基于惯性技术的非开挖随钻测量系统.pdf

一种基于惯性技术的非开挖随钻测量系统，包括安装于钻进系统上的随钻单元和与通过线缆连接钻进系统的监控单元；随钻单元包括第一三轴加速度传感器、第二三轴加速度传感器、温度传感器、地磁敏感器、数据处理装置以及载波通信发送装置；监控单元包括载波通信接收装置、数据处理与解算装置、人机交互装置以及数据存储与导出装置；从而提供一种不受电磁干扰、钻进深度等因素的影响，并对温度进行补偿，给出更加可靠的工具面向角和俯仰角，给出参考航向和位置，并对电磁干扰强弱进行评价，进而给出参考航向和位置的可信度的基于惯性技术的非开挖随钻测量系统。

1.  一种基于惯性技术的非开挖随钻测量系统，包括安装于钻进系统上的随钻单元(11)和与通过线缆连接钻进系统的监控单元(22)；所述随钻单元(11)包括第一三轴加速度传感器(401)、温度传感器(403)、地磁敏感器(404)和数据处理装置(405)；
所述第一三轴加速度传感器(401)用于测量系统静止时的重力加速度的三个分量，进而获得系统的钻头倾角和工具面向角，测量系统在三个方向的运动加速度，获得系统的位移数据，并将数据发送出去；
所述温度传感器(403)用于测量随钻单元(11)的温度，并将温度数据发送出去；
所述地磁敏感器(404)用于通过检测钻头指向与地磁极方向的夹角来获得方位基准，获得钻头的运行方向，并将数据发送出去；
所述数据处理装置(405)用于读取或测量数据，并形成数据帧，发送出去；
所述监控单元(22)包括人机交互装置(409)、数据存储与导出装置(410)和数据处理与解算装置(408)；
所述人机交互装置(409)用于对测量结果和解算结果进行实时显示；
所述数据存储与导出装置(410)用于将测量数据和解算数据导出并存储；
所述数据处理与解算装置(408)用于接收地球引力加速度数据、地磁敏感器测量数据、温度数据，并对数据进行校验和处理，测量随钻单元(11)的温度、并对温度进行补偿，计算出工具面向角和钻头倾角、给出航向和位置及其可信度、从而给出电磁干扰强弱的评价，发送测量结果和解算结果到存储或显示；
其特征在于，所述随钻单元(11)还包括第二三轴加速度传感器(402)以及载波通信发送装置(406)；
所述第二三轴加速度传感器(402)用于在第一三轴加速度传感器(401)误差大时测量系统静止时在三个方向的重力加速度，获得系统的钻头倾角和工具面向角，并将数据发送到所述数据处理装置(405)；
所述载波通信发送装置(406)用于接收所述数据处理装置(405)传来的数据帧，并发送出去；
所述监控单元(22)还包括载波通信接收装置(407)；
所述载波通信接收装置(407)用于接收所述载波通信发送装置(406)发送来的数据，并传输出去。

2.  根据权利要求1所述的基于惯性技术的非开挖随钻测量系统，其特征在于，所述数据处理与解算装置(408)进行计算工具面向角和钻头倾角时，判断所述第一三轴加速度传感器(401)传来的X轴数据绝对值是否大于阈值，不大于则采用第一三轴加速度传感器(401)传来的数据进行计算工具面向角和钻头倾角，大于则采用第二三轴加速度传感器(402)传来的数据计算工具面向角和钻头倾角。

3.  根据权利要求2所述的基于惯性技术的非开挖随钻测量系统，其特征在于，所述阈值为0.8g。

4.  根据权利要求3所述的基于惯性技术的非开挖随钻测量系统，其特征在于，所述第一三轴加速度传感器(401)和所述第二三轴加速度传感器(402)安装在具有差角的两个平面上。

5.  根据权利要求4所述的基于惯性技术的非开挖随钻测量系统，其特征在于，所述第一三轴加速度传感器(401)和所述第二三轴加速度传感器(402)所在平面的差角为45°。

