CN103343683A - 一种基于gps的牙轮钻机实时穿孔定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种基于GPS的牙轮钻机实时穿孔定位方法，具体是：先利用GPS构建基于RTK-GPS技术的牙轮钻机实时穿孔定位的模型，确定牙轮钻机实时穿孔定位的方式；再根据穿孔定位模型采集控制点的三维坐标；之后利用三点空间后方交会的方法解算牙轮钻机穿孔点位的平面坐标，并通过控制点高程的变化解算牙轮钻机穿孔深度；然后对解算得到的平面坐标和穿孔深度进行精度评估；最后结合矿区牙轮钻机施工特点设计牙轮钻机实时穿孔定位系统功能，实现牙轮钻机实时穿孔作业的数字化处理。本发明可以指导牙轮钻机开到目标穿孔点位进行穿孔作业，进而有效的控制钻孔的深度，减少人为因素对钻孔质量的影响，提高牙轮钻机实时穿孔作业的效率。

Description

一种基于GPS的牙轮钻机实时穿孔定位方法

技术领域

本发明涉及矿业工程技术领域，特别是涉及一种基于GPS的牙轮钻机实时穿孔定位方法。

背景技术

随着矿业经济的高速发展，牙轮钻机穿孔定位质量的高要求，GPS卫星测量、定位等技术在矿业工程的应用越来越广泛。GPS是一种无线电导航定位系统，通过接收空间卫星的信号，能够提供全天候、连续的精确三维坐标，具有实时定位和导航的功能，由于GPS观测时间短全天候作业、监测精度高等优点，其在牙轮钻机穿孔定位中有着重要的应用。

通过对现有期刊检索，高旭芳和兰金虎发表了《AD150型挖钻机深度监测技术研究》的论文，该论文主要讲述利用传感器等仪器设备，测量钻机深度的方法。还有，马建军发表了《GZX—12型挖钻机桅杆倾角及钻进深度监测系统》的论文，该论文主要讲述利用深度传感器等仪器设备，设计关于钻机钻进深度的系统。通过专利文献检索，中国专利申请“牙轮钻机抛掷孔定位仪及定位方法”，该申请公开了一种利用两台GPS天线、传感器、信号采集解算器等仪器装置实现了牙轮钻机抛掷孔的平面定位，同时也可以测量钻孔深度。

然而，本发明利用三台RTK-GPS设备，实现牙轮钻机实时穿孔定位，基于以下几点考虑：

（1）GPS设备比较便宜，技术比较成熟；

（2）露天矿地面多是不平坦的，牙轮钻机在施工过程中，机身晃动较大，利用GPS，其监测频率可达20HZ，远远高于现有传感器的监测频率，可以有效地实现牙轮钻机实时穿孔作业；

（3）同现有传感器设备相比，利用GPS测量的穿孔深度精度更高，误差能够控制在2cm～3cm的范围；

（4）本发明所使用设备单一，仅仅是GPS，同多种传感器设备相比，设备之间不存在兼容性问题；

（5）除此之外，本发明还对牙轮钻机实时穿孔定位系统功能进行设计，包括图形显示模块、信息管理模块、导航定位模块、质量评估模块，为牙轮钻机穿孔作业的数字化管理提供科学的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为减少人为因素对穿孔质量的影响，提高穿孔的精度和穿孔的工作效率，弥补传统的牙轮钻机穿孔定位在自动化方面的不足，提供一种基于GPS的牙轮钻机实时穿孔定位方法。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

（1）利用GPS构建基于RTK-GPS技术的牙轮钻机实时穿孔定位的模型，确定牙轮钻机实时穿孔定位的方式；

（2）根据构建的穿孔定位的模型采集控制点的三维坐标；

（3）利用三点空间后方交会的方法，解算牙轮钻机穿孔点位的平面坐标，并通过控制点高程的变化解算牙轮钻机穿孔深度；

（4）对解算得到的平面坐标和穿孔深度进行精度检测；

（5）结合矿区牙轮钻机施工特点，对牙轮钻机实时穿孔定位系统功能进行设计，实现基于GPS的牙轮钻机实时穿孔的定位。

本发明可以采用包括以下步骤的方法构建基于RTK-GPS技术的牙轮钻机实时穿孔定位的模型：

（1）三个控制点的选取：在牙轮钻机平台上布设三个控制点，其中两个控制点安置在牙轮钻机平台上，一个安置在与钻杆相连的焊接支撑物上；

（2）RTK-GPS设备的安置：该设备包括GPS基准站、GPS移动站，其中GPS基准站用于发射卫星信号，GPS移动站通过接收基准站发射的卫星信号，实时采集控制点的坐标数据；

