CN114051552B - 用于地形表征的钻探规划工具、系统和相关方法 - Google Patents

Abstract

一种规划用于地下钻探作业的钻具的移动的规划工具。该规划工具包括一个或多个轮子，该一个或多个轮子用于响应于操作者的移动而沿着路径在大地的表面上滚动，以表征表面轮廓并且生成用于钻具到达目标位置的引导。规划可以另外基于路点。该规划工具可以单向滚动或双向滚动以表征表面轮廓。双向移动消除了加速度计固定偏差。路径拼接用于规划障碍物周围。规划工具可以有助于跟踪器放置。规划工具可以收集噪声信息用于频率选择目的。所描述的技术使地下规划中的直线钻探最大化。在测量表面轮廓时，为规划工具的不稳定、快速和缓慢移动提供补偿和/或警告。

Description

用于地形表征的钻探规划工具、系统和相关方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年7月23日提交的美国专利申请No.16/520,182的优先权，该美国专利申请通过引用并入本文。

技术领域

本申请总体上涉及水平定向钻探(HDD)系统中的钻探规划领域，并且更具体地涉及用于实时地貌表征的规划工具或测量器械以及相关方法。

背景技术

规划水平定向钻探作业的现有技术方法包括在钻探项目之前创建地下钻孔规划。生成钻孔规划可通过在钻探开始之前在拟定的钻孔路径上行走来实现，使用或不使用商业上可获得的钻孔规划软件，或者在一些情况下，远程地形成钻孔规划，而无需特别地从舒适的办公室到工作现场查看。然而，申请人注意到绝大多数HDD项目是在没有钻孔规划的情况下进行的。诸如在钻探之前形成钻孔规划所涉及的时间和资源方面的成本等因素阻碍了钻孔规划的推进。也许最重要的是，申请人已经发现许多钻探承包商发现障碍物、公用设施、地形或景观与预期的差异以及其它类似因素要求钻探者偏离钻孔规划，从而使钻孔规划过时或没有意义。例如，未知的公用设施管线或其它埋地障碍物的存在可能在钻探人员到达工地时或在钻探开始之后被识别，使得钻孔规划迅速变得过时(可能甚至在钻探开始之前)。

另外，特别是在地形为丘陵、斜坡、包括山谷的或通常不平坦的情况下，形成准确且有用的钻孔规划可能需要在钻探作业之前专业地勘测钻探区域的表面地形。如果不考虑地形的变化，深度读数和目标可能没有多大帮助。不幸的是，这种专业勘测的成本可能是相当高的，并且专业勘测花费额外的时间并且可能难以安排，所有这些都阻止承包商采取该步骤或准备钻孔规划。申请人认识到，由于沿钻探行程的深度的快速变化，试图在不平坦的地形中执行钻探行程而不详细地表征表面地形是极其困难的。

全球导航卫星系统(GNSS)(包括GPS)是用于测量地形的专业勘测的潜在替代方案。然而，迄今为止，GNSS解决方案对于测量HDD工作现场的地形并不实用。可应用的GNSS解决方案历史上没有以HDD应用的实际成本提供必要的精度水平，但是GNSS技术在这方面继续发展。特别地，由于执行HDD的场所的缘故，由于高层建筑、密集云、树木和其它障碍物，GNSS接收器不总是能够读取足够的GNSS卫星以一致地获得HDD工作现场的GNSS读数。

现有技术中试图处理提前钻孔规划所采用的一种方法在共同拥有的美国专利no.6,035,951中描述，其使用了图14中所示的称为测绘工具550的工具。不幸的是，测绘工具不能单独使用，而必须作为具有单独的地上接收器的整个系统的一部分使用，该接收器接收由测绘工具发射的偶极信号580。这种测绘工具的一些主要缺点包括：(1)建立系统所需的时间和资源，特别是接收器能够识别测绘工具的位置所需的时间和资源，以及(2)这种测绘工具被设计用于在钻探之前创建钻孔规划，并且不是为了实时钻孔导航或修改先前钻孔规划而设计(并且难以使用)。类似地，美国专利no.6,749,029描述了一种提前钻孔规划方法，其涉及从进入到离开生成钻孔规划的传统方法，在钻孔之前覆盖整个钻孔路径。这种方法同样引入了相同的提前准备时间和资源方面的成本，并且当在钻孔期间出现需要偏离原始钻孔路径的因素时，遭受复杂的问题。

申请人认识到，需要一种工具，其在钻探期间以实时、动态、即时(on-the-fly)的方式帮助引导钻机绕过障碍物和/或到达期望的目标点，而没有传统的钻孔规划工具和方法当前需要的时间和资源方面的前期成本。申请人还认识到需要这样一种工具，其也足够先进以解决不平坦的复杂地形，并且将这种情况引入钻孔引导中，而不需要对钻探区域的专业勘测。申请人还认识到需要这样一种系统，当GNSS数据可用时，该系统接受GNSS数据，但是当GNSS数据不可用时，该系统仍然能够生成地形数据，使得即使存在阻碍GNSS数据的可用性的障碍物，该工具也能够在HDD工作现场持续使用。

现有技术的前述示例和与其相关的限制旨在是说明性的而非排他性的。在阅读说明书和研究附图之后，现有技术的其它限制对于本领域技术人员将变得显而易见。

发明内容

结合系统、工具和方法描述和说明了以下实施例及其方面，这些实施例及其方面旨在是示例性和说明性的，而不是限制范围。在各种实施例中，减少或消除了一个或多个上述问题，而其它实施例针对其它改进。

在本公开的一个方面，描述了一种用于规划在地下钻探作业期间的钻具的移动的规划工具和相关联的方法，钻具形成用于水平定向钻探的系统的一部分，在该系统中，钻机使用从钻机延伸到钻具的钻柱使钻具前进穿过大地。在一个实施例中，规划工具包括一个或多个轮子，该一个或多个轮子用于响应于操作者的移动而沿着路径在所述大地的表面上滚动，该路径至少包括：(i)初始表面位置，其接近在钻具处于当前取向的情况下的钻具的当前位置，以及(ii)后续表面位置，其接近用户指定的钻具的目标位置，目标位置在当前位置的前方。编码器用于响应于轮子中的一个轮子在初始表面位置与后续表面位置之间的滚动而生成编码器输出。加速度计包括至少一个测量轴线，加速度计用于在轮子沿着路径的滚动期间生成表征规划工具的俯仰取向的加速度计输出。处理器用于接受指定在钻具位于当前位置和当前取向的情况下在钻具的前方的目标位置的用户输入，并且用于基于当前位置、当前取向、编码器输出和加速度计输出来生成用于钻具到达目标位置的引导。

在包括相关方法的另一实施例中，规划工具是用于水平定向钻探的系统的一部分，在该系统中，钻机使用从钻机延伸到钻具的钻柱使钻具前进穿过大地。该规划工具包括一个或多个轮子，一个或多个轮子用于响应于操作者的移动而沿着路径在大地的表面上滚动。编码器用于响应于轮子中的一个轮子的滚动而生成编码器输出。加速度计包括至少一个测量轴线，加速度计用于在轮子的滚动期间生成表征规划工具的俯仰取向的加速度计输出。处理器用于基于编码器输出和加速度计输出来生成钻具在大地的表面下方关于路径的地下规划。

在本公开的另一方面中，描述了一种用于水平定向钻探的系统和相关方法。该系统的实施例包括用于形成钻孔的钻具和用于移动钻具的钻机。规划工具包括：一个或多个轮子，其用于响应于操作者的移动而沿着路径在大地的表面上滚动；编码器，其用于响应于轮子中的一个轮子的滚动而生成编码器输出；加速度计，其包括至少一个测量轴线，加速度计用于生成表征规划工具的俯仰取向的加速度计输出；以及处理器，其用于基于编码器输出和加速度计输出来生成钻具在大地的表面下方关于路径的地下规划。

在包括相关方法的本公开的又一方面中，规划工具形成用于水平定向钻探的系统的一部分，在该系统中，钻机使用从钻机延伸到钻具的钻柱使钻具沿向前方向前进穿过大地。规划工具的实施例包括一个或多个轮子，该一个或多个轮子用于响应于操作者的移动而沿着路径在大地上滚动。编码器响应于轮子中的一个轮子的滚动而生成编码器输。加速度计包括至少一个测量轴线，加速度计用于在所述滚动期间生成表征规划工具的俯仰取向的加速度计输出。用户界面接受指定沿着路径的一个或多个位置的操作者输入，并且处理器用于基于编码器输出、加速度计输出和指定位置来生成钻具在大地的表面下方关于所述路径的地下规划。在另一个实施例和相关方法中，规划工具是用于水平定向钻探的系统的一部分，在该系统中，钻机使用从钻机延伸到钻具的钻柱使钻具沿向前方向前进穿过大地。该实施例包括一个或多个轮子，一个或多个轮子用于从预定位置开始并且响应于操作者的移动而在与向前方向相反的反向方向上沿着路径在大地的表面上滚动。编码器用于响应于轮子中的一个轮子在反向方向上的滚动而生成编码器输出。加速度计包括至少一个测量轴线，加速度计用于在反向方向上的所述滚动期间生成表征规划工具的俯仰取向的加速度计输出，并且处理器用于基于由编码器输出和加速度计输出表征的反向方向上的路径的表面轮廓，来生成所述钻机在路径上相对于预定位置在反向方向上的缩进位置。

在又一实施例和相关方法中，规划工具是用于水平定向钻探的系统的一部分，在该系统中，钻机使用从钻机延伸到钻具的钻柱使钻具前进穿过大地。该规划工具包括一个或多个轮子，一个或多个轮子用于响应于操作者而沿着路径在大地上滚动。编码器响应于轮子中的至少一个轮子的滚动而产生编码器输出。加速度计包括至少一个测量轴线，加速度计用于在滚动期间产生表征规划工具的俯仰取向的加速度计输出，并且加速度计输出还包括响应于操作者引起的加速的一个或多个俯仰误差，操作者引起的加速是由在滚动期间由操作者导致的规划工具的速度的一个或多个变化引起的。处理器经配置成用于基于编码器输出而检测速度的变化且用于基于所检测的变化而将补偿施加于加速度计输出以生成俯仰误差基本上被移除的经补偿的俯仰取向。

在又一实施例和相关方法中，规划工具是用于水平定向钻探的系统的一部分，在该系统中，钻机使用从钻机延伸到钻具的钻柱使钻具前进穿过大地。该规划工具包括一个或多个轮子，一个或多个轮子用于响应于操作者的移动而沿着路径在大地的表面上滚动。编码器响应于轮子中的一个轮子的滚动而生成编码器输出。加速度计包括至少一个测量轴线，加速度计用于在轮子的滚动期间生成表征规划工具的俯仰取向的加速度计输出，并且处理器基于编码器输出和加速度计输出生成：(i)当滚动的速率超过阈值速率时向操作者的指示，以建议操作者减速，从而维持轮子与大地的表面之间的接触，以及(ii)路径在竖直平面中的表面轮廓。

在另一实施例和相关方法中，规划工具是用于水平定向钻探的系统的一部分，在该系统中，钻机使用从钻机延伸到钻具的钻柱使钻具前进穿过大地。该规划工具包括轮子，轮子用于响应于操作者的移动而沿着路径在大地的表面上滚动。编码器响应于轮子的滚动而生成编码器输出。加速度计包括至少一个测量轴线，加速度计用于在滚动期间生成表征规划工具的俯仰取向的加速度计输出，加速度计输出表现出温度敏感漂移(a temperaturesensitive drift)。烘箱容纳加速度计，用于将加速度计保持在至少近似恒定的温度，以在滚动期间显著减小温度敏感漂移，并且处理器基于编码器输出和加速度计输出至少生成路径在竖直平面中的表面轮廓。

在另一个实施例和相关方法中，规划工具是用于水平定向钻探的系统的一部分，在该系统中，钻机使用从钻机延伸到钻具的钻柱使钻具前进穿过大地。该规划工具包括轮子，轮子用于响应于操作者的移动而沿着路径在大地的表面上滚动，路径包括开始位置和结束位置。编码器响应于轮子的滚动而生成编码器输出。加速度计包括至少一个测量轴线，加速度计用于在滚动期间生成表征规划工具的俯仰取向的加速度计输出，并且加速度计输出经受固定测量偏差，固定测量偏差在加速度计输出中引入俯仰取向测量误差，并且处理器响应于规划工具从开始位置滚动到结束位置而记录出站(outbound)数据集，出站数据集包括对照多个出站加速度计读数被索引的多个出站编码器读数，并且处理器用于响应于规划工具从结束位置沿反向方向滚动到开始位置而记录入站(inbound)数据集，入站数据集包括对照多个入站加速度计读数被索引的多个入站编码器读数，并且处理器用于将出站数据集与入站数据集组合，以便至少在开始位置和结束位置之间的竖直平面中生成表面轮廓，使得至少基本上消除加速度计输出中的俯仰取向测量误差。

在另一个实施例中，描述了一种用于水平定向钻探的系统中的方法，在该系统中，钻机使用从钻机延伸到钻具的钻柱使钻具前进穿过大地，该方法包括：沿从开始位置到结束位置的出站方向滚动规划工具，同时读取形成规划工具的一部分的加速度计的加速度计输出，以表征规划工具的俯仰取向作为收集的出站数据集的一部分，加速度计输出经受由加速度计的固定测量偏差产生的俯仰取向测量误差。在反向方向上沿从结束位置到开始位置的入站方向滚动规划工具，同时读取加速度计输出以表征规划工具的俯仰取向，从而收集入站数据集，并且加速度计输出经受由于出站数据集与入站数据集的组合的固定测量偏差而导致的俯仰取向测量误差，使得在生成开始位置与结束位置之间的表面轮廓的同时消除固定测量偏差。

在另一个实施例和相关方法中，规划工具是用于水平定向钻探的系统的一部分，在该系统中，钻机使用从钻机延伸到钻具的钻柱使钻具前进穿过大地。该规划工具包括主轮，主轮具有主轮直径，用于围绕主轮轴线旋转以响应于操作者的移动而沿着路径在大地的表面上滚动。随动轮具有与主轮直径相同的随动轮直径，随动轮用于在滚动期间围绕随动轮轴线旋转。壳体将主轮和随动轮支撑为成直线布置以便共面旋转，使得随动轮轴线与主轮轴线固定地间隔开并且至少大致平行于主轮轴线。编码器用于响应于主轮的滚动而生成编码器输出，并且加速度计通过壳体支撑在主轮轴线和随动轮轴线之间，加速度计包括至少一个测量轴线，加速度计用于在滚动期间生成表征规划工具的俯仰取向的加速度计输出。处理器至少基于编码器输出和加速度计输出而生成至少所述路径在竖直平面中的表面轮廓。

在又一实施例和相关方法中，规划工具是用于水平定向钻探的系统的一部分，在该系统中，钻机使用从钻机延伸到钻具的钻柱使钻具前进穿过大地。该规划工具包括一个或多个轮子，一个或多个轮子用于响应于操作者的移动而沿着第一路径和第二路径在大地上滚动，其中第一路径和第二路径通过障碍物彼此分开。编码器响用于响应于轮子中的一个轮子的滚动而生成编码器输出。加速度计包括至少一个测量轴线，加速度计用于在轮子的滚动期间生成表征规划工具的俯仰取向的加速度计输出。处理器用于基于编码器输出和加速度计输出来生成钻具在大地的表面下方关于第一路径和第二路径的地下规划，使得地下规划包括与第一路径对应的第一钻孔区段、与第二路径对应的第二钻孔区段、以及将第一钻孔区段连接到第二钻孔区段的拼接钻孔区段。

在又一实施例和相关方法中，规划工具是用于水平定向钻探的系统的一部分，在该系统中，钻机使用钻柱使钻具前进穿过大地以执行地下操作，钻柱具有从钻机延伸到钻具的钻柱长度。该规划工具包括一个或多个轮子，一个或多个轮子用于响应于操作者的移动而沿着路径在大地的表面上滚动。编码器用于响应于轮子中的一个轮子的滚动而生成编码器输出。噪声接收器用于响应于滚动而生成在频率带宽上的噪声数据。处理器：(i)至少基于如由编码器输出和加速度计输出所限定的路径的表面轮廓，为在从钻具进入大地的开始位置开始的路径下方的钻具生成地下规划，以及(ii)基于轮廓，使沿着大地的表面上方的路径测量的噪声数据与沿着地下规划距开始位置的距离相关联，使得对于地下路径上的任何给定位置，相关联的噪声数据的集合对应于路径上的顶部位置，顶部位置在给定位置正上方，以补偿沿着地下规划到达给定位置的第一距离与沿着路径到达顶部位置的第二距离之间的差异，该差异由地下规划与路径之间的竖直偏移产生。

在另一实施例和相关方法中，规划工具与钻机推进钻具以穿过地面进行水平定向钻探的系统结合使用，该钻具发射电磁定位信号，该系统包括可定位在大地的表面上的多个跟踪器，以用于基于接收到电磁定位信号而跟踪在地下的钻具。该规划工具包括一个或多个轮子，一个或多个轮子用于响应于操作者而沿着路径在大地的表面上滚动。编码器响应于轮子中的一个轮子的滚动而生成编码器输出。处理器基于所述编码器输出而测量沿着所述路径滚动的距离，并且响应于检测到规划工具已经滚动了指定距离，生成用于操作者将跟踪器中的一个跟踪器放置在路径上的指示。

在另一实施例和相关方法中，描述了一种与钻机推进钻具以穿过通过大地进行水平定向钻探，的系统结合使用的规划工具，该钻具发射电磁定位信号，该系统包括可定位在大地的表面上的多个跟踪器，以用于基于接收到电磁定位信号而跟踪在地下的钻具。该规划工具包括一个或多个轮子，一个或多个轮子用于响应于操作者而沿着路径在大地的表面上的滚动。编码器用于响应于轮子中的一个轮子的滚动而生成编码器输出。加速度计包括至少一个测量轴线，加速度计用于在滚动期间生成表征规划工具的俯仰取向的加速度计输出。处理器配置成基于编码器输出和加速度计输出来确定路径在竖直平面中的表面轮廓，并且基于轮廓来生成将跟踪器中的一个跟踪器放置在路径上的指示。

在另一实施例和相关方法中，描述了一种用于与钻机推进钻具以穿过大地进行水平定向钻探的系统一起使用的规划工具，钻具发射电磁定位信号，该系统包括可定位在大地的表面上的多个跟踪器，以用于基于接收到电磁定位信号而跟踪在地下的钻具。该规划工具包括一个或多个轮子，一个或多个轮子用于响应于操作者而沿着路径在大地的表面上滚动。编码器响应于轮子中的一个轮子的滚动而生成编码器输出。加速度计包括至少一个测量轴线，加速度计用于在滚动期间生成表征规划工具的俯仰取向的加速度计输出。用户界面服务于操作者，以用于指定沿着路径的至少一个位置，跟踪器中的特定一个跟踪器由操作者放置在至少一个位置处，并且用户界面用于为在特定跟踪器正下方的目标位置处钻具输入目标深度。处理器基于编码器输出和加速度计输出来确定路径在竖直平面中的表面轮廓，并且用于为在大地的表面下方穿过目标位置的钻具生成地下规划。

在又一实施例和相关方法中，规划工具是用于水平定向钻探的系统的一部分，在系统中，钻机使用钻柱使钻具前进穿过大地以执行地下操作，钻柱具有从钻机延伸到钻具的钻柱长度。该规划工具包括一个或多个轮子，一个或多个轮子用于响应于操作者的移动而沿着路径在大地的表面上滚动。编码器响应于轮子中的一个轮子的滚动而生成编码器输出。噪声接收器响应于滚动而生成在频率带宽上的噪声数据。处理器(i)至少基于如由编码器输出和加速度计输出所限定的路径的表面轮廓，为在从钻具进入大地的开始位置开始的路径下方的钻具生成地下规划，以及(ii)基于在大地的表面处测量的噪声数据，生成沿与距离相关联的地下路径使用的频率集合选择。

在另一个实施例和相关方法中，描述了一种用于规划在地下钻探作业期间钻具的移动的规划工具，该钻具形成用于水平定向钻探的系统的一部分，在该系统中，钻机使用从钻机延伸到钻具的钻柱使钻具前进穿过大地。规划工具包括处理器，处理器配置成用于通过使钻具从当前点到目标端点的直线钻探量最大化来开发从当前点到目标端点的地下规划。

