CN101676517A - 水平导向钻管线轨迹自主测绘定位系统及其测绘定位方法 - Google Patents
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Abstract
一种水平导向钻管线轨迹自主测绘定位系统，包含利用通讯电缆连接的地下随钻姿态测量系统以及地面数据处理系统，所述的地下随钻姿态测量系统包含三轴光纤陀螺、三轴加速度计、磁强计、倾斜计、电路连接所述三轴光纤陀螺、三轴加速度计、磁强计和倾斜计的数据同步采集子系统、还包含电路连接所述数据同步采集子系统的数据通信子系统，还包含分别电路连接数据同步采集子系统和数据通信子系统的电源管理模块，本发明采用惯性测量技术，通过在水平导向钻上的钻杆与回括器(或导向板)之间设置一水平导向钻管线轨迹自主测绘定位系统，并利用相应的测绘定位方法来实现对水平导向钻施工姿态准确测量，并准确标绘实际施工轨迹的准确路线图。
Description
技术领域
本发明涉及一种水平导向钻管线轨迹自主测绘定位系统及其测绘定位方法。
背景技术
水平导向钻是城市市政建设一种的非开挖施工设备，由于其施工过程“不可见”，如何准确测量并标绘水平导向钻施工轨迹是目前急迫待解决的问题，对市政管线建设的科学管理具有重要意义。
目前，水平导向钻施工过程的施工轨迹控制采用光电式测斜仪或电磁式测斜仪。前者采用采用光源经纬仪摄像原理，通过光电转换实现对水平导向钻钻机姿态的测量，由于光电设备对环境的要求非常苛刻，并且测量精度低，不能有效满足水平导向钻地下施工的恶劣环境条件。第二类是通过地磁场测量的方法来给出方位角和倾斜角，这类仪器，由于测量结果易受附近铁磁物质干扰，不能精确测量水平钻井的姿态和位置。
在水平导向钻施工完成后，目前广泛采用地下管线探测仪来确定实际铺设管线的轨迹，按照一定间距逐点探测导向钻钻杆的位置，确定其深度和位置。采用这种方式，存在两个问题，一是地下管线探测仪容易受到施工现场杂散电磁场的影响，测量存在较大的误差，二是管线位置不能连续测量，不能实际反映铺设管线的实际位置。
发明内容
本发明针对目前存在的问题，采用惯性测量技术，通过在水平导向钻上的钻杆与回括器(或导向板)之间设置一水平导向钻管线轨迹自主测绘定位系统，并利用相应的测绘定位方法来实现对水平导向钻施工姿态准确测量，并准确标绘实际施工轨迹的准确路线图。
为了达到上述目的，本发明提供一种水平导向钻管线轨迹自主测绘定位系统，包含利用通讯电缆连接的地下随钻姿态测量系统以及地面数据处理系统；
所述的地下随钻姿态测量系统安装在水平导向钻钻杆与回括器(或导向板)之间，随水平导向钻钻杆转动，对施工轨迹四周进行随钻探测，并实时测量水平导向钻施工姿态；
所述的地下随钻姿态测量系统包含三轴光纤陀螺、三轴加速度计、磁强计、倾斜计、电路连接所述三轴光纤陀螺、三轴加速度计、磁强计和倾斜计的数据同步采集子系统、还包含电路连接所述数据同步采集子系统的数据通信子系统，还包含分别电路连接数据同步采集子系统和数据通信子系统的电源管理模块；
所述的数据同步采集子系统包含电路连接所述三轴光纤陀螺和三轴加速度计的A/D(数/模)转换模块、电路连接所述磁强计、倾斜计和A/D转换模块的逻辑控制电路FPGA，还包含分别电路连接所述A/D转换模块和逻辑控制电路FPGA的微处理器MPU；
所述的数据通信子系统包含电路连接所述微处理器MPU的总线收发器、以及电路连接所述总线收发器的总线驱动器；
所述电源管理模块包含电路连接所述总线收发器的电源管理模块、电路连接所述电源管理模块的电池组、以及电路连接所述电源管理模块和电池组的电源变换模块；
所述的地面数据处理系统包含电路连接所述数据通信子系统的地面数据处理及显示模块、以及电路连接所述地面数据处理及显示模块的GPS(全球定位系统)接收机和里程计；
数据同步采集子系统在同步时钟的控制下采集三轴加速度计、三轴光纤陀螺、磁强计、倾斜计的实时数据，并对它们进行低通滤波和抗干扰滤波，然后通过数据通信子系统将采集的实时数据发送到地面数据处理及显示模块中，最后由地面数据处理及显示模块融合里程计和地下随钻姿态测量系统的探测数据，通过四元数法和扩展卡尔曼滤波技术将水平钻的姿态及位置计算出来，显示并存档，其中GPS接收机是用于获得初始位置，里程计用于测量钻杆行程，电源管理模块用于电源充电管理及电量测量；