6.  根据权利要求5所述的基于惯性技术的非开挖随钻测量系统，其特征在于，所述载波通信发送装置(406)和所述载波通信接收装置(407)以直流载波方式传送数据。

7.  根据权利要求6所述的基于惯性技术的非开挖随钻测量系统，其特征在于，所述数据处理与解算装置(408)采用ARM微处理器。

8.  根据权利要求7所述的基于惯性技术的非开挖随钻测量系统，其特征在于，所述载波通信发送装置(406)和所述载波通信接收装置(407)采用P485芯片。

9.  根据权利要求8所述的基于惯性技术的非开挖随钻测量系统，其特征在于，所述载波通信发送装置(406)和所述载波通信接收装置(407)采用标准电缆连接。

10.  一种根据权利要求1-9中任意一项所述的基于惯性技术的非开挖随钻测量系统的测量方法，其特征在于，所述数据测量和控制方法包括以下步骤：
1)随钻单元采集加速度数据；
2)随钻单元采集温度数据；
3)随钻单元采集地磁数据；
4)随钻单元形成数据帧发送至监控单元；
5)控制单元接收随钻单元传来的数据并进行数据校验；
6)校验数据是否正确，否则执行步骤5)；
7)读取第一三轴加速度传感器的加速度1和第二三轴加速度传感器的加速度2的数据；
8)判断加速度1的X轴数据绝对值是否大于阈值，是则执行步骤17)；
9)用加速度1的数据进行计算；
10)输出工具面向角和钻头倾角；
11)进行航迹推算；
12)给出温度补偿；
13)给出电磁干扰强弱的评价，给出位置和航向角信息的可信度；
14)判断是否导出数据，是则执行步骤19)；
15)判断是否退出，否则执行步骤5)；
16)结束；
17)用加速度2数据计算；
18)坐标转换，执行步骤10)；
19)通过串口导出数据，执行步骤15)。

