，根据设备所处的施工阶段，通过前后虎钳、动力头1和钻杆2托架的复合自动动作，实现钻杆2的自动上扣和自动卸扣操作。
本发明的一种水平定向钻机自动装卸钻杆2控制方法，具体步骤如下：
步骤10、通过安装在动力头1和虎钳上的编码器来实时检测和计算动力头1及虎钳的位置，进而可控制动力头1和虎钳在钻架3上移动到所需位置。如图1所示。
步骤20、基于三维特征分析的质量检测技术，测量钻杆2三维点云数据；依据测量对象三维点云数据，通过算法运算，自动识别钻杆2接缝的关键特征；根据激光雷达安装位置，以及激光雷达与钻杆2接缝的相对位置，获得钻杆2接缝在钻架3具***置。
在本步骤中，如图2所示，为激光雷达安装和检测示意图，激光雷达安装在钻架3一侧固定位置。具体的，激光雷达安装在钻架3前方，靠近虎钳的位置，并在***中标定出激光雷达的安装位置。
在本步骤中，利用空间数据对比叠加、高斯滤波、密度引导的边界点提取、霍夫检测等高效的三维点云数据处理算法，自动识别钻杆2接缝的关键特征。
步骤30、安装在虎钳上的编码器可实时检测虎钳在钻架3上位置，根据识别出的钻杆2接缝的位置，从而得出虎钳和钻杆2接缝的相对距离，进而引导虎钳移动到卸扣位置，为自动卸扣、上扣做好准备。
本发明通过激光雷达视觉识别出钻杆2接缝位置，并通过对动力头1位置，虎钳位置的实时检测，引导虎钳至卸扣位置，并通过虎钳和动力头1的复合自动动作，实现钻杆2的自动装卸，避免了因卸扣位置的误判而产生的夹坏钻杆2螺纹事故发生，减轻了机手劳动强度，提高了施工效率和质量。
步骤40、通过前后虎钳分离、夹紧、旋转、复位以及配合动力头1前推、后拉、正转、反转、钻杆2托架升降等复合自动动作，实现钻杆2的自动卸扣、上扣功能。
如图3为自动卸扣流程图，具体过程如下：
接收自动卸扣指令后，动力头旋转后拉钻杆，开始进行视觉识别。该过程需要识别钻杆卸扣位置，若识别到钻杆卸扣位置，自动控制虎钳移动至卸扣位置，若未识别到卸扣位置，手动控制虎钳移动至卸扣位置，当虎钳移动至卸扣位置后继续进行后续的卸扣动作。
卸扣时，前虎钳夹紧远端钻杆，后虎钳夹紧待卸扣钻杆旋转卸扣，使待卸扣钻杆和远端钻杆的螺纹接头分离，待卸扣钻杆一端卸扣后松开后虎钳。
动力头旋转后拉待卸扣钻杆至设定位置，后虎钳再次夹紧待卸扣钻杆，动力头旋转卸扣，待卸扣钻杆另一端完成卸扣后（即待卸扣钻杆和动力头连接处分离），松开后虎钳、动力头移动至指定位置完成自动卸扣。
图4为自动上扣控制流程图，具体过程如下：
接收自动上扣指令后判断虎钳是否夹紧远端钻杆；当虎钳夹紧远端钻杆后，判断钻杆托架是否落下。钻杆托架用于支撑钻杆，以实现动力头推动钻杆托架上的钻杆完成上扣或夹紧钻杆托架上的动力头完成上扣。
当钻杆托架已落下，动力头根据设定的速度旋转前推，以使待上扣钻杆和虎钳夹紧的远端钻杆连接；判断***当前扭矩，当扭矩达到设定值时，松开虎钳，完成自动上扣；。
当钻杆托架未落下，动力头根据设定的速度旋转前推，同时判断动力头是否到达钻杆托架限位位置，若到达则停止自动上扣，若未到达钻杆托架限位位置，动力头继续旋转前推，使待上扣钻杆和虎钳夹紧的远端钻杆连接，直到***扭矩达到设定值，落下钻杆托架，松开虎钳，完成自动上扣。
本发明通过激光雷达视觉识别出钻杆接缝位置，并通过对动力头位置，虎钳位置的实时检测，引导虎钳至卸扣位置，并通过虎钳和动力头的复合自动动作，实现钻杆的自动装卸，避免了因卸扣位置的误判而产生的夹坏钻杆螺纹事故发生，减轻了机手劳动强度，提高了施工效率和质量。
实施例2
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（***）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本申请的实施例还提供了一种电子设备，在本申请实施例中，电子设备可以是平板电脑、智能手机、个人数字助理等。
电子设备可以包括：存储器、处理器、通信接口和通信总线，通信总线用于实现这些组件的连接通信。
存储器用于存储全部模型数据、以及本申请实施例提供的水平定向钻机自动装卸钻杆控制方法及***对应的计算程序指令等各种数据，其中，存储器可以是随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可编程只读存储器(PROM)，可擦除只读存储器(EPROM)等。
