钻探系统的导向装置及应用该装置的钻杆路线规划方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种钻探系统的导向装置，包括碳棒和导向仪，所述导向仪包括能够接收碳棒所处位置信息的地下定位器和地面定位器，所述地面定位器包括第一GPS接收器、差分数据接收器和GPS矫正计算模块，第一GPS接收器差分数据接收器的输出端还与GPS矫正计算模块的输入端连接；所述导向装置还包括固定基点矫正器，所述固定基点矫正器包括第二GPS接收器、差分计算模块、能够向导向仪的差分数据接收器发送信号的差分数据发射器和基点位置输入模块，所述第二GPS接收器和基点位置输入模块的输出端均连接到差分计算模块的输入端，所述差分计算模块的输出端连接差分数据发射器的输入端。还公开了一种应用上述导向装置对钻杆路线进行规划的方法。

【技术实现步骤摘要】
钻探系统的导向装置及应用该装置的钻杆路线规划方法
本专利技术涉及非开挖
，尤其是一种钻探系统的导向装置及应用该装置的钻杆路线规划方法。
技术介绍
随着城市建设的大规模发展，需要在城市中铺设截污管或能源(液化气、天然气等)供应管，较常用的方法是开挖槽来埋管埋线，这会造成环境污染，引起交通堵塞，并且存在施工安全隐患。在非开挖技术出现之前，如果需要铺设地下管道，通常需要动用挖掘机在路面挖出一条有一定深度的壕沟来，铺设管道后再把壕沟回填。这种施工方法，不但费时、费力，还会对路面设施及交通造成危害。在某些环境下，如遇到河流、建筑物等时，开挖壕沟是不可能的。因此，目前也已开发使用了非开挖技术，即一种利用岩土钻掘手段，在路面不挖沟、不破坏大面积地表层的情况下，铺设、修复和更换地下管线的施工技术。使用非开挖技术具有周期短、成本低、污染少、安全性能好等优点，而且不会影响正常的交通秩序。非开挖技术应用较广的为水平导向前进法，其是利用非开挖导向仪引导装有钻头的钻杆进行定向前进来实现。这其中有一项关键的技术，就是钻头定位。挖掘过程中，施工人员必须知道钻头在地下的位置，然后才能决定钻头应当推进的方向，不然，挖掘过程将出现不可预测的后果。非开挖导向仪能够提供钻头实时的工况-深度、倾角以及钟点方向，让地面的操作人员实时掌握钻孔轨迹以便对后续的操作进行及时的修正，以保证按既定的路线轨迹精确定向，完成非开挖铺管。可见，确定钻头的精准位置是保证施工安全和质量不可或缺的关键。为确定钻头的位置，采用的方法通常是地下电磁碳棒和地面GPS综合估算。一般说来，由于钻头的长度是给定的，钻头前进方向的位置(纵向位置)是可以通过钻头的倾角来比较精确地计算得出。但是，钻头两侧的位置(横向位置)是靠GPS提供的。即使使用通用的GPS矫正，其精度也只能达到米级。也就是说，钻头实际所在的位置离它应在的位置会有1米左右的偏差。地下铺设的管道通常可以承受一定范围内的弯曲，但过度弯曲则会带来不可想象的安全隐患。因此，每钻杆一米左右的误差，不但对现场施工没有任何实际意义，亦不能保证铺设后管道的使用安全，甚至会造成很大的事故隐患。另外，地下有许多障碍物，或现有的管线，施工不慎就会造成重大的事故。因此，精准定位是非开挖技术的关键技术，而现有技术的定位精度无法满足需求，有待进一步改进。
技术实现思路
本专利技术所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术存在的不足，提供一种钻探系统的导向装置，能够大幅提高定位精度。本专利技术所要解决的第二个技术问题是提供一种应用上述导向装置对钻探系统的钻杆路线进行规划的方法。本专利技术解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种钻探系统的导向装置，包括碳棒和导向仪，所述导向仪包括能够接收碳棒所处位置信息的地下定位器和地面定位器，其特征在于：所述地面定位器包括第一GPS接收器、差分数据接收器和GPS矫正计算模块，第一GPS接收器差分数据接收器的输出端还与GPS矫正计算模块的输入端连接；所述导向装置还包括固定基点矫正器，所述固定基点矫正器包括第二GPS接收器、差分计算模块、能够向导向仪的差分数据接收器发送信号的差分数据发射器和基点位置输入模块，所述第二GPS接收器和基点位置输入模块的输出端均连接到差分计算模块的输入端，所述差分计算模块的输出端连接差分数据发射器的输入端。