附图说明

在附图的参考图中示出了示例性实施例。本文公开的实施例和附图是说明性的而不是限制性的。

图1是从根据本公开的用于地形表征的规划工具的实施例的一侧且后面绘制的透视图。

图2是从图1的规划工具的实施例的相反侧且后面绘制的透视图。

图3a和图3b是示出形成图1的规划工具一部分的框架的实施例的正视局部剖视示意图。

图4是示出图1和图2的规划工具的内部结构和部件的实施例的正视示意图。

图5是示出图1和图2的规划工具的内部结构的包括编码器轮和光学读取器的部分的实施例的正视局部剖视示意图。

图6a是示出图1和图2的规划工具的电气部件的实施例的框图。

图6b是示出用于确定校准系数以补偿由操作者引起的不稳定移动的方法的实施例的流程图。

图7是根据本公开的、作为用于开发地下规划的一个实施例的一部分的正视示意图，示出了操作者使规划工具沿着大地的表面的地形轮廓在钻机到钻探离开位置的方向上以远离钻机或从钻机出站的方式行走。

图8是作为开发地下规划的另一部分的另一正视示意图，示出了操作者使规划工具沿着大地的表面的地形轮廓以相反方向朝向钻机行走。

图9a是示出使用本公开的规划工具来开发地下规划的方法的实施例的流程图。

图9b是示出显示超速警告的屏幕的实施例的外观的屏幕截图。

图9c是示出使用本公开的规划工具开发地下规划的另一个实施例的流程图。

图10是示出基于响应于图7和图8收集的实际路径数据集并参考地面地形开发的地下规划的正视示意图。

图11是图10的钻孔规划的示意性俯视图，示出了从地下规划的进入点到离开点的弯曲(弯曲部分)。

图12是示出构造成避开障碍物的改进的地下规划的另一示意性俯视图。

图13是在钻具遵循图7的地下规划并且操作者利用步行定位器确认钻具的进度的情况下进行的钻探作业的正视示意图。

图14是示出用于使用图1和图2的规划工具确定钻机的相对于进入位置的缩进位置的技术的实施例的正视示意图。

图15是示出用于使用图1和图2的规划工具确定钻机的相对于埋地位置起的缩进位置的技术的实施例的正视示意图。

图16和图17是示出用于开发埋地规划的技术的实施例的正视示意图，该埋地规划涉及规划工具不能滚过的障碍物。

图18和图19是示出使用图1和图2的规划工具开发涉及峭壁的地下规划的技术的实施例的正视示意图。

图20是示出使用本公开的规划工具来表征中间区段的正视示意图。

图21a是示出本公开的规划工具生成当前点与目标端点之间的埋地路径的方法的实施例的流程图。

图21b是用于形成从钻具的当前位置到目标端点的直线到达路径的技术的实施例的示意图。

图21c和图21d是用于利用目标端点俯仰(度)和横摆(度)的指定值迭代地形成从当前位置到目标端点的地下规划的区段的技术的实施例的示意图。

图21e是示出了用于迭代地形成图21c和图21d中所示的地下规划的区段的方法的实施例的流程图。

图21f至图21h是未针对目标位置指定到达俯仰和到达横摆的路径生成的实施例的细节的示意图。

图21i和图21j是针对目标位置指定到达俯仰和到达横摆的路径生成的实施例的细节的示意图。

图22是示出使用图1和图2的规划工具的系统的实施例的正视示意图，该系统用于放置多个跟踪器以便随后用于引导钻具。

图23是操作者指定涉及公用设施通道的中间钻孔区段的区域的正视示意图。

具体实施方式

以下描述旨在使本领域普通技术人员能够制造和使用本发明，并且在专利申请及其要求的上下文中提供该以下描述。对所描述的实施例的各种变型对于本领域技术人员将是显而易见的，并且本文所教导的一般原理可以应用于其它实施例。因此，本发明不旨在限于所示的实施例，而是符合与本文描述的原理和特征一致的最宽范围，包括变型和等同物。注意，附图不是按比例绘制的，并且本质上是以被认为最好地说明所关注的特征的方式示意的。可以采用描述性术语，以增强读者对图中提供的各种视图的理解，而绝不是限制性的。如本文所用，术语“钻孔规划(或称为“钻探规划”、“钻进规划”)”是指从进入大地的进入位置在地下延伸至离开位置的完整路径。术语“钻孔区段”是指不足以构成钻孔规划的部分地下路径，诸如，用于使钻具进入大地的初始进入路径或整个地下路径的中间部分。钻孔区段不一定包括进入位置或离开位置。为了本公开和所附权利要求的目的，术语“地下规划”包括钻孔规划和钻孔区段两者。

如将看到的，本公开披露了一种用于地下钻探的先进规划工具，其高度地适应于水平定向钻探现场的动态性质。这种先进的规划工具是单个的独立器械。规划工具的实施例可以快速地生成：(1)从任何点沿着具有或不具有钻孔规划的钻孔路径向目标点和/或障碍物周围的地下规划引导，(2)在钻探期间对现有钻孔规划的实时修改或偏离，在每种情况下以便容易且灵活地应对在进行的地下钻探作业期间遇到的意外障碍物和地形，和/或(3)根据需要为钻探行程的任何期望部分提供引导，以便解决已经遇到的一些技术钻探挑战。该先进的规划工具还提供了在钻探作业开始之前立即实时生成整个钻孔规划，而不需要专业勘测。如将看到的，在地下规划的开发期间不需要存在钻机，尽管规划工具以在单次交付中部署所有系统部件的方式便利地提供了地下规划的快速且方便的现场开发，使得钻机几乎没有停机时间。

现在转到附图，其中在所有附图中相同的项目可以由相同的附图标记表示，紧接着关注图1和图2，图1和图2是根据本公开生产的、总体由附图标记10表示的规划工具或测量器械的实施例的透视图。图1和图2是从工具10的后面绘制的，以示出其相反两侧。工具10可以包括主轮20和随动轮24，主轮20和随动轮24分别支撑在各自的轴上，以便分别围绕第一轮轴线28和第二轮轴线30旋转。轮轴线至少大致平行，并且相对于行进方向间隔开，使得主轮与位于主轮正后方的随动轮成直线旋转。换言之，主轮和随动轮在图1中主轮20的周边上的中心虚线所表示的公共中心平面32中旋转。注意到每个轮包括由合适的弹性材料(诸如聚氨酯等)形成的胎面或轮胎34。胎面可以被拉伸到一定程度以确保保持在每个轮子上。从一侧到另一侧，每个轮胎在被支撑时可以是扁平的或几乎扁平的，尽管这不是必需的。换言之，从每个轮胎的一侧到另一侧没有形成胎冠。这样，轮子轨迹相对更直，并且每个轮子的滚动直径不随规划工具的侧向倾斜而改变，以在倾斜的情况下稳定轮子直径。轴由壳体36支撑，这将在下面描述。在本实施例中，两个轮子具有相等的直径，使得每个轮子基本上等同地响应于其所经过的地形，包括路缘、铁路轨道、停车分隔带、减速带和其它这种不规则形状。在其它实施例中，随动轮可以具有与前轮不同的直径。在其它实施例中，随动轮可以被支撑为绕竖直轴线38枢转(如双头箭头40所示)，使得竖直轴线可位于随动轮的中心平面中。应当注意，使用两个轮子不是必须的。在其它实施例中，随动轮24可以被去除或由用于接触地面的一些其它元件(诸如滑块)代替。

仍然参考图1和图2，手柄组件50包括枢转柱54，枢转柱54枢转地支撑在轴58上，使得手柄组件能够围绕轴线59在前缓冲器60a和后缓冲器60b之间的角度范围内旋转。如随后的图中所示，在地形跟踪期间，枢转柱54在缓冲器60a和60b之间自动旋转，枢转柱54与手柄组件的其它特征一起用于保持轮子与地面接触。这些缓冲器可以由中间覆盖件70限定。伸缩管74滑动地容纳在枢转柱54的最上端。摩擦夹锁78可选择性地闩锁，以锁定伸缩管在枢转柱中的位置。铰链80容纳在伸缩管74和手柄延伸部84之间。手柄延伸部84包括限定用于接合操作者的手的手柄86的远端或自由端。铰链80包括闩锁手柄88，闩锁手柄88用于在由双头弓形箭头所示的角度范围90内选择性地锁定手柄延伸部84相对于伸缩管74的旋转取向。操作者可以根据他或她的喜好定制单元10的手柄组件调节。这些调节可以随时进行或改变，包括考虑到单元经过的地形(地貌)，以便在枢转柱54的自动旋转的情况下保持主轮和随动轮中的每一个与地面的连续接触。当操作者遇到具有陡峭轮廓或竖直面的路缘85或其它障碍物时，操作者可以旋转手柄86，这最初将手柄组件旋转成与缓冲器60b接触。然后，继续倾斜使主轮20竖直上升，直到完成向上迁移越过路缘85。本实施例的主轮和随动轮具有相同的直径，这提供了将壳体(主轮和随动轮之间)与水平面间隔开至少5.5英寸的间隙。

在本实施例中，手柄延伸部84包括用于支撑智能手机或平板电脑94的安装件92，尽管这不是必需的。也可以设置由伸缩管74或任何其它合适的部件支撑的相机95(图2)，相机95具有在规划工具前面的视场。相机可以生成静止图像和/或视频。在一些实施例中，相机的作用可以由形成智能设备94的一部分的内置相机来实现。触发器96可以设置在手柄86附近或其它地方，以用作接收操作者输入的用户界面。注意，可以使用任何合适类型的输入设备，包括但不限于按钮开关、顶帽开关、操纵杆和触摸板。触发器可用于启动各种功能，例如标记进入点和离开点、路点(waypoint)和障碍物，以及暂停数据收集以便迁移越过某一类型的障碍物，例如河流、峭壁或高速公路，以在障碍物的相反侧恢复数据收集。以这种方式产生的钻孔区段的拼接将在下面的适当的地方讨论。如图2中最佳地示出，电源按钮100提供用于打开和关闭单元，而支架104提供在向下位置的方便支撑。当然，当使用该单元时，支架可旋转至升高位置。

结合图1和图2并参考图3a和图3b，现在将提供关于壳体36的进一步细节。图3a和图3b是形成图1和图2中的壳体36的一部分的框架120的实施例的两侧的局部剖视示意图。在该实施例中，框架限定有外侧壁124。第一面板130(图1)被安装到外围表面134(图3a)并且横向于外侧壁124，该外围表面134横向于外侧壁124的一侧并且界定外侧壁124的该一侧。第一面板可以使用合适的紧固件(例如螺纹紧固件)可移除地附接。第二面板140(图2)安装到外围表面144(图3b)，该外围表面144通过在框架120的相对于第一面板130的相反侧的边缘148与外侧壁124间隔开。与第一面板一样，例如，可以使用合适的紧固件将第二面板可移除地附接。密封槽150可围绕框架的相反开口的周边限定，以便接纳合适的密封件或垫圈(未示出)。如图3a和图3b所示，框架120的与外侧壁124相反处的厚度可以例如以一个或多个台阶158的方式减小到中央腹板160。框架120可以使用任何合适的技术(例如挤压或模制)由任何合适的材料(例如铝或塑料)形成。

现在结合图1、图2、图3a和图3b的基础上来关注图4。图4是示意性地示出了壳体36的接收第一面板130(图1)的侧面的正视图。然而，应当注意，为了清楚地说明，在图4的视图中，第一面板130、中间覆盖件70、轮子20和24、手柄组件50和轴58已经被呈现为透明的。支架104也被呈现为透明的，尽管支架安装件159是可见的。主轴承毂160包括被支撑以旋转的主轴164。定位销166延伸穿过轴164，并且当主轮20容纳在主轴上时定位销166与主轮中的互补孔相接合。后轮毂170支撑后轴174，用于可旋转地接纳随动轮24。注意，主轴承箱160和后轮毂170可以以任何合适的方式安装。在本实施例中，使用了盲铝支座和帽螺钉，使得主轮毂和后轮毂被捕获在第一面板130和第二面板140之间。如图2所示，第二面板140围绕电池盒180。电池盒包括可移除的盖子184。在本实施例中，电池盒180使用合适的紧固件安装到第二面板140。在图4中，电池盒的主壁被呈现为透明的，以显示由六个C型电池构成的电池组186，该电池组可以为本实施例中的单元供电。注意，为了说明清楚的目的，没有示出部件间电缆，但是应当理解，部件间电缆是存在的。

在图4中看到印刷电路板200由一对板安装件204支撑，该板安装件本身例如使用盲铝支座和螺纹紧固件由第一面板130支撑。安装件204可以由将电路板200与机械冲击以及机械应力和/或移动和弯曲阻隔的材料形成，当第一面板或安装件所附接的其它结构响应于温度具有不同于印刷电路板的膨胀系数时，可能引起上述机械冲击以及机械应力和/或移动和弯曲。例如，印刷电路板将不会响应于温度引起的移动而倾斜偏离所示的从前向后的取向，并且将不会发生弯曲。安装件对电路板200进行支撑使得加速度计210位于沿着在第一轮轴线28和第二轮子轮轴线30之间延伸的虚线212的至少近似居中的位置。这样，加速度计210响应于主轮20越过地形不规则处(地形的不平整处)而接收到的输入加速度与响应于随动轮随后越过同一地形不规则处而接收的输入加速度基本相同。在一个实施例中，加速度计210可以是单轴线加速度计，例如具有被布置为至少近似平行于虚线212或在虚线212上的感测轴线的MEMS加速度计。沿该取向，当虚线212是水平时，加速度计的输出应当为零。在其它实施例中，可以使用多轴线加速度计，例如MEMS三轴线加速度计。考虑到加速度计可能表现出偏移和/或非线性，可以施加补偿来校正加速度计输出。注意，即使对于相同的零件号，这些输出不规则性也可能因不同加速度计而变化。也可能在加速度计和规划工具10本身之间引入未对准。这种未对准可能出现在加速度计和支撑加速度计的印刷电路板之间，以及印刷电路板和规划工具的框架之间。因此，可以执行校准以表征每个加速度计及其安装对准，例如，通过将规划工具支撑在设置有精确但可调整的支撑平台的测试台上，使得可以利用规划工具在不同的俯仰(即，前后)和滚动(即，侧向)取向处测量加速度计输出。基于所测量的加速度计输出，可以施加适当的补偿。一种这样的合适的补偿形式是分段线性补偿，其可以提供在俯仰角和滚动角范围内的补偿。

一个实施例可以将加速度计210容纳在烘箱214的内腔中，烘箱214包括温度调节以增强通常是温度相关的加速度计读数的稳定性，如将进一步描述的。烘箱214可以包括隔热壳体和/或补充的周围隔热体，以保护周围的部件以及支撑烘箱的印刷电路板免受过热。例如，该烘箱可以是晶体烘箱。

参照图5并结合图4，图5是示出了主轴164的示意性局部剖视图，其中，主轮毂160(图4)被呈现为透明的，以显示与主轴共同旋转的编码器轮230。虽然在本实施例中仅由编码器监测主轮，但是在其它实施例中，编码器可以与每个轮相关联。编码器轮包括可围绕主轴的旋转轴线均匀分布的编码器标记234。光学读取器240用作固定安装的编码器，以读取编码标记234，从而产生编码器输出244。在一个实施例中，光学读取器可以是正交编码器，其响应于编码器轮230在正向(前进方向)上的共同旋转而生成被指定为位0和位1的一对脉冲串248，其中位0领先位1九十度。对于正向旋转，并且作为非限制性示例，(位0，位1)输出序列是(0，0)；(1，0)；(1，1)；(0，1)。对于反向旋转，输出顺序被反转：(0，0)；(0，1)；(1，1)；(1，0)。通过识别序列来识别旋转方向。使用位0或位1脉冲串，主轮20的旋转速率以及滚动距离的特征在于具有高精确度。在一个实施例中，在任一脉冲串中的连续脉冲(其可以被称为计数)可以对应于地面上的每个计数0.03英尺或更少的增量移动。可以从一个计数到下一个计数监测时间间隔I。当然，对于任何给定的计数，每个计数的移动量除以I等于在地面上的速度。注意，可以使用任何合适类型的传感器或读取器，并且不限于光学实施例，包括但不限于霍尔效应传感器或磁性传感器。位0或位1脉冲串中的连续脉冲指示主轮已经在大地的表面上行进了已知距离，使得监测任一脉冲串中的计数提供产生里程表输出。在主轮20与大地连续接触的情况下以恒定速度在平缓地形上连续移动期间，两个脉冲串均以固定频率和脉冲宽度呈现脉冲输出。然而，响应于不连续的移动或主轮旋转脱离与大地的接触，两个脉冲串的频率和脉冲宽度将变化。如将看到的，光学读取器输出可以与加速度计210的输出相关联，以补偿不稳定的移动或操作者引起的跨越大地的表面的移动速率的变化。

参考图4，主印刷电路板300包括处理器310和存储器314，以便为规划工具10的操作提供足够的计算能力。处理器310接收加速度计210的输出以及来自光学读取器240和来自电源开关100的输出。在本实施例中，主板300可支撑均电耦合到处理器210的大气压力传感器320、具有合适天线的GPS模块324、通信模块328和噪声接收器330。在一个实施例中，GPS 324可以提供精确的输出，该输出可以精确到例如约为1cm的经度/纬度以及约为1.5cm的高程。GPS 324可以向处理器300确认开始位置，然后该处理器可以对照规划工具行进的距离来索引随后的GPS位置，尽管GPS模块不是必需的。大气压力传感器320的输出指示高程，该高程可以用作用于产生地形细节的输入。例如，可基于路径段的邻近障碍物的端点的高程来将路径段拼接在一起以形成在大地的表面上的总体路径。如将进一步描述的，通信模块328可以例如经由蓝牙或其它合适的连接与平板电脑或智能电话94进行无线双向数据通信。

在包括精确GPS的另一实施例中，规划工具10可以选择性地在GPS模式下或测量模式下操作。在一个可选配置中，GPS模式可以是默认模式，其中当GPS在如下情况下不能用或不可用时测量模式作为备用，所述情况例如为当GPS由于不利天气条件、建筑物、地形和/或可能限制或阻挡对卫星信号的访问的其它因素而不能读取足够数量的GPS卫星时，或者当测量模式以其它方式提供优于GPS模式的益处时。在GPS模式下，规划工具不需要使用光学编码器240的输出，使得规划工具的移动以及由此规划工具的移动遵循的路径的表征主要基于精确GPS的输出。在测量模式下，光学编码器240和其它合适的传感器的输出用作表征规划工具的移动以及由此规划工具的移动遵循的路径的主要来源。GPS模式和测量模式之间的切换可以基于操作者选择手动完成和/或自动完成。关于自动完成，处理器310可以以任何适当的方式监测GPS输出的精度，例如确定精确GPS当前所接收信号(即，锁定)的GPS卫星的数量。如果GPS分辨率例如基于卫星的阈值最小数量而变得太低，则系统可以切换到测量模式。在测量模式的一个可选配置下，GPS数据(当可用时)可以用于增加测量模式数据，用作额外精确度/可靠性的交叉检查。如果基于交叉检查的两个输出之间的结果差超过某个量(例如，基于阈值)，则可以向操作者提供指示，或者可以指示操作者返回到GPS模式数据输出和测量模式数据输出一致或者不违反阈值的最后的GPS位置。在一个实施例中，当加速度计读数指示规划工具沿着其滚动的表面粗糙到至少有时主轮可能失去与该表面的接触时，规划工具可以切换到GPS模式。

图6a是示出规划工具10的部件的实施例的框图。触发器96和电源开关100可以与处理器310连接。大气传感器320、GPS 324、通信模块328和传感器组件340也与处理器310电通信。噪声接收器330可以包括合适的天线332，例如三轴天线。这样，可以在所关注的频谱上和/或在所关注的特定频率上进行噪声测量。频谱噪声测量可以基于例如时域到频域的变换，诸如快速傅立叶变换(FFT)。例如，在共同拥有的美国专利no.8,729,901(在下文中称为'901专利)和no.9,739,140(在下文中称为'140专利)以及美国公开专利申请no.2019/0003299(在下文中称为'299申请)中描述了合适的噪声测量技术，这些美国专利文献的每一个通过引入并入本文。在本实施例中，运动传感器组件340包括在烘箱214内的加速度计210。控制线342允许处理器310在通过线344接收来自加速度计的读数的同时至少打开和关闭烘箱214。在另一实施例中，传感器组件可以包括三轴磁力计、至少一个三轴MEMS加速度计和至少一个三轴陀螺仪(诸如三轴MEMS速率陀螺仪)中的一者或多者。三轴磁力计提供地球磁场的大小和方向以表征单元10的横摆取向或航向(heading)。三轴速率陀螺仪的输出可被集成以提供单元的姿态和航向。在又一实施例中，集成惯性测量单元(IMU)可用作传感器组件340。这种IMU可以代替烤箱中的加速度计214。可以与运行定制应用程序384的智能电话或平板94进行诸如蓝牙连接的合适的无线连接380。在一个特征中，当用户沿着大地的表面滚动轮子时，应用程序384至少从用户的角度实时显示测量的地形386。这允许用户确认随着路径延伸数据正被收集，并且向用户提供确认测量的地形看起来与实际路径一致的机会。

