一种基于零速校正的水平钻机钻进轨迹的测量方法技术

本发明专利技术公开一种基于零速校正的水平钻机钻进轨迹的测量方法，水平钻机每掘进一段距离后，通过惯导系统对已掘进的钻孔进行测量。水平钻机从起始点掘进至i点：先将惯性导航系统在钻进轨迹的起始点P

【技术实现步骤摘要】
一种基于零速校正的水平钻机钻进轨迹的测量方法
本专利技术涉及地质勘探
，特别是涉及一种基于零速校正的水平钻机钻进轨迹的测量方法。
技术介绍
随着地下工程的不断深入与扩张，地下施工技术也面临着一项又一项的巨大挑战。针对复杂地形的地下施工，最为重要的是对前方地质情况的判识，现有技术中多种地质探测方案中结果最为直观的是取芯地质分析，具体是：利用取芯钻机在预先设计的工程所在地根据设计院提供的设计轴线进行钻进并取出岩芯，根据取出岩芯的分析对整个施工区域地质情况做出判断。由于施工的整体精度要求高，需要为钻机后续调节方向继续钻进提供依据，钻进轨迹的精确测量及与设计轴线的偏差准确描述成了至关重要的问题。基于水平钻机施工的特殊性，针对于水平钻机的钻进轨迹的测量，卫星定位导航相关方式在地下环境中无法实现，而激光定位等方式由于通视空间受限和扬尘等问题也无法实现。其他行业中采用的测量方式多为地磁测量，此种测量方式要求测量环境为无磁环境，且其数据传输方式为泥浆脉冲方式。由此可见，地磁测量不适用于缺水极寒环境，且其测量精度不高，对于钻进轨迹无法准确测量，无法应用于整体精度较高的工况，不适用。综上，设计一种操作方便且能适用于水平钻机的钻进轨迹测量的方法具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于零速校正的水平钻机钻进轨迹的测量方法，具体技术方案如下：一种基于零速校正的水平钻机钻进轨迹的测量方法，水平钻机每掘进一段距离后，通过惯导系统对已掘进的钻孔进行测量，具体包括以下步骤：步骤一、装配惯性导航系统；钻机钻进过程中，取钻机当前最远点作为零速校正点的测量点，在水平钻机已经钻进的轨迹上设置N个测量点，相邻测量点之间距离为5-50米；步骤二、惯性导航系统在钻进轨迹的起始点P0进行零速校正；步骤三、惯性导航系统从钻进轨迹的起始点P0运动至第1个零速校正点P1；对惯导系统的状态值X1进行零速校正，得到量测值Z1；用量测值Z1替代第1个零速校正点P1的坐标，获得P0到P1的轨迹I1＝L01；步骤四、惯性导航系统从钻进轨迹的起始点P0运动至第i-1个零速校正点Pi-1，i取2至N的自然数；惯性导航系统获取第i-1次零速校正点Pi-1的测量状态值Xi-1；将第i-1个零速校正点Pi-1的状态值Xi-1与第i-1个零速校正点的量测值Zi-1进行卡尔曼滤波，对惯导系统状态值Xi-1进行更新；惯性导航系统继续运动至第i个零速校正点Pi；对惯导系统的状态值Xi进行零速校正，得到第i个零速校正点的量测值Zi，用量测值Zi代表第i个零速校正点Pi的位置，获得P0至Pi的运动轨迹Ii＝L01+L12+L23+...+L(i-1)i；步骤五、进行判断，若i大于N，则输出P0至Pi的运动轨迹运动轨迹Ii；否则，取i＝i+1，返回步骤四。以上技术方案中优选的，所述惯性导航系统到达第i-1个零速校正点Pi-1和第i个零速校正点Pi均停留10-50秒。以上技术方案中优选的，所述惯性导航系统运动过程中进行匀速运动。以上技术方案中优选的，所述惯性导航系统运动过程中速率为0.05-2米/秒。以上技术方案中优选的，所述步骤四中惯性导航系统从钻进轨迹的起始点P0运动至第i-1个零速校正点Pi-1之前惯性导航系统在钻进轨迹的起始点P0进行零速校正。即惯性导航系统每次返回至起始点P0时都进行零速校正，进一步提高测量的精准度。以上技术方案中优选的，所述卡尔曼滤波采用表达式1)进行计算：其中：Xk是第k次的状态值，Zk是第k次的量测值；Φk/k-1、Γk/k-1和Hk是已知的系统结构参数，分别称为状态一步转移矩阵、系统噪声分配矩阵和量测矩阵；Wk-1是系统噪声矩阵，Vk是量测噪声矩阵，两者都是零均值的高斯白噪声序列。应用本专利技术的技术方案，效果是：1、本专利技术采用惯性导航系统进行数据采集，具有不依赖于外部信息、不向外部辐射能量等特点，可提供钻机相对于设计轴线的水平、高程方向偏差值、钻机的横滚角、俯仰角、航向角在内的姿态角信息以及里程等信息。2、本专利技术结合惯性导航系统进行数据采集、零速校正技术及卡尔曼滤波，对水平钻机钻进的最远点进行高精度测量，并通过对钻进轨迹的多次测量结合卡尔曼滤波处理，拟合出最符合水平钻机钻进轨迹的曲线。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术进行详细阐述，以使本专利技术的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本专利技术的保护范围做出更为清楚明确的界定。实施例：一种基于零速校正的水平钻机钻进轨迹的测量方法，包括以下步骤：步骤一、装配惯性导航系统；钻机钻进过程中，每掘一定距离(优选5-50米，根据具体工况确定)，取钻机当前最远点作为零速校正点的测量点，在水平钻机已经钻进的轨迹上设置N个测量点(N的取值根据实际工况确定，相邻测量点之间的间距为5-50米)；步骤二、惯性导航系统在钻进轨迹的起始点P0进行零速校正；步骤三、惯性导航系统从钻进轨迹的起始点P0运动至第1个零速校正点P1；对惯导系统的状态值X1进行零速校正，得到量测值Z1；用量测值Z1替代第1个零速校正点P1的坐标，获得P0到P1的轨迹I1＝L01；步骤四、惯性导航系统从钻进轨迹的起始点P0运动至第i-1个零速校正点Pi-1，i取2至N的自然数；惯性导航系统获取第i-1次零速校正点Pi-1的测量状态值Xi-1；将第i-1个零速校正点Pi-1的状态值Xi-1与第i-1个零速校正点的量测值Zi-1进行卡尔曼滤波，对惯导系统状态值Xi-1进行更新；惯性导航系统继续运动至第i个零速校正点Pi；对惯导系统的状态值Xi进行零速校正，得到第i个零速校正点的量测值Zi，用量测值Zi代表第i个零速校正点Pi的位置，获得P0至Pi的运动轨迹Ii＝L01+L12+L23+...+L(i-1)i；步骤五、进行判断，若i大于N，则输出P0至Pi的运动轨迹运动轨迹Ii；否则，取i＝i+1，返回步骤四。本实施例中，所述惯性导航系统到达第i-1个零速校正点Pi-1和第i个零速校正点Pi均停留10-50秒(优选15秒)；所述惯性导航系统运动过程中进行匀速运动；所述惯性导航系统运动过程中速率为0.05-2米/秒(优选0.5米/秒)。本实施例中，所述卡尔曼滤波采用表达式1)进行计算：其中：Xk是第k次的状态值，Zk是第k次的量测值；Φk/k-1、Γk/k-1和Hk是已知的系统结构参数，分别称为状态一步转移矩阵、系统噪声分配矩阵和量测矩阵；Wk-1是系统噪声矩阵，Vk是量测噪声矩阵，两者都是零均值的高斯白噪声序列。本实施例以N取4为例，即将整个钻进轨迹分为四个段，详情如下：本实施例采用的惯性导航系统由核心部件惯性测量单元(IMU)、IF电路板、电源板、CPU板、连接器等构成，参照现有技术。惯性导航系统软件包括数据采集模块、数据接收模块、数据处理模块和数据显示模块等。此本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于零速校正的水平钻机钻进轨迹的测量方法，其特征在于，水平钻机每掘进一段距离后，通过惯导系统对已掘进的钻孔进行测量，具体包括以下步骤：/n步骤一、装配惯性导航系统；钻机钻进过程中，取钻机当前最远点作为零速校正点的测量点，在水平钻机已经钻进的轨迹上设置N个测量点，相邻测量点之间距离为5-50米；/n步骤二、惯性导航系统在钻进轨迹的起始点P