为便于对路线进行规划，所述导向仪的地面定位器还包括能够根据当前碳棒所处的位置和规划的钻杆路线计算当前钻杆操作参数的钻杆推进参数计算模块。为便于路线规划和矫正，所述导向仪的地面定位器还包括钻探路线计划及验证模块、网络通讯接口和便于输入钻杆路线规划的人机界面/显示模块，所述钻探路线计划及验证模块的输入端通过网络通讯接口与外部的网络连接，所述网络连接到云端服务器。本专利技术解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种应用如上所述的钻探系统的导向装置对钻探系统的钻杆路线进行规划的方法，其特征在于：包括如下步骤：1)开始，建立作业项目，确立工程要求参数；2)确定起始点，确定终点；3)根据步骤1)和2)的施工计划的地面路线，利用导向仪的第一GPS接收器对平面路线的关键点进行GPS位置信息采集，利用固定基点校正器对采集到的GPS通过GPS矫正计算模块进行矫正，完成采集后，导向平面轨迹和地面起伏信息形成三维的导向地面轨迹；4)在导向仪显示的导向地面轨迹上，对每个关键点的地下导向深度进行确定，导向仪(3)根据关键点的深度和产品安装要求产生地下导向轨迹；5)导向仪通过云端服务器的地下设施信息网络对地下导向轨迹进行核查，通过钻探路线计划及验证模块验证是否会有施工危险，确保导向轨迹安全并符合作业工程要求后，导向仪根据导向轨迹，产生钻杆接钻杆的操作方案，路线规划结束；如果地下障碍物验证未通过或作业工程要求验证未通过，则增删/修改关键点参数后回到步骤3)。优选的，在上述步骤4)中，地下导向轨迹为钻杆的倾角清单形式。优选的，在步骤4)中，钻杆的倾角清单形成包括如下步骤：1)结合每一关键点的深度转换所有地面关键点成GPS坐标；2)将GPS坐标转换成地心坐标；3)从第一个关键点到最后倒数第三个关键点做下列计算：3.1)取当前的关键点和后续两个关键点，求过这三点的圆；3.2)将这个圆进行坐标转换到圆自身平面；3.3)根据三角几何原理计算每一关键点的倾角并保存，同时计算当前的关键点和下一关键点之间的圆弧长度并保存，如果当前的关键点是倒数第三点，则计算倒数两个关键点之间的圆弧长度；4)再从第一个关键点到最后一个关键点做下列计算，如上一步对一个关键点产生多个倾角，取平均值为该关键点的倾角并保存；5)计算所有保存的圆弧长度的总和，得到导向路径总长度；6)根据使用的钻杆长度确定钻杆的总杆数；7)计算每一钻杆的倾角，该倾角为每两个相邻的关键点倾角变化除以两个关键点之间使用的钻杆数+当前关键点的倾角；8)列出钻杆倾角清单，结束。优选的，圆转换的方法为，在步骤3.2)中，三个关键点的GPS坐标分别为：(La1，lo1，A1)，(La2，lo2，A2)，(La3，lo3，A3)，进行如下操作：1)将三个关键点设定在同一高度，得到GPS坐标分别为：(La1，lo1，A1)，(La2，lo2，A1)，(La3，lo3，A1)；2)用步骤1)的GPS坐标计算三个关键点中每个关键点离第一个关键点的距离，得到距离分别为D1，D2，D3，D1＝0；3)以各个关键点离第一个关键点的距离为X坐标，以各个关键点的GPS高度为Y，得到三个关键点的二维坐标：(D1，A1)，(D2，A2)，(D3，A3)；4)设圆心O坐标为(a,b)，得到下列方程组：(D1-a)2+(A1-b)2＝R2(D2-a)2+(A2-b)2＝R2(D3-a)2+(A3-b)2＝R2计算R，a，b，便完全确定这个圆。在步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钻探系统的导向装置，包括碳棒(4)和导向仪(3)，所述导向仪(3)包括能够接收碳棒(4)所处位置信息的地下定位器(31)和地面定位器(32)，其特征在于：所述地面定位器(32)包括第一GPS接收器(321)、差分数据接收器(322)和GPS矫正计算模块(325)，第一GPS接收器(321)和差分数据接收器(322)的输出端还与GPS矫正计算模块(325)的输入端连接；所述导向装置还包括固定基点矫正器(5)，所述固定基点矫正器(5)包括第二GPS接收器(51)、差分计算模块(52)、能够向导向仪(3)的差分数据接收器(322)发送信号的差分数据发射器(53)和基点位置输入模块(54)，所述第二GPS接收器(51)和基点位置输入模块(54)的输出端均连接到差分计算模块(52)的输入端，所述差分计算模块(52)的输出端连接差分数据发射器(53)的输入端。/n

