CN116398111A - 一种面向地质勘测的岩土层钻进系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种面向地质勘测的岩土层钻进系统，属于钻进技术领域，包括钻机、传感器、信息处理单元、控制单元和人工智能AI，钻机、传感器、信息处理单元和控制单元连接在一起，传感器测量钻机的状态参数,传感器将测量数据传输给信息处理单元，信息处理单元用人工智能AI处理测量数据，并生成控制信号，信息处理单元将控制信号传输给控制单元，控制单元智能调整和控制钻机；一种面向地质勘测的岩土层钻进系统的方法，属钻进技术领域，步骤一，启动钻机、传感器、信息处理单元和控制单元；步骤二，测量钻机的钻进姿态；步骤三，将钻机的钻进姿态数据实时传输给信息处理单元，信息处理单元实时生成控制信号，控制单元调整和控制钻机。
Description
技术领域
本发明涉及岩石的钻进技术领域，具体为一种面向地质勘测的岩土层钻进系统及方法。
背景技术
在地质勘测中，获取岩土层的水文、水流、水质数据或者工程岩体数据是非常重要的，传统的钻进系统存在的智能化程度不高、效率低、成本高，在钻探过程中不能对钻机进行精准控制，影响钻机的效率，同时影响水文、水流、水质数据或者工程岩体数据的准确度，并且，工作人员测量和控制钻进系统的危险系数高。
发明内容
针对以上问题，至少解决其中一个问题，本发明的目的在于对钻机进行多维度测量，智能测量和控制钻机，智能调整钻进姿态，提高地质勘测的精准度，提升水文、水流、水质数据或者工程岩体数据的可靠性，提供一种面向地质勘测的岩土层钻进系统及方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种面向地质勘测的岩土层钻进系统，包括钻机、传感器、信息处理单元、控制单元和人工智能AI，钻机、传感器、信息处理单元和控制单元连接在一起，人工智能AI内置于信息处理单元和控制单元，传感器测量钻机的状态参数,若干传感器相互校正测量数据，传感器将测量数据传输给信息处理单元，信息处理单元用人工智能AI处理测量数据，并生成控制信号，信息处理单元将控制信号传输给控制单元，控制单元智能调整和控制钻机；需要说明的是，钻机是采集水文、水流、水质数据或者工程岩体数据的核心设备，通过传感器和信息处理单元测量钻机的姿态，控制单元控制和调整钻机的姿态；在钻机上安装多种类型的传感器，用于测量钻机的工作状态和环境条件，每个传感器测量到的数据将通过无线或有线方式传输给信息处理单元进行处理，信息处理单元采用计算机、微处理器或者FPGA（Field-Programmable Gate Array）芯片，且采用人工智能AI，对传感器测量到的数据进行实时处理和分析，并生成处理后的数据，处理后的数据包括钻机的状态数据和控制信号，信息处理单元将控制信号传输给控制单元，控制单元接收控制信号，根据控制信号调整和控制钻机的运行，控制单元采用计算机、嵌入式处理器或者可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller），且采用人工智能AI，调整和控制钻机的运行；实现了钻机的自动化控制，减少人为因素过多的影响，提高钻机的工作效率和可靠性；通过实时测量钻机的工作状态和环境条件，及时发现和预测可能出现的问题，减少钻机的维护和保养成本；采用多种类型的传感器进行测量，能够测量到钻机的多项参数，及时发现和处理异常情况，避免事故的发生；
进一步地，用于测量钻机的传感器包括重力加速度传感器、地磁场传感器、激光传感器、陀螺仪传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器和振动传感器；通过上述若干种传感器，重力加速度传感器、地磁场传感器、激光传感器、陀螺仪传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器和振动传感器的关联数据进行相互验证和校正，这些传感器之间的数据相互验证和校正可以带来以下好处，第一个好处，提高测量精度和准确性，不同传感器的测量误差和漂移可能会相互影响，导致测量结果不准确，通过相互验证和校正，可以减小误差和漂移，提高测量精度和准确性；第二个好处，提高数据可靠性和一致性，不同传感器的数据可能存在差异，通过相互验证和校正，可以提高数据的可靠性和一致性，减少数据误差和不一致性；第三个好处，实现多参数测量和测量，不同传感器可以测量和测量不同的物理量和环境参数，通过相互验证和校正，可以实现多参数测量和测量，提高测量的全面性和准确性；第四个好处，提高系统稳定性和可靠性，通过相互验证和校正，可以减小传感器误差和漂移，提高系统的稳定性和可靠性，减少系统故障和损坏的风险；综上所述，重力加速度传感器、地磁场传感器、激光传感器、陀螺仪传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器和振动传感器之间的相互验证和校正可以提高测量精度和准确性，提高数据可靠性和一致性，实现多参数测量和测量，提高系统稳定性和可靠性；