（3）调试：在控制点布设完成后，利用RTK-GPS设备对三个控制点进行实时监测，观察控制点的卫星信号，根据信号的好坏，更改控制点的位置；通过不断的调试，得到牙轮钻机实时穿孔定位的模型。

本发明可以采用以下的方法解算牙轮钻机穿孔点位平面坐标：

（1）通过GPS测量得到的三个控制点的实时坐标数据，并结合测量得到的平面距离，列出下述牙轮钻机实时穿孔定位平面坐标的近似值方程；

牙轮钻机穿孔点近似坐标

以控制点B为例：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_P^0=X_B+{\mathrm{\ΔX}}_{\mathrm{BP}}\\ Y_P^0=Y_B+{\mathrm{\ΔY}}_{\mathrm{BP}}\end{array}\right.$

式中：X_B、Y_B为控制点B的坐标，ΔX_BP为P点坐标X_P与B点坐标X_B的差，ΔY_BP为P点坐标Y_P与B点坐标Y_B的差；

（2）利用三点空间后方交会的方法，根据间接平差的解算方法，列出边长的误差方程组，并将其整理，得到下述牙轮钻机实时穿孔定位的矩阵的线性方程：

V＝B·δ_X-L

式中：V为边长误差矩阵，B为系数矩阵，L为误差方程的自由项，δ_X为牙轮钻机穿孔点P平面坐标坐标改正数；

（3）利用最小二乘法列出法方程，解算得到牙轮钻机穿孔点位点位的坐标改正数，进而得到牙轮钻机穿孔点位的平面坐标：

法方程：

B^TPBδ_X+B^TPL＝0

式中：P为权重矩阵，假设边长观测值是等精度观测，取P为单位矩阵，

法方程化简为：

B^TBδ_X+B^TL＝0

坐标改正数：

δ_X＝-(B^TB)^-1B^TL

牙轮钻机穿孔点位P(X_P,Y_P)的平面坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_P=X_P^0+{\mathrm{\δ}}_{X_P}\\ Y_P=Y_P^0+{\mathrm{\δ}}_{Y_P}\end{array}\right..$

式中：

为P点坐标X的改正数，

为P点坐标Y的改正数。

本发明可以通过与牙轮钻机钻杆相连的控制点的高程变化h，解算牙轮钻机穿孔深度H，具体为：

H＝h＝h₁-h₂

式中：h为控制点B下降的高度，h₁为B点在牙轮钻机开始钻孔时的高程，h₂为B点在牙轮钻机结束穿孔作业时的高程。

本发明可以采用以下公式计算，检测牙轮钻机实时穿孔定位的平面坐标精度：

牙轮钻机穿孔点位X_P,Y_P的中误差：

${\mathrm{\σ}}_{(M_{X_P},M_{Y_P})}={\mathrm{\σ}}_0\sqrt{Q_{\mathrm{xx}}}$

式中：

为X_P,Y_P中误差，σ₀为单位权标准差，Q_xx为协因数阵；

穿孔点位平面坐标中误差：

$M_P=\sqrt{M_{X_P}+M_{Y_P}}$

式中：M_P为平面坐标中误差，

为X_P的中误差，

为Y_P的中误差。

本发明基于穿孔深度的误差来源于同一个控制点B的高程的测量误差，可以采用以下公式计算，检测牙轮钻机穿孔深度精度：

$M_H=\sqrt{M_{h_1}^2+M_{h_2}^2}=\sqrt{2}{M}_{h_1}$

式中：M_H为穿孔深度中误差，为控制点B高程测量前后产生的误差，其中控制点B的测量仪器和方法，都是固定的，所以

本发明可以采用包括以下步骤的方法对牙轮钻机实时穿孔定位系统功能的设计：

（1）图形显示模块：

以矿区地形图为底图，在平面图上显示一次穿孔位置、数量及当牙轮钻机所在的位置。当系统需要完成穿孔平面定位时，界面显示牙轮钻机当前位置、目标定位穿孔平面位置以及最短行驶路径，用以指导牙轮钻机到达该点；当牙轮钻机完成平面定位，开始穿孔时，系统切换到孔深定位界面，实时显示钻杆所在高程位置及目标高程点位置，当钻头达到目标点高程，即完成钻孔；

