CN110186442B - 固定于钻机的开孔定向测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种固定于钻机的开孔定向测量装置及方法，专职包含姿态测量模块和激光指示模块，所述姿态测量模块安装固定于钻机导轨上，由于导轨与钻杆平行，因此可实现钻机当前倾角和方位角的测量，所述激光指示模块安装固定于钻机夹持器的中心位置，本发明能解决现有技术中开孔定向装置无法安装于钻机实现全空间精确测量和缺少开孔定向指示的问题，并且能够有效地减小开孔定向装置受周围环境振动引起的测量误差，提高测量精度。

Description

固定于钻机的开孔定向测量装置及方法

技术领域

本发明涉及煤矿井下钻机开孔定向的技术领域，尤其涉及一种固定于钻机的开孔定向测量装置及方法。

背景技术

瓦斯和水害是在煤矿开采、治理过程中两个最重要的灾害，而钻探工艺是治理、探测煤矿中瓦斯和水害进而确保煤矿安全开采的主要手段之一。钻探工艺的主要目标是按照预先设计的轨迹实现瓦斯抽放孔和探放水孔的定向钻进，直达探测目标，因此钻机开孔精度直接决定了实际钻进轨迹遵循预先设计轨迹的一致程度。

目前，大多数煤矿实现钻机开孔定向的方法包括人工丈量法和仪器测量法。人工丈量法是通过对照巷道中线(已知方位角)实现钻机开孔倾角和方位角的测量，对照方式分为采用角规的传统放线和采用传感器测量的改进对准。专利《煤矿用钻孔角度测量系统及方法》(专利号：CN102889075A)提供了一种采用数字角度测量仪和激光发射装置的人工丈量开孔定向方法和装置，能够实现钻机开孔倾角和方位角的测量，但是施工繁琐，极大降低了测量效率。仪器测量法是通过数字化仪器直接实现钻机开孔倾角和方位角的测量，由于煤矿井下存在大量的铁磁性干扰，因此通常采用基于陀螺组件的惯性测量原理实现测量。相比于人工丈量法，仪器测量法测量精度更高，施工简便快捷，能够有力保障钻机的精准定向钻进。

在实际应用中，基于陀螺组件的开孔定向装置包含寻北和跟踪两个步骤，寻北步骤完成装置当前方位与地理真北方向偏差的测量，跟踪步骤完成装置随后自由移动时方位角和倾角的测量。寻北过程中要求装置保持静止和较小的倾角(通常不超过15°)，否则会对装置测量精度造成影响，因此不能直接将该装置放置于钻机进行全空间寻北，而是需要将该装置平放于远离钻机的相对静止地面进行寻北，待其完成寻北后放置于钻机进行跟踪测量。然而，煤矿井下环境复杂，振动源较多，即使将该装置远离钻机平放于地面，依然会有较小的环境振动传递于姿态测量装置，进而影响该种装置的寻北精度。此外，由于目前市面的开孔定向装备未配备指示设备，工人需要在观测数据和操作钻机之间频繁切换，对现场施工造成不便。

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，研究设计出一种固定于钻机的开孔定向测量装置及方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固定于钻机的开孔定向测量装置及方法，解决现有技术中开孔定向装置无法安装于钻机实现全空间精确测量和缺少开孔定向指示的问题，并且能够有效地减小开孔定向装置受周围环境振动引起的测量误差，提高测量精度。

为解决上述问题，本发明公开了一种固定于钻机的开孔定向测量装置，包含姿态测量模块和激光指示模块，所述姿态测量模块安装固定于钻机导轨上，由于导轨与钻杆平行，因此可实现钻机当前倾角和方位角的测量，所述激光指示模块安装固定于钻机夹持器的中心位置，其特征在于：

姿态测量模块包括横向活动支架、纵向电机、横向电机、纵向活动支架、惯性导航单元和姿态调平单元，所述横向支架的横向两端通过立架可旋转的支撑于一减震垫上，所述两端的立架下端固定于减震垫，上端分别通过横向支撑轴可旋转的支撑横向支架的两端，且其中一端的横向支撑轴连接至横向电机，所述支撑横向支架的纵向两端分别设有可旋转的纵向支撑轴，所述纵向活动支架的两端分别向下延伸有固定于纵向支撑轴的耳部，其中一纵向支撑轴连接至纵向电机，所述惯性导航单元和姿态调平单元皆固定于纵向活动支架的上表面，所述惯性导航单元用于测量钻机当前倾角和方位角，所述姿态调平单元用于测量纵向活动支架的当前倾角。