进一步地，激光传感器测量钻杆的长度、弯曲度和扭曲度，需要说明的是，激光传感器安装在钻杆中需要考虑多个因素，包括测量精度、安装位置、传感器尺寸、耐用性等，钻杆是中空的，采用以下两种安装方式之一，第一种安装方式是安装在钻杆内部，将激光传感器安装在钻杆内部，实现对钻杆内部的弯曲度和扭曲度的测量，这种方式需要考虑传感器的尺寸和形状，以及传感器与钻杆内壁的接触情况，此外，还需要考虑传感器的耐用性和可靠性，以避免在钻井过程中出现故障；第二种安装方式是安装在钻杆内部末端，将激光传感器安装在钻杆内部末端，实现对钻头位置和方向的测量，这种方式需要考虑传感器与钻头的接触情况，以及传感器的尺寸和重量对钻头的影响；激光传感器通过发射一束激光束，将其照射到被测物体上，并测量激光束的反射光强度、反射角度、时间等参数，从而实现对被测物体的测量和测量，具体来说，激光传感器发射一束激光束，将其照射到钻杆内表面上，并测量激光束的反射光强度和反射角度，当钻杆发生弯曲度或扭曲度时，钻杆表面的形状会发生变化，反射光的强度和角度也会发生变化，通过测量这些变化，激光传感器确定钻杆的弯曲度和扭曲度程度；激光传感器通过测量钻杆表面的形变来测量钻杆的弯曲度和扭曲度，当钻杆发生弯曲度或扭曲度时，钻杆表面的形状会发生变化，激光传感器通过测量这种变化来确定钻杆的姿态；激光传感器具有高精度、高灵敏度、高速度等优点，可以用于测量距离、速度、位移、形变、表面形貌等多种物理量；为了提高测量精度，在钻杆内设置多个激光传感器的测量点，以便更全面地测量钻杆的弯曲度和扭曲度，为了更全面地测量钻杆的状态和位置，激光传感器与其他传感器结合使用，以提高测量精度和准确性；
进一步地，陀螺仪传感器测量钻杆的旋转和倾斜；需要说明的是，陀螺仪传感器安装在钻杆中的方式和激光传感器的安装方式相同，陀螺仪传感器通过测量钻杆的角速度和角度来测量钻杆的旋转和倾斜，具体来说，陀螺仪传感器通过测量钻杆绕三个轴（X、Y、Z轴）的角速度和角度来确定钻杆的旋转和倾斜程度；陀螺仪传感器的工作原理是利用陀螺效应，即物体在旋转时，由于惯性作用而产生的一种现象，当钻杆绕某个轴旋转时，会产生一个垂直于旋转轴的力矩，这个力矩被称为陀螺力矩，陀螺仪传感器利用这种现象，通过测量陀螺力矩来确定钻杆的旋转和倾斜程度；具体来说，陀螺仪传感器内部包含一个或多个旋转的陀螺，当钻杆旋转时，陀螺会受到陀螺力矩的作用，从而产生一个电信号，通过测量这个电信号的大小和方向，陀螺仪传感器可以确定钻杆绕三个轴的角速度和角度，从而实现对钻杆的旋转和倾斜的测量和测量；陀螺仪传感器通常会采用微机电系统（MEMS）技术或光纤陀螺仪技术，以提高测量精度和准确性，为了更全面地测量钻杆的状态和位置，陀螺仪传感器与其他传感器结合使用，以提高测量精度和准确性。
一种面向地质勘测的岩土层钻进系统的方法，实现所述方法的具体步骤如下：
步骤一，启动钻机、传感器、信息处理单元和控制单元；需要说明的是，确保钻机和传感器等设备和人员的安全，在启动前检查所有设备和传感器是否符合安全标准；在启动前，要确保所有设备和传感器已经正确连接和配置，并进行了必要的调试和校准工作，以确保其正常运行；确保信息处理单元和控制单元已经正确连接，并已经加载了正确的控制软件和驱动程序，包括人工智能AI；启动前要确定数据记录和分析的方案，以确保收集到的数据可靠、准确，并能够为后续的解释和分析提供支持；在启动后，要对设备和传感器进行测量和维护，确保其正常运行，及时处理故障和损坏，并进行必要的维修和更换；
步骤二，重力加速度传感器测量钻杆和钻头的倾斜和加速度数据，地磁场传感器测量钻机的方位和位置，陀螺仪传感器测量钻杆的旋转和倾斜，激光传感器测量钻杆的长度、弯曲度和扭曲度；需要说明的是，这四种传感器可以相互验证数据，比如钻杆和钻头的倾斜和加速度数据可以通过重力加速度传感器和陀螺仪传感器进行验证，如果两种传感器的数据相一致，则说明数据准确可靠，地磁场传感器和陀螺仪传感器可以同时用于测量钻机的方位和位置，如果两种传感器的数据相一致，则说明数据准确可靠，激光传感器测量钻杆的长度、弯曲度和扭曲度可以与重力加速度传感器和陀螺仪传感器的数据进行比较，如果三者的数据相互验证，则说明数据准确可靠；通过重力加速度传感器、地磁场传感器测量、陀螺仪传感器和激光传感器测量钻杆和钻头的位置，
实时确定钻杆或钻头的位置的公式：
Sx=X1+∫VXdt
SY=Y1+∫VYdt
SZ=Z1+∫VZdt
其中，Sx表示在X轴的位移量，SY表示在Y轴的位移量，SZ表示在Z轴的位移量，VX表示在X轴的瞬时速度,VY表示在Y轴的瞬时速度,VZ表示在Z轴的瞬时速度, ∫表示积分，dt表示时间的微分，X1表示在X轴的位移初始量，Y1表示在Y轴的位移初始量，Y1表示在Y轴的位移初始量；
进一步地，其中，在步骤二中，重力加速度传感器用来测量钻机的倾斜和运动状态，数据采集器用来接收重力加速度传感器的数据，并将数据传输到计算机上进行处理和分析，计算机可以实时测量钻机的运行状态，并提供相应的数据报告和分析结果，从而给钻机的自动控制提供数据支持；重力加速度传感器测量钻杆和钻头的倾斜和加速度数据的具体步骤如下：
步骤A1，重力加速度传感器测量钻机的钻杆和钻头的加速度，将加速度在三维坐标系中分解，获得X轴、Y轴、Z轴三个方向上的加速度分量；
