CN105370265A

CN105370265A - 钻头导向装置

Info

Publication number: CN105370265A
Application number: CN201510862058.1A
Authority: CN
Inventors: 邓武仓
Original assignee: Shanghai Dikerong Digital Technology Co Ltd
Current assignee: LED electronic technology (Shanghai) Co., Ltd.
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2016-03-02

Abstract

本发明提供了一种钻头导向装置，所述钻头导向装置安装于钻头上，所述钻头导向装置包括传感器模组、微控制单元和信息发送单元，所述传感器模组用于感测钻头的运动数据，所述微控制单元包括数据获取模块、数据计算模块和信息发送模块，所述数据获取模块用于获取所述传感器模组感测得到的钻头的运动数据，所述数据计算模块根据所述运动数据计算得到所述钻头的位置信息，信息发送模块用于将所述钻头的位置信息通过所述信息发送单元发送至一接收端。

Description

钻头导向装置

技术领域

本发明涉及钻头导向领域，具体而言，涉及一种钻头导向装置。

背景技术

现有的钻头导向仪器采用磁偶极子测距和定位模型的方式进行导向，这种方式的弊端在于，电磁信号容易受到外界电磁场的干扰，导致测量的误差较大，不满足定位的精确度。随着城镇化建设和地下管网向下纵深和不断密集，非开挖水平钻进施工面临的施工精度需求越来越高，普通的钻头导向传感器倾角精度大约为±0.1度，深度精度大约为±0.1m，适用的施工深度小于20米，其已经不能满足目前施工深度大于20米的环境要求。因此，需要能够测量更深，精度更高的导向装置来完成钻头导向钻进。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供钻头导向装置，以改善上述的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种钻头导向装置，所述钻头导向装置安装于钻头上，所述钻头导向装置包括传感器模组、微控制单元和信息发送单元，所述微控制单元与所述传感器模组、信息发送单元相互之间直接或者间接地电性连接，所述钻头导向装置通过所述信息发送单元与一接收端通信连接，其中，

所述传感器模组包括加速度传感器、陀螺仪传感器和地磁传感器中的至少一个，以用于感测钻头的运动数据；

所述微控制单元包括：

数据获取模块，用于获取所述传感器模组感测得到的所述运动数据；

数据计算模块，用于根据所述运动数据计算得到所述钻头的位置信息；及

信息发送模块，用于将所述钻头的位置信息通过所述信息发送单元发送至一接收端。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述传感器模组包括所述加速度传感器和所述陀螺仪传感器，所述加速度传感器用于测量所述钻头在三维坐标系中沿三个轴向的加速度，所述陀螺仪传感器用于测量所述钻头在三维坐标系中沿三个轴向的角速度，所述钻头的运动数据包括所述钻头在三维坐标系中沿三个轴向的加速度以及沿三个轴向的角速度。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述传感器模组包括所述加速度传感器和所述地磁传感器，所述加速度传感器用于测量所述钻头在三维坐标系中沿三个轴向的加速度，所述地磁传感器用于测量所述钻头在水平投影方向与北极的绝对夹角，所述钻头的运动数据包括所述钻头在三维坐标系中沿三个轴向的加速度以及所述钻头在水平投影方向与北极的绝对夹角。

结合第一方面以及第一方面的五种可能的实施方式，本发明实施例还提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述传感器模组还包括温度传感器，用于感测所述钻头的温度。

结合第一方面以及第一方面的五种可能的实施方式，本发明实施例还提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述钻头导向装置还包括存储单元，用于存储微控制单元计算得到的所述钻头的位置信息。

结合第一方面以及第一方面的五种可能的实施方式，本发明实施例还提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中，所述微控制单元还包括参数修改模块，用于对钻头导向装置的参数进行调整，所述参数包括钻头的初始位置、历史数据、钻进频率和快速休眠模式。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明第一实施例所提供的一种钻头导向装置的功能模块架构的方框示意图。