基于惯性技术的非开挖随钻测量系统
技术领域
本发明涉及一种非开挖随钻测量系统，特别是一种基于惯性技术的非开挖随钻测量系统。
背景技术
随着城市基础建设的大规模发展，非开挖技术的应用越来越广泛，尤其在各种管线的铺设和地铁施工等地下工程中，为了能够保障按照预定的路线铺设和施工，需要在钻进的过程中进行导向和测量。
目前，非开挖工程中常用的随钻测量系统多基于电磁定位原理和无线电定位原理。参见图1，探头101为跟随钻头运动的部分，其中内置有电磁波发射器或者无线电发射器，向接收器102发射信号；接收器102位于地面或者钻口附近，或者垂直于钻头的地上；接收器102通过信号强度解算钻头的位置；监视器103同接收器102通过有线或者无线连接，以监视探头的工作情况。参见图2，该随钻测量系统包括地下单元1和地上单元2，地下单元中的地磁传感器201和温度传感器202将地磁信号和温度信号传递到A/D转换及CPU装置203中，A/D转换及CPU装置203将地磁信号和温度信号进行A/D转换并做相应处理，发送到编码传输装置204，编码传输装置204为RS232或者无线传输方式，编码传输装置204将A/D转换及CPU装置203传来的信号进行编码并传输，地上单元中2的编码接收装置205接收编码传输装置204传来的信号，并发送到姿态解算与显示装置206中进行姿态解算和显示，编码接收装置205为相应的RS232或者无线传输方式。
以上两种随钻测量系统存在以下缺陷：易产生溢出，易受环境电磁信号的干扰；功率受到限制，对较深的定位深度无法测量；信号的穿透力受地层状况、土质条件的影响；需地面接收设备，影响地面交通，且地面有障碍物时无法测量。
参见图3，地下单元1’中的三轴加速度计301和温度传感器302传送监测信号到A/D转换及CPU姿态解算装置303中，A/D转换及CPU姿态解算装置303将监测信号进行A/D转换并做相应处理，发送到编码传输装置304，编码传输装置204为RS232或者无线传输方式，编码传输装置304将A/D转换及CPU姿态解算装置303传来的信号进行编码并传输，地面监视器305接收编码传输装置304传来的信号，并进行相应处理，显示信息。
但上述随钻测量系统存在测量范围有限等缺陷，例如倾角不大于50°等。对于该种方法，有的加上了磁强计以增加航向角的测量，但在滚转角、倾斜角方面并没有和加速度计的信号进行有效融合；同时，磁强计易受电磁干扰影响，在很多场合不能有效应用，因此不能有效解决角度测量受限的问题。而其同地面的信号传输方式，使其测量深度受到RS232传输距离或无线电传输距离的限制。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明基于惯性技术的非开挖随钻测量系统的目的是提供一种不受电磁干扰、钻进深度等因素的影响，并对温度进行补偿，给出更加可靠的工具面向角和俯仰角，给出参考航向和位置，并对电磁干扰强弱进行评价，进而给出参考航向和位置的可信度的基于惯性技术的非开挖随钻测量系统。
一种基于惯性技术的非开挖随钻测量系统，包括安装于钻进系统上的随钻单元和与通过线缆连接钻进系统的监控单元；所述随钻单元包括第一三轴加速度传感器、温度传感器、地磁敏感器和数据处理装置；
所述第一三轴加速度传感器用于测量系统静止时的重力加速度的三个分量，进而获得系统的钻头倾角和工具面向角，测量系统在三个方向的运动加速度，获得系统的位移数据，并将数据发送出去；
所述温度传感器用于测量随钻单元的温度，并将温度数据发送出去；
所述地磁敏感器用于通过检测钻头指向与地磁极方向的夹角来获得方位基准，获得钻头的运行方向，并将数据发送出去；
所述数据处理装置用于读取或测量数据，并形成数据帧，发送出去；
所述监控单元包括人机交互装置、数据存储与导出装置和数据处理与解算装置；
所述人机交互装置用于对测量结果和解算结果进行实时显示；
所述数据存储与导出装置用于将测量数据和解算数据导出并存储；
所述数据处理与解算装置用于接收地球引力加速度数据、地磁敏感器测量数据、温度数据，并对数据进行校验和处理，测量随钻单元的温度、并对温度进行补偿，计算出工具面向角和钻头倾角、给出航向和位置及其可信度、从而给出电磁干扰强弱的评价，发送测量结果和解算结果到存储或显示；
所述随钻单元还包括第二三轴加速度传感器以及载波通信发送装置；
所述第二三轴加速度传感器用于在第一三轴加速度传感器误差大时测量系统静止时在三个方向的重力加速度，获得系统的钻头倾角和工具面向角，并将数据发送到所述数据处理装置；
所述载波通信发送装置用于接收所述数据处理装置传来的数据帧，并发送出去；
所述监控单元还包括载波通信接收装置；