步骤A2，计算加速度分量的平均值；对钻机的钻杆和钻头在X轴、Y轴和Z轴的加速度分量分别计算平均值，具体为，在一定时间范围内，以1秒钟为例，将测量的加速度值分别相加，再除以测量次数，得到平均值；
步骤A3，计算加速度分量的夹角；根据三个轴的平均值，计算出钻机的钻杆和钻头相对于水平面的夹角，即俯仰角和横滚角,需要说明的是，钻机的钻杆和钻头的横滚角是指钻机在作业中左右摆动的角度；
步骤A4，对测量的加速度数据进行滤波；为了提高数据的精度和稳定性，可以对测量数据进行滤波处理，去除噪声；
步骤A5，测量钻机的运动状态；通过对加速度的变化率进行分析，测量出钻机的运动状态，例如直线运动、曲线运动、静止、加速或减速，为实现钻机的自动控制提供数据；
步骤A6，校正重力加速度传感器的测量误差；在重力加速度传感器安装和使用的过程中，存在误差的几率，通过校正的方式来修正，例如，根据钻机的实际倾斜程度，调整俯仰角和横滚角的计算结果；
进一步地，其中，在步骤二中，用地磁场传感器测量钻机的方位和位置，需要说明的是，通过测量地磁场的变化来确定钻机的钻杆和钻头在地下的具体位置和方向，从而提供更精确的控制和导航信息，帮助钻头在地下作业中更加准确和高效地钻探，同时，地磁场传感器还用于钻孔导向和定位，可以测量钻杆和钻头的偏移和倾斜情况，并及时发出警报，以保证钻杆和钻头的安全和稳定；地磁场传感器测量钻机方位和位置的具体步骤如下：
步骤B1，将地磁场传感器安装在钻机上方，保证其能够准确地采集到地磁场信号；
步骤B2，设置数据处理的软件和硬件，如采样频率、数据存储格式等；需要说明的是，数据采集器用来接收地磁场传感器的数据，并将数据传输到计算机上进行处理和分析，计算机可以实时测量钻机的运行状态，并提供相应的数据报告和分析结果，从而给钻机的自动控制提供数据支持；
步骤B3，启动测量程序，实时采集地磁场信号，并将其转换为数字信号；需要说明的是，将所采集的地磁场数据进行预处理，由于地磁场受到地球磁场、人工磁场和地下物体等多种因素的影响，因此在进行位置确定之前需要对数据进行处理，以排除非钻机位置因素的影响；
步骤B4，根据地磁场信号参数确定钻杆或钻头位置；需要说明的是，控制钻机工作状态的核心目的是在控制钻杆或钻头位置，根据地磁场信号参数，对采集到的地磁场信号进行处理判断，基于信号参数，通过数学计算确定钻机当前的位置，实现对钻机工作状态的测量；当钻机工作状态出现异常时，报警模块将发出预警或报警信号；根据位置数据变化，当钻机位置变化很快时，通过控制钻机速度来实现位置的准确性，当钻机位置变化很慢时，通过提高钻机速度来钻进的效率；
步骤B5，数据处理模块将采集到的地磁场信号和测量结果进行记录，并将结果显示在显示模块上，方便操作人员进行查看和管理；采用地磁场传感器作为测量设备，采集的地磁场信号能够更加准确地反映钻机的工作状态，从而实现对钻机的更加精确的测量；通过数据处理判断钻机工作状态，在钻机操作不当、出现异常情况时能够及时预警和处理，从而避免对钻机和操作人员造成危害；
步骤三，将钻机的钻进姿态数据实时传输给信息处理单元，信息处理单元实时生成控制信号，控制单元根据控制信号动态调整和控制钻机；需要说明的是，对钻机的调整和控制，包括倾斜、运动状态、方位和位置等。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
（1）、实现了钻机的自动化控制，减少人为因素过多的影响，提高钻机的工作效率和可靠性；通过实时测量钻机的工作状态和环境条件，及时发现和预测可能出现的问题，减少钻机的维护和保养成本；采用多种类型的传感器进行测量，能够测量到钻机的多项参数，及时发现和处理异常情况，避免事故的发生；
（2）、采用高精度的压力传感器，对各种复杂的地质环境下的压力变化进行高精度、高灵敏度的测量和反馈，确保钻机的运作安全和稳定；测量装置能够对钻机的关键部件进行实时测量和数据分析，及时测量出异常情况并给予相应的警报提示，确保钻机在不良环境下稳定运行；
（3）、将各个重力加速度传感器采集到的数据进行校正和融合，得到更为准确的重力加速度测量结果，在协同校正的过程中，需要充分考虑各传感器的位置和距离差异等因素，综合考虑各因素对测量结果的影响，以得到更为准确的结果；
（4）、采用地磁场传感器作为测量设备，采集的地磁场信号能够更加准确地反映钻机的工作状态，从而实现对钻机的更加精确的测量；通过数据处理判断钻机工作状态，在钻机操作不当、出现异常情况时能够及时预警和处理，从而避免对钻机和操作人员造成危害；
（5）、重力加速度传感器、地磁场传感器、激光传感器、陀螺仪传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器和振动传感器的关联数据进行相互验证和校正，这些传感器之间的数据相互验证和校正可以带来以下好处，第一个好处，提高测量精度和准确性，不同传感器的测量误差和漂移可能会相互影响，导致测量结果不准确，通过相互验证和校正，可以减小误差和漂移，提高测量精度和准确性；第二个好处，提高数据可靠性和一致性，不同传感器的数据可能存在差异，通过相互验证和校正，可以提高数据的可靠性和一致性，减少数据误差和不一致性；第三个好处，实现多参数测量和测量，不同传感器可以测量和测量不同的物理量和环境参数，通过相互验证和校正，可以实现多参数测量和测量，提高测量的全面性和准确性；第四个好处，提高系统稳定性和可靠性，通过相互验证和校正，可以减小传感器误差和漂移，提高系统的稳定性和可靠性，减少系统故障和损坏的风险；综上所述，重力加速度传感器、地磁场传感器、激光传感器、陀螺仪传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器和振动传感器之间的相互验证和校正可以提高测量精度和准确性，提高数据可靠性和一致性，实现多参数测量和测量，提高系统稳定性和可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1是一种面向地质勘测的岩土层钻进系统的功能结构示意图；