所述的地下随钻姿态测量系统中的三轴光纤陀螺、三轴加速度计、磁强计、倾斜计、数据同步采集子系统、数据通信子系统和电源管理模块分别逐序安装在圆柱形刚体内，由穿线活塞、密封金属端盖、顶紧O形圈将其连接并密封，组装形成一体；
本发明还提供一种测绘定位方法，包含以下步骤：
步骤1、电源管理模块收到地面数据处理系统发送的开机命令，开启电源变换模块，地下随钻姿态测量系统开始工作；
步骤2、数据同步采集子系统内的微处理器MPU产生时间同步信号，对其内部的A/D转换和逻辑控制电路FPGA进行时间同步；
步骤3、微处理器MPU对三轴光纤陀螺、三轴加速度计、磁强计和倾斜计进行同步数据采集，同时对采集的数据进行低通滤波和抗干扰滤波；
步骤4、微处理器MPU将处理后的数据通过数据通信子系统中的总线收发器和总线驱动器发送到地面数据处理系统；
步骤5、地面数据处理系统对随钻姿态测量系统采集的姿态数据进行分析；
步骤5.1、对陀螺和加速度计的原始信息进行数据预处理，陀螺、加速度计的原始信息是水平钻的角速度和加速度的函数，通过数据预处理进行零偏、非正交误差、温度误差补偿，得到载体的角速度和加速度的测量值；
步骤5.2、判断是否进行了初始对准，若否，进行步骤5.3，若是，进行步骤5.4；
步骤5.3、在静态下利用角速度和加速度测量值、GPS测量的初始位置进行初始对准，得到水平钻的初始姿态；
步骤5.4、对接收到的姿态数据进行重新计算，更新钻头姿态；
步骤5.5、利用惯性测量单元的姿态测量值、里程计的测量值、磁强计的测量值、倾斜计的测量值、GPS接收机的测量值，并结合水平钻的运行状态，采用扩展卡尔曼滤波算法进行数据融合，得到水平钻的姿态、位置信息，从而完成对水平钻的定向定位测量；
步骤6、根据步骤5得到的姿态数据和轨迹数据，将探测数据向钻头姿态和行进轨迹投影，绘制探测成像图；
另外，电源管理模块每隔一段时间采集一次电池组的电量，并将电量数据通过数据通信子系统发送到地面数据处理系统，从而告知用户地下随钻姿态测量系统中电池的使用情况。
本发明提供的一种水平导向钻管线轨迹自主测绘定位系统及其测绘定位方法，具有以下优点：
1、通过采用惯性测量技术，实现了水平导向钻施工轨迹的实时在线测量；
2、可准确标绘实际的施工轨迹，为市政管线的精确科学管理奠定了基础。
附图说明
图1是本发明提供的水平导向钻管线轨迹自主测绘定位系统的构成示意图；
图2是本发明的安装位置示意图；
图3是本发明的另一种安装位置示意图；
图4是本发明的总体结构示意图；
图5是本发明的地下随钻姿态测量系统的结构示意图；
图6是本发明的地下随钻姿态测量系统的安装结构框图；
图7是本发明的随钻姿态测量系统的步骤流程图。
具体实施方式
以下根据图1～图7具体说明本发明的较佳实施方式：
如图1所示，本发明提供一种水平导向钻管线轨迹自主测绘定位系统，包含利用通讯电缆2’连接的地下随钻姿态测量系统1’以及地面数据处理系统3’；
如图2所示，所述的地下随钻姿态测量系统1’安装在水平导向钻钻杆4’与回括器5’之间，或者如图3所示，安装在水平导向钻钻杆4’与导向板6’之间，随水平导向钻钻杆转动，对施工轨迹四周进行随钻探测，并实时测量水平导向钻施工姿态；
如图4所示，所述的地下随钻姿态测量系统1’包含三轴光纤陀螺(型号：NT100)1、三轴加速度计(型号：QTZ-1)2、磁强计3(型号：HMR3000)、倾斜计(型号：SANG1000)4、电路连接所述三轴光纤陀螺1、三轴加速度计2、磁强计3和倾斜计4的数据同步采集子系统6、还包含电路连接所述数据同步采集子系统6的数据通信子系统7，还包含分别电路连接数据同步采集子系统6和数据通信子系统7的电源管理模块5；
如图5所示，所述的数据同步采集子系统6包含电路连接所述三轴光纤陀螺1和三轴加速度计2的6路24位A/D转换模块(型号：ADS1211)11、电路连接所述磁强计3、倾斜计4和A/D转换模块11的逻辑控制电路FPGA(型号：XC3S1500-4FG456)13，还包含分别电路连接所述A/D转换模块11和逻辑控制电路FPGA13的微处理器MPU(型号：TMS320F240)12；
所述的数据通信子系统7包含电路连接所述微处理器MPU12的CAN(控制器局域网)总线收发器17、以及电路连接所述总线收发器17的CAN总线驱动器18；