处理器用于读取并运行存储于存储器中的与水平定向钻机自动装卸钻杆控制方法对应的计算机程序指令时，执行本申请实施例提供的紧急决策控制方法。
处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(CPU)、网络处理器(NP)等；还可以是数字信号处理器(DSP)、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种水平定向钻机自动装卸钻杆控制方法，其特征在于，包括：
获取动力头的实时位置信息和虎钳的实时位置信息；
接收激光雷达的测量数据，根据所述测量数据获取钻杆接缝在钻架上的位置信息；
发送虎钳移动控制信号，所述虎钳移动控制信号用于根据虎钳的位置信息和钻杆接缝在钻架上的位置信息，控制虎钳移动到上卸扣位置；
响应于虎钳移动到上卸扣位置后，控制虎钳及动力头动作，以使钻杆卸扣或上扣。
2.根据权利要求1所述的水平定向钻机自动装卸钻杆控制方法，其特征在于，获取动力头的实时位置信息包括：根据安装在动力头上的编码器实时计算出动力头的位置信息。
3.根据权利要求1所述的水平定向钻机自动装卸钻杆控制方法，其特征在于，获取虎钳的实时位置信息包括：根据安装在虎钳上的编码器实时计算出虎钳的位置信息。
4.根据权利要求1所述的水平定向钻机自动装卸钻杆控制方法，其特征在于，获取钻杆接缝在钻架上的位置信息包括：
接收激光雷达测量钻杆的三维点云数据，所述激光雷达安装在钻架的一侧；
根据三维点云数据计算并识别出钻杆接缝的关键特征；
根据激光雷达的安装位置和钻杆接缝的关键特征获取钻杆接缝在钻架上的位置。
5.根据权利要求4所述的水平定向钻机自动装卸钻杆控制方法，其特征在于，识别出钻杆接缝的关键特征可采用空间数据对比叠加、高斯滤波、密度引导的边界点提取和霍夫检测算法的任意一种或多种。
6.根据权利要求1所述的水平定向钻机自动装卸钻杆控制方法，其特征在于，根据虎钳的位置和钻杆接缝在钻架上的位置，控制虎钳移动到上卸扣位置包括：
根据钻杆接缝在钻架上的位置和虎钳的实时位置获取虎钳和钻杆接缝的相对距离；
根据虎钳和钻杆接缝的相对距离控制虎钳移动到上卸扣位置。
7.根据权利要求1所述的水平定向钻机自动装卸钻杆控制方法，其特征在于，响应于虎钳移动到上卸扣位置后，控制虎钳及动力头动作，以使钻杆卸扣包括：
接收自动卸扣指令后，动力头旋转后拉钻杆，若识别到钻杆卸扣位置，自动控制虎钳移动至卸扣位置，若未识别到卸扣位置，手动控制虎钳移动至卸扣位置；
前虎钳夹紧远端钻杆，后虎钳夹紧待卸扣钻杆旋转卸扣，待卸扣钻杆一端卸扣后松开后虎钳；
动力头旋转后拉待卸扣钻杆至设定位置，后虎钳再次夹紧待卸扣钻杆，动力头旋转卸扣，待卸扣钻杆另一端完成卸扣后，松开后虎钳、动力头移动至指定位置完成自动卸扣。
8.根据权利要求1所述的水平定向钻机自动装卸钻杆控制方法，其特征在于，控制控制虎钳及动力头动作，以使钻杆上扣包括：
接收自动上扣指令后判断虎钳是否夹紧远端钻杆；当虎钳夹紧远端钻杆后，判断钻杆托架是否落下；
当钻杆托架已落下，动力头根据设定的速度旋转前推，以使待上扣钻杆和虎钳夹紧的远端钻杆连接；判断***当前扭矩，当扭矩达到设定值时，松开虎钳，完成自动上扣；
当钻杆托架未落下，动力头根据设定的速度旋转前推，同时判断动力头是否到达钻杆托架限位位置，若到达则停止自动上扣，若未到达钻杆托架限位位置，动力头继续旋转前推，使待上扣钻杆和虎钳夹紧的远端钻杆连接，直到***扭矩达到设定值，落下钻杆托架，松开虎钳，完成自动上扣。
9.一种水平定向钻机自动装卸钻杆控制***，其特征在于，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1~8任一项所述方法的步骤。
10.计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1~8任一项所述方法的步骤。
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