图2示出了本发明第二实施例所提供的一种钻头导向装置的功能模块架构的方框示意图。

图3示出了本发明第二实施例所提供的一种钻头导向装置的陀螺仪传感器的示意图。

图4示出了本发明第二实施例所提供的一种钻头导向装置的加速度传感器的示意图。

图5示出了本发明第三实施例所提供的一种钻头导向装置的功能模块架构的方框示意图。

图6示出了本发明第三实施例所提供的一种钻头导向装置的地磁传感器的示意图。

图7示出了本发明第四实施例所提供的一种钻头导向装置的功能模块架构的方框示意图。

图8示出了本发明第四实施例所提供的钻头的转角示意图。

图9示出了本发明第四实施例所提供的用于所述钻头初始位置清零的状态机的示意图。

主要元件符号说明：传感器模组110、加速度传感器111、陀螺仪传感器112、地磁传感器113、温度传感器114、微控制单元120、数据获取模块121、数据计算模块122、信息发送模块123、参数修改模块124、信息发送单元130、存储单元140、电源DC、接收端200。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有的钻头导向装置利用旋转磁场和磁偶极子模型计算进行导向定位，由于电磁信号很容易受到外界电磁场的干扰，导致测量的误差较大，影响定位的精度，而不能满足工程需求。基于此，经过长期研究，申请人提出了本发明实施例提供的钻头导向装置，通过传感器模组对钻头的运动数据进行测量，并通过微控制单元对数据进行计算以获得钻头的当前位置信息。本发明实施例提供的钻头导向装置不依赖旋转磁场条件和磁偶极子算法模型，避免了电磁信号容易被干扰的情况，提高了定位的精确度。

第一实施例

请参照图1，本发明实施例提供了一种可安装在钻头上的钻头导向装置，所述钻头导向装置包括传感器模组110、微控制单元120和信息发送单元130。所述微控制单元120与所述传感器模组110、信息发送单元130相互之间直接或间接地电性连接，以进行数据的传输和交互。所述微控制单元120包括数据获取模块121、数据计

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述传感器模组包括所述陀螺仪传感器和地磁传感器，所述陀螺仪传感器用于测量所述钻头在三维坐标系中沿三个轴向的角速度，所述地磁传感器用于测量所述钻头在水平投影方向与北极的绝对夹角，所述钻头的运动数据包括所述钻头在三维坐标系中沿三个轴向的角速度以及所述钻头在水平投影方向与北极的绝对夹角。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述传感器模组包括所述加速度传感器、所述陀螺仪传感器和所述地磁传感器，所述钻头的运动数据包括所述钻头在三维坐标系中沿三个轴向的加速度和角速度以及所述钻头在水平投影方向与北极的绝对夹角。

结合第一方面，本发明实施例还提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述传感器模组感测的运动数据包括加速度传感器感测的钻头在三维坐标系中沿x、y、z三个轴向的加速度、陀螺仪感测的钻头在三维坐标系中沿x、y、z三个轴向的角速度、地磁传感器感测的钻头在水平投影方向与北极的绝对夹角中的其中至少一种数据。

结合第一方面以及第一方面的五种可能的实施方式，本发明实施例还提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述数据计算模块根据所述运动数据计算得到的钻头的位置信息包括钻头当前的钻探深度、钻头与水平方向的偏移距离、钻头与水平面的夹角以及钻头的转角中的至少一种。

算模块122和信息发送模块123。所述钻头导向装置通过所述信息发送单元130与一接收端200建立通信连接。建立通信连接的方式可以是无线通信或有线通信，优选为无线通信。

所述传感器模组110，用于感测钻头的运动数据。该传感器模组110可以包括加速度传感器、陀螺仪传感器、地磁传感器中的至少一个组成。加速度传感器可以测量钻头在三维坐标系中沿x、y、z三个轴向的加速度，陀螺仪传感器可以测量钻头在三维坐标系中沿x、y、z三个轴向的角速度，地磁传感器可以测量钻头在水平投影方向与北极的绝对夹角。根据陀螺仪测量的数据，可以计算得到钻头在当前位置的转角，根据加速度传感器和陀螺仪传感器测量的数据，可以计算得到钻头在当前位置的倾角、绝对深度和绝对移动距离。计算的过程采用普通的数学计算，无需使用磁偶极子算法模型，避免了磁场受外界干扰(如高压线、通讯基站、水、钢结构、水泥、盐碱地等)而影响测量精度的问题。

