CN104389517A - 煤层气车载钻机孔深在线测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种煤层气车载钻机孔深在线测量装置及方法，该装置包括：滑轮支架、起拔钢丝绳、动力头、给进钢丝绳、张紧轮、张紧油缸、锁紧螺母、二级给进机身、一级给进机身和给进油缸，滑轮支架、起拔钢丝绳、动力头、锁紧螺母、一级给进机身、给进油缸等组成了起拔倍速机构；动力头、给进钢丝绳、张紧轮、张紧油缸、二级给进机身、给进油缸等组成了给进倍速机构；在二级给进机身的顶端安装有一个CCD相机，还包含有编码器测量组件，由此，本发明能应用于煤层气车载钻机及其它具有钻孔作业的施工机械上，具有钻孔施工的同时进行在线测量孔深的能力，精度高，能减轻工人劳动强度，协助司钻人员完成钻孔施工作业。

Description

煤层气车载钻机孔深在线测量装置及方法

技术领域

本发明涉及煤气层钻探的测量领域，具体涉及一种煤层气车载钻机孔深在线测量装置及方法。 

背景技术

我国是煤炭资源大国，煤层气资源相当丰富，但开发煤层气投入成本高、风险高、技术要求高，要掌握它的基本赋存规律和开发技术，必须有前期投入较大并且较先进的装备。因此，开发具有自主知识产权的煤层气车载钻机至关重要。车载式煤层气车载钻机将空压机、泥浆泵等全部集成在可移动车辆上，可实现泥浆钻进和空气钻进等多种钻进工艺，不仅能进行地面煤层气抽采孔施工而且还可以进行地面矿山应急救援孔施工。在钻孔施工过程中，孔深测量一般通过人工对孔中钻杆进行计数的方法获得，但这种方法误差大，不利于管理。 

目前对于相关领域的孔深测量，现有技术主要包含：中国专利(ZL201120317082.4)涉及到钻机孔深测量，但其主要应用于旋挖钻机孔深测量，而且采用接近开关与编码盘的方式。该方法并不适用煤层气车载钻机，因为如何检测动力头上是否有钻杆是一个难题。如果采用安装接近开关的方法来检测，煤层气车载钻机驱动的钻具直径不同，接近开关检测距离近，旋转的动力头带动不同粗细的钻杆，容易造成打坏接近开关或者检测距离不够导致不能检测，而且接近开关容易受外围杂物等影响检测效果。另外，编码器安装在给进装置上，但 给进装置运动时不一定连接有钻杆，会造成孔深的无效测量。所以此方法并不适用于煤层气车载钻机。 

中国专利(ZL201310568983.4)涉及到轮式钻孔深度测量仪和钻孔深度测量方法。其采用角度传感器采集轮架转动的角度信号，用位移传感器采集转轮转动的位移信号，换算获得设定时间段的转轮跟随钻杆转动的螺旋线展开长度△L以及该时间段转轮轴线与钻杆轴线的夹角α，通过L＝△L×sinα计算钻深L。现有的这类技术，转轮的传动轴线与轮架的转动轴线垂直并存在设定的偏心距离，而且轮架转动轴线与钻杆轴线垂直相交，这两个垂直度对安装精度要求很高，这两个垂直度涉及到转轮、钻杆和轮架在空间上的两两垂直，如果安装有误差，则该专利中的三角定律正弦计算值误差很大，累积误差将更进一步放大。另外，该专利还要求转轮压紧贴合在钻杆上，而且转轮轴线与钻杆轴线垂直，钻杆在施工过程中会在空间中以轴线为中心进行振动和摇晃，由于转轮与钻杆的贴合面实际上是一条切线而不是一个面接触，所以这种结构不稳定。另外，转轮运动过程中会产生径向力和沿圆周方向的切向力，会对结构产生磨损和损坏。 

中国专利(CN202325482U)涉及到一种钻孔深度计量装置，该装置的圆柱转动体一直受到钻杆旋转方向上的作用力，该力将使转动体受到偏转扭矩而使轴线产生不稳定，所以其测量精度较差，而且长时间的磨损影响其使用寿命。 

中国专利(ZL201310326673.1)涉及一种煤矿井下钻杆长度及故障检测装置及其使用方法，利用初始声波信号和反射声波信号之间的 时间差及声波在钻杆中的传播速度计算出钻杆长度，该方法只适用于离线测量单根钻杆的长度，无法在线测量孔深。 

