CN105066950A

CN105066950A - 钻孔机方向角监测方法和监测系统

Info

Publication number: CN105066950A
Application number: CN201510494210.5A
Authority: CN
Inventors: 魏鲁双
Original assignee: ZHENGZHOU SHUANGJIE SCIENCE & TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: ZHENGZHOU SHUANGJIE SCIENCE & TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2015-08-12
Filing date: 2015-08-12
Publication date: 2015-11-18
Anticipated expiration: 2035-08-12
Also published as: CN105066950B

Abstract

本发明公开了一种钻孔机方向角监测方法和系统，用来确定打孔钻孔定向和钻孔过程中的监测，包括测量控制器和手持仪器，测量控制器在钻机上或者在钻机横梁上；手持仪器用于接收并显示所述测量控制器提供的目标方位、目标倾斜度、当前方位、当前倾斜度、调整方向指示、方位最大允许误差、倾斜度最大误差参数。本发明利用电子罗盘和陀螺仪监测钻机变化后的方位角与初始方位角之间的变化量，从而达到提高打孔机定位准确度，提高爆破效率的目的，而且可以用于实时监测，以便及时做出调整。由人工来选择是否需要继续钻孔，在这个过程中钻孔机不会停。

Description

钻孔机方向角监测方法和监测系统

技术领域

本发明涉及钻孔机钻孔定向监测技术领域，具体涉及一种实时监测钻孔机方向的方法和监测系统。

背景技术

目前，对于水电爆破钻孔机没有办法直接确定要打孔方位角，钻杆定向现场是两点法：钻点和钻杆的末端点，采用全钻仪，比较麻烦。钻孔过程中只能确定钻孔机钻孔时与地面的夹角，因此当水电爆破钻孔机打孔时，无法按要求去打孔，经常出现较大偏差和打孔失败的情况。由于目前不能在工作中及时测定方位角，导致钻机工作过程中需要经常停机，严重影响工作效率。

发明内容

为了进一步提高打孔机定位准确度，提高爆破效率，本发明提供一种打孔钻杆定向和钻孔过程中的实时监测方法和监测系统尽快确定钻杆的方向角和倾角。

本发明的技术方案：一种钻孔机方向角监测方法，用来确定打孔钻孔定向和钻孔过程中的监测，在钻机上或者在钻机横梁上设置测量控制器，测量控制器包含方位测量用的电子罗盘、用于测量倾斜度的陀螺仪、可充电电池、蓝牙通信模块和报警指示灯；利用电子罗盘和陀螺仪对打孔钻杆进行定向，并监测钻机钻杆移动后的方位角与初始方位角之间的变化量，用于判断钻孔偏移情况；当电子罗盘处于水平位置时，电子罗盘通过测量地磁场水平方向分量确定磁北极或磁南极方向并推算出其他的方向，用于确定方位角；电子罗盘处于非水平位置时，利用陀螺仪的加速度传感器测出俯仰角和滚转角，通过坐标变换，将电子罗盘磁传感器测得的磁场强度分量折算到水平方向，再计算方位角；并且有手持仪器查看打孔钻杆定向和钻孔过程中的数据，通过数据可以在钻孔过程中实时观测方位角是否在允许范围内发生偏差，若发生偏差会进行报警，并选择是否需要继续钻孔(在这个过程中钻孔机不会停)，手持仪器用于接收并显示所述测量控制器提供的目标方位、目标倾斜度、当前方位、当前倾斜度、调整方向指示、方位最大允许误差、倾斜度最大误差参数；手持仪器通过蓝牙信号与测量控制器通信，利用手持仪器提供的变量信息及时对钻机方位角进行纠正。

一种钻孔机方向角监测系统，用来确定打孔钻孔定向和钻孔过程中的监测，包括测量控制器和手持仪器，测量控制器在钻机上或者在钻机横梁上；测量控制器包含方位测量用的电子罗盘、用于测量倾斜度的陀螺仪、可充电电池、蓝牙通信模块和报警指示灯；手持仪器通过蓝牙信号与测量控制器通信，手持仪器用于接收并显示所述测量控制器提供的目标方位、目标倾斜度、当前方位、当前倾斜度、调整方向指示、方位最大允许误差、倾斜度最大误差参数。