本实施例中，所述运动数据包括由上述加速度传感器感测的钻头在三维坐标系中沿x、y、z三个轴向的加速度、陀螺仪感测的钻头在三维坐标系中沿x、y、z三个轴向的角速度、地磁传感器感测的钻头在水平投影方向与北极的绝对夹角中的其中至少一种数据。

所述数据获取模块121，用于获取所述传感器模组110感测得到的所述钻头的运动数据。

所述数据计算模块122，用于根据所述运动数据计算得到所述钻头的位置信息。所述钻头的位置信息包括钻头当前的钻探深度、钻头与水平方向的偏移距离、钻头与水平面夹角以及钻头的转角中的至少一个。

所述信息发送模块123，用于将所述数据计算模块计算得到的所述钻头的位置信息通过所述信息发送单元130发送至一接收端200。

本实施例中，该信息发送单元130可以是基于近距离无线通信技术(NFC，nearfieldcommunication)的通信模块，例如蓝牙模块、wifi模块、红外传输模块等。该接收端200在接收到所述钻头的位置信息后，可将该计算结果通过其自带的显示屏(图未示)显示出来，供施工人员参考，以利于实时掌握钻头装置的当前状况。

该第一实施例中，通过传感器模组110中的加速度传感器、陀螺仪传感器或地磁传感器获取的钻头的运动数据计算得到该钻头的位置信息，对该钻头位置的测量精度可以达到较高的水平。然后，通过将该位置信息发送到接收端200，有利于施工人员实时监控钻头的当前状况，以便于做出后续的操作。

第二实施例

请参阅图2，图2示出了本发明实施例提供的钻头导向装置的功能模块架构的方框示意图。该第二实施例与第一实施例大致相同，区别在于所述传感器模组110具体包括加速度传感器111和陀螺仪传感器112。例如图3所示，是该加速度传感器111的示意图。该加速度传感器111可测量钻头在三维坐标系中分别沿x、y、z三轴方向上的加速度。例如图4所示，是该陀螺仪传感器112的示意图。该陀螺仪传感器112用于测量钻头在当前位置的三维坐标系中沿x、y、z方向的角速度。所述数据计算模块112根据加速度传感器111和陀螺仪传感器112测得的数据可以计算得到钻头当前位置信息，例如倾角、钻头的钻探深度、钻头的移动距离和钻头转角。比如说，该倾角是指钻头当前位置相对于水平面的倾角，该钻探深度是指该钻头从初始位置开始的钻探深度。该移动距离是指钻头相对于水平方向的偏移距离。该转角是指该钻头的旋转角度。

以下将针对所述数据计算模块122根据所述传感器模组110感测到的数据计算所述钻头的位置信息的方法进行举例说明。

例如，对钻头的倾角计算：

请参考图3和图4，计算钻头的倾角即为计算钻头沿轴方向(如x轴)的夹角。

请参照图3，陀螺仪传感器112输出的信号包括钻头分别沿x、y、z轴方向的角速度Ω_x、Ω_y、Ω_z。则钻头在某一时刻Δ_t沿y轴的旋转角度的计算公式为：ΔY＝Ω_y×Δ_t。请参阅图4，加速度传感器111沿x、y、z轴输出的信号为钻头的加速度X_a、Y_a、Z_a，当钻头处于静止状态时，加速度传感器111输出的值为定态，此时，钻头当前的倾角X_(Ψ)＝arcsin(X_a)。当钻头运动时，加速度传感器111由于同时受到重力加速度和钻头自身加速度的影响，而不能够直接计算出准确的倾角，则定义钻头当前的倾角为X_(Ψ)(n)，上一时刻的倾角为X_(Ψ)(n-1)，则X_(Ψ)(n)＝X_(Ψ)(n-1)+ΔY。

钻头的绝对深度计算：

定义钻头在通电时刻的位置为初始位置，即钻头当前的绝对深度为0。计算钻头在Δ_t时间内运动的距离ΔS，再通过正弦公式可得到钻头在Δ_t时间内的绝对深度Δ_Deep，对每一个Δ_Deep进行求和即可得到钻头当前位置的绝对深度Deep。