其它专利多涉及爆破孔深测量、机床加工孔深测量及管道开孔深度测量，不在工程孔范围内。 

电荷耦合器件(简称CCD，Charge Coupled Devices)是一种用于探测光的硅片，由时钟脉冲电压来产生和控制半导体势阱的变化，实现存储和传递电荷信息的固态电子器件，比传统的底片更能敏感的探测到光的变化。由于CCD具有体积小、高分辨率、高精度、稳定性好、抗震动和电磁干扰等优点，目前广泛应用于工业尺寸测量、表面质量检测，特别是智能传感器、图像传感器、摄像机等领域的发展更为迅速。 

因此，研究钻机如何在钻孔施工的同时能进行在线测量孔深，实现测量孔深不影响钻孔施工，并提高钻孔深度测量精度，成为本领域的技术人员亟待解决的技术难题。 

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种煤煤层气车载钻机孔深在线测量装置及方法，以克服上述缺陷。 

发明内容

本发明的目的就在于克服上述现有技术的不足，提供一种煤层气车载钻机孔深在线测量装置及方法，能应用于煤层气车载钻机及其它具有钻孔作业的施工机械上，具有钻孔施工的同时进行在线测量孔深的能力，精度高，能减轻工人劳动强度，协助司钻人员完成钻孔施工 作业。 

为实现上述目的，本发明公开了一种煤层气车载钻机孔深在线测量装置，包括：滑轮支架、起拔钢丝绳、动力头、给进钢丝绳、张紧轮、张紧油缸、锁紧螺母、二级给进机身、一级给进机身和给进油缸，其特征在于： 

所述一级给进机身套于所述二级给进机身的外缘，所述二级给进机身的上端固定所述滑轮支架，下端固定所述张紧轮； 

所述起拔钢丝绳的一端用锁紧螺母固定于一级给进机身，另一端绕过所述滑轮支架后连接至动力头的上端，所述给进油缸垂直固定于所述一级给进机身的上端，且所述给进油缸的活塞杆末端连接于滑轮支架，由此，滑轮支架、起拔钢丝绳、动力头、锁紧螺母、一级给进机身、给进油缸等组成了起拔倍速机构； 

所述给进钢丝绳的一端铰接于张紧油缸的缸杆耳座，所述张紧油缸铰接于所述一级给进机身，所述给进钢丝绳的另一端绕过张紧轮后连接于动力头的下部，动力头、给进钢丝绳、张紧轮、张紧油缸、二级给进机身、给进油缸等组成了给进倍速机构； 

在二级给进机身的顶端安装有一个CCD相机，还包含有编码器测量组件，所述编码器测量组件包括编码器、联轴器和滑动胶轮，编码器与滑动胶轮同轴并通过联轴器连接在一起，所述滑动胶轮紧贴二级给进机身的一面，从而二级给进机身给进或起拔运动时，编码器可通过滑动胶轮得到二级给进机身的移动距离。 

其中：所述滑动胶轮上设有压紧构件，其中，所述压紧构件包含一个预紧弹簧，以及一调紧手柄，所述调节手柄螺合于压紧盖，且预紧弹簧的一端抵靠于调紧手柄，另一端抵靠于滑动胶轮，从而通过调节手柄进行预紧力的调节，以确保滑动胶轮不打滑。 

其中：所述滑动胶轮的表面设有摩擦层。 

还公开了一种煤层气车载钻机孔深在线测量方法，通过权利要求1-3中任一测量装置实现，该测量方法中测量的孔深L为： 

式中：L₀——原始孔深；L_i-1——上次二级给进机身运动的位移；ΔN_i——读取的脉冲变化量；D——顶部滑轮直径；M为编码器分辨率，单位为脉冲/圈。 

由此，本发明CCD相机组件将采集到的动力头和钻杆的光学图像通过FPGA和DSP双重处理器协同处理，由相应的算法判别当前动力头和钻杆的状态——提升、放下或者保持原位，从而进行相应的状态切换。当动力头完成无杆提升、有杆放下的动作时启用编码器计数值，其他状态动力头升降时，屏蔽编码器计数值，不计入深度测量。 