（2）信息管理模块：

该模块主要管理的信息分为定位数据采集、作业数据记录、评估报表输出，其中：定位数据采集的数据包括牙轮钻机实时位置数据、穿孔的平面坐标和孔深数据，作业数据记录包括穿孔作业的开始时间和完成时间、一次任务中完成所有穿孔作业的时间，评估报表记录质量评估模块的穿孔质量评估结果；信息管理模块负责这些数据的录入、保存、查询及输出；

（3）导航定位模块：

该模块是系统功能的核心模块，其根据牙轮钻机工作特点，为牙轮钻机提供穿孔平面定位和穿孔深度定位两类导航定位模式，以适应牙轮钻机穿孔作业的需要，具体为：

当牙轮钻机接收穿孔作业任务之后，按以下步骤进行平面定位：先利用安装在牙轮钻机上的三台RTK-GPS实时定位信息，采用牙轮钻机穿孔平面定位模型获取钻头实时平面坐标；再通过手动和自动两种方式来确定当前目标钻孔，所述手动方式是司机通过点选或输入方式选择一个钻孔作为目标钻孔；所述自动方式是系统计算当前钻头与本次任务所有钻孔之间的平面距离，选取距离最小的钻孔作为当前目标钻孔；然后生成钻头到目标钻孔的导航路线，实时计算两者之间的距离，并显示在系统界面；

当平面定位完成，牙轮钻机开始穿孔工作，系统切换到孔深定位界面，利用牙轮钻机穿孔深度定位模型获取钻头实时钻进深度，实时显示钻孔已完成钻进深度及还需完成的钻进深度；当已钻深度达到设计孔深时，提示司机钻孔完成；

（4）质量评估模块：

该模块从定位精度和钻孔效率两个角度对钻孔进行评价：

所述定位精度用于衡量钻机穿孔定位效果，包括单孔定位精度和一次作业定位精度，单孔定位精度由牙轮钻机穿孔点的平面定位精度和穿孔深度精度组成；每次牙轮钻机穿孔点的平面定位完成后，系统自动记录实际定位平面坐标，并计算平面定位精度；同样地，单个钻孔作业完成后，记录实际钻孔深度，并计算穿孔深度定位精度；一次作业定位精度为本次作业所有钻孔平均定位精度；

所述钻孔效率用于衡量钻机穿孔作业完成的快慢，包括平面定位效率和穿孔效率；平面定位效率是牙轮钻机穿孔点的平面定位时间与距离的比值，穿孔效率是穿孔时间与穿孔深度的比值。

本发明与现有技术相比，具有以下的主要优点：

（1）在露天矿山，地面一般是不平坦的，牙轮钻机在施工过程中，机身晃动表较大，利用GPS可以为牙轮钻机实时穿孔定位系统的稳定性提供保障。不仅能够实时高效的实现牙轮钻穿孔平面坐标定位，而且能够准确的测量牙轮钻机实时穿孔深度，与传感器测量深度的方法相比，GPS测量的穿孔深度精度更高，能够达到误差在2cm～3cm的范围，并且本发明所使用的是同种设备，都是同种GPS，兼容性较好，可以有效地对牙轮钻机钻孔质量进行综合控制。

（2）在牙轮钻机上选取控制点的过程是要经过不断的调试后确定的，利用三台RTK-GPS采集得到的控制点的平面坐标，用于三点空间后方交会解算牙轮钻机穿孔点位的坐标。然而，三点空间交会对后方交会的图形相比两点后方交会的图形要求较低，降低了对后方交会模型的要求，这样也降低了构建牙轮钻机实时穿孔定位的模型难度。

（3）本发明结合牙轮钻机穿孔作业的施工特点，对牙轮钻机实时穿孔定位系统功能进行设计，包括图形显示模块、信息管理模块、导航定位模块、质量评估模块，这些模块为牙轮钻机实时穿孔定位服务，可以提高牙轮钻机实时穿孔作业的效率，为矿业工程的可持续发展提供有效的途径。

附图说明

图1是牙轮钻机的结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是图1的右视图。

图4是三点空间后方交会示意图。

图5是穿孔点位平面坐标解算流程图。

图6是穿孔深度示意图。

图7是牙轮钻机实时穿孔系统功能示意图。

图中：1.牙轮钻机钻杆；2.牙轮钻机平台；3.牙轮钻机钻头；4.焊接支撑物。

具体实施方式

本发明为减少人为因素对穿孔质量的影响，提高穿孔的精度和穿孔的工作效率，弥补传统的牙轮钻机穿孔定位在自动化方面的不足，提供一种基于GPS的牙轮钻机实时穿孔定位方法，该方法是：首先，构建基于RTK-GPS技术的牙轮钻机实时穿孔定位的模型，确定牙轮钻机穿孔定位的方式；然后，采用三点空间后方交会的方法，即通过不在同一条直线上的三个控制点，解算牙轮钻机穿孔点位的平面坐标，并通过控制点高程的变化解算牙轮钻机穿孔深度；再通过对其坐标进行精度评估，主要是通过解算坐标的中误差，验证其精度。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但并不局限于下面所述内容。