首先计算ΔS，计算公式为：ΔS＝V_n×Δ_t+0.5×A×Δ_t ²。其中，A为钻头在Δ_t时间内的加速度，可以通过公式A＝(Σ(Xa(n)-Xa(n-1)))×g得到，Xa(n)为钻头当前时刻的加速度，Xa(n-1)为上一时刻的加速度，Xa(n)和Xa(n-1)可以由加速度传感器111直接测量得出，g为重力加速度。V_n可通过公式V_n＝V_n-1+A×Δ_t计算得出，V_n为钻头在Δ_t时间内的初速度，V_n-1为钻头上一时刻的初速度。通过上述的公式可以算出钻头在Δ_t时间内运动的距离ΔS。

钻头在Δ_t时间内运动的距离ΔS得出后，即可计算出钻头在Δ_t时间内的绝对深度Δ_Deep，计算公式为：Δ_Deep＝ΔS×arcsin(X_(Ψ))。对钻头Δ_Deep进行求和即可得到钻头当前位置的绝对深度Deep，计算公式为Deep＝Σ(Δ_Deep)。

钻头的绝对移动距离S可以通过对ΔS进行求和得到，即S＝Σ(ΔS)。

钻头的转角计算：

设钻头的转角为Ψ，则钻头的转角计算公式为：Ψ＝±180°+β。其中，β为钻头沿x轴方向转动的绝对角度，β的计算公式为：其中，Ωy为钻头沿y轴转动的角速度，Ωz为钻头沿z轴转动的角速度，Ωy、Ωz由陀螺仪传感器112直接测量得到。得到β后，还需要根据Ωy、Ωz的符号判断钻头位于yz平面的哪一个象限，通过公式Ψ＝±180°+β进行角度校正。

第三实施例

请参照图5，图5示出了本发明实施例所提供的钻头导向装置的功能模块架构的方框示意图，该第三实施例与第二实施例大致相同，区别在于所述传感器模组110还包括地磁传感器113和温度传感器114。例如图6所示，是该地磁传感器113的示意图。地磁传感器113可以直接测得钻头在水平投影方向与北极的绝对夹角。

温度传感器114可感测钻头的电阻值，则钻头的温度计算公式为：其中，T为钻头的温度，a、b、c为Steinhart-Hart方程式常数，R为温度传感器114采样的电阻值。

此外，本发明实施例提供的钻头导向装置的微控制单元120还与一钻头电源DC连接，以测量所述钻头的电池电量信息，电池电量的测量方式可采用现有的任何方法实现，此处不再一一赘述。

同时，所述微控制单元120还连接有存储单元140，存储单元140用于存储微控制单元120根据所述钻头的运动数据计算得到的钻头的位置信息，通过所述存储单元140存储的数据，可以将钻头的历史数据(如在不同时间点的不同位置信息)导出还原为施工路径模拟图，便于日后追溯钻进过程或者对工程施工的质量进行评价，或者作为管线布局数据图纸进行保存，降低了验收和维护成本。

第四实施例

请参阅图7，图7示出了本发明实施例所提供的钻头导向装置的功能模块架构的方框示意图，该第四实施例与第三实施例大致相同，区别在于所述钻头导向装置的微控制单元120还包括参数修改模块124，所述参数修改模块124用于对钻头导向装置的当前参数进行调整，钻头导向装置的参数包括钻头的初始位置、历史数据、钻进频率、快速休眠模式等。对钻头导向装置的参数进行调整是通过状态机变化实现的，通过预先设定触发条件和触发结果的方式，实现对参数的调整，触发的结果即为对钻头初始位置的清零、对历史数据进行上传、更改钻进频率、进入快速休眠模式等，触发条件可以用户自行定义，以下以钻头初始位置清零为例做简单介绍：