图2是一种面向地质勘测的岩土层钻进系统的方法的流程示意图；
图3是一种面向地质勘测的岩土层钻进系统的方法的三个地磁场传感器确定钻杆或者钻头的位置模型示意图。
实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对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部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征和技术方案可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1，如图1所示，本发明提供了一种面向地质勘测的岩土层钻进系统，包括钻机、传感器、信息处理单元、控制单元和人工智能AI，钻机、传感器、信息处理单元和控制单元连接在一起，人工智能AI内置于信息处理单元和控制单元，传感器测量钻机的状态参数,若干传感器相互校正测量数据，传感器将测量数据传输给信息处理单元，信息处理单元用人工智能AI处理测量数据，并生成控制信号，信息处理单元将控制信号传输给控制单元，控制单元智能调整和控制钻机；需要说明的是，钻机是采集水文、水流、水质数据或者工程岩体数据的核心设备，通过传感器和信息处理单元测量钻机的姿态，控制单元控制和调整钻机的姿态；在钻机上安装多种类型的传感器，用于测量钻机的工作状态和环境条件，每个传感器测量到的数据将通过无线或有线方式传输给信息处理单元进行处理，信息处理单元采用计算机、微处理器或者FPGA芯片，且采用人工智能AI，对传感器测量到的数据进行实时处理和分析，并生成处理后的数据，处理后的数据包括钻机的状态数据和控制信号，信息处理单元将控制信号传输给控制单元，控制单元接收控制信号，根据控制信号调整和控制钻机的运行，控制单元采用计算机、嵌入式处理器或者可编程逻辑控制器PLC（ProgrammableLogic Controller），且采用人工智能AI，调整和控制钻机的运行；实现了钻机的自动化控制，减少人为因素过多的影响，提高钻机的工作效率和可靠性；通过实时测量钻机的工作状态和环境条件，及时发现和预测可能出现的问题，减少钻机的维护和保养成本；采用多种类型的传感器进行测量，能够测量到钻机的多项参数，及时发现和处理异常情况，避免事故的发生；
进一步地，用于测量钻机的传感器包括重力加速度传感器、地磁场传感器、激光传感器、陀螺仪传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器和振动传感器；通过上述若干种传感器，用于测量钻机在作业过程中的振动、脉动、位置、温度、湿度、压力、动态与静态不平衡等情况；信号放大器将传感器采集的信号进行放大，并传输到信息处理单元，信息处理单元对传感器测量到的数据进行实时处理和分析，并生成钻机的状态数据和控制信号，将控制信号传输给控制单元，控制单元根据控制信号调整和控制钻机的运行；实时测量钻机工作状态，从而提高了钻机的工作效率和安全性；信号放大器能够有效地提高传感器的信号强度；
进一步地，激光传感器测量钻杆的长度、弯曲度和扭曲度，需要说明的是，激光传感器安装在钻杆中需要考虑多个因素，包括测量精度、安装位置、传感器尺寸、耐用性等，采用以下两种安装方式之一，第一种安装方式是安装在钻杆内部，将激光传感器安装在钻杆内部，实现对钻杆内部的弯曲度和扭曲度的测量，这种方式需要考虑传感器的尺寸和形状，以及传感器与钻杆内壁的接触情况，此外，还需要考虑传感器的耐用性和可靠性，以避免在钻井过程中出现故障；第二种安装方式是安装在钻杆内部末端，将激光传感器安装在钻杆内部末端，可以实现对钻头位置和方向的测量，这种方式需要考虑传感器与钻头的接触情况，以及传感器的尺寸和重量对钻头的影响；激光传感器通过发射一束激光束，将其照射到被测物体上，并测量激光束的反射光强度、反射角度、时间等参数，从而实现对被测物体的测量和测量，具体来说，激光传感器发射一束激光束，将其照射到钻杆内表面上，并测量激光束的反射光强度和反射角度，当钻杆发生弯曲度或扭曲度时，钻杆表面的形状会发生变化，反射光的强度和角度也会发生变化，通过测量这些变化，激光传感器确定钻杆的弯曲度和扭曲度程度；激光传感器通过测量钻杆表面的形变来测量钻杆的弯曲度和扭曲度，当钻杆发生弯曲度或扭曲度时，钻杆表面的形状会发生变化，激光传感器可以通过测量这种变化来确定钻杆的姿态；激光传感器具有高精度、高灵敏度、高速度等优点，可以用于测量距离、速度、位移、形变、表面形貌等多种物理量；为了提高测量精度，在钻杆内设置多个激光传感器的测量点，以便更全面地测量钻杆的弯曲度和扭曲度，为了更全面地测量钻杆的状态和位置，激光传感器与其他传感器结合使用，以提高测量精度和准确性；