一.构建基于RTK-GPS技术的牙轮钻机实时穿孔定位的模型

1.GPS技术的优点：

GPS具有定位精度高、观测站之间不需要通视、操作简便、观测时间短、全天候24小时作业和提供三维坐标等优点，在实时定位方面有着广泛的应用，利用GPS技术，可以满足构建牙轮钻机实时穿孔定位模型的要求。RTK是常用的GPS测量方法，利用RTK能够在野外实时测量厘米级定位精度的结果，不需要后期数据处理，极大地提高了外业作业效率，为牙轮钻机实时穿孔定位提供了有效的技术手段。

2.实时穿孔定位模型的构建：

参见图1至图3，在牙轮钻机上布设三个控制点分别为A、B、C，其中：B点设在与牙轮钻机钻杆1相连的焊接支撑物4上；C、A点分别设在牙轮钻机平台2的左、右方。还设置P点，其为牙轮钻机钻孔点位，即牙轮钻机钻头3的位置。A、B、C三个控制点不在一条直线上，A、C、P四个点的位置都是固定不变的，B点的位置会随着钻杆1的运动而改变。

构建定位模型，采用的监测硬件有GPS基准站、GPS移动站等。GPS基准站用脚架架设在平坦、天空开阔且无电磁波干扰尽量远离人群的位置，是固定不动的，作业时需要将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测，而流动站架设在牙轮钻机平台2上布设的三个控制点的位置，用于实时采集三个控制点A、B、C的坐标。

3.穿孔模型的解算方法：

通过GPS技术实时采集控制点的坐标数据，并结合已知测量的平面距离，利用三点空间后方交会的方法，解算得到牙轮钻机穿孔点位的实时平面坐标；然后通过控制点高程的变化解算牙轮钻机穿孔深度。

二.牙轮钻机实时穿孔定位的解算方法

牙轮钻机在进行穿孔作业时，三台GPS接收机会实时对牙轮钻机上的三个控制点的位置进行监测，得到A、B、C三个控制点的坐标为A(X_A,Y_A,H_A)，B(X_B,Y_B,H_B)，C(X_C,Y_C,H_C)，作为三点后方距离交会解算的已知数据。同时，测量得到牙轮钻机钻孔点位P到三个控制点A、B、C之间的平面距离分别为D_AP、D_BP、D_CP，如图4所示。假定牙轮钻机穿孔点位的坐标为P(X_P,Y_P,H_P)，为了准确监测牙轮钻机的实时位置，指导牙轮钻机开到指定地面钻孔点位，进行穿孔作业，进而控制牙轮钻机穿孔深度，本发明从两个步骤解算：

1.牙轮钻机实时穿孔点位P的平面坐标的解算：

其流程图，如图5所示。

a)计算牙轮钻机穿孔点近似坐标

以控制点B为例，如下：

令ΔX_ji＝X_i-X_j(j，i=B、C、P，但j≠i)，那么

$\left\{\begin{array}{c}{X}_P^0=X_B+{\mathrm{\ΔX}}_{\mathrm{BP}}\\ Y_P^0=Y_B+{\mathrm{\ΔY}}_{\mathrm{BP}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中， $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔX}}_{\mathrm{BP}}=m\·{\mathrm{\ΔX}}_{\mathrm{BC}}+n\·{\mathrm{\ΔY}}_{\mathrm{BC}}\\ {\mathrm{\ΔY}}_{\mathrm{BP}}=m\·{\mathrm{\ΔY}}_{\mathrm{BC}}-n\·{\mathrm{\ΔX}}_{\mathrm{BC}}\end{array}\right.,$ 其中 $m=\frac{1}{2}[1+{\left(\frac{D_{\mathrm{BP}}}{D_{\mathrm{BC}}}\right)}^2-{\left(\frac{D_{\mathrm{CP}}}{D_{\mathrm{BC}}}\right)}^2],$ $n=\sqrt{{\left(\frac{D_{\mathrm{BP}}}{D_{\mathrm{BC}}}\right)}^2-m},$ $D_{\mathrm{BC}}=\sqrt{{(X_C-X_B)}^2+{(Y_C-Y_B)}^2}.$

b)列观测值误差方程：

本发明中，观测值只有边长，那么观测误差方程，如下所示：

$V_{\mathrm{kP}}=\cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{kP}}^0{\mathrm{\δ}}_{x_P}+\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{kP}}^0{\mathrm{\δ}}_{Y_P}+L_{\mathrm{kP}}---\left(2\right)$