相机95可以与应用程序384连接。例如，在进入点、离开点时、在每次操作者指定路点时以及在识别出公用设施(utility)时，相机95和/或智能设备96可以捕获要与该位置一起存储的静止图像。在一些实施例中，可以将实况视频提供给处理器310，以用于记录和/或执行当前已知或尚待开发的任何合适形式的视频处理。例如，可以应用处理来识别标记(例如，由公用设施测量员和/或钻探人员施加到地面的油漆标记)的颜色和形状。这些标记可以例如连同路点一起被辨别出并添加到地下规划中。可以提示用户添加关于所辨别出的标记的附加信息。例如，如果标记识别到地下公用设施，则当值未被自动辨别出时，可以提示用户输入深度。一旦生成地下规划，就可以与路点、公用设施和其它位置相关联地显示所存储的图像。作为另一示例，可以应用处理以确定在规划工具前面的地面的表面纹理。然后，该表面纹理可用于建立速度限制的目的，这将在下面描述。

来自光学轮传感器240的输出被用于测量主轮20沿着地面滚动的距离以及转速，并且因此，在每个计数与时间间隔相关联的情况下，基于每个计数从光学编码器240测量规划工具的速度。如上所述，也可以识别旋转方向。从一个计数到下一个计数的速度变化率对应于加速度。因此，假设每个计数对应于轮子的相同行进距离，加速度与从一个计数到下一个计数的时间差Δt成比例。如果Δt为零，则速度是恒定的。另一方面，如果Δt不为零，则运动不是恒定的，使得对该运动敏感的加速度计将产生运动引起的瞬变输出，这至少潜在地导致表面地形的错误表征。可以以任何适当的方式来施加对这种瞬变的补偿。在一个实施例中，基于以下表达式来确定给定加速度计读数的加速度计补偿AC：

AC＝k·Δt 等式A

其中，Δt如上所述，并且要施加的补偿量与Δt成比例。对于给定的加速度计读数，补偿的加速度计输出CAO根据下式产生：

CAO＝AO-AC 等式B

因此，从加速度计输出AO中减去补偿AC以产生CAO，然后CAO用于表征表面。如将看到的，系数k可以迭代地确定，例如，通过将系数设置为初始值，然后以相等数量的在水平面上减速和加速的周期来滚动规划工具。利用适当的k值，移动引起的加速将抵消，使得在通过水平面之后，地形将被指示为水平。如果地形没有被指示为水平，则可以调节系数并且迭代地重复校准过程直到地形收敛于水平。

图6b是示出用于确定给定规划工具的k值的校准技术的非限制性实施例的流程图，该流程图总体上由附图标记388表示。该方法开始于390，并移动到391，在391处将k的初始值设置为零。然后操作进行到392，在392处，规划工具沿着直线滚动通过水平面(例如建筑物的水平内部地板)，该规划工具经受操作者引起的加速和减速，其中加速和减速的时间间隔的数量至少近似相等。在这些时间间隔期间，操作者可以改变速度，例如，大约每小时1英里。规划工具滚动适当的距离，例如150英尺。在393处，确定地形。最初，k等于零，因此不施加补偿。在394处，与水平相比评估地形。应当注意，如果该地形偏离水平超过例如小于一英寸的阈值，所引起的加速和减速通常可能产生振荡的地形。在一个实施例中，该阈值可以是距该规划工具移动过的水平面上的水平为四分之一英寸。然后操作进行到395，在395处，将k增加合适的量，例如0.01，尽管可能发现许多值是合适的。在396处，基于k的新值和来自步骤392的加速度计/编码器输出，确定根据等式(A)和(B)的地形。然后在394处将新的地形输出与水平进行比较。

如果在394处确定所确定的地形足够水平，则操作进行到397，在397处保存k的当前值。在398处，进入常规操作，该常规操作使用所保存的k值根据等式(A)和(B)施加补偿。

应当注意，操作者沿着大地的表面滚动规划工具所沿着的实际路径可以不同于基于传感器输入生成的作为实际路径的计算表征的路径。例如，基于来自一个加速度计的读数生成的路径在竖直平面中以二维表征。在这种情况下，只要规划工具在竖直平面中前进，路径通常是实际路径的精确表示。基于这种路径开发的地下规划被理解为在地下(除了端点，如果有的话)，并且路径可以竖直向下投影到地下规划上，尽管如将进一步讨论的情况并不总是这样。由包括GPS和噪声接收器330的其它传感器获得的测量或数据同样可以对照沿着路径的测量距离进行索引，并且由处理器310至少临时存储在存储器314中。关于在带宽上测量的噪声数据，测量结果可以随后或实时地用于频率选择的目的，例如，如在上面并入的'901和'140专利以及上面并入的'299申请中所描述的。可以针对沿着路径的测量距离和/或针对GPS位置索引选定频率或选定频率的集合，使得选定频率可以基于本地测量的噪声而变化。

转到图7，其示出了包括规划工具10的通常由附图标记400表示的系统的示意性正视图。该系统还包括用于移动钻具404穿过大地的钻机402，并且可以包括便携式定位器，这将在随后的附图中示出。该钻具包括斜面。可以使用可以被称为转向或推动模式以及钻探或直线模式的模式来实现钻具穿过大地的引导。在转向模式下，调整钻具的斜面的滚动取向，使得在不旋转情况下推动钻柱导致钻具偏转，从而沿期望的方向转向。在钻探模式下，钻柱并且由此钻具在推动的同时旋转，使得钻具遵循直线(即，线性)路径。规划工具是独立的器械，其方便地提供从沿着钻孔路径的任何点到目标点的钻孔引导的快速现场开发，或者为整个钻探行程的任何部分或为整个钻探行程生成地下规划，而不管钻机是否存在。尺码计数器405在后续钻探作业期间监测钻柱的长度。在共同拥有的美国专利no.6,035,951中描述了尺码计数器或钻柱长度监测器的一个合适的实施例，该美国专利通过引用并入本文。遥测信号406可提供与任何期望的系统部件的双向通信，该系统部件例如为在钻探作业期间使用的步行定位器(这将在下面描述)。操作者408被示出为沿大致箭头414的方向从路径的起点或进入点410向终点或离开点412移动规划工具10。因此，该移动和相关联的数据可以被称为“出站”(即，钻具远离钻机的向前移动)数据。应当理解，该初始数据集可以根据操作者的判断沿“入站”方向(即，与箭头414的方向相反的方向)容易地收集。地面36的地形是粗糙的，在现有技术中，这引入了困难的挑战。在一个实施例中，规划工具可以配置成测量竖直地形(在图的平面中)，从而在地面上产生二维轮廓或路径，而在另一实施例中，规划工具还可以测量路径的横向弯曲(垂直于图的平面)以定义三维轮廓或路径。应当注意，随后将在俯视图中示出预期路径的横向弯曲。基于该三维轮廓可以形成三维孔路径。构成传感器组件340(图6a)的传感器套件可以基于限定表面轮廓的维数来定制。

操作者408通过将规划工具10从钻机沿大地的表面向出站方向滚动到离开位置412而行进，该离开位置可以从大地的表面向下设置在坑416中。潜在的障碍物(例如公用设施管线420)可能沿着实际路径出现或出现在实际路径下方。例如，通过致动触发器96(图1和图2)或者通过使用应用程序384上的暂停按钮422(图6)，操作者可以随时停止滚动规划工具并且暂停数据收集，然后重新开始数据收集。这允许操作者暂停，例如，重新评估滚动工具的方向或将工具移动到例如建筑物、水体或其它地理障碍物的相对侧，然后重新开始滚动和数据收集。在暂停期间，主轮的旋转对测量的地形没有贡献。如将在下文中在适当的地方处进一步描述的，如果从测量暂停的点到测量重新开始的点存在高程差，则来自大气压力传感器320的读数可用于表征该高程差。对于相对短的路径并且在使用烘箱214(图6a)的情况下，在规划工具从进入点到离开点的初始移动期间收集的第一或出站数据集可以被开发成钻孔规划，而不需要规划工具进行进一步的数据收集。当然，这种单向数据集可以通过从离开点行进到进入点来收集。申请人已经发现，通过将加速度计容纳在温度受控的烘箱中来稳定加速度计温度，为基于单向(即，出站或入站)数据集来开发短(例如，小于150英尺)的钻孔规划或钻孔区段提供了显著的精确度改进。单向数据集也适于确定缩进，这将在下面描述。

在出站移动期间，操作者可以指定路点，路点在图7中被示为(a)到(n)。应当注意，操作者还没有到达路点(n)，但是为了清楚的目的，路点(n)仍然被示出。操作者可以沿着路径标记任意数量的路点，如使用与路点(h)和(n)相关联的省略号示意性地指示的。可以针对所测量的距进入点410的距离以及GPS位置来索引每个路点。然后，如下所述，可以至少部分地基于例如使用外推法、平滑法和/或曲线拟合以及迄今为止未见过的最大化直线钻探的技术而与表面轮廓结合路点来开发地下规划。在另一实施例中，不需要路点。在这种情况下，地下路径可以专门基于传感器读数与规划工具滚动所沿路径的距离，从而在大地的表面上形成基本连续的路径以限定例如相隔几分之一英寸的点。在任一情况下，也可以基于由入站数据集表征的路径来开发地下规划。形成地下路径的另一方面可能涉及公用设施通道。例如，这种公用设施通道可能要求安装的公用设施的深度必须在距大地的表面4英尺至6英尺之间。在一些情况下，基于地形和钻柱弯曲限制，可能不能满足这些要求，在这种情况下，可以向操作者发出警告。

关于单向数据集的使用，与将要讨论的双向数据集相比，可以在用户以在具有最小值和最大值的速度窗口内的速度行走的假设下在制造时执行校准过程，以确定校准系数，然后由规划工具存储该校准系数。该校准过程可以基于双向移动数据来执行，原因将变得明显，或者使用自动测试设备来执行。速度窗口的一个合适的示例是从1.5英里每小时到2.5英里每小时，假设2英里每小时作为典型用户的步行速度。这样，不需要用户校准。然而，在一些情况下，可能需要用户校准，特别是当表面纹理非常粗糙时，例如在6英寸的碎石并且用户不能在校准速度窗口内行走时。这种校准是除了简单地基于检测到地形是粗糙的来建议操作者减速之外还执行的操作，如将在下文中在适当的地方描述的。在该校准中，规划工具在类似的地形上双向滚动有限的距离(例如100英尺)，并且基于所得到的数据确定校准系数。

虽然图7中产生的出站路径和数据集足以形成精确的钻孔规划的基础，但是申请人认识到，在反转规划工具的行进方向以收集第二数据集方面，尤其是对于较长的钻孔规划或钻孔区段，可能有显著的益处。也就是说，如图8所示，实际路径被折回以返回到进入点，这将在紧接着的下文中描述。

参考图8，在实施例中，在到达终点412时，操作者可以如上所述使用应用程序384或使用触发器96暂停数据收集，然后如所示那样反转方向，并且沿大致方向418朝钻机402移动规划工具10以产生第二数据集或入站数据。一旦规划工具10返回到进入点410，入站数据集就完成。在该实施例中，基于出站数据集和入站数据集来形成路径。基于对出站数据集和入站数据集的收集来开发规划，消除了对轮子校准的需要，因为在沿出站路径行走时可能累积的偏差或误差在沿返回路径行走时被抵消。操作者可以继续指定朝向钻机行走的路径上的路点，尽管这不是必需的。进站路点用附加的撇号(')标记指定。应当注意，操作者还未到达路点(d')和(c')，但是为了清楚起见，这些路点仍然被示出。不需要入站路点和出站路点的对应关系，使得入站路点的数量可以多于或少于出站路点的数量。为了限定路径，来自出站数据集和入站数据集的路点的完整和有序的集合在本图中被示为(a)、(b)、(c)、(c')、(d)、(d')、(e)、(e')、(h)和(n)。例如，基于沿着大地的表面的测量和记录的距离，可以在路径的开发期间组合和排序出站路点和入站路点。对出站或入站实际路径上的路点的另一使用是标记关键点(例如作为对应于公用设施420的地面点(above ground point)的路点(e))的位置。操作者可以将路点(e)识别为关键路点。这些关键路点可以被称为被标注的(flagged)路点。在一个实施例中，被标注的路点可以包括路点沿着路径的位置、偏移距离和偏移方向。深度点通常指相关联的路点下方的钻具应当经过的竖直深度，其中该深度由操作者指定。在一些情况下，公用设施420或其它障碍物可以在通常被称为“洞穴勘探(pot-holing)”的过程中被暴露(由虚线指示)，从而可以测量公用设施的实际深度。该测量的深度可以与路点(e)相关联并且被识别为向下偏移量，该向下偏移量用作在地下规划开发期间不能允许钻具在路点(e)下方经过的禁止深度。在下文将描述的缩进确定的上下文中，应当理解，可以将深度点指定为负值(即，在地面上方)。

仍然参考图8，在包括GPS 324的实施例中，应用程序384可以显示出站路径以及用户已经指定的路点。在包括例如具有三轴速率陀螺仪和三轴加速度计的传感器套件或IMU的实施例中，应用程序384可以显示入站路径与出站路径的横向偏差，例如使用应用程序384中的左/右箭头424(图6a)，以便引导用户使得入站路径紧密映射到出站路径。当用户接近出站路径的进入点时，可以显示进入点，使得用户不会将规划工具行走到该进入点之外。

图9a是示出用于基于单向数据收集来开发地下规划的方法的实施例的流程图，该方法总体上由附图标记600表示。该方法开始于604处，并进行到606以确定温度稳定是激活的或被激活的。换言之，烘箱214启动以进行数据收集。在608处，收集并存储单向数据集(出站或入站)，以及任何指定的路点(例如，如图7所示)。在609处，将规划工具10的当前移动速率或速度与最大速度限制值或阈值进行比较。如果超过限制值，则图9b的屏幕截图示出了平板电脑或智能电话94上的定制应用程序384在步骤610处显示警告611以使操作者减速。该限制值对应于即使地形可能不平坦轮子也保持与大地的表面接触的规划工具的速度。超过该限制值会导致主轮与大地的表面失去接触，使得主轮自由旋转。当然，在这种情况下，编码器240的输出不是主轮在经过地面的路径上的速度的精确表示。在一个实施例中，该限制值是常数。在另一个实施例中，响应于加速度计输出动态地改变该限制值。例如，当加速度计输出是表示面是粗糙的噪声时，与用于光滑表面的值相比，该限制值可以被降低。对于特别粗糙的表面，例如6英寸的碎石，可以进行上述校准。在一个实施例中，例如基于相机95的输出来测量地形粗糙度，使得该测量可有助于动态地建立速度限制值。在又一实施例中，规划器接受来自用户的指定地形/表面的类型的输入，并且基于该输入分配速度限制值。在一个特征中，也可以将当前移动速率与阈值最小速度(例如，3英寸每秒)进行比较，因为太慢的移动可能引起包括计时器溢出的问题。在这种情况下，可以警告操作者加速。在一个实施例中，在低于最小速度时收集的传感器数据可以被忽略，直到速度增加到高于最小值的值。

在步骤609之后，当不需要警告610时，操作进行到612。否则，在发出警告610之后进入步骤612。在612处，可以响应于操作者输入暂停，例如，以允许操作者将规划工具从第一路径移动到第二路径，其中某种障碍物将第一路径与第二路径分开。在暂停之后，操作返回到数据收集608。在613处，一旦完成数据收集，就基于数据集以二维或三维表征路径。在该步骤期间，可以基于传感器数据的可靠性对来自各个传感器的数据进行加权。例如，对磁力计数据的依赖可以基于由磁力计检测到的磁场的倾角或倾斜角来加权。倾角是地球磁场相对于水平方向的角度，这通常是在世界范围内广为人知并已绘制。可以将检测的角度与正在执行钻探作业的地球区域的倾角的已知或预期的值进行比较。检测的角度与预期的倾角的充分偏离表明磁性材料(例如足够量的黑色金属)可能在附近。钢筋是磁异常的典型来源。来自磁性材料的磁异常扭曲了地球的磁场，从而局部地改变倾角并在磁力计输出中引起航向误差。磁力计输出的加权可以基于检测到的磁场与预期倾角的偏差量。如果检测的角度充分偏离预期倾角，则至少暂时地，对加速度计读数的依赖可以优于对磁力计读数的依赖。如果偏差非常大，为了开发地下规划，至少可以暂时避免磁力计读数。一旦检测的角度从预期倾角返回到某个阈值内，就可以重新依赖磁力计读数来开发路径。在614处，基于路径生成地下规划。在该表征期间，可以基于表示路径的数据来应用平滑法、曲线拟合和/或外推法。开发地下规划可以考虑任何路点、标注和已经被识别的其它关键信息。例如，如上所述，基于第一路径的第一钻孔区段可被拼接到基于第二路径的第二钻孔区段。在这方面，第一路径和第二路径的最靠近障碍物的端点可能由高程差和/或横向偏移(lateraloffset)分开。如将在下文中的适当地方进一步描述的，例如，可以采用大气压差作为将钻孔区段拼接在一起的一部分。

图9c是示出用于基于双向数据收集来开发地下规划的方法的实施例的流程图，该方法总体上由附图标记630表示。该方法开始于634处，并进行到638，在638处，收集第一数据集或出站数据集，该收集经受由操作者引入的任何暂停。应当注意，加速度计的温度稳定性不是必需的，尽管可以采用这种稳定性。在640处，收集并存储第二数据集或入站数据集以及任何指定的路点，如图8所示，该收集经受由操作者引入的任何暂停。应当注意，包括图9c的出站收集和入站收集的任何数据收集可以利用图9a中所示的速度限制特征。在本实施例中，在644处，将出站数据集与入站数据集组合。该数据组合提供了消除方向固定的传感器的测量偏差(即，固定测量偏差(fixed measurement biases))的显著益处，例如，消除MEMS加速度计所表现出的那些偏差，从而不需要校准。例如，可以通过使用平均化来组合入站据集和出站数据集，从而实现消除。

在648处，基于组合的数据以二维或三维表征路径。在该步骤期间，可以如上文关于图9a所讨论的那样应用加权。在650处，考虑任何路点、标注和已经被识别的其它关键信息，基于路径生成地下规划。考虑到表示路径的组合数据，可以应用平滑法、曲线拟合、外推法以及在下面被阐明的最大化直线钻探的技术，以建立地下规划以便考虑路点。

参照图10和图11，图10是包括大地的表面36处的路径700的系统400的示意性正视图，而图11是示意性俯视图或平面图。地下规划710(在这种情况下为钻孔规划)被图示为虚线。本示例的钻孔规划可以包括三个部分：进入部分714、主要部分716和离开部分718，尽管这种特定的钻孔规划形状或构造不是必需的，并且可以使用任何合适的形状。该过程的其它输入可包括钻机和钻柱在使用中的特性，例如，钻柱的最小(即，最紧)弯曲半径，以及钻机402的机架角度范围。关于钻机402，钻机402包括支撑钻杆724的机架720。当然，在钻探期间，各个钻杆被连接以使通向钻具的钻柱延伸。机架720在由双头弓形箭头示意性地指示的机架角度范围728内是可调节的，该机架角度范围改变钻具404的角度以便进入大地。钻孔规划过程可确定钻机相对于进入点410的缩进730(示为点)和由机架角度确定的进入部分714的俯仰。例如，缩进可以是在开始钻孔之前钻机上的钻具的末端与进入点的水平距离。该缩进在与钻孔的前进方向相反的反向上。然后，钻孔规划可以以不小于(no tighterthan)主要部分716的最小弯曲半径的半径从进入部分弯曲至主要部分。主要部分716的深度可基于路径轮廓上的低点734以下的最小深度要求来确定以满足最小覆盖要求。在本示例中，至少部分地基于具有标注的测量深度的公用设施420来确定主要部分的深度。因此，考虑到测量的深度，主要部分配置成在公用设施420下方经过以在公用设施下方保持所需的最小距离。在该示例中，通过公用设施上方将导致违反来自表面36的最小覆盖要求。应当注意，对于沿着预期路径的任何给定的顶部位置(overhead position)，钻孔规划的深度是已知的。然后，钻孔规划的主要部分以不小于最小弯曲半径的半径弯曲到在离开点412处露出的离开部分718。

在一个实施例中，图9a的步骤614或图9b的步骤650可以通过如下方式来确定钻孔规划：将路径向下投影以修正沿路径的深度；考虑进入部分、主要部分和离开部分以及路径700的地形、路点和标注的位置。任何合适类型的曲线拟合、外推法和平滑法以及在下面被阐明的最大化直线钻探的技术，可以应用于路径的投影的任何部分和/或路点、标注的位置和其它关键信息以形成钻孔规划。