【技术特征摘要】
1.一种钻探系统的导向装置，包括碳棒(4)和导向仪(3)，所述导向仪(3)包括能够接收碳棒(4)所处位置信息的地下定位器(31)和地面定位器(32)，其特征在于：所述地面定位器(32)包括第一GPS接收器(321)、差分数据接收器(322)和GPS矫正计算模块(325)，第一GPS接收器(321)和差分数据接收器(322)的输出端还与GPS矫正计算模块(325)的输入端连接；所述导向装置还包括固定基点矫正器(5)，所述固定基点矫正器(5)包括第二GPS接收器(51)、差分计算模块(52)、能够向导向仪(3)的差分数据接收器(322)发送信号的差分数据发射器(53)和基点位置输入模块(54)，所述第二GPS接收器(51)和基点位置输入模块(54)的输出端均连接到差分计算模块(52)的输入端，所述差分计算模块(52)的输出端连接差分数据发射器(53)的输入端。


2.根据权利要求1所述的钻探系统的导向装置，其特征在于：所述导向仪(3)的地面定位器(32)还包括能够根据当前碳棒(4)所处的位置和规划的钻杆路线计算当前钻杆操作参数的钻杆推进参数计算模块(326)。


3.根据权利要求2所述的钻探系统的导向装置，其特征在于：所述导向仪(3)的地面定位器(32)还包括钻探路线计划及验证模块(327)、网络通讯接口(328)和便于输入钻杆路线规划的人机界面/显示模块(329)，所述钻探路线计划及验证模块(327)的输入端通过网络通讯接口(328)与外部的网络(7)连接，所述网络(7)连接到云端服务器(8)。


4.一种应用如权利要求3所述的钻探系统的导向装置对钻探系统的钻杆路线进行规划的方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)开始，建立作业项目，确立工程要求参数；
2)确定起始点(101)，确定终点(102)；
3)根据步骤1)和2)的施工计划的地面路线，利用导向仪(3)的第一GPS接收器(321)对平面路线的关键点(103)进行GPS位置信息采集，利用固定基点校正器(5)对采集到的GPS通过GPS矫正计算模块(325)进行矫正，完成采集后，导向平面轨迹和地面起伏信息形成三维的导向地面轨迹；
4)在导向仪(3)显示的导向地面轨迹上，对每个关键点(103)的地下导向深度进行确定，导向仪(3)根据关键点(103)的深度和产品安装要求产生地下导向轨迹；
5)导向仪(3)通过云端服务器(8)的地下设施信息网络对地下导向轨迹进行核查，通过钻探路线计划及验证模块(327)验证是否会有施工危险，确保导向轨迹安全并符合作业工程要求后，导向仪(3)根据导向轨迹，产生钻杆接钻杆的操作方案，路线规划结束；如果地下障碍物验证未通过或作业工程要求验证未通过，则增删/修改关键点(103)参数后回到步骤3)。


5.根据权利要求4所述的钻探系统的钻杆路线进行规划的方法，其特征在于：在上述步骤4)中，地下导向轨迹为钻杆的倾角清单形式。

【专利技术属性】
技术研发人员：金宇阳，张志余，金键，方兴，
申请(专利权)人：黄山金地电子有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34