进一步地，陀螺仪传感器测量钻杆的旋转和倾斜；需要说明的是，陀螺仪传感器安装在钻杆中的方式和激光传感器的安装方式相同，陀螺仪传感器通过测量钻杆的角速度和角度来测量钻杆的旋转和倾斜，具体来说，陀螺仪传感器通过测量钻杆绕三个轴（X、Y、Z轴）的角速度和角度来确定钻杆的旋转和倾斜程度；陀螺仪传感器的工作原理是利用陀螺效应，即物体在旋转时，由于惯性作用而产生的一种现象，当钻杆绕某个轴旋转时，会产生一个垂直于旋转轴的力矩，这个力矩被称为陀螺力矩，陀螺仪传感器利用这种现象，通过测量陀螺力矩来确定钻杆的旋转和倾斜程度；具体来说，陀螺仪传感器内部包含一个或多个旋转的陀螺，当钻杆旋转时，陀螺会受到陀螺力矩的作用，从而产生一个电信号，通过测量这个电信号的大小和方向，陀螺仪传感器可以确定钻杆绕三个轴的角速度和角度，从而实现对钻杆的旋转和倾斜的测量和测量；陀螺仪传感器通常会采用微机电系统（MEMS）技术或光纤陀螺仪技术，以提高测量精度和准确性，为了更全面地测量钻杆的状态和位置，陀螺仪传感器与其他传感器结合使用，以提高测量精度和准确性；
进一步地，地磁场传感器安装在钻机上方，地磁场传感器的数据线与信息处理单元，信息处理单元和控制单元用数据线连接，控制单元控制电机，需要说明的是，通过测量地磁场的变化来确定钻机的钻杆和钻头在地下的具体位置和方向，从而提供更精确的控制和导航信息，帮助钻头在地下作业中更加准确和高效地钻探；
进一步地，温度传感器安装在钻机上，温度传感器的数据线与信息处理单元，信息处理单元和控制单元用数据线连接，控制单元控制电机；需要说明的是，温度传感器用于测量钻进过程中的温度变化，预测设备故障并及时进行维护，避免设备故障给生产带来不必要的停机时间，从而提高钻机的生产效率；并发现可能存在的安全隐患，比如发动机过热、电气设备过载等问题，在预防钻机安全事故方面具有重要作用；更精确地分析钻机运行状况，提高生产计划的制定与调整的精准性，从而进一步优化生产效率；
进一步地，湿度传感器安装在钻机上，湿度传感器的数据线与信息处理单元，信息处理单元和控制单元用数据线连接，控制单元控制电机；需要说明的是，湿度传感器测量钻机的工作环境湿度，并及时反馈数据，以预防设备因湿度过高或过低而导致的故障；保持钻机运行环境稳定，从而保证设备安全高效运行；湿度传感器可以帮助测量并避免因湿度异常而造成的危险；适宜的湿度可以延长钻机的使用寿命，因此，湿度传感器可以保证钻机在合适的湿度环境下工作，从而延长钻机的使用寿命；帮助控制钻机工作环境中的湿度，使环境湿度在适宜范围内，提高钻机的工作效率和生产质量；
进一步地，压力传感器安装在钻机的若干位置，压力传感器的数据线与信息处理单元，信息处理单元和控制单元用数据线连接，控制单元控制电机，比如，钻机的若干位置包括钻杆、钻头和液压系统；需要说明的是，采用高精度的压力传感器，对各种复杂的地质环境下的压力变化进行高精度、高灵敏度的测量和反馈，确保钻机的运作安全和稳定；测量装置能够对钻机的关键部件进行实时测量和数据分析，及时测量出异常情况并给予相应的警报提示，确保钻机在不良环境下稳定运行；
进一步地，振动传感器安装在钻机的若干位置， 比如，钻机的若干位置包括钻杆和钻头，振动传感器的数据线与信息处理单元，信息处理单元和控制单元用数据线连接，控制单元控制电机；需要说明的是，实现对钻机振动的实时准确测量，避免了传统的人工巡检方式的缺陷；
进一步地，重力加速度传感器安装在钻机的钻杆内，重力加速度传感器、信息处理单元和控制单元用数据线连接，控制单元控制电机；需要说明的是，重力加速度传感器和安装座，安装座固定在钻机的钻杆内部，重力加速度传感器则安装在安装座上，并与安装座通过固定结构连接，安装座采用灵活可调的设计，适应不同直径和材质的钻杆，同时具有防震和防冲击等性能，重力加速度传感器的输出信号通过导线连接至钻机的数据采集系统，实现对钻杆姿态、角度和位移的实时测量；通过将重力加速度传感器安装在钻机的钻杆内部，可以有效地防止传感器受到外部振动和冲击的影响，从而提高了传感器的稳定性和可靠性；同时，采用灵活可调的安装座，可以适应不同直径和材质的钻杆，实现了对系统的灵活性和可扩展性；
更进一步地，若干个重力加速度传感器以线性方式安装在钻机的钻杆内；需要说明的是，若干个重力加速度传感器以线性方式安装在钻机的钻杆内，重力加速度传感器的个数大于等于两个，在安装的过程中，需要保证各个重力加速度传感器的位置和距离匀称，重力加速度传感器的数量可以根据需要适当增加或减少；通过采集各个重力加速度传感器的重力加速度数据，并进行数据处理和校正，减少外部因素的影响，重力加速度传感器采样频率应足以满足数据处理和校正的要求；将各个重力加速度传感器采集到的数据进行校正和融合，得到更为准确的重力加速度测量结果，在协同校正的过程中，需要充分考虑各传感器的位置和距离差异等因素，综合考虑各因素对测量结果的影响，以得到更为准确的结果。
实施例2，如图2至图3所示，本发明提供了一种面向地质勘测的岩土层钻进系统的方法，实现所述方法的具体步骤如下：