式中： $\cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{kP}}^0=\frac{{\mathrm{\ΔX}}_{\mathrm{kP}}^0}{D_{\mathrm{kP}}^0}=\frac{X_P^0-X_k}{D_{\mathrm{kP}}^0},$ $\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{ki}}^0=\frac{{\mathrm{\ΔY}}_{\mathrm{kP}}^0}{D_{\mathrm{kP}}^0}=\frac{Y_P^0-Y_k}{D_{\mathrm{kP}}^0},$ $D_{\mathrm{kP}}^0=\sqrt{{\mathrm{\ΔX}}_{\mathrm{kP}}^{0^2}+{\mathrm{\ΔY}}_{\mathrm{kP}}^{0^2}},$

和为牙轮钻机穿孔点P的坐标改正数，其中k=A、B、C。

根据式（2）可列出以下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{AP}}=\cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{AP}}^0{\mathrm{\δ}}_{x_P}+\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{AP}}^0{\mathrm{\δ}}_{Y_P}+D_{\mathrm{AP}}^0-D_{\mathrm{AP}}\\ V_{\mathrm{BP}}=\cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{BP}}^0{\mathrm{\δ}}_{x_P}+\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{BP}}^0{\mathrm{\δ}}_{Y_P}+D_{\mathrm{BP}}^0-D_{\mathrm{BP}}\\ V_{\mathrm{CP}}=\cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{CP}}^0{\mathrm{\δ}}_{x_P}+\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{CP}}^0{\mathrm{\δ}}_{Y_P}+D_{\mathrm{CP}}^0-D_{\mathrm{CP}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

令 $V=\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{AP}}\\ V_{\mathrm{BP}}\\ V_{\mathrm{CP}}\end{array}\right],$ ${\mathrm{\δ}}_X=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\δ}}_{X_P}\\ {\mathrm{\δ}}_{Y_P}\end{array}\right],$ $B=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{AP}}^0& \sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{AP}}^0\\ \cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{BP}}^0& \sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{BP}}^0\\ \cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{CP}}^0& \sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{CP}}^0\end{array}\right],$ $L=\left[\begin{array}{c}{D}_{\mathrm{AP}}-D_{\mathrm{AP}}^0\\ D_{\mathrm{BP}}-D_{\mathrm{BP}}^0\\ D_{\mathrm{CP}}-D_{\mathrm{CP}}^0\end{array}\right].$

将式（3）转化成矩阵形式：

V＝B·δ_X-L               （4）

c)组成法方程：

由式（4）和观测值的权重矩阵P组成如下法方程：

B^TPBδ_X+B^TPL＝0            （5）

假定权重矩阵P为单位矩阵，那么式（5）可以化简为：

B^TBδ_X+B^TL＝0              （6）

那么，从式（6）可得：

δ_X＝-(B^TB)^-1B^TL            （7）

因此，牙轮钻机穿孔点位P(X_P,Y_P)的平面坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_P=X_P^0+{\mathrm{\δ}}_{X_P}\\ Y_P=Y_P^0+{\mathrm{\δ}}_{Y_P}\end{array}\right..$

2.确定牙轮钻机穿孔深度H。

当牙轮钻机开到指定的地面穿孔点P位置，进行穿孔作业时，牙轮钻机穿孔深度表示为：从牙轮钻机开始钻孔到结束钻孔整个过程中钻杆1下降的距离h，即控制点B下降的高度，如图6所示。利用RTK-GPS测量得到B点在牙轮钻机开始钻孔时和结束穿孔作业时的高程分别为h₁和h₂，那么牙轮钻机穿孔深度表示为：