所述载波通信接收装置用于接收所述载波通信发送装置发送来的数据，并传输出去。
本发明的基于惯性技术的非开挖随钻测量系统，其中所述数据处理与解算装置进行计算工具面向角和钻头倾角时，判断所述第一三轴加速度传感器传来的X轴数据绝对值是否大于阈值，不大于则采用第一三轴加速度传感器传来的数据进行计算工具面向角和钻头倾角，大于则采用第二三轴加速度传感器传来的数据计算工具面向角和钻头倾角。
本发明的基于惯性技术的非开挖随钻测量系统，其中所述阈值为0.8g。
本发明的基于惯性技术的非开挖随钻测量系统，其中所述第一三轴加速度传感器和所述第二三轴加速度传感器安装在具有差角的两个平面上。
本发明的基于惯性技术的非开挖随钻测量系统，其中所述第一三轴加速度传感器和所述第二三轴加速度传感器所在平面的差角为45°。
本发明的非开挖随钻测量系统，其中所述载波通信发送装置和所述载波通信接收装置以直流载波方式传送数据。
本发明的基于惯性技术的非开挖随钻测量系统，其中所述数据处理与解算装置采用ARM微处理器。
本发明的基于惯性技术的非开挖随钻测量系统，其中所述载波通信发送装置和所述载波通信接收装置采用P485芯片。
本发明的基于惯性技术的非开挖随钻测量系统，其中所述载波通信发送装置和所述载波通信接收装置采用标准电缆连接。
本发明的基于惯性技术的非开挖随钻测量系统的测量方法，所述数据测量和控制方法包括以下步骤：
1)随钻单元采集加速度数据；
2)随钻单元采集温度数据；
3)随钻单元采集地磁数据；
4)随钻单元形成数据帧发送至监控单元；
5)控制单元接收随钻单元传来的数据并进行数据校验；
6)校验数据是否正确，否则执行步骤5)；
7)读取第一三轴加速度传感器的加速度1和第二三轴加速度传感器的加速度2的数据；
8)判断加速度1的X轴数据绝对值是否大于阈值，是则执行步骤17)；
9)用加速度1的数据进行计算；
10)输出工具面向角和钻头倾角；
11)进行航迹推算；
12)给出温度补偿；
13)给出电磁干扰强弱的评价，给出位置和航向角信息的可信度；
14)判断是否导出数据，是则执行步骤19)；
15)判断是否退出，否则执行步骤5)；
16)结束；
17)用加速度2数据计算；
18)坐标转换，执行步骤10)；
19)通过串口导出数据，执行步骤15)。
由于采用了温度传感器以及数据处理与解算装置可以给出随钻单元的温度、并对温度进行补偿，通过三轴加速度传感器的冗余设计，即使用两个三轴加速度传感器可以给出可靠的钻头倾角、工具面向角和航向角，由于数据处理与解算装置通过相应算法给出参考航向和位置及其可信度，又由于采用了直流载波通信的方式，采用了加速度传感器等测量用传感器，使系统的抗干扰能力加强，可以给出更加可靠的测量结果。
附图说明
图1是利用波强测量的随钻测量系统的系统框图；
图2是利用地磁传感器测量的随钻测量系统的系统框图；
图3是利用加速度计测量的随钻测量系统的系统框图；
图4是本发明基于惯性技术的非开挖随钻测量系统的系统框图；
图5是本发明基于惯性技术的非开挖随钻测量系统的随钻单元的测量流程图；
图6是本发明基于惯性技术的非开挖随钻测量系统的监控单元的控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明基于惯性技术的非开挖随钻测量系统的实施方式进行详细说明。
参见图4，一种基于惯性技术的非开挖随钻测量系统，包括安装于钻进系统上的随钻单元11和与通过线缆连接钻进系统的监控单元22。
其中随钻单元11包括两个三轴加速度传感器，第一三轴加速度传感器401和第二三轴加速度传感器402、温度传感器403、地磁敏感器404、数据处理装置405以及载波通信发送装置406；监控单元22包括载波通信接收装置407、数据处理与解算装置408、人机交互装置409以及数据存储与导出装置410。
第一三轴加速度传感器401和第二三轴加速度传感器402用于测量系统静止时的重力加速度的三个分量，进而获得系统的钻头倾角和工具面向角，测量系统在三个方向的运动加速度，获得系统的位移数据，并将数据发送到数据处理装置405中。
在静止时通过测量地球重力加速度的各个分量，获得钻头倾角和工具面向角的数据。
采用两个三轴加速度传感器来解决角度测量受限的问题：采用第一三轴加速度传感器401测量时，如果被测量的钻头倾角和工具面向角接近90度，则相应的测量误差很大，甚至发散，测量角度受到限制，使第二三轴加速度传感器402与第一三轴加速度传感器401斜置安装，即第一三轴加速度传感器401和第二三轴加速度传感器402分别设在两个平面上，两个平面间有差角。其中第一三轴加速度传感器401与载体坐标系同轴安装，第二三轴加速度传感器402各轴与载体坐标系相差一个角度，其优选方式为令差角为45°。当第一三轴加速度401测量到的钻头倾角和工具面向角接近90度，测量受到限制时，第二三轴加速度传感器402没有受到限制，从而就解决了现有产品存在的对角度测量范围受限制的问题。