步骤一，启动钻机、传感器、信息处理单元和控制单元；
步骤二，重力加速度传感器测量钻杆和钻头的倾斜和加速度数据，地磁场传感器测量钻机的方位和位置，陀螺仪传感器测量钻杆的旋转和倾斜，激光传感器测量钻杆的长度、弯曲度和扭曲度；
步骤三，将钻机的钻进姿态数据实时传输给信息处理单元，信息处理单元实时生成控制信号，控制单元根据控制信号动态调整和控制钻机。
其中，步骤一，启动钻机、传感器、信息处理单元和控制单元；需要说明的是，确保钻机和传感器等设备和人员的安全，在启动前检查所有设备和传感器是否符合安全标准；在启动前，要确保所有设备和传感器已经正确连接和配置，并进行了必要的调试和校准工作，以确保其正常运行；确保信息处理单元和控制单元已经正确连接，并已经加载了正确的控制软件和驱动程序，包括人工智能AI；启动前要确定数据记录和分析的方案，以确保收集到的数据可靠、准确，并能够为后续的解释和分析提供支持；在启动后，要对设备和传感器进行测量和维护，确保其正常运行，及时处理故障和损坏，并进行必要的维修和更换；
为了更好的实现本发明的目的，步骤二，重力加速度传感器测量钻杆和钻头的倾斜和加速度数据，地磁场传感器测量钻机的方位和位置，陀螺仪传感器测量钻杆的旋转和倾斜，激光传感器测量钻杆的长度、弯曲度和扭曲度；需要说明的是，钻机的钻进姿态影响采集水文、水流、水质数据或者工程岩体数据的精确度，比如，钻机倾斜，直接造成钻取不到预定区域的岩石，绘制地质剖面图，形成地下水流的分布图、水质状况的变化图以及岩石的结构、性质和分布图，都会出现误差；测量钻机的传感器包括重力加速度传感器、地磁场传感器、温度传感器和湿度传感器，传感器用于对钻机工作状态进行实时测量和数据采集，信号接收器用于接收传感器采集的数据信号，并将其传输至处理器进行处理分析，其中，传感器采用了具有高灵敏度和高准确度的技术手段，包括：传感器的敏感元件采用了高灵敏度的光电传感器，具有响应速度快和信号输出稳定的优势，更准确地反映钻机工作状态的变化；传感器的电路部分采用数字信号处理技术，对传感器采集的信号进行精准的数值转换，提高传感器的信号分辨率和信息传输速度；传感器的外壳结构采用具有优秀的机械强度和耐腐蚀性的材料，抵抗复杂的工作环境对传感器的影响；传感器准确地反映钻机工作状态的变化，有利于提高钻机的运行效率和安全性；
进一步地，其中，在步骤二中，重力加速度传感器用来测量钻机的倾斜和运动状态，数据采集器用来接收重力加速度传感器的数据，并将数据传输到计算机上进行处理和分析，计算机可以实时测量钻机的运行状态，并提供相应的数据报告和分析结果，从而给钻机的自动控制提供数据支持；重力加速度传感器测量钻杆和钻头的倾斜和加速度数据的具体步骤如下：
步骤A1，重力加速度传感器测量钻机的钻杆和钻头的加速度，将加速度在三维坐标系中分解，获得X轴、Y轴、Z轴三个方向上的加速度分量；
步骤A2，计算加速度分量的平均值；对钻机的钻杆和钻头在X轴、Y轴和Z轴的加速度分量分别计算平均值，具体为，在一定时间范围内，以1秒钟为例，将测量的加速度值分别相加，再除以测量次数，得到平均值；
步骤A3，计算加速度分量的夹角；根据三个轴的平均值，计算出钻机的钻杆和钻头相对于水平面的夹角，即俯仰角和横滚角,需要说明的是，钻机的钻杆和钻头的横滚角是指钻机在作业中左右摆动的角度；
步骤A4，对测量的加速度数据进行滤波；为了提高数据的精度和稳定性，可以对测量数据进行滤波处理，去除噪声；
步骤A5，测量钻机的运动状态；通过对加速度的变化率进行分析，测量出钻机的运动状态，例如直线运动、曲线运动、静止、加速或减速，为实现钻机的自动控制提供数据；
步骤A6，校正重力加速度传感器的测量误差；在重力加速度传感器安装和使用的过程中，存在误差的几率，通过校正的方式来修正，例如，根据钻机的实际倾斜程度，调整俯仰角和横滚角的计算结果；
进一步地，其中，在步骤二中，用地磁场传感器测量钻机的方位和位置，需要说明的是，通过测量地磁场的变化来确定钻机的钻杆和钻头在地下的具体位置和方向，从而提供更精确的控制和导航信息，帮助钻头在地下作业中更加准确和高效地钻探，同时，地磁场传感器还用于钻孔导向和定位，可以测量钻杆和钻头的偏移和倾斜情况，并及时发出警报，以保证钻杆和钻头的安全和稳定；地磁场传感器测量钻机方位和位置的具体步骤如下：
步骤B1，将地磁场传感器安装在钻机上方，保证其能够准确地采集到地磁场信号；
步骤B2，设置数据处理的软件和硬件，如采样频率、数据存储格式等；需要说明的是，数据采集器用来接收地磁场传感器的数据，并将数据传输到计算机上进行处理和分析，计算机可以实时测量钻机的运行状态，并提供相应的数据报告和分析结果，从而给钻机的自动控制提供数据支持；
步骤B3，启动测量程序，实时采集地磁场信号，并将其转换为数字信号；需要说明的是，将所采集的地磁场数据进行预处理，由于地磁场受到地球磁场、人工磁场和地下物体等多种因素的影响，因此在进行位置确定之前需要对数据进行处理，以排除非钻机位置因素的影响；