其中：惯性导航单元包括寻北模块和动态跟踪模块，寻北模块测量装置与地理北向的方位夹角，动态跟踪模块用于姿态测量模块动态跟踪实时显示模块的姿态信息。

其中：激光指示模块包含一圆盘磁铁以用于安装在钻机夹持器中心位置，一激光指示单元固定于圆盘磁铁中心位置用于模拟指示钻杆在目标工作面的钻进点位，一激光投影单元固定于圆盘磁铁的偏心位置，用于将数据通过投影方式投向目标前方。

还公开了一种固定于钻机的开孔定向测量方法，采用了上述的开孔定向指示装置，其特征在于包含如下具体步骤：

步骤一：将开孔定向测量装置固定于钻机，即将姿态测量模块固定于导轨处，将激光指示模块通过吸引作用安置于钻机夹持器中心位置；

步骤二：测量钻机倾斜角并使得姿态测量模块处于水平状态；

步骤三：采集数据、滤波并通过惯性导航单元寻北，且采用卡尔曼滤波进行振动误差补偿；

步骤四：寻北完成后，控制横向电机和纵向电机调节姿态测量模块与钻机保持水平，并动态测量钻机的方位角和倾角；

步骤五：将测量数据投影于工作面，协助工人调整钻机至设计方位角和倾角。

其中：所述步骤三中采用卡尔曼滤波进行振动误差补偿的子步骤如下：

子步骤一：采集惯性导航单元的静态输出数据x_k，并对其进行预处理；

子步骤二：采用自回归滑动平均模型对预处理后的数据进行建模，得到的数学模型如下所示：

x_k＝φ₁x_k-1+φ₂x_k-2+a_k-θ₁a_k-1

式中x_k为光纤陀螺的当前时刻输出、x_k-1为光纤陀螺前一时刻输出；a_k、a_k-1为时间的残差序列；

为自回归参数；θ₁为滑动平均参数；

子步骤三：建立系统状态方程，表达式如下：

X(k)＝AX(k-1)+BW(k)

式中X(k)为系统状态，W(k)为过程噪声、高斯白噪声，A、B为系统参数，其中系统状态X(k)如下表示：

X(k)＝[x(k),x(k-1)]^T

系统噪声如下表示：

W(k)＝[a(k),a(k-1)]^T

系统参数A、B分别如下表示：

子步骤四：建立系统的量测方程，系统表达式如下：

Z(k)＝HX(k-1)+V(K)

式中Z(k)为k时刻的量测值，H为量测系统的参数，V(k)为量测噪声，高斯白噪声；

子步骤五：联立状态方程和量测方程，运用卡尔曼滤波递推计算得到X(k)的最优估计值，递推计算公式如下：

式中

为第K步状态向量的最优估计值，即当前时刻的最优估计值；

为第K-1步状态向量最优估计值，即前一时刻的最优估计值；

为第K步状态方程根据K-1步的最优估计得到的预测值；P_K/K-1为估计均方误差矩阵的预测值；P_K-1是系统估计均方误差阵；K_K为滤波增益；H为观测矩阵；R量测噪声序列的方差阵，Q系统噪声矩阵；Z_K为K时刻的量测值。

通过上述结构可知，本发明的固定于钻机的开孔定向测量装置及方法具有如下效果：

1、解决了现有技术中开孔定向装置无法安装于钻机实现全空间寻北的问题；

2、通过采用卡尔曼滤波有效减小了煤矿井下复杂环境中周围振动引起的测量误差，并且将测量数据实时投影于目标体正前方煤壁上；

3、结构新颖，实用性强，可工业化批量生产。

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显示了本发明的固定于钻机的开孔定向测量装置设置于钻机上的结构示意图。

图2显示了本发明的姿态测量模块的结构示意图。

图3显示了本发明的激光指示模块示意图。、

图4显示了本发明的固定于钻机的开孔定向测量方法的流程图。

附图标记：

1-姿态测量模块、2-钻机导轨、3-钻机夹持器、4-激光指示模块、41-圆盘磁铁、42-激光指示单元、43-激光投影单元、11-横向活动支架、12-纵向电机、13-横向电机、14-纵向活动支架、15-惯性导航单元、16-姿态调平单元、17-减震垫。

具体实施方式

参见图1至图3，显示了本发明的固定于钻机的开孔定向测量装置及方法。

所述固定于钻机的开孔定向测量装置包含姿态测量模块1和激光指示模块4，所述图1为本发明的开孔定向指示装置在钻机上的安装示意图，所述姿态测量模块1安装固定于钻机导轨2上，由于导轨与钻杆平行，因此可实现钻机当前倾角和方位角的测量，所述激光指示模块4安装固定于钻机夹持器3的中心位置，通过蓝牙或WIFI等无线方式从姿态测量模块实时获取装置当前方位角和倾角，并且将该数据通过投影方式投向目标前方。