在图11中，路径700以俯视图示出以示出其横向或侧向弯曲。当然，需要包括例如IMU和/或磁力计的传感器组件来测量侧向弯曲。在平面图中，钻孔规划710采用从进入点410到离开点412的直线路线，尽管这不是必需的。钻孔规划的这种简化通常是期望的，以简化钻具遵循的路线并且缩短尚未安装的公用设施管线。关于直线路线，申请人认识到，钻机操作者难以遵循连续且漫长的曲线，因为这可能需要在转向模式与钻探模式之间进行多次耗时的切换。如下面将进一步详细讨论的，在一个实施例中，规划工具10可以以最大化笔直或直线钻探的方式开发地下规划，以便进行高程和横向的移动。应当理解，直线钻探仅需要恒定的俯仰。在这方面，不需要直线钻探必须处于零俯仰。因此，对于给定的直线埋地路径，俯仰可以是水平的、下倾的或倾斜的。如钻孔规划710和710'的情况，根据这种认识配置的地下规划包括通过不同的转弯连接或互连的笔直区段(例如714、716和718)。换言之，转弯配置成将钻具放置到新的航向上以沿着地下规划的直线区段进行钻孔。转弯可配置成使得钻柱可弯曲达到但不超过其最小(即，最紧)弯曲半径。

图12是钻孔规划710'的另一平面或俯视示意图。在该示例中，标注的路点(f)识别沿着预期路径的接近障碍物750的位置，该障碍物例如为电线杆。标注的路点(f)进一步识别距障碍物的偏移量和到障碍物的方向。该偏移量可以是距路径700的实际距离或最小所需缩进。由于障碍物750的位置，从进入点210到离开点212的直线路径是不能工作的，并且需要横向或侧向弯曲以避开障碍物。在这种情况下，钻孔规划710'被开发为包括弯曲(例如，连接两个直线区段的单个曲线)以维持与障碍物750至少最小间隔。

图13是系统400在钻探作业期间的正视示意图，该系统包括响应于钻柱而沿着钻孔规划710移动的钻具404。操作者408使用便携式步行定位器910，以基于从钻具发射的电磁偶极子信号914来定位钻具。电磁偶极子信号可以用传感器数据调制，传感器数据包括但不限于钻具的俯仰和滚动取向。操作者可以找到在钻具正上方的顶部点(overhead point)916，并且确认深度是如预期的。在这点上，钻孔规划的预期深度可以基于如由钻机处的尺码计数器405测量的钻柱918的长度和由规划工具测量的地形或表面轮廓来索引。注意到，钻柱由一系列可移除地连接的钻杆组成，每个钻杆具有杆长度。作为非限制性示例，杆长度可以是10英尺。也就是说，至少由于地形的轮廓的缘故，沿着表面路径从进入点410到顶部点916的距离与从进入点410到顶部点916在地下规划710上的投影的距离不同。为了解决这个问题，沿着地下规划的距离可以与沿着路径700的距离相关联，使得对于沿着路径700的任何给定位置，预期深度是已知的。其它数据可以以这种方式相关联。例如，如果规划工具10的实施例沿着路径测量到在一定距离内的某一带宽上的噪声，则可以关联噪声数据。因此，对于沿着路径700的任何给定位置，带宽上的预期噪声量是已知的。应当注意，信号914的通量线在顶部点处是水平的，这是因为钻具是水平的(即，零俯仰)。顶部点916包含在信号914的所有通量线都平行的唯一平面中。该平面垂直于该图的视图，并且可以被称为定位平面920，定位平面920用虚线表示。假设大地的表面是平坦且水平的，则该平面在该表面处限定了被称为定位线的线。然而，如果钻具倾斜，则定位平面倾斜，使得通量线在顶部点处将不是水平的。

仍然参考图13，如上所述，可以基于规划工具10测量的噪声来进行沿着预期的钻探行程的频率选择。在规划过程期间，规划工具可以基于噪声测量与规划工具所滚动的路径的距离来索引噪声测量和/或频率选择。这些频率选择也可以转换为沿着由规划工具确定的相应地下路径的距离。频率选择与距离信息的任何合适的形式可以经由系统400的任何合适的部件(包括例如在钻机402和/或定位器910处)获得。这样，当钻具前进穿过大地时，由钻具404传输的选定频率可以以任何合适的方式改变。在一个实施例中，基于尺码计数器405的输出发出频率改变指令。在另一个实施例中，基于GPS位置发出频率改变指令。频率和/或频率集合之间的改变或切换可以以任何合适的方式手动地或自动地完成，例如通过执行滚动取向序列、从钻机沿钻柱918向下发送指令并且还经由遥测将指令传输到定位器、将指令直接从定位器910无线地传输到钻具或经由遥测将指令从定位器传输到钻机，钻机然后将指令中继到钻具。在任何情况下，频率变化可以在定位器910和钻具404之间协调，使得随着钻探进行，定位器910和钻具404从频率选择的角度保持同步或协调。

现在注意图14，以便描述本公开的高度通用的规划工具的关于钻机缩进的附加特征。图14示出了位于预定位置的规划工具10，该预定位置对应于钻具404的进入位置410。钻具404和尺码计数器405使用虚线示出，这是因为在正在进行的规划期间还不需要存在这些项目。最初，由于编码器240(图5)测量主轮的旋转，规划工具的主轮直接放置在输入位置410上。然后，在大地的表面上沿着路径934在相反方向930上滚动该规划工具，以测量该图的平面中的路径轮廓。规划工具10沿着路径滚动一段距离，该段距离显著长于钻机的长度加上可能的缩进，例如该段距离至少为钻机长度的1.5倍。这样，表征了钻机将坐落于其上的大地的表面的轮廓。至少部分地基于该轮廓，规划工具10相对于进入点410确定缩进位置940并且确定机架角度θ₁，其中钻具404的末端应当定位在进入点410正上方。在这点上，具有负值的深度点可以与基本上将缩进位置视为路点的缩进位置940相关联。机架角度θ₁可以是由操作者预先设定的值，或者规划工具可以在机架角度范围728内确定机架角度θ₁，尽管这不是必需的。虚线944表示钻具通过进入位置410的路径。应当注意，可以相对于钻机的除了钻具的末端之外的任何合适的特征来确定缩进。例如，缩进可以被指定为尺码计数器405上的点。考虑表面地形的缩进确定可以基于从第一点处的一个高程和取向(即，俯仰)到第二点处的第二高程和取向所必需的最小水平距离。缩进位置和进入点之间的高程差可以基于测量的地形。因此，例如，可以以与以下描述一致的方式从第一点到第二点开发地下路径。

图15示出了位于对应于路点WP的预定位置处的规划工具10，该路点在目标位置950正上方，该目标位置从WP向下偏移深度D，并且钻具要穿过该目标位置。如将进一步讨论的，可以指定目标位置处的期望俯仰，包括零度俯仰，这在弯曲路径的情况下是需要的。由于编码器240(图5)测量主轮的旋转，所以规划工具的主轮被放置在WP上。然后，在大地的表面上沿着路径934在相反方向930(即，与钻孔方向相反的方向)上滚动该规划工具，以测量该图的平面中的路径的轮廓。同样，根据所涉及的几何形状，规划工具10沿着路径滚动至少与钻机的长度一样长并且足以应对相对较长的缩进的距离，从而表征钻机将坐落于其上的大地的轮廓。至少部分地基于该轮廓，规划工具10确定相对于WP的缩进位置954(钻具404的末端应当被定位在该缩进位置的正上方(即，具有负值的深度点))、进入位置956以及机架角度θ₂。机架角度θ₂可以是由操作者预先设定的值，或者规划工具可以在机架角度范围728内确定机架角度θ₂。虚线958表示钻具穿过进入位置WP的路径。应当注意，可以基于钻机的除了钻具的末端之外的任何合适的特征来确定缩进。例如，可以使用尺码计数器405上的点。

仍然参考图15，在一个实施例中，用户定义在开始点处的俯仰(为了简单起见，在该示例中假定该开始点为进入点，但是其可以是沿着钻孔路径的任何点)、在结束/目标点处的俯仰(例如零度)以及钻杆的弯曲半径(或者期望的任何弯曲半径)。可以至少部分地基于所测量的地形来确定开始点和目标点之间的高程差。该系统可以确定具有等于或大于最小弯曲半径的最小半径的圆形路径，该圆形路径在每个指定点处与俯仰(度)相切并且提供期望的高程变化。如果所确定的路径的弯曲半径小于最小弯曲半径，则返回错误，否则，则输出WP和缩进位置954之间和/或WP和进入位置956之间的水平距离。例如，可以以与以下描述一致的方式来开发穿过目标位置950并且满足指定的取向参数的地下路径。

在一个特征中，定制应用程序384可以向用户指示他或她已经行走足够远以生成有效路径。换言之，钻机可以被设置在应用程序指示路径有效的点处或超过该点处的任何点处。

图16和图17是包括由操作者408移动的规划工具10、涉及例如水体1004的障碍物的钻探区域1000的示意图。出于图16和17的目的，注意到钻孔(即，向前)方向是从左到右。图16示出了操作者408已经将规划工具10沿着第一路径1010在向前方向1014上从第一路径上的第一点1018移动到第一路径上的在水体1004边缘处的第二点1020，以表征第一路径的表面轮廓。应当注意，第一点1018可以是进入点，尽管这不是必需的。如上所述，可以对照编码器输出以及GPS位置和大气压力读数来索引测量的加速度计数值，其对应于高程以及噪声测量。在到达第二点1020之后，操作者可以将该点指定为与竖直向下偏移距离D₁的深度点1030相关联的路点。应当注意，D₁可以基于水体深度的预先知识。如果路径1010满足用于基于如上所述的单向数据集来限定地下规划的要求，则可以结束针对路径1010的数据收集。另一方面，如果需要双向数据，操作者408可以反转方向，并将规划工具10滚动回到第一路径上的第一点1018。应当注意，第一路径1010的邻近第二点1020的非常短的端部仅由由于水1004导致的单向数据表征。也就是说，操作者最初可以在规划工具在相反方向上位于他/她的前面的情况下通过站在水的边缘处而沿相反方向前进。然而，这并不重要，因为路径的总长度通常比该端部长得多，并且在这样短的距离上的加速度计漂移(drift)同样不明显。

图17示出了在使规划工具沿着第二路径1040从第一点1044滚动到第二点1048之后在水1004的对岸的操作者408和规划工具10。在到达第二点1048之后，操作者可以将该点指定为与竖直向下偏移距离D₂的深度点1050相关联的路点。应当注意，第二点1048位于稍微高于水1004的堤坝1052的顶部。操作者可以将D₂设定为等于D₁，或者估计规划工具在水上方的高度，并相应地调节D₂。再次，可以对照编码器输出以及GPS位置和大气压力读数来索引测量的加速度计数值。如果路径1040满足如上所述的基于单向数据集来限定地下规划的要求，则可以结束第二路径1040的数据收集。另一方面，如果需要双向数据，则操作者408可以反转方向，并使规划工具10滚动回到第二路径上的第一点1044。如上所述，第二路径1040的邻近第二路径上的第二点1048的非常短的端部仅由由于水1004导致的单向数据表征。

在一个实施例中，在存储表征第一路径1010和第二路径1040两者的数据的情况下，处理器310(图6a)可以确定地下规划。在另一个实施例中，可以传送数据，并且外部处理器可以确定地下规划。例如，外部处理器可以位于钻机处或位于远程处理中心处。为了本公开的目的，将假设本地处理器310确定地下规划。应当注意，地下规划由从点1018到深度点1030的钻孔区段1、从深度点1030到深度点1050的第二或中间钻孔区段2、以及从深度点1050到离开位置1044的钻孔区段3组成。当然，没有测量到与钻孔区段2相关的表面轮廓。尽管水面被标为平坦的，但这对水1004的形状和/或深度没有影响。应当注意，钻孔区段2可被称为将区段1连接到区段2的拼接钻孔区段。对于拼接钻孔区段，大地的表面的轮廓通常是未知的。已知的是钻孔区段1和钻孔区段3的GPS坐标中的端点，以及基于例如大气压力读数和/或GPS的第一路径上的路点1020和第二路径上的路点1048之间的高程差。拼接钻孔区段2的长度是跨过水体的横向偏移，其可以例如基于GPS读数来确定。就地下规划的深度而言，处理器可以确定D₁和D₂中哪一个实际上是最深的值，并且利用该值来确定地下规划。例如，如果操作者输入的D₂至少近似等于D₁，则处理器在点1030处采用D₁作为深度。如上文参照图10所讨论的，并且假设点1018是进入点，地下规划可以包括进入部分1054、主要部分1058和离开部分1060。该过程的其它输入可以包括钻机和钻柱在使用中的特性，例如，钻柱的最小(即，最紧)弯曲半径和待使用的钻机的机架角度范围。如将看到的，地下规划可以由通过曲线/转弯连接或接合的直线区段构成。在一个实施例中，每个曲线可以具有固定或恒定的弯曲半径。钻机的缩进可以以与上述描述一致的方式确定。应当理解，在诸如河流等障碍物下方穿越可通过将在障碍物两侧具有相关联深度的路点设定为中间钻孔区段而不需要限定整个钻孔规划来实现。如将看到的，可以基于预定的间隙来处理障碍物。

图18和图19是包括由操作者408移动的规划工具10、涉及例如峭壁1104的障碍物的钻探区域1100的示意图。钻孔(即，向前)方向是从左到右。在该示例中，确定地下规划的中间部分。也就是说，中间部分定位在钻具进入大地的开始位置(即，进入位置)与钻具离开大地的离开位置之间，但不包括开始位置和离开位置。图18示出了操作者408已经将规划工具10沿着第一路径1110在向前方向1014上从第一路径上的第一点1118移动到第一路径上在峭壁1104的基部处的第二点1120，以表征第一路径的表面轮廓。应当注意，第一点1118被操作者指定为与深度点1130相关联的路点，该深度点从第一点1118竖直向下偏移深度D₃。因此，深度点1130是整个钻孔规划上的中间位置。例如，当钻具已经位于深度点1130处并且然后暴露在坑洞中或者使用便携式步行定位器定位时，可能出现这种情况。因此，操作者的意图是限定从深度点1130继续的地下规划。在第二点1120处，操作者已经指定了与在深度D₄处的深度点1134相关联的路点。第一路径1110可以由被确定为合适的单向或双向数据来表征。

转向图19，操作者408移动到峭壁1104的顶部，并且使规划工具沿着第二路径1140从第一点1144滚动到第二点1148。在第一点1144处，操作者已经指定了包括在深度D₅处的深度点1150的路点。在到达第二点1148之后，操作者可以将该第二点指定为与竖直向下偏移距离D₆的深度点1154相关联的路点。操作者可以将D₃、D₄和D₅设定为相等，尽管这不是必需的。操作者可以基于峭壁1104的高度的估计值并将该值加上D₄来设定D₆。应当注意，基于GPS和/或大气压力的高程可由应用程序384显示(图9b)。第二路径1140可以由被确定为合适的单向或双向数据来表征。在一个实施例中，操作者仅需要指定深度点1130和深度点1150，以便使规划工具结合第一表面轮廓和第二表面轮廓来开发地下规划1160。

在这种情况下，作为钻孔区段的地下规划1160可以基于测量的加速度计数值来开发，测量的加速度计数值对照第一路径1110和第二路径1140的编码器输出以及GPS位置和大气压力读数而索引。沿钻孔区段1160的距离可以基于增加钻柱的总长度直到深度点1130来表征，或简单地测量为距深度点1130的距离。一旦钻具到达深度点1150，随后的引导由钻机操作者自行决定。在本示例中，深度点1134和1154由精确表面轮廓未知的孔拼接区段分开，尽管通过比较表征路点1120和路点1148的数据明显存在峭壁型障碍物。

根据图18和图19，显然，当峭壁是与这些图中所示的向上台阶相反的向下台阶时，可以容易地开发峭壁障碍的地下规划。在一个实施例中，钻孔拼接区段可以对应于用于已知障碍物的预定间隙，该已知障碍物包括但不限于铁路轨道、高速公路、河流和规划工具不能滚动越过的其它障碍物，但是可以将具有深度偏移的路点设定在障碍物的两侧。在一个实施例中，可以通过操作者首先使用应用程序384启动暂停，然后选择指定添加预定义间隙的快速添加功能菜单，来将预定义间隙输入到规划工具10中。系统/应用程序可以提示用户填写定义所选预定义间隙所需的信息。在一些情况下，操作者可能不知道系统填写预定义间隙所必需的特定参数。在这种情况下，可以提示用户稍后输入该信息，例如，通过添加合适的符号和/或由相机95拍摄的图像，以在部分绘制的路径上向用户显示。应当注意，操作者408可以通过简单地指定在大地的表面的在图中向右与路点1050间隔开的位置处的路点以及目标深度，容易地将离开路径添加到钻孔区段1160，以例如在坑中露出。

图20是用于移动钻具404穿过大地的系统1200(也参见图7的类似系统)的正视示意图，该系统包括规划工具10。在该图中，地下钻孔作业已经在进行，并且钻具已经到达深度为D_S的点1204处。为了本示例的目的，假设刚刚发现了先前未知且未预期的公用设施1210的存在。在到达点1204之前，钻探人员可能一直遵循没有考虑到公用设施1210的现在已过时的钻孔规划，或者可能只是在发现公用设施1210时沿钻探行程的期望端点的大致方向钻探。规划工具10的灵活性提供了当遇到诸如所描述的情况时，基本上立即生成引导。假定钻具的深度D_S是已知的或者是可测量的，例如使用定位器910(图13)或者通过将钻具暴露在坑洞中。钻具的俯仰取向可以由定位器读取(图13)。为了提供引导，规划工具10被用于表征从初始表面位置1220开始的中间区段，该初始表面位置可以位于在所示当前埋地位置处的钻具的正上方。操作者408可以将点1220指定为由深度偏移D_S表征的路点，并且沿方向1232(由箭头表示)将规划工具20从路点1220滚动到也被指定为路点的后续点1230(后续点1230位于公用设施1210的正上方)，并且可以将路点1230设定为具有足以避开公用设施1210的深度的深度偏移1234。如果需要，操作者还可设定到达深度点1234的目标俯仰。假定钻具必须在公用设施1210下方通过，以便在钻具上方保持足够的覆盖以用于待安装的公用设施，同时保持与公用设施1210的至少最小间隙。除了设定路点1230或作为替代，路点1230还可以由具有等于公用设施1210的实际深度的深度偏移的标注的路点来指定，使得在地下规划上禁止该深度。作为参考，参考图8描述了标注的路点。操作者还可以反转规划工具10的方向，并使规划工具从后续位置1230滚动回到初始位置1220，以在这些点之间形成双向数据集。对双向数据集的需要可以由上面详细描述的因素确定。

基于表征初始点1220和后续点1230之间的地形和距离的单向或双向数据集，结合关联的路点信息，规划工具10为被示为虚线的中间区段1240开发引导。假设操作者不关心深度点1234处的到达俯仰，规划工具可以提供到达深度点1234所需的平均俯仰。在本示例中，这可以包括初始转弯1244(其不违反钻柱的最小弯曲半径)以将钻具放置在通向路点1234的笔直航向1248上。在操作者指定在路点1234处的目标俯仰的情况下，可能需要更复杂的路径(该路径可以包括例如两个或更多个转弯)，以例如使用由曲线/转弯连接的直线区段在路点处向上俯仰钻具。在一个实施例中，规划工具10可以在初始位置1220和随后位置1230之间的增量位置1250处提供引导，其中增量位置1250中的若干个增量位置是单独指定的。增量位置可以均匀地或均等地间隔开适当的距离，例如10英尺。可以为每个增量位置确定目标深度和目标俯仰，这对于表征包括多个转弯的中间区段是有用的。在另一个实施例中，增量位置1250可以配置成对应于在钻探期间最终用于形成钻孔(borehole)的钻杆的端点。应当理解，当钻杆具有相同的钻杆长度时，随着钻杆被分别地推进到大地中，钻杆的端点在大地中保持间隔开一个钻杆长度，从而以钻杆接钻杆(逐杆)(rod-by-rod)的方式延伸钻柱的长度，并且钻杆端点在钻杆接钻杆的基础上保持一致位置。作为示例，在图中紧邻初始点1220的右侧，杆编号n至n+2被示出为与增量位置1250相关联。如点/虚线所描绘的，钻杆端点可以被竖直投影，并且基于沿着埋地路径的距离与在大地的表面处的测量的地形的相关性而被映射到大地的表面。换言之，钻杆的端点被竖直向上投影到已经由规划工具绘制的大地的表面处的路径。在这种情况下，表面点1250之间的距离可以响应于钻具的俯仰以及表面地形而改变。因此，随着钻探的进行，操作者在表面点处在钻杆接钻杆的基础上获得引导，从而至少在每个表面点处提供目标深度和目标俯仰。作为示例，定位器可以用于在钻探进行时逐杆地检查钻具在每个表面点处的深度和其它参数，以便与规划的埋地深度进行比较，从而确定钻具是否在规划中。在钻孔期间，增量位置的目标深度和目标俯仰可以以任何合适的方式显示在定位器上或钻机处。