其中三轴加速度传感器可采用LIS3L06AL。
温度传感器403用于测量钻进部分的温度，将温度数据发送到数据处理装置405中，并对三轴加速度传感器等部件进行温度补偿。
温度传感器403采用集成温度测量芯片，如DS1820，测温范围为-55°~125°。
地磁敏感器404通过检测钻头指向与地磁极方向的夹角来获得方位基准，获得钻头的运行方向，并将数据发送到数据处理装置405。
地磁敏感器404采用三轴磁传感器HMC1053等芯片或者采用三个HMC1002单轴磁阻传感器正交安装组成。
数据处理装置405采用通用CPU作为核心，如C8051F120等，通过其内部集成的A/D转换电路完成两个三轴加速度传感器和地磁传感器的信号测量，读取温度传感器采集到的温度数据，将数据形成数据帧，由UART传输到载波通信模块。
载波通信发送装置406由载波通信芯片、放大器及三极管、电容、电阻、变压器等外围元器件组成，以直流载波的形式进行数据传输，即将调制后的数据信号叠加到直流电源上，进行传输。直流载波的方式既可以提高通信的抗干扰能力，又可以减少两部分之间的电缆数量，整个连接电缆只需2根线；载波通信芯片可使用P485，放大器可使用P111；载波通信电缆设计成标准长度、标准接头，标准长度一方面适合钻杆的一般标准，另一方面可辅助测量钻头的位置信息。
随钻单元11内部还包含有高精度电源模块，保障电源的稳定，保证测量的准确性。
其中数据处理装置405和载波通信发送装置406集成在电路板上。
载波通信接收装置407，采用与随钻单元11中载波通信发送装置406相对应的电路，完成同随钻单元11的数据传输。
数据处理与解算装置408，由ARM微处理器构成。接收载波通信接收装置407传入的地球引力加速度数据、地磁敏感器测量数据、温度数据；并根据第一三轴加速度传感器401、第二三轴加速度传感器402传来的地球引力加速度数据，计算出钻头倾角和工具面向角；采用地磁敏感器404，得到钻头的钻进航向；利用三轴加速度传感器401，402经两次积分得到位移数据，融合标准钻杆及标准通讯电缆的长度可得到较准确的位移数据；综合测量到的钻头倾角、工具面向角，以及航向，推算出钻头在各个瞬时的位置；给出航向和位置及其可信度；根据统计结果得到电磁干扰强弱的评价指标；根据静止时加速度计测得的钻头倾角和工具面向角对地磁测量的误差进行建模，进而补偿电磁干扰的影响；通过在随钻单元11内置的温度传感器401实时随钻单元11的温度，以了解钻进系统的温度情况，并对温度进行补偿；并将解算后的数据存入存储器，送人人机交互装置409，通过数据存储与导出模块中的RS232接口电路接收计算机的指令，并可将数据传入计算机。
其中进行温度补偿按如下方法进行：
加速度实际输出表示为：a＝η(t)a₀+λ(t)；其中a₀为加速度的理想输出，η(t)和λ(t)分别为与温度有关的刻度因子和零偏；根据实验得到的η(t)和λ(t)曲线可得到当前温度下加速度的刻度因子和零偏，进而对加速度输出进行补偿，得到更接近a₀的加速度估计值。
采用三轴加速度传感器进行角度计算按如下方式进行：
系统静止时，俯仰角θ与滚转角γ，即钻头倾角和工具面向角的计算公式分别为：
θ = arcsin ( - f x b / g ) ]]>
γ = arcsin ( f y b g cos θ ) ]]>
其中γ也可以采用如下公式：
γ = arccos ( f z b / g cos x ) ; ]]>
其中g为重力加速度，和分别为载体坐标系(坐标原点在载体重心，X轴载体前方，Z轴指向上方，Y轴指向载体左侧)中X轴、Y轴、Z轴的加速度。
按上述基本公式可以得出，当俯仰角接近正负90⁰时(也即接近正负g)，滚转角的解算将可能由于噪声的影响产生很大误差，甚至发散，因此，可将一个三轴加速度计a₁沿载体坐标系安装，另一个a₂与载体坐标系斜置一个角度，如45⁰安装。这样，当a₁敏感的接近正负g，大于阈值时，如最优选方式为 f x b ≥ 0.8 g , ]]>采用基本公式计算出来的结果将不可靠；此时可采用a₂的数据进行解算，由于a₂敏感的俯仰角与a₁相差一个角度，所以它敏感的将远离正负g，其解算精度将得到提高。根据a₂数据解算的结果还需要按照a₂与载体坐标系之间的旋转关系进行转换，最终得到载体的俯仰角和滚转角。
采用地磁敏感器进行角度解算按如下方法进行：
利用加速度计测量得到的俯仰角θ和滚转角γ，应用下式求得载体的方位角即航向角

