一种非可视环境导航系统、方法、计算机设备及存储介质技术方案

本发明专利技术属于定位导航设备技术领域，公开了一种非可视环境导航系统、方法、计算机设备及存储介质，包括IMU惯性测量单元根据角速度传感器、加速度传感器测量的数据，计算设备当前坐标体系下的位置姿态；并根据测距装置提供的距离信息解算基本导航位置发送至上位机；距离测量装置利用激光测距传感测量每根钻杆的当前推进长度，并将数据传送至IMU惯性测量单元和上位机；上位机利用捷联导航算法、导航算法输出当前位置参数以及其他导航信息。本发明专利技术针对工程作业过程中无法采用光学方式进行观测的特殊环境设计，无需借助其他辅助设备或辅助工序；为地层、山体、井下钻探或钻进工程提供钻头位置定位和导航。头位置定位和导航。头位置定位和导航。

【技术实现步骤摘要】
一种非可视环境导航系统、方法、计算机设备及存储介质


[0001]本专利技术属于定位导航设备
，尤其涉及一种非可视环境导航系统、方法、计算机设备及存储介质。

技术介绍

[0002]目前，导航系统是地球物理勘探（GS，Geophysical survey）和水平定向钻（HDD，Horizontal Directional Drilling）等领域中不可缺少的核心系统，肩负着在地层或山体中为采集设备定位及导航的任务。此类导航设备的工作流程是：通过地下传感器对钻进过程中钻具姿态实时测量，利用测量数据计算出钻进轨迹，司钻人员依据钻进轨迹判断钻进是否按照预设钻孔轨迹进行，并通过钻机等地面设备实现对钻具的方向控制，以保证钻进轨迹按照预先设计的轨迹进行钻进。
[0003]目前，同类设备主要采用步行式定位方式（Walk
‑
over locating system）或磁力导航系统（magnetic guidance system）。步行定位方式由地下探棒和地面接收机组成，探棒一般采用声纳或其他发射传感器，记录设备的方位角及温度等数据。探棒将这些信息通过无线电信号传输至地面，地面接收设备接收到无线信号后，解码显示至主界面。磁力导航系统又被称为有线式导航系统，它利用磁力传感器进行姿态和位置测量，使用时需要在地面铺设人工磁场作为定位验证的辅助手段。收集定位信息后，由地面上位机接收并计算出路径信息。
[0004]现有同类设备导航设备多采用步行式定位方式（Walk
‑
over locating system）或MGS磁力导航系统（magnetic guidance system），其主要缺点包括：（1）探测深度受限。步行或地磁定位需要采集地下或山体中的探棒信号，以确定设备位置。磁棒信号穿透力有限，无复杂地质条件下作用范围≤20m，复杂条件下可能减半或更低；（2）易受外部环境影响。如作业环境存在天然强磁或其他复杂环境，将导致采集设备无法接收到探棒信号，从而影响定位精度，甚至完全无法定位；（3）不支持自主导航。地磁定位设备需要通过额外增设的采集器手动收集位置信息，不能实现定位设备独立自主进行定位导航；（4）存在不可测量环境。因设备工作中需要不断使用采集器寻找探棒，因此无法在河流、高山等工程人员移动困难的环境使用需其他辅助设备。在磁场环境较弱的地方，需要增设人工磁场以提高定位精度。
[0005]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的非可视导航方法探测深度受限、易受外部环境影响、不支持自主导航、存在不可测量环境，导航精度不佳。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种非可视环境导航系统、方法、计算机设备及存储介质。
[0007]本专利技术是这样实现的，一种非可视环境导航系统，所述非可视环境导航系统包括：IMU惯性测量单元、距离测量装置以及上位机；IMU惯性测量单元，包含角速度传感器、加速度传感器以及解算板；用于根据角速度传感器、加速度传感器测量的数据，计算设备当前坐标体系下的位置姿态；并根据测距装置提供的距离信息解算基本导航位置发送至上位机；距离测量装置，用于利用激光测距传感测量每根钻杆的当前推进长度，并将数据传送至IMU惯性测量单元和上位机；上位机，由主板、中央处理器CPU、图形处理器GPU及固态存储器SSD组成；用于接收IMU惯性测量单元发送的基本导航位置和姿态位置信息，接收距离测量装置发送的当前长度信息，利用捷联导航算法、导航算法输出当前位置参数以及其他导航信息。
[0008]进一步，所述角速度传感器为三个光纤采集光纤陀螺；所述加速度传感器为三个石英绕性加速度计；所述解算板采用FPGA+DPS结构；所述FPGA用于采集光纤陀螺及石英绕性加速度计测量数据、计程仪数据、采集光纤陀螺、石英绕性加速度计和温度信息以及显控指令发送给DSP；同时用于CAN口管理、外设寻址以及读写控制；所述DSP用于进行导航解算以及网口管理；所述解算板还设置由ARM芯片；所述ARM芯片由DSP、FPGA、ARM、通讯接口，CAN通信接口、以太网通信接口、及采集光纤陀螺和石英绕性加速度计或其他线路部分组成。
[0009]进一步，所述位置姿态包括航向角、方位角和滚转角。