所述电源管理模块5包含电路连接所述总线收发器17的电源管理模块(型号：15NR12D12/50A和WRH39-12S5)、电路连接所述电源管理模块15的电池组14、以及电路连接所述电源管理模块15和电池组14的电源变换模块(型号：NR12D12/50A、WRH39-12S5)16；
所述的地面数据处理系统包含电路连接所述数据通信子系统7的地面数据处理及显示模块10、以及电路连接所述地面数据处理及显示模块10的GPS接收机(型号：GPS--OEM-G2L-3111RS)8和里程计(型号：hls_L)9；
如图6所示，数据同步采集子系统在同步时钟的控制下采集三轴加速度计、三轴光纤陀螺、磁强计、倾斜计的实时数据，采样频率为400Hz，同步精度为100us，并对它们进行低通滤波和抗干扰滤波，然后通过数据通信子系统将采集的实时数据发送到地面数据处理及显示模块中，最后由地面数据处理及显示模块融合里程计和地下随钻姿态测量系统的探测数据，通过四元数法和扩展卡尔曼滤波技术将水平钻的姿态及位置计算出来，显示并存档，其中GPS接收机是用于获得初始位置，里程计用于测量钻杆行程，电源管理模块用于电源充电管理及电量测量；
所述的地下随钻姿态测量系统中的三轴光纤陀螺1、三轴加速度计2、磁强计3、倾斜计4、数据同步采集子系统6、数据通信子系统7、电源管理子系统5逐序分别装在圆柱形刚体19内，由穿线活塞20、密封金属端盖21、顶紧O形圈22将其连接并密封，组装形成一体；
本发明还提供一种测绘定位方法，包含以下步骤：
步骤1、电源管理模块收到地面数据处理系统发送的开机命令，开启电源变换模块，地下随钻姿态测量系统开始工作；
步骤2、数据同步采集子系统内的微处理器MPU产生时间同步信号，对其内部的A/D转换和逻辑控制电路FPGA进行时间同步；
步骤3、微处理器MPU对三轴光纤陀螺、三轴加速度计、磁强计和倾斜计进行同步数据采集，同时对采集的数据进行低通滤波和抗干扰滤波；
步骤4、微处理器MPU将处理后的数据通过数据通信子系统中的总线收发器和总线驱动器发送到地面数据处理系统；
如图7所示，步骤5、地面数据处理系统对随钻姿态测量系统采集的姿态数据进行分析；
步骤5.1、对陀螺和加速度计的原始信息进行数据预处理，陀螺、加速度计的原始信息是水平钻的角速度和加速度的函数，通过数据预处理进行零偏、非正交误差、温度误差补偿，得到载体的角速度和加速度的测量值；
步骤5.2、判断是否进行了初始对准，若否，进行步骤5.3，若是，进行步骤5.4；
步骤5.3、在静态下利用角速度和加速度测量值、GPS测量的初始位置进行初始对准，得到水平钻的初始姿态；
步骤5.4、对接收到的姿态数据进行重新计算，更新钻头姿态；
步骤5.5、利用惯性测量单元的姿态测量值、里程计的测量值、磁强计的测量值、倾斜计的测量值、GPS接收机的测量值，并结合水平钻的运行状态，采用扩展卡尔曼滤波算法进行数据融合，得到水平钻的姿态、位置信息，从而完成对水平钻的定向定位测量；
步骤6、根据步骤5得到的姿态数据和轨迹数据，将探测数据向钻头姿态和行进轨迹投影，绘制探测成像图；
另外，电源管理模块每隔1s采集一次电池组的电量，并将电量数据通过数据通信子系统发送到地面数据处理系统，从而告知用户地下随钻姿态测量系统中电池的使用情况。
Claims (10)
1.一种水平导向钻管线轨迹自主测绘定位系统，其特征在于，包含利用通讯电缆(2’)连接的地下随钻姿态测量系统(1’)以及地面数据处理系统(3’)；所述的地下随钻姿态测量系统(1’)包含三轴光纤陀螺(1)、三轴加速度计(2)、磁强计(3)、倾斜计(4)、电路连接所述三轴光纤陀螺(1)、三轴加速度计(2)、磁强计(3)和倾斜计(4)的数据同步采集子系统(6)、还包含电路连接所述数据同步采集子系统(6)的数据通信子系统(7)，还包含分别电路连接数据同步采集子系统(6)和数据通信子系统(7)的电源管理模块(5)；
数据同步采集子系统在同步时钟的控制下采集三轴加速度计、三轴光纤陀螺、磁强计、倾斜计的实时数据，并对它们进行滤波，然后通过数据通信子系统将采集的实时数据发送到地面数据处理及显示模块中，最后由地面数据处理及显示模块融合里程计和地下随钻姿态测量系统的探测数据，将水平钻的姿态及位置计算出来，显示并存档，其中，电源管理模块用于电源充电管理及电量测量。