仍然参考图20，应当理解，所创建的中间区段不限于在深度点1234处结束，而是可以延伸超过公用设施1210任何期望的长度到任何期望的位置。例如，操作者可以继续滚动规划工具到附加的表面位置1254，并且将该点指定为具有在任何期望深度1260处的深度偏移1258和合适的目标到达俯仰的附加路点，尽管目标到达俯仰不是必需的。在这种情况下，可以基于表面地形、距离和指定的路点来生成示为虚线的中间区段1262。因为中间区段1262穿过深度点1234，所以注意到，为了穿过深度点1234而沿着中间区段的俯仰将由规划工具确定，并且操作者不需要指定在该路点处的目标俯仰。如图所示，中间区段可以配置成由直线区段连接的曲线。还应当注意，可以指定深度点1258，使得钻具从大地或在坑中露出。同样，可以指定深度点1258，使得钻探人员然后继续从该深度点沿大致方向钻探，以完成钻探行程而不需要钻孔规划。基于这些特征，通过允许钻探人员在需要的基础上依赖于规划工具以便克服整个钻探行程的更多技术部分，规划工具10的灵活性被认为是无与伦比的。

考虑到图14至图20，尽管不是必需的，规划工具10的实施例可以专用于产生基本上根据需要而不是端对端钻孔规划的引导。例如，在该实施例中，可以对规划工具可以滚动的地上路径的长度施加限制以便生成相应的地下路径。这样，通常可为不超过例如75英尺的限制长度的钻孔区段提供引导。

图21a是示出用于基于由规划工具10收集的数据生成埋地规划或路径的方法的实施例的流程图，该方法总体上由附图标记1400表示。如上所述，该方法可以由处理器310(图4)执行，尽管这不是必需的。作为一般概述，该方法涉及基于一次两个点来扩展地下规划，同时出于上文已描述的目的最大化直线钻探的量。第一点被认为是地下规划要从其延伸的钻具的当前位置，而第二点被称为目标端点。目标端点可以是沿着由规划工具确定的地下路径的点和/或任何合适组合的路点。执行该方法的具体方式取决于是否为给定目标端点指定了目标俯仰和/或目标横摆。这种规范可以由规划工具的操作者例如与路点相关联地做出和/或例如基于横摆传感器的输出自动地做出。对于当前位置，假设坐标(x，y，z)、俯仰和横摆是已知的。对于目标端点，假设至少坐标(x，y，z)是已知的。该任务可由任何合适的处理器或部件在钻探现场或远程地执行。合适的处理器的一个示例是规划工具中的处理器，而另一个示例是位于钻机处的处理器。该方法从开始1404处开始，并进行到1406，该方法获得所使用的装备的期望弯曲半径以及在钻探期间将使用的钻杆的最小(即，最紧)弯曲半径。这两个值都可以例如通过询问规划工具的操作者来获得。通常，期望的弯曲半径可以大于最小弯曲半径，例如，期望的弯曲半径可以是最小弯曲半径的两倍。在1408处，该方法收集当前位置和目标端点的可用数据，并基于该数据来标识当前场景。如表1中所阐述的，存在四种可能的要描述的场景：

表1

用“X”表示已知值

在1414处，该方法测试当前场景是否是未指定目标俯仰和目标横摆两者的场景1。如果是，则操作进行到1418。在这种情况下，操作者基本上不关心目标端点处的到达俯仰和横摆取向。因此，可以设计由初始曲线和随后的直接通向目标端点的直线区段组成的有效路径，如后面即将描述的。

参考图21b，场景1路径生成由附图标记1430示意性地表示。虚线圆1432表示所需的弯曲半径R。

钻具的当前方向1434表示为位于垂直于当前方向1434的期望弯曲半径R上的当前位置1436处的矢量。目标端点1438被示为使得作为图21b的平面的平面由当前方向1434和目标端点1438限定。路径的初始圆形区段1440以期望的弯曲半径R从当前位置1436延伸到点P，在该点P处，钻具的航向在图的平面中笔直地通向目标端点1438。因此，直线区段1442然后配置成从点P直接延伸到目标端点1438。

在图21a中的1418处确定了可以被称为直线到达路径的路径之后，该方法然后移动到1450，在1450处例如基于指定的期望弯曲半径来测试该路径是否可行。例如，如果目标端点足够接近，则不可能以期望的弯曲半径形成路径。如果路径不可行，则操作移至1452，在1452处减小弯曲半径并将操作发送回1408，使得该方法基于新的更紧(更小)的弯曲半径重复。这样，弯曲半径可以逐渐地减小合适的量，直到产生可接受的路径。如果没有路径是可行的，则即使在最小弯曲半径处，也可以返回错误。一旦基于1450处的判定确定了实际路径，则步骤1454确定该路径是否继续到另一目标端点。如果是，则操作返回到1408，并且刚刚确定的目标端点的位置随后用作地下路径的延伸的新的或更新的当前位置。

仍然参照图21a，并且返回到步骤1414的描述，如果该判定识别出目标俯仰和目标横摆中的至少一个被指定用于目标端点，则操作移动到1456，在1456处测试目标俯仰和目标横摆是否都被指定用于目标端点。如果是，则操作进行到1458，在1458处调用迭代技术用于路径生成，如紧接着将在下文中描述的。

现在注意图21c，其图解地示出了一般由附图标记1460表示的迭代路径确定技术。该技术可以使用以期望的弯曲半径从当前位置1462朝向目标端点1464以及从目标端点1464朝向当前位置1462的增量移动，从而限定平面的开始区段1466和结束区段(未示出)。一旦开始区段和结束区段的面对端部限定了在适当的阈值内(例如在小于1度内)彼此直接指向的航向，则在开始区段和结束区段之间形成直线区段。最初，相对于连接当前位置和目标端点的线1468限定特定角度值。在第一平面中形成由线1468和开始方向或向前航向1470限定的第一角度θ₁，该开始方向或向前航向1470是在当前位置处表示钻具的当前航向的矢量。在第二平面中形成由线1468和相反结束方向或反向航向1472限定的第二角度θ2，该相反结束方向或反向航向1472与由指定的目标端点航向限定的结束航向1472'相反，该指定的目标端点航向包括目标俯仰和目标横摆。最初，比较角度θ₁和θ₂的幅度(大小)。增量移动在两端之间交替，这取决于这两个角度中的哪个角度表现出最大的幅度。在本示例中，θ₁较大，使得具有期望的弯曲半径的第一增量沿着开始区段1466延伸。转向量足以使航向从开始方向改变例如可以等于阈值的量。然后比较θ₁和θ₂。如果θ₂大于θ₁，则在第二平面中从目标端点朝向当前位置进行类似的移动。基于比较这两个角度，迭代在开始区段和结束区段之间交替。

现在转向图21d，该增量过程继续，直到开始区段1466在点1474处的向前航向和结束区段1476在点1478处的反向航向至少在阈值内朝向彼此直接延伸。为了完成该路径，随后在点1474和点1478之间限定直线区段1480。

回到图21a，在完成迭代路径生成之后，操作在1450处继续，以上述方式测试所确定的路径是否可行。如果不可行，则在1452处减小弯曲半径，并且重复该过程。如果1450确认该路径是可行的，则操作进行到1454以确定另一目标端点是否可用。如果是，则操作返回到步骤1408。

现在返回步骤1456的讨论，如果确定仅指定了目标俯仰和目标横摆中的一个，则操作进行到1484，在1484处基于几何关系确定未指定的目标俯仰或目标横摆。根据该确定的值，该方法随后在1458处以上述方式继续。

一旦在1424处确定没有更多的目标端点可用(即，整个地下规划完成)，操作就进行到1486，在1486处可以对整个路径进行内插，然后输出结果。例如，应该理解，构成开始区段1466和结束区段1466的迭代确定的位置(在整个地下规划中可以有许多迭代确定的位置)可以相对紧密地间隔开，而直线区段1480可以非常长并且仅由迭代确定的位置的端部限定。步骤1424可以确定例如沿着整个地下规划的等间隔的位置，以制定完整的地下规划，并且在钻探的同时用作参考。在一个实施例中，该间隔可以是一个钻杆的长度，尽管这不是必需的。

在1488处，沿着整个地下规划检查弯曲半径，以确保例如从不违反最小弯曲半径。如果违反了最小弯曲半径，则可以向操作者报错。在1490处，检查地下规划的障碍物交叉点，例如，与已知的公用设施的障碍物交叉点。

结合图21c和图21d并参考图21e，图21e是通过非限制性示例示出了图21a的步骤1458的实施例的流程图。该方法在1504处开始，并且移动到1508，在1508处收集开始区段1466的当前端点(即，在结束区段的方向上或最接近结束区段)和结束区段1476的当前位置(即，在开始区段的方向上或最接近开始区段)以及开始区段和结束区段中的每一个的俯仰取向和横摆取向。在1510处，确定角度θ₁和θ₁。在1514处，将开始区段的向前航向1518(图21d)与最接近开始区段的点处的结束区段的反向航向1520进行比较。如果满足阈值，使得向前航向和反向航向基本上对准，则步骤1524创建直线区段1480，并且在1528处，操作返回到图21a的步骤1450。另一方面，如果在1514处没有实现对准，则操作进行到1530，在1530处确定θ₁是否大于θ₂。如果是，则在1534处，使开始区段增量，并且确定与开始区段的最接近或面对结束区段的终点相关联的参数。否则，使结束区段增量，并且确定结束区段的最接近或面对开始区段的终点的参数。然后，操作返回到1508，以进行该过程的另一迭代，直到满足步骤1514处的对准为止。

上面已经详细描述了图21a和图21e的方法，此时讨论关于表1的场景1至4的进一步细节是适当的。在图21f中，由附图标记1600示意性地表示场景1路径生成。虚线圆1432继续表示期望的弯曲半径R。可以被称为初始路径方向的矢量V1表示钻具从位于期望的弯曲半径上的当前位置P1的当前方向/航向，矢量V1垂直于指向圆1432的中心C1的矢量V2。目标端点P2与从P1延伸至P2的矢量V_P1P2一起被示出，使得平面由初始路径方向V1和目标端点P2限定。

由于P1和P2的坐标是已知的，向量V_P1P2被给出为：

V_P1P2＝P2-P1 等式1

矢量V_perp延伸到与该图的平面和V1垂直的图的平面中。矢量V_perp垂直于由V_P1P2和V1的叉积(等式2中的×)给定的图的平面，并且延伸该图的平面中：

V_perp＝V_P1P2×V1 等式2

如所述的，V_perp指向图21f的页面。为了找到通过点P1的半径为R的圆1432的圆心，通过将矢量V1围绕与由V_perp限定的轴线平行的轴线旋转90度来创建矢量V2：

V2＝M(V_perp,π/2*V1 等式3

其中，M(轴线，θ)是旋转算子(矩阵)，其创建了绕向量轴线旋转角度θ。在这种情况下，θ等于90度。矢量V2指向圆的圆心C1，因此C1的位置是：

C1＝P1+R*V2 等式4

等式4假设向量V2是单位向量，因此在旋转之前向量V1应被归一化为长度一，或者在应用等式4之前向量V2应被归一化。接下来，从点P2到C1创建向量V_P2C1：

V_P2C1＝C1-P2 等式5

结合图21f并参考图21g，向量V_P2C1的长度被指定为h，如图所示，从中可以在图21a的步骤1450处确定是否有可能以弯曲半径R到达结束目标点P2。如果h≥R，则这是可能的，并且角度θ₃和θ₄使用以下等式确定：

θ₃＝sin^-1(R/h) 等式6

θ₄＝cos^-1(R/h) 等式7

另一方面，如果h<R，则需要减小弯曲半径R，并从图21a中1452处利用等式1重新开始。一旦找到合适的弯曲半径，则可以通过创建图21g中所示的向量V3来确定点P3的位置，其中V3是图21f中被归一化为长度一的向量V_P2C1的负值。接下来，向量V3围绕与V_perp平行的轴线旋转-θ₄以创建向量V4：

V4＝M(V_perp,-θ_4)*V3 等式8

因为向量V4指向从圆的圆心C1到向点P3的方向，所以点P3的位置由以下等式给出：

P3＝C1+R*V4 等式9

参考图21h，点P1、P2、P3和C1的位置现在都已经被确定，使得表征从P1到P2的经过P3的路径的等式也可以被确定。这样，可以确定路径上的任何点，包括例如一组等间距间隔开的点以用作地下规划的至少一部分。P1和P3之间的弯曲路径上的任意点PA的位置可以通过将向量V_C1P1旋转角度来产生：

PA＝C1+M(V_perp,θ)*V_C1P1 等式10

其中，旋转角θ表征从P1到PA的旋转移动，并且其中：

V_C1P1＝P1-C1 等式11

如图21h所示，从点P3到P2之间的直线路径LP上的任意点PB可以使用如下线性等式来产生：

PB＝P3+t*V3 等式12

其中，V3是在点P3至点P2的方向上的单位向量，其中参数t被设定为以期望点PB为目标。从P3到P2的直线上的任何点由t的值确定。注意t的负值将产生图中P3左边的点。这结束了对场景1路径生成的完整描述。

关于场景2和场景3，确定当前位置与目标端点之间的路径，就如以上关于场景1的描述的目标端点的俯仰和横摆都未被限定那样。确定并使用在目标端点(图21h中，由P3与P2之间的矢量t*V3限定)处的俯仰和横摆，以限定预先未被限定的俯仰和横摆变量。例如，如果限定了图21h点P2的俯仰，但是没有限定横摆，则将图21h中从P3到P2的向量的横摆设定为限定的横摆，以输入到根据场景4的具有限定的俯仰和横摆的路径扩展过程中。

关于场景4，参考图21i，图21i示意性地示出了根据该场景的路径生成，该路径生成通常由附图标记1700表示。读者将回想在场景4中，指定了钻具到达目标端点的目标俯仰和目标横摆。此外，表1的场景4涉及以上结合图21c、图21d和图21e描述的迭代过程。对于从当前点到目标端点的开始区段1466(图21c和图21d)的迭代扩展，或者对于从目标端点到当前点的结束区段1476的反向的迭代扩展，迭代的每次增量的过程基本上相同。本说明书涉及从点P1至点P2的增量移动，其中P1可以表示开始区段的向前端点或结束区段的向后端点，并且P2可以表示开始区段的向后端点或结束区段的向前端点。在任一情况下，该过程从位置P1开始，方向为V1，这如图21i所示。矢量V1可以以两种等效的方式表示，即一种是通过标准3维矢量表示，或者另一种是通过参数俯仰和横摆表示，其中俯仰是与水平方向的角度，而横摆是水平平面中的角度(即，航向)。在图21i中，矢量V1被示为3D矢量，并且用俯仰β1和偏航γ1来标记。

在场景4中，使用增量地建立的圆形路径旋转将开始区段或结束区段延伸到具有路径方向V3的下一位置P3，通过确定从P1指向P2的单位矢量V2开始该延伸：

V2＝(P2-P1）/|P2-P1| 等式13

其中，直括号表示该括号内的矢量的大小(长度)。接下来，确定与包含V1和V2的平面垂直的矢量V_perp：

V_perp＝V1×V2 等式14

结合图21i并参考图21j，V_perp指向图的页面或平面。为了在P1和下一点P3之间移动圆弧长度s的增量，确定在点P1处的方向V1和在点P3处的方向V3之间的图21j中的旋转角度α：

α＝s/R 等式15

其中，R是期望的弯曲半径。然后，给出在点P3处的方向V3：

V3＝M(V_perp,α)*V1 等式16

使用以下等式确定矢量V3的俯仰β3和横摆γ3：

以及

γ3＝tan^-1(V3Y,V3X) 等式18

其中，V3X、V3Y和V3Z是矢量V3的笛卡尔坐标。在等式18中，反正切函数是传统atan2函数，限定在-180度到+180度的范围内。根据等式17和等式18给定点P3处的俯仰和横摆，使用以下等式确定点P3的位置：

P3X＝P1X+s*cos(<β3,β1>)*cos(<γ3,γ1>) 等式19a

P3Y＝P1Y+s*cos(<β3,β1>)*sin(<γ3,γ1>) 等式19b

P3Z＝P1Z-s*sin(<β3,β1>) 等式19c

在等式19中，角括号(<>)表示该括号内的两个角度的平均值。在完成迭代之后，如上所述，可以将开始区段的前端处的向前航向与结束区段的后端处的反向航向进行比较，以确定对准是否足以将开始区段直线地连接到开始区段。

申请人注意到，为了最大化直线钻探的规划目的而在此所阐明的技术不限于在本公开的规划工具中的实现方式。申请人认为，这些技术在实现所描述的益处的同时可以作为执行地下钻孔的规划的任何系统和/或设备的一部分来实现。

图22是系统1800(也参见图7)的正视示意图，该系统包括规划工具10和用于移动钻具404穿过大地的钻机402。再次注意到，在地下规划的开发期间，不需要钻机402存在，但是为了完整起见，示出了钻机。图21还示出了沿大地的表面上的路径1808布置的多个跟踪器1804a至1804d，这些跟踪器可以由附图标记1804共同指代。每个跟踪器配置成通过接收由容纳在钻具404中的发射器发射的偶极电磁定位场1810来跟踪钻具404。竞争系统(competing system)的一个示例记载在美国公开专利申请no.2017/0022799中，该美国公开专利申请通过引用并入，尽管其中描述的系统不能基于表面轮廓执行规划或为跟踪器放置提供引导。

基于定位场的接收，每个跟踪器可以生成用于在跟踪器正下方的从进入点1814到目标T的地下路径1812(如虚线所示)上引导钻具的转向命令。例如，可以产生用于钻孔导向的转向命令，如在共同拥有的美国专利no.6,727,704，no.727,704、no.8,381,836和no.9,540,879中所讨论的，这些美国专利中的每一个通过引用并入本文。跟踪器1804可以配置成用于以任何合适的方式与钻机402无线通信。例如，每个跟踪器可以配置有遥测收发器以用作中继器来将信号中继到紧邻的跟踪器。信号可以重复响应于正被激活的跟踪器。也就是说，当钻具发射器在特定跟踪器的范围内时，可以激活该特定跟踪器。例如，如果跟踪器1804c被激活，则跟踪器1804b可以从跟踪器1804c接收信号1816，并且将信号1818重新发送到跟踪器1804a。作为另一示例，每个跟踪器可以配置成网状网络的节点，其中钻机402用作信号的最终目的地。作为又一示例，每个跟踪器可以配置成具有遥测功能以直接与钻机通信。

仍然参考图22，应当注意，操作者408可以利用规划工具10以参照图7和图8所述的方式测量路径1808的表面轮廓。除了测量表面轮廓之外，规划工具还可以指示操作者何时将跟踪器1804之一放置在路径上。对于基本上是直的和合理水平的路径，第一跟踪器可以与钻机间隔预定距离，随后的跟踪器基于由规划工具10进行的距离测量彼此以相同的预定距离布置。该预定距离可以被选择，例如，以确保被放置的跟踪器在钻机和或路径上的相邻跟踪器的接收范围内。在本示例中，跟踪器1804a位于距钻机预定距离处，而跟踪器1804b基于路径1808的表面轮廓放置。因为路径1808的轮廓的高程正在下降(losing elevation)，所以如果路径继续下降使得跟踪器1804b被放置得甚至比所示位置更低，则视线通信可能丢失。因此，考虑到表面轮廓，规划工具10通知操作者将跟踪器1804b放置成不会丢失与跟踪器1804a的视线通信。如虚线圆内的插入视图所示，应用程序384已经发出通知1820，以便操作者将跟踪器1804c放置在路径1808上。作为响应，操作者将跟踪器1804c定位在规划工具10的主轮附近。

在一个实施例中，跟踪器可以被放置在由规划工具操作者指定的位置处。例如，跟踪器可以放置在公用设施正上方。这样，可以增强在每个公用设施附近的定位。另外，可以在跟踪器处为钻具指定目标深度，使得钻具避开公用设施。跟踪器1804c被示为放置在公用设施1830正上方，该公用设施以虚线圆的形式被示出。规划工具的操作者例如通过打洞可以预先知道公用设施的位置。当跟踪器1804c由于公用设施的存在而处于激活状态时，钻探系统然后可以通知钻机的操作者使用额外的警告。基于该示例，用户可以在规划工具滚动时将跟踪器放置在路径1808上的任何位置，并且指定钻具在该跟踪器处的深度。例如，操作者可能想要在距钻机的特定距离处到达特定深度，并且因此将跟踪器放置在该位置处。操作者利用规划工具将钻具的特定深度分配给该跟踪器。