步骤B4，根据地磁场信号参数确定钻杆或钻头位置；需要说明的是，控制钻机工作状态的核心目的是在控制钻杆或钻头位置，根据地磁场信号参数，对采集到的地磁场信号进行处理判断，基于信号参数，通过数学计算确定钻机当前的位置，实现对钻机工作状态的测量；当钻机工作状态出现异常时，报警模块将发出预警或报警信号；根据位置数据变化，当钻机位置变化很快时，通过控制钻机速度来实现位置的准确性，当钻机位置变化很慢时，通过提高钻机速度来钻进的效率；根据地磁场信号参数确定钻杆或钻头位置的具体步骤如下：
步骤C1，获取地磁场传感器数据，使用地磁场传感器测量地球磁场的方向和强度，并将数据传输到钻机控制单元；
步骤C2，通过地磁场传感器数据计算方位角，需要说明的是，在三维坐标系中，通过计算地磁场传感器数据中的方位角来确定地球磁场的方向；
步骤C3，确定数据之间的关系，利用磁场的强度进行位置估算，需要说明的是，在三维坐标系中，结合地磁场传感器数据建立三角形的数据关系，采用三角函数来计算边和角的关系，地磁场的强度随着距离的增加而减弱，因此使用地磁场强度来估算钻机的位置，钻机的位置包括钻机的主体、钻杆和钻头，确定钻机的主体、钻杆和钻头的位置，采用三角函数来计算；
结合图3，设钻杆或者钻头的位置为P，地磁场传感器在三个不同位置分别为A、B、C，并分别测得钻杆或者钻头在三个位置的地磁场矢量BP、CP、AP，设三个位置之间的距离分别为a、b、c，具体的是AB的长度为a,BC的长度为b,CA的长度为则c，由于地球磁场的方向是指向地球北极的，因此将地球磁场矢量BP、CP、AP分解成与地球自转轴方向垂直的水平分量和与地球自转轴方向平行的垂直分量，其中水平分量即为地球磁场在水平面上的投影，垂直分量即为地球磁场在地球自转轴方向上的投影，设地球磁场在三个位置分别的水平分量和垂直分量分别为BPx, BPy, BPz等，类似地，CPx, CPy, CPz, APx, APy, APz；
根据三角形余弦定理，可以计算出三个位置的夹角，进而计算出三个位置之间的相对方向向量，如B到A的方向向量为(-asinα, -asinβ, -acosγ)，其中α、β、γ分别为BPA三角形的三个角的大小；
同时，通过计算三个位置之间的中心点，来确定0的位置，即地球磁场的参考点，假设中心点为O(x0, y0, z0)，则有：
x0= (axA+bxB+cxC)/(a+b+c)
y0= (ayA+byB+cyC)/(a+b+c)
z0= (azA+bzB+czC)/(a+b+c)
ax表示在X轴的分量，ay表示在Y轴的分量，az表示在Z轴的分量，bx表示在X轴的分量，by表示在Y轴的分量，bz表示在Z轴的分量，cx表示在X轴的分量，cy表示在Y轴的分量，cz表示在Z轴的分量；
由此求得地球磁场在0位置的磁场分量 BOx, BOy, BOz，即地球磁场矢量BP0、CP0、AP0的水平分量和垂直分量，在Z轴的分量，如BP0z=BOz-BPz，最后，通过三个位置的磁场分量来计算出地球磁场在0位置的磁场矢量的大小和方向；
计算三个位置的地球磁场矢量BP0、CP0、AP0，具体公式如下：
BP0 = BP×a÷|BP|
CP0 = CP×b÷|CP|
AP0 = AP×c÷|AP|
其中，|BP|、|CP|、|AP|分别表示BP、CP、AP的模，×表示乘法，÷表示除法，
计算三个位置之间的夹角α、β、γ，具体公式如下：
cosα= (b2+a2-c2)÷ (2×b×a)
cosβ= (c2+b2-a2)÷ (2×c×b)
cosγ= (a2+c2-b2)÷ (2×a×c)
计算钻杆或者钻头的位置P的经度和纬度，具体公式如下：
cosφ = BP0×CP0÷(|BP0|×|CP0|)
tanθ = BP0×AP0÷(|BP0|×|AP0|)
cosθ = AP0÷(|BP0|×cosφ)
其中，φ表示纬度，θ表示经度，根据cosθ的正负来确定θ的范围；
步骤C4，对数学模型进行误差调整，需要说明的是，由于地球磁场本身存在微小的变化和随机误差，因此要进行误差调整，以便更准确地估算钻机的位置；
步骤C5，根据算法计算的结果，输出钻杆或钻头的位置信息，需要说明的是，将位置信息直接传输到钻机控制单元中，用于控制和调整钻机的工作状态；
步骤B5，数据处理模块将采集到的地磁场信号和测量结果进行记录，并将结果显示在显示模块上，方便操作人员进行查看和管理；采用地磁场传感器作为测量设备，采集的地磁场信号能够更加准确地反映钻机的工作状态，从而实现对钻机的更加精确的测量；通过数据处理判断钻机工作状态，在钻机操作不当、出现异常情况时能够及时预警和处理，从而避免对钻机和操作人员造成危害；
进一步地，其中，在步骤二中，激光传感器测量激光束反射光强度，计算钻杆的长度，激光传感器测量激光束的反射角度和时间，计算钻杆的弯曲度和扭曲度；需要说明的是，激光传感器测量钻杆的长度，激光传感器将发射激光束并测量发射和反射之间的时间差，根据反射激光的时间和光速等因素，计算出钻杆的长度；
激光传感器测量钻杆的形变，计算钻杆弯曲度和扭曲度的具体步骤如下：
步骤D1,将激光传感器固定在钻杆末端，并调整激光的位置和角度，使其垂直于钻杆的轴线；
步骤D2,启动激光传感器，并记录钻杆的初始位置；
步骤D3,在测量过程中，钻杆会发生弯曲和扭曲，导致激光传感器读取到不同的值，根据激光传感器的读数和初始位置，可以计算出钻杆的弯曲度和扭曲度；使用以下数学公式计算钻杆的弯曲度和扭曲度：
K1=(L2–L1)÷(2×L×R)