2.如权利要求1所述的水平导向钻管线轨迹自主测绘定位系统，其特征在于，所述的地下随钻姿态测量系统(1’)安装在水平导向钻钻杆(4’)与回括器(5’)之间，或者安装在水平导向钻钻杆(4’)与导向板(6’)之间。
3.如权利要求1所述的水平导向钻管线轨迹自主测绘定位系统，其特征在于，所述的数据同步采集子系统(6)包含电路连接所述三轴光纤陀螺(1)和三轴加速度计(2)的A/D转换模块(11)、电路连接所述磁强计(3)、倾斜计(4)和A/D转换模块(11)的逻辑控制电路FPGA(13)，还包含分别电路连接所述A/D转换模块(11)和逻辑控制电路FPGA(13)的微处理器MPU(12)。
4.如权利要求1所述的水平导向钻管线轨迹自主测绘定位系统，其特征在于，所述的数据通信子系统(7)包含电路连接所述微处理器MPU(12)的总线收发器(17)、以及电路连接所述总线收发器(17)的总线驱动器(18)。
5.如权利要求1所述的水平导向钻管线轨迹自主测绘定位系统，其特征在于，所述电源管理模块(5)包含电路连接所述总线收发器(17)的电源管理模块(15)、电路连接所述电源管理模块(15)的电池组(14)、以及电路连接所述电源管理模块(15)和电池组(14)的电源变换模块(16)。
6.如权利要求1所述的水平导向钻管线轨迹自主测绘定位系统，其特征在于，所述的地面数据处理系统包含电路连接所述数据通信子系统(7)的地面数据处理及显示模块(10)、以及电路连接所述地面数据处理及显示模块(10)的GPS接收机(8)和里程计(9)。
7.如上述任何一个权利要求之一所述的水平导向钻管线轨迹自主测绘定位系统，其特征在于，所述的地下随钻姿态测量系统中的三轴光纤陀螺(1)、三轴加速度计(2)、磁强计(3)、倾斜计(4)、数据同步采集子系统(6)、数据通信子系统(7)、电源管理子系统(5)逐序分别装在圆柱形刚体(19)内，由穿线活塞(20)、密封金属端盖(21)、顶紧O形圈(22)将其连接并密封，组装形成一体。
8.一种测绘定位方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1、电源管理模块收到地面数据处理系统发送的开机命令，开启电源变换模块，地下随钻姿态测量系统开始工作；
步骤2、数据同步采集子系统内的微处理器MPU产生时间同步信号，对其内部的A/D转换和逻辑控制电路FPGA进行时间同步；
步骤3、微处理器MPU对三轴光纤陀螺、三轴加速度计、磁强计和倾斜计进行同步数据采集，同时对采集的数据进行低通滤波和抗干扰滤波；
步骤4、微处理器MPU将处理后的数据通过数据通信子系统中的总线收发器和总线驱动器发送到地面数据处理系统；
步骤5、地面数据处理系统对随钻姿态测量系统采集的姿态数据进行分析；
步骤6、根据步骤5得到的姿态数据和轨迹数据，将探测数据向钻头姿态和行进轨迹投影，绘制探测成像图。
9.如权利要求8所述的测绘定位方法，其特征在于，所述的步骤5包含以下步骤：
步骤5.1、对陀螺和加速度计的原始信息进行数据预处理，陀螺、加速度计的原始信息是水平钻的角速度和加速度的函数，通过数据预处理进行零偏、非正交误差、温度误差补偿，得到载体的角速度和加速度的测量值；
步骤5.2、判断是否进行了初始对准，若否，进行步骤5.3，若是，进行步骤5.4；
步骤5.3、在静态下利用角速度和加速度测量值、GPS测量的初始位置进行初始对准，得到水平钻的初始姿态；
步骤5.4、对接收到的姿态数据进行重新计算，更新钻头姿态；
步骤5.5、利用惯性测量单元的姿态测量值、里程计的测量值、磁强计的测量值、倾斜计的测量值、GPS接收机的测量值，并结合水平钻的运行状态，采用扩展卡尔曼滤波算法进行数据融合，得到水平钻的姿态、位置信息，从而完成对水平钻的定向定位测量。
10.如权利要求8所述的测绘定位方法，其特征在于，所述的电源管理模块每隔一段时间采集一次电池组的电量，并将电量数据通过数据通信子系统发送到地面数据处理系统，从而告知用户地下随钻姿态测量系统中电池的使用情况。
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