一旦规划工具到达目标T正上方的点，操作者将跟踪器1804d(用虚线示出)放置在该目标正上方的路径上，并指定深度D_T。应当注意，深度可以由操作者针对每个跟踪器指定，指示钻具应当在每个跟踪器下方经过的深度，尽管这不是必需的。规划工具10可以基于路径1808的表面轮廓、进入位置1814和目标位置T来开发地下规划1812。在规划工具包括精确GPS的实施例中，可以在向入站方向行走时而不是在向出站行走期间做出放置跟踪器的指示。在该入站行走期间，应用程序384可以向操作者指示规划工具的当前位置是向左、向右还是在出站路径上，以确保跟踪器在路径上的放置。在又一实施例中，操作者可以在入站行走和出站行走上指定公用设施，使得可以使用每个公用设施的两个位置来开发地下规划，以增加每个公用设施的最终确定的位置的置信度。该置信度可以是每个公用设施的两个位置(出站和入站)的平均值。

图23是钻探区域1900的正视示意图，其用于示出关于在公用设施通道1904(用虚线表示)的环境中使用规划工具10的进一步细节，公用设施通道1904具有在大地的表面1912下方4英尺处的上限1910和在大地的表面下方8英尺处的下限1914。钻柱1920被示出为附接到钻具404。在本示例中，假设钻具404已经到达公用设施通道内在表面点1930正下方的所示位置，操作者已经将该位置指定为沿着中间区段的初始路点，并且操作者408的意图是使用规划工具来制定从钻具的当前位置到表面点1936正下方的埋地深度点1934的中间区段，操作者已经将该表面点1936指定为也在公用设施通道1904内的中间区段的结束路点。智能设备96在虚线圆1940内的插入视图中示出，其中应用程序384正在发布存在侵犯公用设施通道的警告1944。特别地，钻具即使以其最紧的最小弯曲半径1946弯曲，也将不能以足以保持低于公用设施通道的上限1910的速率下降。换言之，由于中间区段的开始位置和钻柱所施加的约束的缘故，不可能在不侵犯公用设施通道的情况下钻探操作者正在请求的中间区段。为了解决这个困难，需要使用钻柱收回钻具并重新钻探，使得钻具处于中间区段的开始处的路点1930下方的足够深度处。

参考图1和图2，在一个实施例中，规划工具10可以包括可以被称为卷尺测量模式的模式，其中应用程序384(图6a)以类似于现有技术测量轮的操作的方式显示规划工具行进的距离。在该模式期间，从规划工具的总体前进过程中减去主轮的反向旋转。

为了说明和描述的目的，已经给出了本发明的上述描述。其并非旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式，并且根据上述教导，其它修改和变化是可能的，其中本领域技术人员将认识到其某些修改、置换、添加和子组合。

优选地包括本文所述的所有元件、部件和步骤。但是应当理解，这些元件、部件和步骤中的任何一个都可以由其它元件、部件和步骤来代替，或者完全删除，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。

广义地说，本文至少公开了以下内容：一种规划用于地下钻探作业的钻具的移动的规划工具。该规划工具包括一个或多个轮子，一个或多个轮子用于响应于操作者的移动而沿着路径在大地上滚动，以表征表面轮廓并且生成用于钻具到达目标位置的引导。规划可以另外基于路点。该规划工具可以单向或双向滚动以表征表面轮廓。双向移动消除了加速度计固定偏差。路径拼接用于规划障碍物周围。规划工具可以促进跟踪器放置。规划工具可以收集噪声信息用于频率选择目的。所描述的技术最大化地下规划中的直线钻探。在测量表面轮廓时，为规划工具的不稳定、快速和缓慢移动提供补偿和/或警告。

本文还至少公开了以下构思。

1.一种用于规划在地下钻探作业期间钻具的移动的规划工具，所述钻具形成用于水平定向钻探的系统的一部分，在所述系统中，钻机使用从所述钻机延伸到所述钻具的钻柱使所述钻具前进穿过大地，所述规划工具包括：

一个或多个轮子，其用于响应于操作者的移动而沿着路径在所述大地的表面上滚动，所述路径至少包括：(i)初始表面位置，其接近在所述钻具处于当前取向的情况下的所述钻具的当前位置，以及(ii)后续表面位置，其接近用户指定的所述钻具的目标位置，所述目标位置在所述当前位置的前方；

编码器，其用于响应于所述轮子中的一个轮子在所述初始表面位置与所述后续表面位置之间的所述滚动而生成编码器输出；

加速度计，其包括至少一个测量轴线，所述加速度计用于在所述轮子沿着所述路径的所述滚动期间生成表征所述规划工具的俯仰取向的加速度计输出；以及

处理器，其用于接受指定在所述钻具位于所述当前位置和所述当前取向的情况下在所述钻具的前方的所述目标位置的用户输入，并且用于基于所述当前位置、所述当前取向、所述编码器输出和所述加速度计输出来生成用于所述钻具到达所述目标位置的引导。

2.根据构思1所述的规划工具，其中，所述引导至少包括平均俯仰取向，以保持到达所述目标位置。

3.根据构思1或2所述的规划工具，其中，所述初始表面位置在处于所述当前位置的所述钻具的正上方。

4.根据构思1至3中任一项所述的规划工具，其中，所述后续表面位置在所述目标位置的正上方。

5.根据构思1至3中任一项所述的规划工具，其中，所述后续表面位置在所述钻具要从所述大地离开的位置处。

6.根据构思1至5中任一项所述的规划工具，其中，所述目标位置是在所述钻具离开所述大地之前在所述大地内沿整个地下路径的中间位置。

7.根据构思1至5中任一项所述的规划工具，其中，所述引导至少指定到达所述目标位置的目标俯仰取向。

8.根据构思1至7中任一项所述的规划工具，其中，所述处理器配置成生成与所述初始表面位置和所述后续表面位置之间的至少一个表面点相关联的附加引导。

9.根据构思8所述的规划工具，其中，用于所述表面点的所述附加引导至少指定与所述表面点相关联的期望深度。

10.根据构思9所述的规划工具，其中，用于所述表面点的所述附加引导指定与所述表面点相关联的期望俯仰。

11.根据构思1至7中任一项所述的规划工具，其中，所述处理器配置成生成与在所述初始表面位置和所述后续表面位置之间间隔开的多个表面点相关联的附加引导。

12.根据构思11所述的规划工具，其中，所述附加引导至少包括与所述表面点中的每一个相关联的期望深度。

13.根据构思12所述的规划工具，其中，所述附加引导指定与所述表面点中的每一个相关联的期望俯仰。

14.根据构思11所述的规划工具，其中，所述表面点沿所述表面以相等的增量距离(incremental distance)间隔开。

15.根据构思1至14中任一项所述的规划工具，其中，所述处理器配置成响应于所述编码器输出指示速度违反(violate)阈值速度而生成速度警告。

16.根据构思1至15中任一项所述的规划工具，其中，所述处理器另外基于所述钻柱的最小弯曲半径而生成所述引导。

17.根据构思14至16中任一项所述的规划工具，其中，所述钻柱由一系列可移除地附接的钻杆组成，每个钻杆包括杆长度，从而以钻杆接钻杆的方式延伸到所述大地中，从而在所述大地中限定钻杆端点，并且所述表面点基于将所述钻杆端点投影到所述大地的表面而间隔开。

18.根据构思17所述的规划工具，其中，所述引导包括用于每个钻杆端点的目标深度和目标俯仰。

19.一种作为用于水平定向钻探的系统的一部分的规划工具，在所述系统中，钻机使用从所述钻机延伸到钻具的钻柱使所述钻具前进穿过大地，所述规划工具包括：

一个或多个轮子，其用于响应于操作者的移动而沿着路径在所述大地的表面上滚动；

编码器，其用于响应于所述轮子中的一个轮子的所述滚动而生成编码器输出；

加速度计，其包括至少一个测量轴线，所述加速度计用于在所述轮子的所述滚动期间生成表征所述规划工具的俯仰取向的加速度计输出；以及

处理器，其用于基于所述编码器输出和所述加速度计输出来生成所述钻具在所述大地的表面下方关于所述路径的地下规划。

20.根据构思19所述的规划工具，其中，所述处理器确定所述路径在竖直平面中的表面轮廓。

21.根据构思19或20所述的规划工具，其中，所述处理器配置成响应于所述编码器输出指示速度违反阈值速度而生成速度警告。

22.根据构思19至21中任一项所述的规划工具，其中，所述处理器响应于所述操作者的完成沿着所述路径从开始位置到结束位置对所述编码器输出和所述加速度计输出的收集的指示而生成所述地下规划。

23.根据构思19至22中任一项所述的规划工具，其中，所述处理器另外基于所述钻柱的最小弯曲半径而生成所述地下规划。

24.根据构思19至23中任一项所述的规划工具，其中，所述地下规划是从进入位置延伸到离开位置的钻孔规划。

25.根据构思19至23中任一项所述的规划工具，其中，所述地下规划是钻孔区段，所述钻孔区段表示从进入位置延伸到离开位置的整个地下路径的仅一部分。

26.根据构思25所述的规划工具，其中，所述钻孔区段是从用作所述开始位置的进入位置开始并在中间位置处结束的初始进入部分。

27.根据构思25所述的规划工具，其中，所述钻孔区段是从中间位置开始并在用作所述结束位置的离开位置处结束的离开部分。

28.根据构思25所述的规划工具，其中，所述钻孔区段是不包括进入位置或离开位置的中间部分。

29.根据构思19至28中任一项所述的规划工具，其中，所述一个或多个轮子包括一对呈直线布置的轮子(in-line wheel)。

30.根据构思19至29中任一项所述的规划工具，还包括：

GPS传感器，其用于生成GPS位置信息；并且

所述处理器配置成在基于所述加速度计输出和所述编码器输出的测量模式下以及在基于所述GPS位置信息的GPS模式下操作。

31.根据构思30所述的规划工具，其中，所述处理器配置成基于所述加速度计输出指示所述规划工具在粗糙表面上滚动使得所述轮子至少周期性地失去与所述大地的表面的接触，而从所述测量模式切换到所述GPS模式。

32.一种用于水平定向钻探的系统，所述系统包括：

钻具，其用于形成钻孔；

钻机，其用于移动所述钻具；以及

规划工具，所述规划工具包括：

一个或多个轮子，其用于响应于操作者的移动而沿着路径在大地的表面上滚动，

编码器，其用于响应于所述轮子中的一个轮子的所述滚动而生成编码器输出，

加速度计，其包括至少一个测量轴线，所述加速度计用于生成表征所述规划工具的俯仰取向的加速度计输出；以及

处理器，其用于基于所述编码器输出和所述加速度计输出来生成所述钻具在所述大地的表面下方关于所述路径的地下规划。

33.根据构思32所述的系统，其中，所述处理器位于所述规划工具中。

34.根据构思32或33所述的系统，其中，所述处理器远离所述规划工具。

35.根据构思34所述的系统，其中，所述处理器位于所述钻机处。

36.根据构思32至35中任一项所述的系统，其中，所述处理器响应于所述操作者的完成沿着从开始位置到结束位置的所述路径的数据收集的指示而生成所述地下规划。

37.一种作为用于水平定向钻探的系统的一部分的规划工具，在所述系统中，钻机使用从所述钻机延伸到钻具的钻柱使所述钻具沿向前方向前进穿过大地，所述规划工具包括：

一个或多个轮子，其用于响应于操作者的移动而沿着路径在所述大地的表面上滚动；

编码器，其响应于所述轮子中的一个轮子的所述滚动而生成编码器输出；

加速度计，其包括至少一个测量轴线，所述加速度计用于在所述滚动期间生成表征所述规划工具的俯仰取向的加速度计输出；

用户界面，其接受指定沿着所述路径的一个或多个位置的操作者输入；以及

处理器，其用于基于所述编码器输出、所述加速度计输出和所指定的位置来生成所述钻具在所述大地的表面下方关于所述路径的地下规划。

38.根据构思37所述的规划工具，其中，特定的指定位置识别在其正下方的所述钻具将通过的指定深度处的初始埋地路点(inground waypoint)，并且所述地下规划至少从所述路径上的所述钻具进入所述大地的进入位置延伸到所述初始埋地路点。

39.根据构思38所述的规划工具，其中，所述处理器至少基于所述路径在竖直平面中的表面轮廓来确定所述钻机在所述路径上相对于所述特定的指定位置在与所述向前方向相反的反向方向上的缩进位置，所述表面轮廓由所述缩进位置与所述特定的指定位置之间的所述编码器输出和所述加速度计输出来表征。

40.根据构思39所述的规划工具，其中，所述处理器进一步至少基于所述路径的所述表面轮廓来确定所述钻具在所述缩进位置与所述特定的指定位置之间穿入所述大地的表面的进入位置。

41.根据构思37至40中任一项所述的规划工具，其中，特定的指定位置识别所述钻具将穿入所述大地的表面的进入点。

42.根据构思40所述的规划工具，其中，所述钻机包括用于所述钻具进入所述大地的可调节机架角度范围，并且所述处理器识别所述机架角度范围内的特定机架角度。

43.根据构思37至42中任一项所述的规划工具，其中，特定的指定位置识别要由所述钻孔规划避开的障碍物。

44.根据构思43所述的规划工具，其中，基于操作者与所述用户界面的交互，所述障碍物被标注有方向和距所述指定位置的偏移距离。

45.一种作为用于水平定向钻探的系统的一部分的规划工具，在所述系统中，钻机使用从所述钻机延伸到钻具的钻柱使所述钻具沿向前方向前进穿过大地，所述规划工具包括：

一个或多个轮子，其用于从预定位置开始并且响应于操作者的移动而在与所述向前方向相反的反向方向上沿着路径在所述大地的表面上滚动；

编码器，其用于响应于所述轮子中的一个轮子在所述反向方向上的所述滚动而生成编码器输出；

加速度计，其包括至少一个测量轴线，所述加速度计用于在所述反向方向上的所述滚动期间生成表征所述规划工具的俯仰取向的加速度计输出；以及

处理器，其用于基于由所述编码器输出和所述加速度计输出表征的所述反向方向上的所述路径的表面轮廓，来生成所述钻机在所述路径上相对于所述预定位置在所述反向方向上的缩进位置。

46.根据构思45所述的规划工具，其中，所述预定位置是所述钻具穿入所述大地的表面的进入位置。

47.根据构思45或46所述的规划工具，其中，所述预定位置指定在其正下方指定深度处的埋地位置，并且所述钻具在钻孔期间要穿过所述埋地位置。

48.根据构思47所述的规划工具，其中，所述处理器还配置成至少基于所述路径的所述表面轮廓来确定所述钻具在所述缩进位置与所述预定位置之间进入所述大地的进入位置。

49.一种用于确定用于设定钻机的缩进位置的方法，所述钻机形成用于水平定向钻探的系统的一部分，在所述系统中，所述钻机使用从所述钻机延伸到钻具的钻柱使所述钻具沿向前方向前进穿过所述大地，所述方法包括：

基于从预定位置开始在与所述向前方向相反的反向方向上滚动至少一个轮子来测量加速度计输出，所述加速度计输出对照沿着路径的距离被索引；以及

至少基于由所测量的加速度计输出和所测量的距离表征的在所述反向方向上的所述路径的表面轮廓，来确定所述钻机在所述路径上相对于所述预定位置在所述反向方向上的所述缩进位置。

50.一种作为用于水平定向钻探的系统的一部分的规划工具，在所述系统中，钻机使用从所述钻机延伸到钻具的钻柱使所述钻具前进穿过大地，所述规划工具包括：

一个或多个轮子，其用于响应于操作者而沿着路径在所述大地上滚动；

编码器，其用于响应于所述轮子中的至少一个轮子的所述滚动而生成编码器输出；

加速度计，其包括至少一个测量轴线，所述加速度计用于在所述滚动期间生成表征所述规划工具的俯仰取向的加速度计输出，并且所述加速度计输出还包括响应于操作者引起的加速的一个或多个俯仰误差，所述操作者引起的加速是由在所述滚动期间由所述操作者导致的所述规划工具的速度的一个或多个变化而引起的；以及

处理器，其配置成用于基于所述编码器输出而检测所述速度的变化，并且用于基于所检测的变化而将补偿施加于所述加速度计输出以生成所述俯仰误差基本上被移除的经补偿的俯仰取向。

51.根据构思50所述的规划工具，其中，所述处理器基于校准系数将所述补偿施加于所述加速度计输出。

52.根据构思50或51所述的规划工具，其中，所述编码器响应于所述滚动而生成脉冲输出，所述脉冲输出包括在时间上被脉冲间隔分开的一系列脉冲，所述脉冲间隔随着所述速度的变化而变化，并且所述处理器基于所述脉冲间隔的变化率来确定所述操作者引起的加速。

53.一种作为用于水平定向钻探的系统的一部分的规划工具，在所述系统中，钻机使用从所述钻机延伸到钻具的钻柱使所述钻具前进穿过大地，所述规划工具包括：

一个或多个轮子，其用于响应于操作者的移动而沿着路径在所述大地的表面上滚动；

编码器，其用于响应于所述轮子中的一个轮子的所述滚动而生成编码器输出；

加速度计，其包括至少一个测量轴线，所述加速度计用于在所述轮子的所述滚动期间生成表征所述规划工具的俯仰取向的加速度计输出；以及

处理器，其用于基于所述编码器输出和所述加速度计输出生成：(i)当所述滚动的速率超过阈值速率时向所述操作者的指示，以建议所述操作者减速，从而维持所述轮子与所述大地的表面之间的接触，以及(ii)所述路径在竖直平面中的表面轮廓。

54.一种作为用于水平定向钻探的系统的一部分的规划工具，在所述系统中，钻机使用从所述钻机延伸到钻具的钻柱使所述钻具前进穿过大地，所述规划工具包括：

轮子，其用于响应于操作者的移动而沿着路径在所述大地的表面上滚动；

编码器，其用于响应于所述轮子的所述滚动而生成编码器输出；

加速度计，其包括至少一个测量轴线，所述加速度计用于在所述滚动期间生成表征所述规划工具的俯仰取向的加速度计输出，所述加速度计输出表现出温度敏感漂移；

烘箱，其容纳所述加速度计，用于将所述加速度计保持在至少近似恒定的温度，以在所述滚动期间显著减小所述温度敏感漂移；以及

处理器，其用于基于所述编码器输出和所述加速度计输出至少生成所述路径在竖直平面中的表面轮廓。

55.一种作为用于水平定向钻探的系统的一部分的规划工具，在所述系统中，钻机使用从所述钻机延伸到钻具的钻柱使所述钻具前进穿过大地，所述规划工具包括：

轮子，其用于响应于操作者的移动而沿着路径在所述大地的表面上滚动，所述路径包括开始位置和结束位置；

编码器，其用于响应于所述轮子的所述滚动而生成编码器输出；

加速度计，其包括至少一个测量轴线，所述加速度计用于在所述滚动期间生成表征所述规划工具的俯仰取向的加速度计输出，并且所述加速度计输出经受固定测量偏差，所述固定测量偏差在所述加速度计输出中引入俯仰取向测量误差；以及

处理器，其用于响应于所述规划工具从所述开始位置滚动到所述结束位置而记录出站数据集，并且所述处理器用于响应于所述规划工具从所述结束位置沿反向方向滚动到所述开始位置而记录入站数据集，所述出站数据集包括对照多个出站加速度计读数被索引的多个出站编码器读数，所述入站数据集包括对照多个入站加速度计读数被索引的多个入站编码器读数，并且所述处理器用于将所述出站数据集与所述入站数据集组合，以便以至少基本上消除所述加速度计输出中的所述俯仰取向测量误差的方式来至少在所述开始位置和所述结束位置之间的竖直平面中生成表面轮廓。

56.根据构思55所述的规划工具，还包括：

GPS传感器，其用于生成GPS位置信息；并且

所述处理器配置成将所述GPS位置信息记录为所述出站数据集的一部分，以表征出站GPS路径，并且在沿着入站路径在所述反向方向上滚动期间比较入站GPS位置，以检测入站GPS路径与所述出站GPS路径的偏差(diverged)。

57.一种用于水平定向钻探的系统的方法，在所述系统中，钻机使用从所述钻机延伸到钻具的钻柱使所述钻具前进穿过大地，所述方法包括：

读取表征规划工具的俯仰取向的加速度计输出，所述规划工具用于沿着路径在所述大地的表面上滚动，并且在从开始位置到结束位置的向前方向上的滚动期间，对照沿着所述路径的距离来索引所述加速度计输出，以生成出站数据集，其中所述加速度计输出经受固定测量偏差，所述固定测量偏差在所述加速度计输出中引入俯仰取向测量误差；

在从所述结束位置到所述开始位置的反向方向滚动期间，读取经受到固定偏差的、对照沿着所述路径的距离来索引的所述加速度计输出，以生成入站数据集；以及

将所述出站数据集与所述入站数据集组合，以便以至少基本上消除所述加速度计输出中的所述俯仰取向测量误差的方式来生成所述开始位置与所述结束位置之间的表面轮廓。

58.一种用于水平定向钻探的系统的方法，在所述系统中，钻机使用从所述钻机延伸到钻具的钻柱使所述钻具前进穿过大地，所述方法包括：

沿从开始位置到结束位置的出站方向滚动规划工具，同时读取形成所述规划工具的一部分的加速度计的加速度计输出，以表征所述规划工具的俯仰取向以作为收集的出站数据集的一部分，所述加速度计输出经受由所述加速度计的固定测量偏差产生的俯仰取向测量误差；以及