H＝h＝h₁-h₂                  （8）

三.牙轮钻机实时穿孔定位的精度测定

1.牙轮钻机穿孔点位P平面坐标的精度测定：

由下述公式计算得出：

单位权方差为：

${\mathrm{\σ}}_0^2=\frac{V^{T}V}{r}=\frac{V^{T}V}{c-u}---\left(9\right)$

式中：V为边长误差矩阵，r为多余观测数，c为总观测数，u必要观测数。

协因数阵为：

Q_xx＝(B^TB)^-1               （10）

那么，X_P,Y_P的中误差为：

${\mathrm{\σ}}_{(M_{X_P},M_{Y_P})}={\mathrm{\σ}}_0\sqrt{Q_{\mathrm{xx}}}---\left(11\right)$

式中，

为X_P,Y_P中误差，σ₀为单位权标准差，Q_xx为协因数阵。

牙轮钻机穿孔点位的平面坐标误差：

$M_P=\sqrt{M_{X_P}+M_{Y_P}}---\left(12\right)$

式中：M_P为平面坐标中误差，

为X_P的中误差，

为Y_P的中误差。

2.牙轮钻机穿孔深度的精度测定：

由于穿孔深度是通过B点高程的变化解算得到的，所以穿孔深度的误差之来源于B点的高程误差，那么有：

$M_H=\sqrt{M_{h_1}^2+M_{h_2}^2}=\sqrt{2}{M}_{h_1}$

式中：M_H为穿孔深度中误差，

为控制点B高程测量中的中误差，其中控制点B的测量仪器和方法，都是固定的，所以

四.牙轮钻机实时穿孔定位系统功能设计

牙轮钻机实时穿孔定位的主要功能为牙轮钻机提供准确的钻孔导航定位，指导牙轮钻机行驶到目标钻孔，进行穿孔作业，保证穿孔的质量，进而有效地控制穿孔的深度。为更有效的实施基于GPS的牙轮钻机实时穿孔定位方法，实现牙轮钻机实时穿孔定位的功能，以及对牙轮钻机实时穿孔作业进行数字化管理，开发牙轮钻机实时穿孔定位的系统，如图7所示。该系统功能设计包括：

1.图形显示模块：

以矿区地形图为底图，在平面图上显示一次穿孔位置、数量及当牙轮钻机所在的位置。当系统需要完成穿孔平面定位时，界面显示牙轮钻机当前位置、目标定位穿孔平面位置以及最短行驶路径，用以指导牙轮钻机到达该点；当牙轮钻机完成平面定位，开始穿孔时，系统切换到孔深定位界面，实时显示钻杆所在高程位置及目标高程点位置，当牙轮钻机钻头达到目标点高程，即完成钻孔；

2.信息管理模块：

该模块主要管理的信息分为定位数据采集、作业数据记录、评估报表输出，其中：定位数据采集的数据包括牙轮钻机实时位置数据、穿孔的平面坐标和孔深数据，作业数据记录包括穿孔作业的开始时间和完成时间、一次任务中完成所有穿孔作业的时间，评估报表记录质量评估模块的穿孔质量评估结果；信息管理模块负责这些数据的录入、保存、查询及输出；

3.导航定位模块：

该模块是系统功能的核心模块，其根据牙轮钻机工作特点，为牙轮钻机提供穿孔平面定位和穿孔深度定位两类导航定位模式，以适应牙轮钻机穿孔作业的需要，具体为：

当牙轮钻机接收穿孔作业任务之后，按以下步骤进行平面定位：先利用安装在牙轮钻机上的三台RTK-GPS实时定位信息，采用牙轮钻机穿孔平面定位模型获取钻头实时平面坐标；再通过手动和自动两种方式来确定当前目标钻孔；然后生成牙轮钻机穿孔点位，即牙轮钻机钻头3到目标钻孔的导航路线，实时计算两者之间的距离，并显示在系统界面。

当平面定位完成，牙轮钻机开始穿孔工作，系统切换到孔深定位界面，利用牙轮钻机穿孔深度定位模型获取牙轮钻机钻孔点位，即牙轮钻机钻头3实时钻进深度，实时显示钻孔已完成钻进深度及还需完成的钻进深度；当已钻深度达到设计孔深时，提示司机钻孔完成；

4.质量评估模块：

该模块从定位精度和钻孔效率两个角度对钻孔进行评价：

所述定位精度用于衡量钻机穿孔定位效果，包括单孔定位精度和一次作业定位精度，单孔定位精度由牙轮钻机穿孔点的平面定位精度和穿孔深度精度组成；每次牙轮钻机穿孔点的平面定位完成后，系统自动记录实际定位平面坐标，并计算平面定位精度；同样地，单个钻孔作业完成后，记录实际钻孔深度，并计算穿孔深度定位精度；一次作业定位精度为本次作业所有钻孔平均定位精度。