式中，H_X＂，H_Y＂，H_Z＂，H_X，H_Y分别为磁传感器测定的载体坐标轴方向上的三个磁场强度分量和地理坐标系X轴和Y轴方向的磁场强度分量。
同时，利用三轴磁敏感器，根据下式解算出俯仰角θ_c与滚转角γ_c，用于给出可信度。

进行航迹推算按如下方法进行：
系统运动时，将加速度计的输出进行二次积分可得到系统的位移信息，根据标准钻杆及标准通信电缆的长度可在特殊点进行校准，以提高位移信息的精度。
根据位移信息和载体姿态角即俯仰角θ与滚转角γ和方位角应用航迹推算原理可得到载体的位置信息。
位置可信度计算按如下方法进行：
在系统静止时，双加速度计解算的俯仰角θ与滚转角γ精度很高，可看作精确值。对比此时的磁传感器解算输出θ_c和γ_c，可得到位置和方位角信息的可信度：
β = 1 - | θ - θ c | | θ | ]]>
或： β = 1 - | γ - γ c | | γ | ]]>
数据存储与导出装置410，包括大容量存储芯片和RS232通信接口电路，同其他计算机进行通信，将数据导出，作为历史数据存储。K9F2808U0是16M*8位的FLASH存储器，用于数据的存储。
人机交互装置409，以LCD显示器为主体，对测量结果实时显示。动态显示信息包括3个姿态角信息(航向角、俯仰角、滚转角)、4个航程信息(X轴航程、Y轴航程、Z轴航程、系统经过的总航程)和2个图形显示信息(俯仰角、滚转角)。
基于惯性技术的非开挖随钻测量系统，随钻单元11的数据测量包括以下步骤：
步骤501，采集加速度数据；
步骤502，采集温度数据；
步骤503，采集地磁数据；
步骤504，形成数据帧发送至监控单元。
基于惯性技术的非开挖随钻测量系统，监控单元22的控制过程包括以下步骤：
步骤601，控制单元接收随钻单元传来的数据并进行数据校验；
步骤602，校验数据是否正确，否则执行步骤601；
步骤603，读取第一三轴加速度传感器的加速度1和第二三轴加速度传感器的加速度2的数据；
步骤604，判断加速度1的X轴数据绝对值是否大于阈值，是则执行步骤613；
步骤605，用加速度1的数据进行计算；
步骤606，输出工具面向角和钻头倾角；
步骤607，进行航航迹推算；
步骤608，给出温度补偿；
步骤609，给出电磁干扰强弱的评价，给出位置和方位角信息的可信度；
步骤610，判断是否导出数据，是则执行步骤615；
步骤611，判断是否退出，否则执行步骤601；
步骤612，结束；
步骤613，用加速度2数据计算；
步骤614，坐标转换，执行步骤606；
步骤615，通过串口导出数据，执行步骤611。
由于采用了温度传感器以及数据处理与解算装置可以给出随钻单元的温度、并对温度进行补偿，通过三轴加速度传感器的冗余设计，即使用两个三轴加速度传感器可以给出可靠的钻头倾角、工具面向角和航向角，由于数据处理与解算装置通过相应算法给出参考航向和位置及其可信度，又由于采用了直流载波通信的方式，采用了加速度传感器等测量用传感器，使系统的抗干扰能力加强，可以给出更加可靠的测量结果。
以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。