所述测量控制器的外壳通过附属金属配件固定在打孔机悬臂上。所述手持仪器为手机。

本发明的有益效果：本发明中的测量控制器包含方位测量用的电子罗盘、用于测量倾斜度的陀螺仪、可充电电池、蓝牙通信模块和报警指示灯。可以动力工作并对手持仪器提供监测数据。使用非常方便，而且监测精度高。

本发明是钻点一定，用本方法和仪器尽快确定钻杆的方位角和倾角。利用电子罗盘和陀螺仪监测钻机变化后的方位角与初始方位角之间的变化量，从而达到提高打孔机定位准确度，提高爆破效率的目的，而且可以用于实时监测，以便及时调整。由人工来选择是否需要继续钻孔，在这个过程中钻孔机不会停。

附图说明

图1是本发明的使用状态示意图。

图2是本发明系统中主芯片端口连接电路图。

图3-图11是与图2中主芯片端口分别对应连接的附属电路图。

图12是测量控制器的电路连接框图。

图13是测量控制器中电子罗盘处于水平状态的坐标系。

图1中标号，1为履带车，2为控制移动机构，3为横梁，4为钻机，5为测量控制器。

具体实施方式

实施例1：一种钻孔机方向角监测方法，至少由测量控制器和手持仪器两部分组成。在钻机上或者在钻机横梁上设置测量控制器，利用手持仪器观看方位角是否在允许范围内发生偏差，若发生偏差会进行报警，并由人工来选择是否需要继续钻孔，监测过程中钻孔机无需停机。

测量控制器外观为长方形塑料外壳，外壳内包含方位测量用的电子罗盘、用于测量倾斜度的陀螺仪、可充电电池、蓝牙通信模块和报警指示灯。

利用电子罗盘和陀螺仪监测钻机变化后的方位角与初始方位角之间的变化量，用于确定钻孔偏移情况。

当电子罗盘处于水平位置时，磁罗盘通过测量地磁场水平方向分量确定磁北极方向并推算出其他的方向。如图13，传感器坐标系的X、Y轴在水平面内，X轴位前进方向，Y轴垂直于X轴向右，Z轴沿重力方向向下，从磁北方向沿顺时针到X轴的夹角即为方位角α。

但是实际应用中，电子罗盘并不是总处于水平位置，需要根据加速度传感器测出俯仰角和滚转角，通过坐标变换，将磁传感器测得的磁场强度分量折算到水平方向，在计算方位角。俯仰角φ为罗盘纵轴Y与水平面之间的夹角，滚转角θ为罗盘Z轴与过X轴的铅垂面之间的夹角。当罗盘不水平时测得的加速度g在罗盘三轴方向的分量分别为A_x、A_y、A_z，则根据坐标关系可求得俯仰角和滚转角为：

备注：MPU6050输出的数据端口为16位，当量程为±2g时，测量精度是16384LSB/g，加速度传感器输出得到的数据需要除以16384得到真正的加速度值。16384*2＝32768，32768*2＝65536＝2^16，MPU6050的ADC是16位的，所以不管测量范围多大，最终的输出范围都不会超过65535，所以测量范围越大，精度就越低。

假设磁阻传感器在测得罗盘坐标轴方向磁场分量分别为H_x、H_y、H_z，则由坐标关系换算可得磁水平方向分量：

利用三角函数关系可以得到方位角α：

a = \{\begin{matrix} 360 - [\arctan (\frac{H_{Y}}{H_{X}})] \times \frac{180}{π} & H_{X} > 0, H_{Y} > 0 \\ 180 - [\arctan (\frac{H_{Y}}{H_{X}})] \times \frac{180}{π} & H_{X} > 0, H_{Y} < 0 \\ - [\arctan (\frac{H_{Y}}{H_{X}})] \times \frac{180}{π} & H_{X} < 0 \\ 90 & H_{X} = 0, H_{Y} < 0 \\ 270 & H_{X} = 0, H_{Y} > 0 \end{matrix}

由于地磁北极与地理南北极存在磁偏角，要准确的得到南北极方向必须进行磁偏角矫正，即加上或减去当地的磁偏角得出前进方向与真正的地理北极夹角即真北方位角A，当所在地的磁偏角β已知时，真北方位角A＝α+β。