所述钻孔效率用于衡量钻机穿孔作业完成的快慢，包括平面定位效率和穿孔效率；平面定位效率是牙轮钻机穿孔点的平面定位时间与距离的比值，穿孔效率是穿孔时间与穿孔深度的比值。

Claims (8)

1.一种基于GPS的牙轮钻机实时穿孔定位方法，其特征是：

（1）利用GPS构建基于RTK-GPS技术的牙轮钻机实时穿孔定位的模型，确定牙轮钻机实时穿孔定位的方式；

（2）根据构建的穿孔定位的模型采集控制点的三维坐标；

（3）利用三点空间后方交会的方法，解算牙轮钻机穿孔点位的平面坐标，并通过控制点高程的变化解算牙轮钻机穿孔深度；

（4）对解算得到的平面坐标和穿孔深度进行精度检测；

（5）结合矿区牙轮钻机施工特点，对牙轮钻机实时穿孔定位系统功能进行设计，实现基于GPS的牙轮钻机实时穿孔的定位。

2.根据权利要求1所述基于GPS的牙轮钻机实时穿孔定位方法，其特征是采用包括以下步骤的方法构建基于RTK-GPS技术的牙轮钻机实时穿孔定位的模型：

（1）三个控制点的选取：在牙轮钻机平台上布设三个控制点，其中两个控制点安置在牙轮钻机平台上，一个安置在与钻杆相连的焊接支撑物上；

（2）RTK-GPS设备的安置：该设备包括GPS基准站、GPS移动站，其中GPS基准站用于发射卫星信号，GPS移动站通过接收基准站发射的卫星信号，实时采集控制点的坐标数据；

（3）调试：在控制点布设完成后，利用RTK-GPS设备对三个控制点进行实时监测，观察控制点的卫星信号，根据信号的好坏，更改控制点的位置；通过不断的调试，得到牙轮钻机实时穿孔定位的模型。

3.根据权利要求1所述的基于GPS的牙轮钻机实时穿孔定位方法，其特征是采用以下的方法解算牙轮钻机穿孔点位平面坐标：

（1）通过GPS测量得到的三个控制点的实时坐标数据，并结合测量得到的平面距离，列出下述牙轮钻机实时穿孔定位平面坐标的近似值方程；

牙轮钻机穿孔点近似坐标

以控制点B为例：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_P^0=X_B+{\mathrm{\ΔX}}_{\mathrm{BP}}\\ Y_P^0=Y_B+{\mathrm{\ΔY}}_{\mathrm{BP}}\end{array}\right.$

式中：X_B、Y_B为控制点B的坐标，ΔX_BP为P点坐标X_P与B点坐标X_B的差，ΔY_BP为P点坐标Y_P与B点坐标Y_B的差；

（2）利用三点空间后方交会的方法，根据间接平差的解算方法，列出边长的误差方程组，并将其整理，得到下述牙轮钻机实时穿孔定位的矩阵的线性方程：

V＝B·δ_X-L

式中：V为边长误差矩阵，B为系数矩阵，L为误差方程的自由项，δ_X为牙轮钻机穿孔点P平面坐标坐标改正数；

（3）利用最小二乘法列出法方程，解算得到牙轮钻机穿孔点位点位的坐标改正数，进而得到牙轮钻机穿孔点位的平面坐标：

法方程：

B^TPBδ_X+B^TPL＝0

式中：P为权重矩阵，假设边长观测值是等精度观测，取P为单位矩阵，

法方程化简为：

B^TBδ_X+B^TL＝0

坐标改正数：

δ_X＝-(B^TB)^-1B^TL

牙轮钻机穿孔点位P(X_P,Y_P)的平面坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_P=X_P^0+{\mathrm{\δ}}_{X_P}\\ Y_P=Y_P^0+{\mathrm{\δ}}_{Y_P}\end{array}\right..$