图2为本发明的姿态测量模块1的结构示意图，其包括横向活动支架11、纵向电机12、横向电机13、纵向活动支架14、惯性导航单元15和姿态调平单元16，所述横向支架11的横向两端通过立架可旋转的支撑于一减震垫17上，所述减震垫17设置于钻机导轨2上，其中，所述两端的立架下端固定于减震垫17，上端分别通过横向支撑轴可旋转的支撑横向支架11的两端，且其中一端的横向支撑轴连接至横向电机13，从而通过横向电机13可控制横向活动支架11的旋转，所述支撑横向支架11的纵向两端分别设有可旋转的纵向支撑轴，所述纵向活动支架14的两端分别向下延伸有固定于纵向支撑轴的耳部，其中一纵向支撑轴连接至纵向电机12，从而通过纵向电机12来控制纵向活动支架14相对横向支架11的纵向训传，所述惯性导航单元15和姿态调平单元16皆固定于纵向活动支架14的上表面，所述惯性导航单元15用于测量钻机当前倾角和方位角，所述姿态调平单元16用于测量纵向活动支架14的当前倾角。通过控制纵向电机12和横向电机13的转动可以分别调节横向活动支架11和纵向活动支架14旋转，进而可以调节纵向活动支架14的空间倾斜状态。所述惯性导航单元用于完成姿态测量；惯性导航单元可包括寻北模块和动态跟踪模块，寻北模块主要测量装置与地理北向的方位夹角，动态跟踪模块主要用于姿态测量模块动态跟踪实时显示模块的姿态信息。所述姿态调平单元用于实时感知载体之间的空间倾斜状态，并可以控制电机调整活动支架的倾斜状态。

图3为本发明的激光指示模块4示意图，所述激光指示模块4包含一圆盘磁铁41，以用于安装在钻机夹持器中心位置，一激光指示单元42固定于圆盘磁铁41中心位置，用于模拟指示钻杆在目标工作面的钻进点位。激光投影单元43固定于圆盘磁铁41的偏心位置，用于通过蓝牙或WIFI等无线方式从姿态测量模块实时获取装置当前方位角和倾角，并且将该数据通过投影方式投向目标前方。

其中，本发明还涉及一种固定于钻机的开孔定向测量方法，图4显示了其流程图，在本发明图1所示的一个具体实例中，激光指示模块4在前方指示出一方形范围，方形范围的中心原点为钻进点位，其钻孔的设计倾角为30°，方位角为240°，使用的上述开孔定向指示装置，其具体步骤如下：

步骤一101：将开孔定向测量装置固定于钻机，即将姿态测量模块固定于导轨处，将激光指示模块通过吸引作用安置于钻机夹持器中心位置；

步骤二102：测量钻机倾斜角并调平，根据姿态调平单元测量得到的倾斜角，控制横向电机和纵向电机使得姿态测量模块处于水平状态；

步骤三103：采集数据、滤波并开始寻北，通过惯性导航单元开始寻北，并且采用卡尔曼滤波进行振动误差补偿；

步骤四104：调节与钻机平行并开始测量，寻北完成后，控制横向电机和纵向电机调节姿态测量模块与钻机保持水平，并动态测量钻机的方位角和倾角；

步骤五105：将测量数据投影于工作面，通过激光指示模块利用蓝牙或WIFI从姿态测量模块获取补偿后的方位角和倾角，并将该数据通过激光投影方式投向目标工作面，协助工人调整钻机至设计方位角和倾角。

所述步骤三中采用卡尔曼滤波进行振动误差补偿的子步骤如下：

子步骤一：采集惯性导航单元的静态输出数据x_k，并可对其进行预处理，包括剔除粗大误差、去除趋势项、周期项等；

子步骤二：采用自回归滑动平均模型对预处理后的数据进行建模，得到的数学模型如下所示：

x_k＝φ₁x_k-1+φ₂x_k-2+a_k-θ₁a_k-1 (1)

式中x_k为光纤陀螺的当前时刻输出、x_k-1为光纤陀螺前一时刻输出；a_k、a_k-1为时间的残差序列；

为自回归参数；θ₁为滑动平均参数。

子步骤三：建立系统状态方程，表达式如下：

X(k)＝AX(k-1)+BW(k) (2)