HMC5883相关性能参数列表

造成磁传感器的主要因素有：传感器误差和其它磁材料干扰等。经查转换成方位角的精度为1°～2°。

各地磁偏角：

测量控制器连接框图如图12所示。

当测量模块通过蓝牙与手持仪器连接后，手持仪器将目标方位、目标倾斜度、方位最大允许误差、倾斜度最大误差参数发送给测量模块，测量模块监测当前实时数据若超出设定误差将驱动自身报警指示灯和蜂鸣器发出报警。并响应手机模块读取当前方位、当前倾斜度操作。手机软件读取到实时数据，若超限，则同时发出报警声音并震动，并提示调整方向。

实施例2：一种钻孔机方向角监测系统，包括测量控制器和手持仪器，手持仪器选用手机。如图1，可以与履带车1相结合，履带车1前端设置的控制移动机构2的上方安装有横梁3，钻机4固定在横梁3上方，测量控制器5的外壳通过附属金属配件固定在钻机上或者在钻机横梁3上。

测量控制器包含方位测量用的电子罗盘、用于测量倾斜度的陀螺仪、可充电电池、蓝牙通信模块和报警指示灯，其电路原理如图2-图10所示的连接关系。测量控制器的外壳通过附属金属配件固定在打孔机悬臂上。所述手持仪器为手机。

手机软件需运行在基于安卓系统的智能手机上。包含目标方位、目标倾斜度、当前方位、当前倾斜度、调整方向指示、方位最大允许误差、倾斜度最大误差等参数。通过蓝牙信号与测量控制器通信。

技术指标:

方位误差：±2；

倾斜度误差：±2°；

续航时间：7天；

充电电压：5V；

充电电流：0.6A；

电池容量：3.7V/5A；

传输距离：8米；

通信间隔：1秒；

通信方式：蓝牙。

Claims

1.一种钻孔机方向角监测方法，用来确定打孔钻孔定向和钻孔过程中的监测，其特征是：在钻机上或者在钻机横梁上设置测量控制器，测量控制器包含方位测量用的电子罗盘、用于测量倾斜度的陀螺仪、可充电电池、蓝牙通信模块和报警指示灯；利用电子罗盘和陀螺仪对打孔钻杆进行定向，并监测钻机钻杆移动后的方位角与初始方位角之间的变化量，用于判断钻孔偏移情况；当电子罗盘处于水平位置时，电子罗盘通过测量地磁场水平方向分量确定磁北极或磁南极方向并推算出其他的方向，用于确定方位角；电子罗盘处于非水平位置时，利用陀螺仪的加速度传感器测出俯仰角和滚转角，通过坐标变换，将电子罗盘磁传感器测得的磁场强度分量折算到水平方向，再计算方位角；并且有手持仪器查看打孔钻杆定向和钻孔过程中的数据，通过数据可以在钻孔过程中实时观测方位角是否在允许范围内发生偏差，若发生偏差会进行报警，并选择是否需要继续钻孔，手持仪器用于接收并显示所述测量控制器提供的目标方位、目标倾斜度、当前方位、当前倾斜度、调整方向指示、方位最大允许误差、倾斜度最大误差参数；手持仪器通过蓝牙信号与测量控制器通信，利用手持仪器提供的变量信息及时对钻机方位角进行纠正。

2.一种钻孔机方向角监测系统，用来确定打孔钻孔定向和钻孔过程中的监测，其特征是：包括测量控制器和手持仪器，测量控制器在钻机上或者在钻机横梁上；测量控制器包含方位测量用的电子罗盘、用于测量倾斜度的陀螺仪、可充电电池、蓝牙通信模块和报警指示灯；手持仪器通过蓝牙信号与测量控制器通信，手持仪器用于接收并显示所述测量控制器提供的目标方位、目标倾斜度、当前方位、当前倾斜度、调整方向指示、方位最大允许误差、倾斜度最大误差参数。

3.根据权利要求2所述的钻孔机方向角监测系统，其特征是：所述测量控制器的外壳通过附属金属配件固定在打孔机悬臂上。

4.根据权利要求2所述的钻孔机方向角监测系统，其特征是：所述手持仪器为手机。