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。 

附图说明

图1是本发明的煤层气车载钻机孔深在线测量装置的结构示意图； 

图2是本发明的电路组成结构图； 

图3是本发明的煤层气车载钻机孔深在线测量方法的流程图； 

图4是本发明的图像处理流程图。 

图中：1—滑轮支架，2—起拔钢丝绳，3—动力头，4—给进钢丝绳，5—张紧轮，6—张紧油缸，7—锁紧螺母，8—二级给进机身，9—防转组件，10—一级给进机身，11—给进油缸，12—CCD相机组件，12a—CCD相机本体，12b—镜头，12c—镜头控制电路，13—编码器，14—联轴器，15—滑动胶轮，16—预紧弹簧，17—调紧手柄，18—主控板，18a—信号调理电路，18b—ADC，18c—DDRAM，18d—TFT彩屏，18e—手柄开关及电位器，18f—时序控制电路，18g—FPGA，18h—DSP，18i—隔离电路。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。 

如图1所示为本发明的煤层气车载钻机孔深在线测量装置，该测量装置包括：滑轮支架1、起拔钢丝绳2、动力头3、给进钢丝绳4、张紧轮5、张紧油缸6、锁紧螺母7、二级给进机身8、防转组件9、一级给进机身10和给进油缸11。 

其中，所述一级给进机身10套于所述二级给进机身8的外缘，且所述二级给进机身8可相对一级给进机身10进行上下运动，所述二级给进机身8的上端固定所述滑轮支架1，下端固定所述张紧轮5。 

所述起拔钢丝绳2的一端用锁紧螺母7固定于一级给进机身10， 另一端绕过所述滑轮支架1后连接至动力头3的上端，所述给进油缸11垂直固定于所述一级给进机身10的上端，且所述给进油缸11的活塞杆末端连接于滑轮支架1，由此，滑轮支架1、起拔钢丝绳2、动力头3、锁紧螺母7、一级给进机身10、给进油缸11等组成了起拔倍速机构，当给进油缸11动作伸出活塞杆，滑轮支架1上升，通过起拔钢丝绳2实现起拔的倍速。 

所述给进钢丝绳4的一端铰接于张紧油缸6的缸杆耳座，所述张紧油缸6铰接于所述一级给进机身10，所述给进钢丝绳4的另一端绕过张紧轮5后连接于动力头3的下部，动力头3、给进钢丝绳4、张紧轮5、张紧油缸6、二级给进机身8、给进油缸11等组成了给进倍速机构。 

由此，钻机在起拔和给进过程中，给进油缸分别伸长和回缩，二级给进机身8同步伸缩，二级给进机身8的位移量改变量ΔL即给进油缸的伸长和回缩量。动力头的位移量为ΔL₁，则： 

ΔL₁＝2ΔL    (1) 

在二级给进机身8的顶端安装有一个CCD相机12，所述CCD相机12用于实时获取动力头的图像，从而获取当前动力头及钻杆的状态，以判断当前钻杆是否需要计入长度。 

还包含有编码器测量组件，所述编码器测量组件安装在给进装置的防转组件9上，其包括：编码器13、联轴器14、滑动胶轮15、预紧弹簧16和调紧手柄17，所述防转组件9固定在一级给进机身10 两侧，给进/起拔运动时防转组件9静止，二级给进机身8上下运动。编码器13与滑动胶轮15同轴，两者通过联轴器14连接在一起，所述滑动胶轮15紧贴二级给进机身8的一面，从而二级给进机身8给进或起拔运动时，滑动胶轮15随二级给进机身8的运动进行旋转，从而编码器13可通过滑动胶轮15得到二级给进机身8的移动距离。 

为了防止运动时滑动胶轮15打滑，所述滑动胶轮15上设有压紧构件，其中，所述压紧构件可包含一个预紧弹簧16，以及一调紧手柄17，所述调节手柄17螺合于压紧盖，且预紧弹簧16的一端抵靠于调紧手柄17，另一端抵靠于滑动胶轮，从而通过调节手柄17进行预紧力的调节，以确保滑动胶轮15不打滑。 

其中，为增加其摩擦力，所述滑动胶轮15的表面设有摩擦层。 

如图2所示为本发明的电路组成框图，所述CCD相机12可包括：CCD相机本体12a、镜头12b和镜头控制电路12c，所述CCD相机组件12的镜头12b能通过镜头控制电路12b及三个直流电机进行调光、调焦以及变焦功能。 