K2=(ω2–ω1)÷L
其中，K1表示弯曲度，K2表示扭曲度，L是钻杆的长度；R是钻杆的曲率半径，L1和L2分别是初始位置和测量位置到钻杆轴线的距离，ω1和ω2分别是初始位置和测量位置的旋转角度，×表示乘法，÷表示除法；激光传感器测量钻杆的长度、弯曲度和扭曲度，从而带来以下几个好处：提高钻井作业效率：激光传感器能够实时测量钻杆的弯曲度和扭曲度情况，及时发现问题，避免因钻杆变形而导致的钻进速度下降等问题，从而提高钻井作业效率；保障工作人员安全：钻杆弯曲度和扭曲度会对钻井平台和工作人员的安全造成威胁，通过使用激光传感器，能够及时掌握钻杆变形情况，提前预警，避免因钻杆断裂而对工作人员造成危险；延长钻杆使用寿命：钻杆的弯曲度和扭曲度会加速其疲劳损伤，缩短其使用寿命，通过使用激光传感器，及时发现钻杆变形情况，并采取相应的措施进行维护，能够有效延长钻杆的使用寿命；提高钻井质量：钻杆弯曲度和扭曲度会对钻进的质量产生负面影响，通过使用激光传感器，能够及时发现钻杆变形情况，采取相应的措施进行调整，从而提高钻井的质量；
为了更好的实现本发明的目的，步骤三，将钻机的钻进姿态数据实时传输给信息处理单元，信息处理单元实时生成控制信号，控制单元根据控制信号动态调整和控制钻机；需要说明的是，对钻机的调整和控制，包括倾斜、运动状态、方位和位置等。
以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种面向地质勘测的岩土层钻进系统，包括钻机、传感器、信息处理单元、控制单元和人工智能AI，其特征在于：钻机、传感器、信息处理单元和控制单元连接在一起，人工智能AI内置于信息处理单元和控制单元，传感器测量钻机的状态参数,若干传感器相互校正测量数据，传感器将测量数据传输给信息处理单元，信息处理单元用人工智能AI处理测量数据，并生成控制信号，信息处理单元将控制信号传输给控制单元，控制单元智能调整和控制钻机。
2.根据权利要求1所述的一种面向地质勘测的岩土层钻进系统，其特征在于：用于测量钻机的传感器包括重力加速度传感器、地磁场传感器、激光传感器、陀螺仪传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器和振动传感器。
3.根据权利要求2所述的一种面向地质勘测的岩土层钻进系统，其特征在于：激光传感器测量钻杆的长度、弯曲度和扭曲度。
4.根据权利要求2所述的一种面向地质勘测的岩土层钻进系统，其特征在于：陀螺仪传感器测量钻杆的旋转和倾斜。
5.根据权利要求2所述的一种面向地质勘测的岩土层钻进系统，其特征在于：重力加速度传感器安装在钻机的钻杆内，重力加速度传感器、信息处理单元和控制单元用数据线连接，控制单元控制电机。
6.根据权利要求5所述的一种面向地质勘测的岩土层钻进系统，其特征在于：若干个重力加速度传感器以线性方式安装在钻机的钻杆内。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的一种面向地质勘测的岩土层钻进系统的方法，其特征在于：步骤一，启动钻机、传感器、信息处理单元和控制单元；
步骤二，重力加速度传感器测量钻杆和钻头的倾斜和加速度数据，地磁场传感器测量钻机的方位和位置，陀螺仪传感器测量钻杆的旋转和倾斜，激光传感器测量钻杆的长度、弯曲度和扭曲度；
步骤三，将钻机的钻进姿态数据实时传输给信息处理单元，信息处理单元实时生成控制信号，控制单元根据控制信号动态调整和控制钻机。
8.根据权利要求7所述的一种面向地质勘测的岩土层钻进系统的方法，其特征在于：在步骤二中，重力加速度传感器测量钻杆和钻头的倾斜和加速度数据的具体步骤如下：
步骤A1，重力加速度传感器测量钻机的钻杆和钻头的加速度，将加速度在三维坐标系中分解，获得X轴、Y轴、Z轴三个方向上的加速度分量；
步骤A2，计算加速度分量的平均值；
步骤A3，计算加速度分量的夹角；
步骤A4，对测量的加速度数据进行滤波；
步骤A5，测量钻机的运动状态；
步骤A6，校正重力加速度传感器的测量误差。
9.根据权利要求7所述的一种面向地质勘测的岩土层钻进系统的方法，其特征在于：在步骤二中，地磁场传感器测量钻机方位和位置的具体步骤如下：
步骤B1，将地磁场传感器安装在钻机上方，保证其能够准确地采集到地磁场信号；
步骤B2，设置数据处理的软件和硬件；
步骤B3，启动测量程序，实时采集地磁场信号，并将其转换为数字信号；
步骤B4，根据地磁场信号参数确定钻杆或钻头位置；
步骤B5，数据处理模块将采集到的地磁场信号和测量结果进行记录。
10.根据权利要求9所述的一种面向地质勘测的岩土层钻进系统的方法，其特征在于：在步骤二的步骤B4中，根据地磁场信号参数确定钻杆或钻头位置的具体步骤如下：
步骤C1，获取地磁场传感器数据，使用地磁场传感器测量地球磁场的方向和强度，并将数据传输到钻机控制单元；
步骤C2，通过地磁场传感器数据计算方位角；
步骤C3，确定数据之间的关系，利用磁场的强度进行位置估算；
步骤C4，对数学模型进行误差调整；
步骤C5，根据算法计算的结果，输出钻杆或钻头的位置信息。
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