【技术特征摘要】
1.一种基于零速校正的水平钻机钻进轨迹的测量方法，其特征在于，水平钻机每掘进一段距离后，通过惯导系统对已掘进的钻孔进行测量，具体包括以下步骤：
步骤一、装配惯性导航系统；钻机钻进过程中，取钻机当前最远点作为零速校正点的测量点，在水平钻机已经钻进的轨迹上设置N个测量点，相邻测量点之间距离为5-50米；
步骤二、惯性导航系统在钻进轨迹的起始点P0进行零速校正；
步骤三、惯性导航系统从钻进轨迹的起始点P0运动至第1个零速校正点P1；对惯导系统的状态值X1进行零速校正，得到量测值Z1；用量测值Z1替代第1个零速校正点P1的坐标，获得P0到P1的轨迹I1＝L01；
步骤四、惯性导航系统从钻进轨迹的起始点P0运动至第i-1个零速校正点Pi-1，i取2至N的自然数；惯性导航系统获取第i-1次零速校正点Pi-1的测量状态值Xi-1；
将第i-1个零速校正点Pi-1的状态值Xi-1与第i-1个零速校正点的量测值Zi-1进行卡尔曼滤波，对惯导系统状态值Xi-1进行更新；
惯性导航系统继续运动至第i个零速校正点Pi；对惯导系统的状态值Xi进行零速校正，得到第i个零速校正点的量测值Zi，用量测值Zi代表第i个零速校正点Pi的位置，获得P0至Pi的运动轨迹Ii＝L01+L12+L23+...+L(i-1)i；
步骤五、进行判断，若i大于N，则输出P0至Pi的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘飞香，刘祝，陈泓璇，贺泊宁，朱灿一，龚文忠，吴伟进，王宁，彭红军，王理，吴宇辉，赵宗华，
申请(专利权)人：中国铁建重工集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43