式中：为P点坐标X的改正数，

为P点坐标Y的改正数。

4.根据权利要求1所述的基于GPS的牙轮钻机实时穿孔定位方法，其特征是通过与牙轮钻机钻杆相连的控制点的高程变化h，解算牙轮钻机穿孔深度H，具体为：

H＝h＝h₁-h₂

式中：h为控制点B下降的高度，h₁为B点在牙轮钻机开始钻孔时的高程，h₂为B点在牙轮钻机结束穿孔作业时的高程。

5.根据权利要求1所述的基于GPS的牙轮钻机实时穿孔定位方法，其特征是采用以下公式计算，检测牙轮钻机实时穿孔定位的平面坐标精度：

牙轮钻机穿孔点位X_P,Y_P的中误差：

${\mathrm{\σ}}_{(M_{X_P},M_{Y_P})}={\mathrm{\σ}}_0\sqrt{Q_{\mathrm{xx}}}$

式中：

为X_P,Y_P中误差，σ₀为单位权标准差，Q_xx为协因数阵；

穿孔点位平面坐标中误差：

$M_P=\sqrt{M_{X_P}+M_{Y_P}}$

式中：M_P为平面坐标中误差，

为X_P的中误差，

为Y_P的中误差。

6.根据权利要求1所述的基于GPS的牙轮钻机实时穿孔定位方法，其特征是基于穿孔深度的误差来源于同一个控制点B的高程的测量误差，采用以下公式计算，检测牙轮钻机穿孔深度精度：

$M_H=\sqrt{M_{h_1}^2+M_{h_2}^2}=\sqrt{2}{M}_{h_1}$

式中：M_H为穿孔深度中误差，

为控制点B高程测量前后产生的误差，其中控制点B的测量仪器和方法，都是固定的，所以

7.根据权利要求1所述的基于GPS的牙轮钻机实时穿孔定位方法，其特征是采用包括以下步骤的方法对牙轮钻机实时穿孔定位系统功能的设计：

（1）图形显示模块：

以矿区地形图为底图，在平面图上显示一次穿孔位置、数量及当牙轮钻机所在的位置。当系统需要完成穿孔平面定位时，界面显示牙轮钻机当前位置、目标定位穿孔平面位置以及最短行驶路径，用以指导牙轮钻机到达该点；当牙轮钻机完成平面定位，开始穿孔时，系统切换到孔深定位界面，实时显示钻杆所在高程位置及目标高程点位置，当钻头达到目标点高程，即完成钻孔；

（2）信息管理模块：

该模块主要管理的信息分为定位数据采集、作业数据记录、评估报表输出，其中：定位数据采集的数据包括牙轮钻机实时位置数据、穿孔的平面坐标和孔深数据，作业数据记录包括穿孔作业的开始时间和完成时间、一次任务中完成所有穿孔作业的时间，评估报表记录质量评估模块的穿孔质量评估结果；信息管理模块负责这些数据的录入、保存、查询及输出；

（3）导航定位模块：

该模块是系统功能的核心模块，其根据牙轮钻机工作特点，为牙轮钻机提供穿孔平面定位和穿孔深度定位两类导航定位模式，以适应牙轮钻机穿孔作业的需要，具体为：

当牙轮钻机接收穿孔作业任务之后，按以下步骤进行平面定位：先利用安装在牙轮钻机上的三台RTK-GPS实时定位信息，采用牙轮钻机穿孔平面定位模型获取钻头实时平面坐标；再通过手动和自动两种方式来确定当前目标钻孔；然后生成钻头到目标钻孔的导航路线，实时计算两者之间的距离，并显示在系统界面，

当平面定位完成，牙轮钻机开始穿孔工作，系统切换到孔深定位界面，利用牙轮钻机穿孔深度定位模型获取钻头实时钻进深度，实时显示钻孔已完成钻进深度及还需完成的钻进深度；当已钻深度达到设计孔深时，提示司机钻孔完成；

（4）质量评估模块：

该模块从定位精度和钻孔效率两个角度对钻孔进行评价：

所述定位精度用于衡量钻机穿孔定位效果，包括单孔定位精度和一次作业定位精度，单孔定位精度由牙轮钻机穿孔点的平面定位精度和穿孔深度精度组成；每次牙轮钻机穿孔点的平面定位完成后，系统自动记录实际定位平面坐标，并计算平面定位精度；同样地，单个钻孔作业完成后，记录实际钻孔深度，并计算穿孔深度定位精度；一次作业定位精度为本次作业所有钻孔平均定位精度，

所述钻孔效率用于衡量钻机穿孔作业完成的快慢，包括平面定位效率和穿孔效率；平面定位效率是牙轮钻机穿孔点的平面定位时间与距离的比值，穿孔效率是穿孔时间与穿孔深度的比值。

8.根据权利要求7所述的基于GPS的牙轮钻机实时穿孔定位方法，其特征在于步骤（3）中，所述手动方式是司机通过点选或输入方式选择一个钻孔作为目标钻孔；所述自动方式是系统计算当前钻头与本次任务所有钻孔之间的平面距离，选取距离最小的钻孔作为当前目标钻孔。

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