钻头的初始位置清零是指对存储单元140中存储的所述钻头的起始位置数据清零。其中，钻头在通电时默认当前位置的数据为初始数据。比如，当钻头钻进到地下100米时断电再通电，钻头的起始位置则为100米。有时候为了重新计算钻头的移动距离和深度，需要对钻头的初始位置清零，使钻头在通电位置的初始数据为0。本发明实施例提供的钻头导向装置调节状态机的方式是采用钻头的转角位置和在某一转角位置停留的时间作为触发条件，例如，请参阅图8，其示出了本发明实施例所提供的钻头的转角示意图，把钻头的360°转角像时钟一样划分为1～12共计12个点，从而根据钻头转角在某个点的停留时间来触发状态机对钻头的初始位置进行清零。请参阅图9，图9示出了本发明实施例所提供的用于所述钻头初始位置清零的状态机的示意图。钻头初始位置清零的参数修改过程如下，设置状态机触发条件为S3，要使状态进入S3，需要经过S0～S1～S2～S3的过程，每一个状态触发的条件是：钻头在该状态的转角所指向的点停留的时间大于3s且小于15s。当任一状态不满足3s～15s的停留条件时，回到初始状态S0，当所有状态均满足条件则触发数据清零的操作，钻头初始位置清零。其中，S1、S2、S3仅为防止误操作而设置的状态。操作者在地面只需控制钻机改变钻头的转角即可实现对参数的更改，实现了对钻头导向装置的参数调整。同理，钻头导向装置的历史数据上传、钻进频率、快速休眠模式等参数也可以通过自定义的状态触发条件进行调整。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种钻头导向装置，其特征在于，所述钻头导向装置安装于钻头上，所述钻头导向装置包括传感器模组、微控制单元和信息发送单元，所述微控制单元与所述传感器模组、信息发送单元相互之间直接或者间接地电性连接，所述钻头导向装置通过所述信息发送单元与一接收端通信连接，其中，

所述微控制单元包括：

2.根据权利要求1所述的钻头导向装置，其特征在于，所述传感器模组包括所述加速度传感器和所述陀螺仪传感器，所述加速度传感器用于测量所述钻头在三维坐标系中沿三个轴向的加速度，所述陀螺仪传感器用于测量所述钻头在三维坐标系中沿三个轴向的角速度，所述钻头的运动数据包括所述钻头在三维坐标系中沿三个轴向的加速度以及沿三个轴向的角速度。

3.根据权利要求1所述的钻头导向装置，其特征在于，所述传感器模组包括所述加速度传感器和所述地磁传感器，所述加速度传感器用于测量所述钻头在三维坐标系中沿三个轴向的加速度，所述地磁传感器用于测量所述钻头在水平投影方向与北极的绝对夹角，所述钻头的运动数据包括所述钻头在三维坐标系中沿三个轴向的加速度以及所述钻头在水平投影方向与北极的绝对夹角。

4.根据权利要求1所述的钻头导向装置，其特征在于，所述传感器模组包括所述陀螺仪传感器和地磁传感器，所述陀螺仪传感器用于测量所述钻头在三维坐标系中沿三个轴向的角速度，所述地磁传感器用于测量所述钻头在水平投影方向与北极的绝对夹角，所述钻头的运动数据包括所述钻头在三维坐标系中沿三个轴向的角速度以及所述钻头在水平投影方向与北极的绝对夹角。

5.根据权利要求1所述的钻头导向装置，其特征在于，所述传感器模组包括所述加速度传感器、所述陀螺仪传感器和所述地磁传感器，所述钻头的运动数据包括所述钻头在三维坐标系中沿三个轴向的加速度和角速度以及所述钻头在水平投影方向与北极的绝对夹角。

6.根据权利要求1所述的钻头导向装置，其特征在于，所述传感器模组感测的运动数据包括加速度传感器感测的钻头在三维坐标系中沿x、y、z三个轴向的加速度、陀螺仪感测的钻头在三维坐标系中沿x、y、z三个轴向的角速度、地磁传感器感测的钻头在水平投影方向与北极的绝对夹角中的其中至少一种数据。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的钻头导向装置，其特征在于，所述数据计算模块根据所述运动数据计算得到的钻头的位置信息包括钻头当前的钻探深度、钻头与水平方向的偏移距离、钻头与水平面的夹角以及钻头的转角中的至少一种。

8.根据权利要求1-6任意一项所述的钻头导向装置，其特征在于，所述传感器模组还包括温度传感器，用于感测所述钻头的温度。

9.根据权利要求1-6任意一项所述的钻头导向装置，其特征在于，还包括存储单元，用于存储微控制单元计算得到的所述钻头的位置信息。

10.根据权利要求1-6任意一项所述的钻头导向装置，其特征在于，所述微控制单元还包括参数修改模块，用于对钻头导向装置的参数进行调整，所述参数包括钻头的初始位置、历史数据、钻进频率和快速休眠模式。