所述CCD相机12连接至进行图像采集处理及孔深测量的主控板18，所述主控板18包含信号调理电路18a、ADC18b、DDRAM18c、时序控制电路18f、FPGA18g、DSP18h、隔离电路18i，且连接至TFT彩屏18d和手柄开关及电位器18e，所述FPGA18g通过时序控制电路18f控制CCD相机12，采集到的动力头的光学图像成像后经过CCD相机12的图像传感器输入信号调理电路18a和编码处理后得到YUV视频信号，再经过ADC18b采样转换并编码后送入FPGA18g进行处理， DDRAM18c存储完某一帧图像数据后，发送中断信号让DSP18h读取数据，DSP18h中断响应完成后开始从中读取数据并处理，同时开始存储下一帧图像数据。系统扩展了大容量的SRAM18i和FLASH18k，DSP18h对图像处理后识别出当前动力头的状态——提升、放下或者保持原位，从而进行相应的状态记录。DSP18h一方面进行图像处理外，另外还控制编码器13计数、TFT彩屏18d显示和手柄开关及电位器18e进行人机交互。为了减小干扰，编码器13通过隔离电路18i将脉冲送入DSP18h。当检测到动力头无杆提升，超过规定的时间再检测到有杆放平时，启用编码器13计数值。当检测到动力头有杆提升，超过规定的时间再检测到无杆放平时，屏蔽编码器13计数值，当前该计数脉冲无效。 

设编码器分辨率为M脉冲/圈，根据图像识别动力头上有无钻杆运动的情况，每次二级给进机身运动的位移改变量ΔL_G可用下式表示： 

式中：ΔN_i——读取的脉冲变化量；D——顶部滑轮直径。 

计算出每次二级给进机身运动的位移改变量ΔL_G后，可由下式计算出二级给进机身累积的有效运动位移LG： 

L_G＝L_i-1+ΔL_G    (3) 

式中：L_i-1——上次二级给进机身运动的位移，ΔL——每次二级给进机身运动的位移改变量。 

根据钻机给进和起拔倍速机构的原理，参考式(1)，可得孔深为： 

L＝L₀+2L_G        (4) 

式中：L₀——原始孔深，L_G——二级给进机身运动的位移累加量。 

综合式(1)～(4)可得孔深L可用下式表示： 

式中：L₀——原始孔深；L_i-1——上次二级给进机身运动的位移；ΔN_i——读取的脉冲变化量；D——顶部滑轮直径。 

图3所示为本发明的控制流程图，其流程如下： 

SS1.当系统上电时，系统进行复位； 

SS2.DSP和FPGA都进行相应的内部初始化； 

SS3.系统进行初始化； 

SS4.DSP通过RS485总线驱动电机对镜头进行调光、调焦和变焦。一旦调好后即可对深度进行在线测量； 

SS5.主控芯片DSP首先启动FPGA进行图像采集； 

SS6.等待是否采集完一帧； 

SS7.采集完毕后由FPGA存储图像至DDRAM中； 

SS8.DSP从DDRAM中读取图像数据； 

SS9.等待DSP读完一帧； 

SS10.启动FPGA采集下一帧图像； 

SS11.将此图像存储到DDRAM中； 

SS12.DSP从DDRAM中读取一帧； 

SS13.DSP进行图像处理算法； 

SS14.DSP判断当前钻程是否有效； 

SS15.如果当前钻程有效，则读取编码器的计数值；； 

SS16.进行孔深数据的处理 

SS17.由TFT彩屏进行孔深的显示。 

SS18.如果程序停止则直接结束该程序；若没有结束，则进行循环到SS6进行图像采集。如果循环可不间断在线测量和显示孔深。 

图4为图像处理算法流程图。图像处理的步骤如下： 

S1.将获得的原始动力头和钻杆图像转化成灰度图像，能加快后续处理速度并节省内存空间； 

S2.对图像进行二值化，其目的是从原始图像中检测出对象物，即将图像分成对象物和背景两个区域，分别用1和0表示。设定某一阈值T，用T将灰度图像的数据分成大于阈值的像素群和小于阈值的像素群两个部分。阈值T选择很重要，选得过高则可能将背景误认为是目标，引入干扰；选得过低则可能将目标误认为背景，将信息丢失。 