在反向方向上沿从所述结束位置到所述开始位置的入站方向滚动所述规划工具，同时读取所述加速度计输出以表征所述规划工具的俯仰取向，从而收集入站数据集，并且所述加速度计输出经受由于所述出站数据集与所述入站数据集的组合的所述固定测量偏差而导致的所述俯仰取向测量误差，使得在生成所述开始位置与所述结束位置之间的表面轮廓的同时消除所述固定测量偏差。

59.一种作为用于水平定向钻探的系统的一部分的规划工具，在所述系统中，钻机使用从所述钻机延伸到钻具的钻柱使所述钻具前进穿过大地，所述规划工具包括：

主轮，其具有主轮直径，用于围绕主轮轴线旋转以响应于操作者的移动而沿着路径在所述大地的表面上滚动；

随动轮，其具有与所述主轮直径相同的随动轮直径，所述随动轮用于在所述滚动期间围绕随动轮轴线旋转；

壳体，其将所述主轮和所述随动轮支撑为成直线布置以便共面旋转，使得所述随动轮轴线与所述主轮轴线固定地间隔开并且至少大致平行于所述主轮轴线；

编码器，其用于响应于所述主轮的滚动而生成编码器输出；以及

加速度计，其通过所述壳体支撑在所述主轮轴线和所述随动轮轴线之间，所述加速度计包括至少一个测量轴线，所述加速度计用于在所述滚动期间生成表征所述规划工具的俯仰取向的加速度计输出；以及

处理器，其用于至少基于所述编码器输出和所述加速度计输出而生成至少所述路径在竖直平面中的表面轮廓。

60.根据构思59所述的规划工具，其中，所述处理器确定所述钻具在所述大地的表面下方关于所述路径的地下规划。

61.根据构思59或60所述的规划工具，其中，所述加速度计被支撑在沿着所述主轮轴线和所述随动轮轴线之间延伸的直线的至少近似中点的位置处。

62.根据构思59至61中任一项所述的规划工具，还包括：

手柄组件，其包括具有手柄的远端，所述手柄构造成与所述操作者的手接合，并且所述手柄组件的近端由所述壳体枢转地支撑，以在枢转范围内绕平行于所述主轮轴线和所述随动轮轴线的枢转轴线旋转，以使所述壳体与所述主轮和所述随动轮一起相对于所述手柄组件独立旋转，从而越过地形不规则处和倾斜地形。

63.根据构思62所述的规划工具，其中，所述枢轴线至少与所述主轮轴线和所述随动轮轴线大致等距。

64.根据构思59至63中任一项所述的规划工具，其中，在所述主轮和所述随动轮之间的所述壳体与水平面相隔至少5.5英寸，其中所述主轮和所述随动轮中的每一个与所述水平面接触。

65.一种作为用于水平定向钻探的系统的一部分的规划工具，在所述系统中，钻机使用从所述钻机延伸到钻具的钻柱使所述钻具前进穿过大地，所述规划工具包括：

一个或多个轮子，其用于响应于操作者的移动而沿着第一路径和第二路径在所述大地上滚动，其中所述第一路径和所述第二路径通过障碍物彼此分开；

编码器，其用于响应于所述轮子中的一个轮子的所述滚动而生成编码器输出；

加速度计，其包括至少一个测量轴线，所述加速度计用于在所述轮子的所述滚动期间生成表征所述规划工具的俯仰取向的加速度计输出；以及

处理器，其用于基于所述编码器输出和所述加速度计输出来生成所述钻具在所述大地的表面下方关于所述第一路径和所述第二路径的地下规划，使得所述地下规划包括与所述第一路径对应的第一钻孔区段、与所述第二路径对应的第二钻孔区段、以及将所述第一钻孔区段连接到所述第二钻孔区段的拼接钻孔区段。

66.根据构思65所述的规划工具，其中，所述第一路径包括第一端点并且所述第二路径包括第二端点，使得所述第一端点与所述第一路径上的任何其它点相比更靠近所述第二端点，并且所述第二端点与所述第二路径上的任何其它点相比更靠近所述第一端点。

67.根据构思66所述的规划工具，其中，所述第一端点相对于所述第二端点具有高程差，并且所述处理器配置成生成所述地下规划以适应所述高程差。

68.根据构思67所述的规划工具，其中，还包括：

大气压力传感器，其用于在所述滚动期间生成大气压力传感器输出，并且

所述处理器还配置成基于在所述第一端点和所述第二端点处的所述压力传感器输出来确定所述高程差，以作为生成所述地下规划的一部分。

69.根据构思66所述的规划工具，其中，所述第一端点在相对于所述第二端点的横向偏移处，并且所述处理器配置成生成所述地下规划以适应所述横向偏移。

70.一种作为用于水平定向钻探的系统的一部分的规划工具，在所述系统中，钻机使用钻柱使钻具前进穿过大地以执行地下操作，所述钻柱具有从所述钻机延伸到所述钻具的钻柱长度，所述规划工具包括：

一个或多个轮子，其用于响应于操作者的移动而沿着路径在所述大地的表面上滚动；

编码器，其用于响应于所述轮子中的一个轮子的所述滚动而生成编码器输出；

噪声接收器，其用于响应于所述滚动而生成在频率带宽上的噪声数据；以及

处理器，其用于：(i)至少基于如由所述编码器输出和所述加速度计输出所限定的所述路径的表面轮廓，为在从所述钻具进入所述大地的开始位置开始的所述路径下方的所述钻具生成地下规划，以及(ii)基于所述轮廓，使沿着所述大地的表面上方的所述路径测量的所述噪声数据与沿着所述地下规划距所述开始位置的距离相关联，使得对于所述地下路径上的任何给定位置，相关联的噪声数据的集合对应于所述路径上的位于所述给定位置正上方的顶部位置，以补偿沿着所述地下规划到达所述给定位置的第一距离与沿着所述路径到达所述顶部位置的第二距离之间的差异，所述差异由所述地下规划与所述路径之间的竖直偏移产生。

71.根据构思70所述的规划工具，其中，所述地下规划包括地下竖直轮廓，并且所述处理器配置成进一步补偿由于所述地下竖直轮廓引起的附加的竖直偏移。

72.一种与钻机推进钻具以穿过大地进行水平定向钻探的系统一起使用的规划工具，所述钻具发射电磁定位信号，所述系统包括可定位在所述大地的表面上的多个跟踪器，以用于基于接收到所述电磁定位信号而跟踪在地下的所述钻具，所述规划工具包括：

一个或多个轮子，其用于响应于操作者而沿着路径在所述大地的表面上滚动；

编码器，其用于响应于所述轮子中的一个轮子的所述滚动而生成编码器输出；以及

处理器，其用于基于所述编码器输出而测量沿着所述路径滚动的距离，并且响应于检测到所述规划工具已经滚动了指定距离，生成用于所述操作者将所述跟踪器中的一个跟踪器放置在所述路径上的指示。

73.根据构思72所述的规划工具，还包括

加速度计，其包括至少一个测量轴线，所述加速度计用于在所述滚动期间生成表征所述规划工具的俯仰取向的加速度计输出；并且

所述处理器还配置成基于所述编码器输出和所述加速度计输出来确定所述路径在竖直平面中的表面轮廓，并且基于所述轮廓来生成将所述跟踪器中的一个跟踪器放置在所述路径上的进一步指示。

74.一种与钻机推进钻具以穿过大地进行水平定向钻探的系统一起使用的规划工具，所述钻具发射电磁定位信号，所述系统包括可定位在所述大地的表面上的多个跟踪器，以用于基于接收到所述电磁定位信号而跟踪在地下的所述钻具，所述规划工具包括：

一个或多个轮子，其用于响应于操作者而沿着路径在所述大地的表面上的滚动；

编码器，其用于响应于所述轮子中的一个轮子的所述滚动而生成编码器输出；

加速度计，其包括至少一个测量轴线，所述加速度计用于在所述滚动期间生成表征所述规划工具的俯仰取向的加速度计输出；以及

处理器，其配置成基于所述编码器输出和所述加速度计输出来确定所述路径在竖直平面中的表面轮廓，并且基于所述轮廓来生成将所述跟踪器中的一个跟踪器放置在所述路径上的指示。

75.一种与钻机推进钻具以穿过大地进行水平定向钻探的系统一起使用的规划工具，所述钻具发射电磁定位信号，所述系统包括可定位在所述大地的表面上的多个跟踪器，以用于基于接收到所述电磁定位信号而跟踪在地下的所述钻具，所述规划工具包括：

一个或多个轮子，其用于响应于操作者而沿着路径在所述大地的表面上滚动；

编码器，其用于响应于所述轮子中的一个轮子的所述滚动而生成编码器输出；

加速度计，其包括至少一个测量轴线，所述加速度计用于在所述滚动期间生成表征所述规划工具的俯仰取向的加速度计输出；以及

用户界面，其服务于操作者，以用于指定沿着所述路径的至少一个位置，所述跟踪器中的特定一个跟踪器由所述操作者放置在所述至少一个位置处，并且用户界面用于为在所述特定跟踪器正下方的目标位置处所述钻具输入目标深度；以及

处理器，其用于基于所述编码器输出和所述加速度计输出来确定所述路径在竖直平面中的表面轮廓，并且用于为在所述大地的表面下方穿过所述目标位置的所述钻具生成地下规划。

76.根据构思75所述的规划工具，其中，所述用户界面配置成接受在所述目标位置处的所述钻具的目标俯仰，并且所述处理器配置成确定所述地下规划，使得所述钻具以所述目标俯仰到达所述目标位置。

77.根据构思75或76所述的规划工具，其中，所述处理器基于所述轮廓和所述目标位置确定在所述目标位置处的所述钻具的目标俯仰。

78.一种作为用于水平定向钻探的系统的一部分的规划工具，在所述系统中，钻机使用钻柱使钻具前进穿过大地以执行地下操作，所述钻柱具有从所述钻机延伸到所述钻具的钻柱长度，所述规划工具包括：：

一个或多个轮子，其用于响应于操作者的移动而沿着路径在所述大地的表面上滚动；

编码器，其用于响应于所述轮子中的一个轮子的所述滚动而生成编码器输出；

噪声接收器，其用于响应于所述滚动而生成在频率带宽上的噪声数据；以及

处理器，其用于：(i)至少基于如由所述编码器输出和所述加速度计输出所限定的所述路径的表面轮廓，为在从所述钻具进入所述大地的开始位置开始的所述路径下方的所述钻具生成地下规划，以及(ii)基于在所述大地的表面处测量的所述噪声数据，生成沿与距离相关联的所述地下路径使用的频率集合选择。

79.根据构思78所述的规划工具，其中，所述处理器配置成自动选择频率集合。

80.根据构思78或79所述的规划工具，其中，所述处理器基于一个或多个用户选择生成所述频率集合选择。

81.一种用于规划在地下钻探作业期间钻具的移动的规划工具，所述钻具形成用于水平定向钻探的系统的一部分，在所述系统中，钻机使用从所述钻机延伸到所述钻具的钻柱使所述钻具前进穿过大地，所述规划工具包括：

处理器，其配置成用于通过使所述钻具从当前点到目标端点的直线钻探(lineardrilling)量最大化来开发从所述当前点到所述目标端点的地下规划。

82.根据构思81所述的规划工具，其中，所述处理器配置成开发所述地下规划的为弯曲的开始区段，以将所述钻具放置成处于所述钻具在直线路径上到达所述目标端点的航向。

83.根据构思81或82所述的规划工具，其中，所述处理器配置成迭代地开发所述地下规划的开始区段和所述地下规划的结束区段，使得所述开始区段和所述结束区段以所述开始区段的向前航向和所述结束区段的后向航向对准为由直线区段连接的方式朝向彼此延伸，从而所述钻具以指定的横摆取向和指定的俯仰取向到达所述目标端点。

Claims (83)

1.一种用于规划在地下钻探作业期间钻具的移动的规划工具，所述钻具形成用于水平定向钻探的系统的一部分，在所述系统中，钻机使用从所述钻机延伸到所述钻具的钻柱使所述钻具前进穿过大地，所述规划工具包括：

一个或多个轮子，其用于响应于操作者的移动而沿着路径在所述大地的表面上滚动，所述路径至少包括：(i)初始表面位置，其接近在所述钻具处于当前取向的情况下的所述钻具的当前位置，以及(ii)后续表面位置，其接近用户指定的所述钻具的目标位置，所述目标位置在所述当前位置的前方；

编码器，其用于响应于所述轮子中的一个轮子在所述初始表面位置与所述后续表面位置之间的所述滚动而生成编码器输出；

加速度计，其包括至少一个测量轴线，所述加速度计用于在所述轮子沿着所述路径的所述滚动期间生成表征所述规划工具的俯仰取向的加速度计输出；以及

处理器，其用于接受指定在所述钻具位于所述当前位置和所述当前取向的情况下在所述钻具的前方的所述目标位置的用户输入，并且用于基于所述当前位置、所述当前取向、所述编码器输出和所述加速度计输出来生成用于所述钻具到达所述目标位置的引导。

2.根据权利要求1所述的规划工具，其中，所述引导至少包括平均俯仰取向，以保持到达所述目标位置。

3.根据权利要求1所述的规划工具，其中，所述初始表面位置在处于所述当前位置的所述钻具的正上方。

4.根据权利要求1所述的规划工具，其中，所述后续表面位置在所述目标位置的正上方。

5.根据权利要求1所述的规划工具，其中，所述后续表面位置在所述钻具要从所述大地离开的位置处。

6.根据权利要求1所述的规划工具，其中，所述目标位置是在所述钻具离开所述大地之前在所述大地内沿整个地下路径的中间位置。

7.根据权利要求1所述的规划工具，其中，所述引导至少指定到达所述目标位置的目标俯仰取向。

8.根据权利要求1所述的规划工具，其中，所述处理器配置成生成与所述初始表面位置和所述后续表面位置之间的至少一个表面点相关联的附加引导。

9.根据权利要求8所述的规划工具，其中，用于所述表面点的所述附加引导至少指定与所述表面点相关联的期望深度。

10.根据权利要求9所述的规划工具，其中，用于所述表面点的所述附加引导指定与所述表面点相关联的期望俯仰。

11.根据权利要求1所述的规划工具，其中，所述处理器配置成生成与在所述初始表面位置和所述后续表面位置之间间隔开的多个表面点相关联的附加引导。

12.根据权利要求11所述的规划工具，其中，所述附加引导至少包括与所述表面点中的每一个相关联的期望深度。

13.根据权利要求12所述的规划工具，其中，所述附加引导指定与所述表面点中的每一个相关联的期望俯仰。

14.根据权利要求11所述的规划工具，其中，所述表面点沿所述表面以相等的增量距离间隔开。

15.根据权利要求1所述的规划工具，其中，所述处理器配置成响应于所述编码器输出指示速度违反阈值速度而生成速度警告。

16.根据权利要求1所述的规划工具，其中，所述处理器另外基于所述钻柱的最小弯曲半径而生成所述引导。

17.根据权利要求14所述的规划工具，其中，所述钻柱由一系列可移除地附接的钻杆组成，每个钻杆包括杆长度，从而以钻杆接钻杆的方式延伸到所述大地中，从而在所述大地中限定钻杆端点，并且所述表面点基于将所述钻杆端点投影到所述大地的表面而间隔开。

18.根据权利要求17所述的规划工具，其中，所述引导包括用于每个钻杆端点的目标深度和目标俯仰。

19.一种作为用于水平定向钻探的系统的一部分的规划工具，在所述系统中，钻机使用从所述钻机延伸到钻具的钻柱使所述钻具前进穿过大地，所述规划工具包括：

一个或多个轮子，其用于响应于操作者的移动而沿着路径在所述大地的表面上滚动；

编码器，其用于响应于所述轮子中的一个轮子的所述滚动而生成编码器输出；

加速度计，其包括至少一个测量轴线，所述加速度计用于在所述轮子的所述滚动期间生成表征所述规划工具的俯仰取向的加速度计输出；以及

处理器，其用于基于所述编码器输出和所述加速度计输出来生成所述钻具在所述大地的表面下方关于所述路径的地下规划。

20.根据权利要求19所述的规划工具，其中，所述处理器确定所述路径在竖直平面中的表面轮廓。

21.根据权利要求19所述的规划工具，其中，所述处理器配置成响应于所述编码器输出指示速度违反阈值速度而生成速度警告。

22.根据权利要求19所述的规划工具，其中，所述处理器响应于所述操作者的完成沿着所述路径从开始位置到结束位置对所述编码器输出和所述加速度计输出的收集的指示而生成所述地下规划。

23.根据权利要求19所述的规划工具，其中，所述处理器另外基于所述钻柱的最小弯曲半径而生成所述地下规划。

24.根据权利要求19所述的规划工具，其中，所述地下规划是从进入位置延伸到离开位置的钻孔规划。

25.根据权利要求19所述的规划工具，其中，所述地下规划是钻孔区段，所述钻孔区段表示从进入位置延伸到离开位置的整个地下路径的仅一部分。

26.根据权利要求25所述的规划工具，其中，所述钻孔区段是从用作所述开始位置的进入位置开始并在中间位置处结束的初始进入部分。

27.根据权利要求25所述的规划工具，其中，所述钻孔区段是从中间位置开始并在用作所述结束位置的离开位置处结束的离开部分。

28.根据权利要求25所述的规划工具，其中，所述钻孔区段是不包括进入位置或离开位置的中间部分。

29.根据权利要求19所述的规划工具，其中，所述一个或多个轮子包括一对呈直线布置的轮子。

30.根据权利要求19所述的规划工具，还包括：

GPS传感器，其用于生成GPS位置信息；并且

所述处理器配置成在基于所述加速度计输出和所述编码器输出的测量模式下以及在基于所述GPS位置信息的GPS模式下操作。

31.根据权利要求30所述的规划工具，其中，所述处理器配置成基于所述加速度计输出指示所述规划工具在粗糙表面上滚动使得所述轮子至少周期性地失去与所述大地的表面的接触，而从所述测量模式切换到所述GPS模式。

32.一种用于水平定向钻探的系统，所述系统包括：

钻具，其用于形成钻孔；

钻机，其用于移动所述钻具；以及

规划工具，所述规划工具包括：

一个或多个轮子，其用于响应于操作者的移动而沿着路径在大地的表面上滚动，

编码器，其用于响应于所述轮子中的一个轮子的所述滚动而生成编码器输出，

加速度计，其包括至少一个测量轴线，所述加速度计用于生成表征所述规划工具的俯仰取向的加速度计输出；以及

处理器，其用于基于所述编码器输出和所述加速度计输出来生成所述钻具在所述大地的表面下方关于所述路径的地下规划。

33.根据权利要求32所述的系统，其中，所述处理器位于所述规划工具中。

34.根据权利要求32所述的系统，其中，所述处理器远离所述规划工具。

35.根据权利要求34所述的系统，其中，所述处理器位于所述钻机处。

36.根据权利要求32所述的系统，其中，所述处理器响应于所述操作者的完成沿着从开始位置到结束位置的所述路径的数据收集的指示而生成所述地下规划。

37.一种作为用于水平定向钻探的系统的一部分的规划工具，在所述系统中，钻机使用从所述钻机延伸到钻具的钻柱使所述钻具沿向前方向前进穿过大地，所述规划工具包括：

一个或多个轮子，其用于响应于操作者的移动而沿着路径在所述大地的表面上滚动；

编码器，其响应于所述轮子中的一个轮子的所述滚动而生成编码器输出；

加速度计，其包括至少一个测量轴线，所述加速度计用于在所述滚动期间生成表征所述规划工具的俯仰取向的加速度计输出；

用户界面，其接受指定沿着所述路径的一个或多个位置的操作者输入；以及

处理器，其用于基于所述编码器输出、所述加速度计输出和所指定的位置来生成所述钻具在所述大地的表面下方关于所述路径的地下规划。

38.根据权利要求37所述的规划工具，其中，特定的指定位置识别在其正下方的所述钻具将通过的指定深度处的初始埋地路点，并且所述地下规划至少从所述路径上的所述钻具进入所述大地的进入位置延伸到所述初始埋地路点。

39.根据权利要求38所述的规划工具，其中，所述处理器至少基于所述路径在竖直平面中的表面轮廓来确定所述钻机在所述路径上相对于所述特定的指定位置在与所述向前方向相反的反向方向上的缩进位置，所述表面轮廓由所述缩进位置与所述特定的指定位置之间的所述编码器输出和所述加速度计输出来表征。

40.根据权利要求39所述的规划工具，其中，所述处理器进一步至少基于所述路径的所述表面轮廓来确定所述钻具在所述缩进位置与所述特定的指定位置之间穿入所述大地的表面的进入位置。