[0010]进一步，所述非可视环境导航系统还包括：交互模块，用于通过键盘及鼠标与上位机进行交互，获取当前导航位置的2D横、纵切面图，3D立体建模图、设备运行参数或其他信息。
[0011]本专利技术的另一目的在于提供一种应用于所述非可视环境导航系统的非可视环境导航方法，所述非可视环境导航方法包括：步骤一，利用角速度传感器、加速度传感器进行角速度、加速度测量；根据角速度传感器、加速度传感器测量的数据，计算设备当前坐标体系下的位置姿态；步骤二，利用激光测距传感测量每根钻杆的当前推进长度；根据每根钻杆的当前推进长度解算基本导航位置；步骤三，基于设备当前坐标体系下的位置姿态、基本导航位置以及每根钻杆的当前推进长度，通过内置时钟计算时间节点，利用捷联导航算法、导航算法输出当前位置参数或其他导航信息。
[0012]进一步，所述计算设备当前坐标体系下的位置姿态包括：（1）进行粗对准对准：采用解析的方法计算载体的初始姿态角：
，；其中，表示初始时刻载体惯性系；表示初始时刻导航惯性系；表示系与系的方位关系；表示重力矢量在系的投影；表示石英绕性加速度计的比力输出在系投影；（2）进行精对准：首先，建立惯导系统系统误差方程如下：，；,
,；,；其中，；表示等效采集光纤陀螺噪声，表示等效石英绕性加速度计噪声；和分别表示等效东向和北向速度量测噪声；表示静基座下噪声分配阵；其次，采用Kalman滤波方法进行估计，得到粗对准失准角的最优估计。
[0013]进一步，所述利用捷联导航算法、导航算法输出当前位置参数或其他导航信息包括：对3个正交安装的采集光纤陀螺角速度信息进行姿态解算模拟平台惯导系统的平台坐标系；将3个方向上的石英绕性加速度计比力信息变换到导航坐标系的比力信息，利用积分技术在导航坐标系中计算船体的速度和位置；以地理坐标系为导航坐标系，固连在船体上的石英绕性加速度计和采集光纤陀螺敏感到的比力信号和角速度信号经过各自的安装误差阵变换后得到各自在b系上的投影和；经过导航解算和姿态更新解算得到相应的位置、速度、姿态以及角速度或其他导航参数。
[0014]进一步，所述姿态更新采用旋转矢量法，角速度信息通过实时更新的姿态矩阵，将采集光纤陀螺输出的载体坐标系下的角速度信息转换到导航坐标系下，同时去除地球自转以及载体线运动引起的姿态角运动。
[0015]本专利技术的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述非可视环境导航方法的步骤。
[0016]本专利技术的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述非可视环境导航方法的步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非可视环境导航系统，其特征在于，所述非可视环境导航系统包括：IMU惯性测量单元、距离测量装置以及上位机；IMU惯性测量单元，包含角速度传感器、加速度传感器以及解算板；用于根据角速度传感器、加速度传感器测量的数据，计算设备当前坐标体系下的位置姿态；并根据测距装置提供的距离信息解算基本导航位置发送至上位机；距离测量装置，用于利用激光测距传感测量每根钻杆的当前推进长度，并将数据传送至IMU惯性测量单元和上位机；上位机，由主板、中央处理器CPU、图形处理器GPU及固态存储器SSD组成；用于接收IMU惯性测量单元发送的基本导航位置和姿态位置信息，接收距离测量装置发送的当前长度信息，利用捷联导航算法、导航算法输出当前位置参数以及其他导航信息。2.如权利要求1所述非可视环境导航系统，其特征在于，所述角速度传感器为三个光纤采集光纤陀螺；所述加速度传感器为三个石英绕性加速度计；所述解算板采用FPGA+DPS结构；所述FPGA用于采集光纤陀螺及石英绕性加速度计测量数据、计程仪数据、采集光纤陀螺、石英绕性加速度计和温度信息以及显控指令发送给DSP；同时用于CAN口管理、外设寻址以及读写控制；所述DSP用于进行导航解算以及网口管理；所述解算板还设置由ARM芯片；所述ARM芯片由DSP、FPGA、ARM、通讯接口，CAN通信接口、以太网通信接口、及采集光纤陀螺和石英绕性加速度计或其他线路部分组成。3.如权利要求1所述非可视环境导航系统，其特征在于，所述位置姿态包括航向角、方位角和滚转角。4.如权利要求1所述非可视环境导航系统，其特征在于，所述非可视环境导航系统还包括：交互模块，用于通过键盘及鼠标与上位机进行交互，获取当前导航位置的2D横、纵切面图，3D立体建模图、设备运行参数或其他信息。5.一种应用于如权利要求1
‑
4任意一项所述非可视环境导航系统的非可视环境导航方法，其特征在于，所述非可视环境导航方法包括：步骤一，利用角速度传感器、加速度传感器进行角速度、加速度测量；根据角速度传感器、加速度传感器测量的数据，计算设备当前坐标体系下的位置姿态；步骤二，利用激光测距传感测量每根钻杆的当前推进长度；根据每根钻杆的当前推进长度解算基本导航位置；步骤三，基于所述设备当前坐标...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱雨，王枭，樊荣，
申请(专利权)人：西安玉衡导航科技有限公司，
类型：发明
国别省市：