二值化采用直方图迭代法，即将每次基于阈值获得的两部分灰度值的均值之差是否小于预先设定极限，直到迭代到超过预先设定极限。其主要步骤如下： 

(1)求出图像的最大灰度值T_max和最小灰度值T_min，初阈值T₀ 为两者平均值； 

(2)根据阈值T_k＝T₀将图像分割成为目标和背景，求出两者各自的平均灰度值Z₁和Z₂； 

(3)根据Z₁和Z₂求出其两者的平均灰度值T_k+1； 

(4)如果T_k＝T_k+1，或迭代次数大于规定次数，则程序结束，否则将k加1后转步骤(2)继续迭代。 

S3.图像采用中值滤波使图像平滑，采用Sobel滤波器使图像锐化。平滑锐化后图像处理效果更好，中值滤波器是一种非线性平滑空间滤波器，在一定程序上衰减噪声同时不会使图像边界模糊，其通过将邻域中的像素按灰度级进行排序运算，然后选择该组灰度中间值作为输出响应。Sobel滤波器是一种锐化空间滤波器，是基于梯度的图像增强算法。通过水平和垂直两个方向的掩膜运算对图像进行锐化，使动力头与钻杆的灰度值与背景对比度增强。 

S4.使用连通域提取法对图像的阈值进行分割。在从白色像素和黑色像素组成的一幅点阵图像中，将四邻域互相邻接的目标白像素集合提取出来，并为图像中不同的连通域填入不等的数学标记，先将同一连通域中像素的特征集(连通分量)提取；再将动力头与钻杆图像连通域提取。经过这一步的图像分割之后，动力头和钻杆被分离出来。 

S5.轮廓检测。轮廓检测采用3×3的模版对细化后图像提取端点和分歧点特征，通过对图像进行遍历，可以找到图像的特征点，同时记录其类型和位置。 

S6.动力头与钻杆检出。根据上面检测的动力头(和钻杆)轮廓检测出动力头上是否有钻杆。 

其中，DSP是TI公司的TMS320DM642，FPGA是Alteral公司的EP2C，两者采用主从式工作方式，DSP完成对动力头目标图像的预处理和算法，并控制FPGA完成目标图像的采样以及得到的目标图像与参考图像的联合输出，另外，DSP通过镜头控制电路对CCD镜头进行调光、调焦和变焦，并控制TFT彩屏输出孔深数据。FPGA完成对目标图像的采样过程控制、生成RAM的地址译码信号以及图像存储。 

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。 

Claims (4)

1.一种煤层气车载钻机孔深在线测量装置，包括：滑轮支架、起拔钢丝绳、动力头、给进钢丝绳、张紧轮、张紧油缸、锁紧螺母、二级给进机身、一级给进机身和给进油缸，其特征在于：

所述一级给进机身套于所述二级给进机身的外缘，所述二级给进机身的上端固定所述滑轮支架，下端固定所述张紧轮；

所述起拔钢丝绳的一端用锁紧螺母固定于一级给进机身，另一端绕过所述滑轮支架后连接至动力头的上端，所述给进油缸垂直固定于所述一级给进机身的上端，且所述给进油缸的活塞杆末端连接于滑轮支架，由此，滑轮支架、起拔钢丝绳、动力头、锁紧螺母、一级给进机身、给进油缸等组成了起拔倍速机构；

所述给进钢丝绳的一端铰接于张紧油缸的缸杆耳座，所述张紧油缸铰接于所述一级给进机身，所述给进钢丝绳的另一端绕过张紧轮后连接于动力头的下部，动力头、给进钢丝绳、张紧轮、张紧油缸、二级给进机身、给进油缸等组成了给进倍速机构；

在二级给进机身的顶端安装有一个CCD相机，还包含有编码器测量组件，所述编码器测量组件包括编码器、联轴器和滑动胶轮，编码器与滑动胶轮同轴并通过联轴器连接在一起，所述滑动胶轮紧贴二级给进机身的一面，从而二级给进机身给进或起拔运动时，编码器可通过滑动胶轮得到二级给进机身的移动距离。

2.如权利要求1所述的煤层气车载钻机孔深在线测量装置，其特征在于：所述滑动胶轮上设有压紧构件，其中，所述压紧构件包含一个预紧弹簧，以及一调紧手柄，所述调节手柄螺合于压紧盖，且预紧弹簧的一端抵靠于调紧手柄，另一端抵靠于滑动胶轮，从而通过调节手柄进行预紧力的调节，以确保滑动胶轮不打滑。

3.如权利要求2所述的煤层气车载钻机孔深在线测量装置，其特征在于：所述滑动胶轮的表面设有摩擦层。

4.一种煤层气车载钻机孔深在线测量方法，通过权利要求1-3中任一测量装置实现，该测量方法中测量的孔深L为：

式中：L₀——原始孔深；L_i-1——上次二级给进机身运动的位移；ΔN_i——读取的脉冲变化量；D——顶部滑轮直径；M为编码器分辨率，单位为脉冲/圈。