式中X(k)为系统状态，W(k)为过程噪声、高斯白噪声，A、B为系统参数，其中系统状态X(k)如下表示：

X(k)＝[x(k),x(k-1)]^T (3)

系统噪声如下表示：

W(k)＝[a(k),a(k-1)]^T (4)

系统参数A、B分别如下表示：

子步骤四：建立系统的量测方程，系统表达式如下：

Z(k)＝HX(k-1)+V(K) (6)

式中Z(k)为k时刻的量测值，H为量测系统的参数，V(k)为量测噪声，高斯白噪声。

子步骤五：联立状态方程和量测方程，运用卡尔曼滤波递推计算得到X(k)的最优估计值，递推计算公式如下：

式中

为第K步状态向量的最优估计值，即当前时刻的最优估计值；

为第K-1步状态向量最优估计值，即前一时刻的最优估计值；

为第K步状态方程根据K-1步的最优估计得到的预测值；P_K/K-1为估计均方误差矩阵的预测值；P_K-1是系统估计均方误差阵；K_K为滤波增益；H为观测矩阵；R量测噪声序列的方差阵，Q系统噪声矩阵；Z_K为K时刻的量测值。

通过上述卡尔曼滤波，可有效减小环境振动引入的寻北误差，求得当前时刻惯性导航单元的静态输出值

在图1的实施例中，将经过卡尔曼滤波后的数据

采用传统的惯性导航算法进行寻北计算，寻北结果为倾角0.2°，方位角236.5°；

寻北完成后，控制电机调节纵向活动支架平行于钻机导轨，此时惯性导航单元的测量结果为倾角10°，方位角236.5°；

进一步的，激光指示模块通过蓝牙或WIFI等无线通讯方式从姿态测量模块获取方位角236.5°和倾角10°，激光投影单元将该数据投向目标工作面，激光指示单元沿着钻机夹持器中心方向投射一束激光于目标工作面，模拟指示当前钻机的钻进点位。调整钻机姿态使其达到倾角为30°，方位角为240°的设计目标。

由此，本发明可以放置于钻机进行全空间寻北，通过姿态测量模块水平调节和补偿环境振动引起的测量误差有效提高测量精度，并且可以实时将装置当前方位角和倾角通过激光投影方式投向目标前方。

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 (3)

1.一种固定于钻机的开孔定向测量装置，包含姿态测量模块和激光指示模块，所述姿态测量模块安装固定于钻机导轨上，由于导轨与钻杆平行，因此可实现钻机当前倾角和方位角的测量，所述激光指示模块安装固定于钻机夹持器的中心位置，其特征在于：

姿态测量模块包括横向活动支架、纵向电机、横向电机、纵向活动支架、惯性导航单元和姿态调平单元，所述横向活动支架的横向两端通过立架可旋转的支撑于一减震垫上，所述两端的立架下端固定于减震垫，立架上端分别通过横向支撑轴可旋转的支撑横向活动支架的两端，且其中一端的横向支撑轴连接至横向电机，所述横向活动支架的纵向两端分别设有可旋转的纵向支撑轴，所述纵向活动支架的两端分别向下延伸有固定于纵向支撑轴的耳部，其中一纵向支撑轴连接至纵向电机，所述惯性导航单元和姿态调平单元皆固定于纵向活动支架的上表面，所述惯性导航单元用于测量钻机当前倾角和方位角，所述姿态调平单元用于测量纵向活动支架的当前倾角。

2.如权利要求1所述的固定于钻机的开孔定向测量装置，其特征在于：激光指示模块包含一圆盘磁铁以用于安装在钻机夹持器中心位置，一激光指示单元固定于圆盘磁铁中心位置用于模拟指示钻杆在目标工作面的钻进点位，一激光投影单元固定于圆盘磁铁的偏心位置，用于将数据通过投影方式投向目标前方。

3.一种固定于钻机的开孔定向测量方法，采用了权利要求1所述的开孔定向测量装置，其特征在于包含如下具体步骤：

步骤一：将开孔定向测量装置固定于钻机，即将姿态测量模块固定于导轨处，将激光指示模块通过吸引作用安置于钻机夹持器中心位置；

步骤二：测量钻机倾斜角并使得姿态测量模块处于水平状态；

步骤三：采集数据、滤波并通过惯性导航单元寻北，且采用卡尔曼滤波进行振动误差补偿；

步骤四：寻北完成后，控制横向电机和纵向电机调节姿态测量模块与钻机保持水平，并动态测量钻机的方位角和倾角；

步骤五：将测量数据投影于工作面，协助工人调整钻机至设计方位角和倾角。

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