41.根据权利要求37所述的规划工具，其中，特定的指定位置识别所述钻具将穿入所述大地的表面的进入点。

42.根据权利要求40所述的规划工具，其中，所述钻机包括用于所述钻具进入所述大地的可调节机架角度范围，并且所述处理器识别所述机架角度范围内的特定机架角度。

43.根据权利要求37所述的规划工具，其中，特定的指定位置识别要由所述钻孔规划避开的障碍物。

44.根据权利要求43所述的规划工具，其中，基于操作者与所述用户界面的交互，所述障碍物被标注有方向和距所述指定位置的偏移距离。

45.一种作为用于水平定向钻探的系统的一部分的规划工具，在所述系统中，钻机使用从所述钻机延伸到钻具的钻柱使所述钻具沿向前方向前进穿过大地，所述规划工具包括：

一个或多个轮子，其用于从预定位置开始并且响应于操作者的移动而在与所述向前方向相反的反向方向上沿着路径在所述大地的表面上滚动；

编码器，其用于响应于所述轮子中的一个轮子在所述反向方向上的所述滚动而生成编码器输出；

加速度计，其包括至少一个测量轴线，所述加速度计用于在所述反向方向上的所述滚动期间生成表征所述规划工具的俯仰取向的加速度计输出；以及

处理器，其用于基于由所述编码器输出和所述加速度计输出表征的所述反向方向上的所述路径的表面轮廓，来生成所述钻机在所述路径上相对于所述预定位置在所述反向方向上的缩进位置。

46.根据权利要求45所述的规划工具，其中，所述预定位置是所述钻具穿入所述大地的表面的进入位置。

47.根据权利要求45所述的规划工具，其中，所述预定位置指定在其正下方指定深度处的埋地位置，并且所述钻具在钻孔期间要穿过所述埋地位置。

48.根据权利要求47所述的规划工具，其中，所述处理器还配置成至少基于所述路径的所述表面轮廓来确定所述钻具在所述缩进位置与所述预定位置之间进入所述大地的进入位置。

49.一种用于确定用于设定钻机的缩进位置的方法，所述钻机形成用于水平定向钻探的系统的一部分，在所述系统中，所述钻机使用从所述钻机延伸到钻具的钻柱使所述钻具沿向前方向前进穿过所述大地，所述方法包括：

基于从预定位置开始在与所述向前方向相反的反向方向上滚动至少一个轮子来测量加速度计输出，所述加速度计输出对照沿着路径的距离被索引；以及

至少基于由所测量的加速度计输出和所测量的距离表征的在所述反向方向上的所述路径的表面轮廓，来确定所述钻机在所述路径上相对于所述预定位置在所述反向方向上的所述缩进位置。

50.一种作为用于水平定向钻探的系统的一部分的规划工具，在所述系统中，钻机使用从所述钻机延伸到钻具的钻柱使所述钻具前进穿过大地，所述规划工具包括：

一个或多个轮子，其用于响应于操作者而沿着路径在所述大地上滚动；

编码器，其用于响应于所述轮子中的至少一个轮子的所述滚动而生成编码器输出；

加速度计，其包括至少一个测量轴线，所述加速度计用于在所述滚动期间生成表征所述规划工具的俯仰取向的加速度计输出，并且所述加速度计输出还包括响应于操作者引起的加速的一个或多个俯仰误差，所述操作者引起的加速是由在所述滚动期间由所述操作者导致的所述规划工具的速度的一个或多个变化而引起的；以及

处理器，其配置成用于基于所述编码器输出而检测所述速度的变化，并且用于基于所检测的变化而将补偿施加于所述加速度计输出以生成所述俯仰误差基本上被移除的经补偿的俯仰取向。

51.根据权利要求50所述的规划工具，其中，所述处理器基于校准系数将所述补偿施加于所述加速度计输出。

52.根据权利要求50所述的规划工具，其中，所述编码器响应于所述滚动而生成脉冲输出，所述脉冲输出包括在时间上被脉冲间隔分开的一系列脉冲，所述脉冲间隔随着所述速度的变化而变化，并且所述处理器基于所述脉冲间隔的变化率来确定所述操作者引起的加速。

53.一种作为用于水平定向钻探的系统的一部分的规划工具，在所述系统中，钻机使用从所述钻机延伸到钻具的钻柱使所述钻具前进穿过大地，所述规划工具包括：

一个或多个轮子，其用于响应于操作者的移动而沿着路径在所述大地的表面上滚动；

编码器，其用于响应于所述轮子中的一个轮子的所述滚动而生成编码器输出；

加速度计，其包括至少一个测量轴线，所述加速度计用于在所述轮子的所述滚动期间生成表征所述规划工具的俯仰取向的加速度计输出；以及

处理器，其用于基于所述编码器输出和所述加速度计输出生成：(i)当所述滚动的速率超过阈值速率时向所述操作者的指示，以建议所述操作者减速，从而维持所述轮子与所述大地的表面之间的接触，以及(ii)所述路径在竖直平面中的表面轮廓。

54.一种作为用于水平定向钻探的系统的一部分的规划工具，在所述系统中，钻机使用从所述钻机延伸到钻具的钻柱使所述钻具前进穿过大地，所述规划工具包括：

轮子，其用于响应于操作者的移动而沿着路径在所述大地的表面上滚动；

编码器，其用于响应于所述轮子的所述滚动而生成编码器输出；

加速度计，其包括至少一个测量轴线，所述加速度计用于在所述滚动期间生成表征所述规划工具的俯仰取向的加速度计输出，所述加速度计输出表现出温度敏感漂移；

烘箱，其容纳所述加速度计，用于将所述加速度计保持在至少近似恒定的温度，以在所述滚动期间显著减小所述温度敏感漂移；以及

处理器，其用于基于所述编码器输出和所述加速度计输出至少生成所述路径在竖直平面中的表面轮廓。

55.一种作为用于水平定向钻探的系统的一部分的规划工具，在所述系统中，钻机使用从所述钻机延伸到钻具的钻柱使所述钻具前进穿过大地，所述规划工具包括：

轮子，其用于响应于操作者的移动而沿着路径在所述大地的表面上滚动，所述路径包括开始位置和结束位置；

编码器，其用于响应于所述轮子的所述滚动而生成编码器输出；

加速度计，其包括至少一个测量轴线，所述加速度计用于在所述滚动期间生成表征所述规划工具的俯仰取向的加速度计输出，并且所述加速度计输出经受固定测量偏差，所述固定测量偏差在所述加速度计输出中引入俯仰取向测量误差；以及

处理器，其用于响应于所述规划工具从所述开始位置滚动到所述结束位置而记录出站数据集，并且所述处理器用于响应于所述规划工具从所述结束位置沿反向方向滚动到所述开始位置而记录入站数据集，所述出站数据集包括对照多个出站加速度计读数被索引的多个出站编码器读数，所述入站数据集包括对照多个入站加速度计读数被索引的多个入站编码器读数，并且所述处理器用于将所述出站数据集与所述入站数据集组合，以便以至少基本上消除所述加速度计输出中的所述俯仰取向测量误差的方式来至少在所述开始位置和所述结束位置之间的竖直平面中生成表面轮廓。

56.根据权利要求55所述的规划工具，还包括：

GPS传感器，其用于生成GPS位置信息；并且

所述处理器配置成将所述GPS位置信息记录为所述出站数据集的一部分，以表征出站GPS路径，并且在沿着入站路径在所述反向方向上滚动期间比较入站GPS位置，以检测入站GPS路径与所述出站GPS路径的偏差。

57.一种用于水平定向钻探的系统的方法，在所述系统中，钻机使用从所述钻机延伸到钻具的钻柱使所述钻具前进穿过大地，所述方法包括：

读取表征规划工具的俯仰取向的加速度计输出，所述规划工具用于沿着路径在所述大地的表面上滚动，并且在从开始位置到结束位置的向前方向上的滚动期间，对照沿着所述路径的距离来索引所述加速度计输出，以生成出站数据集，其中所述加速度计输出经受固定测量偏差，所述固定测量偏差在所述加速度计输出中引入俯仰取向测量误差；

在从所述结束位置到所述开始位置的反向方向滚动期间，读取经受到固定偏差的、对照沿着所述路径的距离来索引的所述加速度计输出，以生成入站数据集；以及

将所述出站数据集与所述入站数据集组合，以便以至少基本上消除所述加速度计输出中的所述俯仰取向测量误差的方式来生成所述开始位置与所述结束位置之间的表面轮廓。

58.一种用于水平定向钻探的系统的方法，在所述系统中，钻机使用从所述钻机延伸到钻具的钻柱使所述钻具前进穿过大地，所述方法包括：

沿从开始位置到结束位置的出站方向滚动规划工具，同时读取形成所述规划工具的一部分的加速度计的加速度计输出，以表征所述规划工具的俯仰取向作为收集的出站数据集的一部分，所述加速度计输出经受由所述加速度计的固定测量偏差产生的俯仰取向测量误差；以及

在反向方向上沿从所述结束位置到所述开始位置的入站方向滚动所述规划工具，同时读取所述加速度计输出以表征所述规划工具的俯仰取向，从而收集入站数据集，并且所述加速度计输出经受由于所述出站数据集与所述入站数据集的组合的所述固定测量偏差而导致的所述俯仰取向测量误差，使得在生成所述开始位置与所述结束位置之间的表面轮廓的同时消除所述固定测量偏差。

59.一种作为用于水平定向钻探的系统的一部分的规划工具，在所述系统中，钻机使用从所述钻机延伸到钻具的钻柱使所述钻具前进穿过大地，所述规划工具包括：

主轮，其具有主轮直径，用于围绕主轮轴线旋转以响应于操作者的移动而沿着路径在所述大地的表面上滚动；

随动轮，其具有与所述主轮直径相同的随动轮直径，所述随动轮用于在所述滚动期间围绕随动轮轴线旋转；

壳体，其将所述主轮和所述随动轮支撑为成直线布置以便共面旋转，使得所述随动轮轴线与所述主轮轴线固定地间隔开并且至少大致平行于所述主轮轴线；

编码器，其用于响应于所述主轮的滚动而生成编码器输出；以及

加速度计，其通过所述壳体支撑在所述主轮轴线和所述随动轮轴线之间，所述加速度计包括至少一个测量轴线，所述加速度计用于在所述滚动期间生成表征所述规划工具的俯仰取向的加速度计输出；以及

处理器，其用于至少基于所述编码器输出和所述加速度计输出而生成至少所述路径在竖直平面中的表面轮廓。

60.根据权利要求59所述的规划工具，其中，所述处理器确定所述钻具在所述大地的表面下方关于所述路径的地下规划。

61.根据权利要求59所述的规划工具，其中，所述加速度计被支撑在沿着所述主轮轴线和所述随动轮轴线之间延伸的直线的至少近似中点的位置处。

62.根据权利要求59所述的规划工具，还包括：

手柄组件，其包括具有手柄的远端，所述手柄构造成与所述操作者的手接合，并且所述手柄组件的近端由所述壳体枢转地支撑，以在枢转范围内绕平行于所述主轮轴线和所述随动轮轴线的枢转轴线旋转，以使所述壳体与所述主轮和所述随动轮一起相对于所述手柄组件独立旋转，从而越过地形不规则处和倾斜地形。

63.根据权利要求62所述的规划工具，其中，所述枢转轴线至少与所述主轮轴线和所述随动轮轴线大致等距。

64.根据权利要求59所述的规划工具，其中，在所述主轮和所述随动轮之间的所述壳体与水平面相隔至少5.5英寸，其中所述主轮和所述随动轮中的每一个与所述水平面接触。

65.一种作为用于水平定向钻探的系统的一部分的规划工具，在所述系统中，钻机使用从所述钻机延伸到钻具的钻柱使所述钻具前进穿过大地，所述规划工具包括：

一个或多个轮子，其用于响应于操作者的移动而沿着第一路径和第二路径在所述大地上滚动，其中所述第一路径和所述第二路径通过障碍物彼此分开；

编码器，其用于响应于所述轮子中的一个轮子的所述滚动而生成编码器输出；

加速度计，其包括至少一个测量轴线，所述加速度计用于在所述轮子的所述滚动期间生成表征所述规划工具的俯仰取向的加速度计输出；以及

处理器，其用于基于所述编码器输出和所述加速度计输出来生成所述钻具在所述大地的表面下方关于所述第一路径和所述第二路径的地下规划，使得所述地下规划包括与所述第一路径对应的第一钻孔区段、与所述第二路径对应的第二钻孔区段、以及将所述第一钻孔区段连接到所述第二钻孔区段的拼接钻孔区段。

66.根据权利要求65所述的规划工具，其中，所述第一路径包括第一端点并且所述第二路径包括第二端点，使得所述第一端点与所述第一路径上的任何其它点相比更靠近所述第二端点，并且所述第二端点与所述第二路径上的任何其它点相比更靠近所述第一端点。

67.根据权利要求66所述的规划工具，其中，所述第一端点相对于所述第二端点具有高程差，并且所述处理器配置成生成所述地下规划以适应所述高程差。

68.根据权利要求67所述的规划工具，其中，还包括：

大气压力传感器，其用于在所述滚动期间生成大气压力传感器输出，并且

所述处理器还配置成基于在所述第一端点和所述第二端点处的所述压力传感器输出来确定所述高程差，以作为生成所述地下规划的一部分。

69.根据权利要求66所述的规划工具，其中，所述第一端点在相对于所述第二端点的横向偏移处，并且所述处理器配置成生成所述地下规划以适应所述横向偏移。

70.一种作为用于水平定向钻探的系统的一部分的规划工具，在所述系统中，钻机使用钻柱使钻具前进穿过大地以执行地下操作，所述钻柱具有从所述钻机延伸到所述钻具的钻柱长度，所述规划工具包括：

一个或多个轮子，其用于响应于操作者的移动而沿着路径在所述大地的表面上滚动；

编码器，其用于响应于所述轮子中的一个轮子的所述滚动而生成编码器输出；

噪声接收器，其用于响应于所述滚动而生成在频率带宽上的噪声数据；以及

处理器，其用于：(i)至少基于由所述编码器输出和所述加速度计输出所限定的所述路径的表面轮廓，为在从所述钻具进入所述大地的开始位置开始的所述路径下方的所述钻具生成地下规划，以及(ii)基于所述轮廓，使沿着所述大地的表面上方的所述路径测量的所述噪声数据与沿着所述地下规划距所述开始位置的距离相关联，使得对于所述地下路径上的任何给定位置，相关联的噪声数据的集合对应于所述路径上的位于所述给定位置正上方的顶部位置，以补偿沿着所述地下规划到达所述给定位置的第一距离与沿着所述路径到达所述顶部位置的第二距离之间的差异，所述差异由所述地下规划与所述路径之间的竖直偏移产生。

71.根据权利要求70所述的规划工具，其中，所述地下规划包括地下竖直轮廓，并且所述处理器配置成进一步补偿由于所述地下竖直轮廓引起的附加的竖直偏移。

72.一种与钻机推进钻具以穿过大地进行水平定向钻探的系统一起使用的规划工具，所述钻具发射电磁定位信号，所述系统包括可定位在所述大地的表面上的多个跟踪器，以用于基于接收到所述电磁定位信号而跟踪在地下的所述钻具，所述规划工具包括：

一个或多个轮子，其用于响应于操作者而沿着路径在所述大地的表面上滚动；

编码器，其用于响应于所述轮子中的一个轮子的所述滚动而生成编码器输出；以及

处理器，其用于基于所述编码器输出而测量沿着所述路径滚动的距离，并且响应于检测到所述规划工具已经滚动了指定距离，生成用于所述操作者将所述跟踪器中的一个跟踪器放置在所述路径上的指示。

73.根据权利要求72所述的规划工具，还包括：

加速度计，其包括至少一个测量轴线，所述加速度计用于在所述滚动期间生成表征所述规划工具的俯仰取向的加速度计输出；并且

所述处理器还配置成基于所述编码器输出和所述加速度计输出来确定所述路径在竖直平面中的表面轮廓，并且基于所述轮廓来生成将所述跟踪器中的一个跟踪器放置在所述路径上的进一步指示。

74.一种与钻机推进钻具以穿过大地进行水平定向钻探的系统一起使用的规划工具，所述钻具发射电磁定位信号，所述系统包括可定位在所述大地的表面上的多个跟踪器，以用于基于接收到所述电磁定位信号而跟踪在地下的所述钻具，所述规划工具包括：

一个或多个轮子，其用于响应于操作者而沿着路径在所述大地的表面上的滚动；

编码器，其用于响应于所述轮子中的一个轮子的所述滚动而生成编码器输出；

加速度计，其包括至少一个测量轴线，所述加速度计用于在所述滚动期间生成表征所述规划工具的俯仰取向的加速度计输出；以及

处理器，其配置成基于所述编码器输出和所述加速度计输出来确定所述路径在竖直平面中的表面轮廓，并且基于所述轮廓来生成将所述跟踪器中的一个跟踪器放置在所述路径上的指示。

75.一种与钻机推进钻具以穿过大地进行水平定向钻探的系统一起使用的规划工具，所述钻具发射电磁定位信号，所述系统包括可定位在所述大地的表面上的多个跟踪器，以用于基于接收到所述电磁定位信号而跟踪在地下的所述钻具，所述规划工具包括：

一个或多个轮子，其用于响应于操作者而沿着路径在所述大地的表面上滚动；

编码器，其用于响应于所述轮子中的一个轮子的所述滚动而生成编码器输出；

加速度计，其包括至少一个测量轴线，所述加速度计用于在所述滚动期间生成表征所述规划工具的俯仰取向的加速度计输出；以及

用户界面，其服务于操作者，以用于指定沿着所述路径的至少一个位置，所述跟踪器中的特定一个跟踪器由所述操作者放置在所述至少一个位置处，并且用户界面用于为在所述特定跟踪器正下方的目标位置处所述钻具输入目标深度；以及

处理器，其用于基于所述编码器输出和所述加速度计输出来确定所述路径在竖直平面中的表面轮廓，并且用于为在所述大地的表面下方穿过所述目标位置的所述钻具生成地下规划。

76.根据权利要求75所述的规划工具，其中，所述用户界面配置成接受在所述目标位置处的所述钻具的目标俯仰，并且所述处理器配置成确定所述地下规划，使得所述钻具以所述目标俯仰到达所述目标位置。

77.根据权利要求75所述的规划工具，其中，所述处理器基于所述轮廓和所述目标位置确定在所述目标位置处的所述钻具的目标俯仰。

78.一种作为用于水平定向钻探的系统的一部分的规划工具，在所述系统中，钻机使用钻柱使钻具前进穿过大地以执行地下操作，所述钻柱具有从所述钻机延伸到所述钻具的钻柱长度，所述规划工具包括：

一个或多个轮子，其用于响应于操作者的移动而沿着路径在所述大地的表面上滚动；

编码器，其用于响应于所述轮子中的一个轮子的所述滚动而生成编码器输出；

噪声接收器，其用于响应于所述滚动而生成在频率带宽上的噪声数据；以及

处理器，其用于：(i)至少基于由所述编码器输出和所述加速度计输出所限定的所述路径的表面轮廓，为在从所述钻具进入所述大地的开始位置开始的所述路径下方的所述钻具生成地下规划，以及(ii)基于在所述大地的表面处测量的所述噪声数据，生成沿与距离相关联的所述地下路径使用的频率集合选择。

79.根据权利要求78所述的规划工具，其中，所述处理器配置成自动选择频率集合。

80.根据权利要求78所述的规划工具，其中，所述处理器基于一个或多个用户选择生成所述频率集合选择。

81.一种用于规划在地下钻探作业期间钻具的移动的规划工具，所述钻具形成用于水平定向钻探的系统的一部分，在所述系统中，钻机使用从所述钻机延伸到所述钻具的钻柱使所述钻具前进穿过大地，所述规划工具包括：

一个或多个轮子，其用于响应于操作者的移动而沿着路径在所述大地的表面上滚动；

编码器，其用于响应于所述轮子中的一个轮子的所述滚动而生成编码器输出；

加速度计，其包括至少一个测量轴线，所述加速度计用于在所述滚动期间生成表征所述规划工具的俯仰取向的加速度计输出；以及

处理器，其配置成用于通过使所述钻具从当前点到目标端点的直线钻探量最大化以最小化弯曲钻探量来基于所述编码器输出和所述加速度计输出而开发从所述当前点到所述目标端点的地下规划。

82.根据权利要求81所述的规划工具，其中，所述处理器配置成开发所述地下规划的为弯曲的开始区段，以将所述钻具放置成处于所述钻具在直线路径上到达所述目标端点的航向。

83.根据权利要求81所述的规划工具，其中，所述处理器配置成迭代地开发所述地下规划的开始区段和所述地下规划的结束区段，使得所述开始区段和所述结束区段以所述开始区段的向前航向和所述结束区段的后向航向对准为由直线区段连接的方式朝向彼此延伸，从而所述钻具以指定的横摆取向和指定的俯仰取向到达所述目标端点。

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