专利名称：基于嵌入式系统的水平定向钻控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种水平定向钻的控制系统机构，属于水平定向钻的控制技术领域。
背景技术：
水平定向钻是一种用于实现在不开挖地表面的条件下铺设多种地下设施，如管道、电缆等的工程机械，这种施工方式既节约成本又减少环境破坏。国内基础设施的发展促进了水平定向钻的应用，同时也对其自动化操作水平提出了更高的要求。目前对水平定向钻的操作大多采用手动方式，操作员需要根据自身的技术水平和经验完成施工过程，劳动强度大，效率低。因此，改进水平定向钻的控制系统，实现自动轨迹规划和纠偏是迫切需要解决的问题。因为国内现有的水平定向钻控制器绝大多数是从国外引进的，在现有水平上做一 些技术改进具有较大的难度。通过对相关资料的查找，实用新型(名称水平定向钻自动导向系统，专利号ZL200620115955. 2)公开了一种水平定向钻按预定穿越轨迹自动导向、工况信息自动采集和管理的水平定向钻自动导向系统，由工控机、PLC、现场监测传感器和控制开关组成。虽然上述方案能在一定程度上实现水平定向钻钻进过程的实时定位和纠偏调整，但基于工控机软件平台搭建的闭环监控系统不仅成本较高，而且在恶劣工作条件下的可靠性也很难保证；另一方面，很多水平定向钻上使用的导向仪本身是一个封闭的系统，将其传感器数输出直接与PLC上的模拟量输入模块相连是不可行的，即使能够实现两者的相连接，PLC将导向仪采集数据再通过RS232通讯给工控机也不是最好的方案。因此，对水平定向钻控制系统的改造是非常必要的，如何设计和实现具有自动轨迹规划和运行能力的水平定向钻具有重要意义。
发明内容
为了克服现有技术的不足本发明的目的在于提供一种简化了水平定向仪的操作、使其运行可靠，且可以有效提高工作效率和质量的基于嵌入式系统的水平定向钻控制
>J-U ρ α装直。本发明的技术方案为基于嵌入式系统的水平定向钻控制装置，其特征在于，包括用于获取当前钻头位置信息，并将钻头位置信息反馈给嵌入式系统的导向仪；用于自动规划水平定向钻的运行轨迹、根据导向仪反馈的钻头位置信息对运行轨迹进行纠偏、发送控制命令给可编程逻辑控制器(PLC)、并接收可编程逻辑控制器的工况信息的数据包，将工况信息显示给操作人员的嵌入式系统；与嵌入式系统通过CAN总线连通，且用于驱动水平定向钻运行，并监测水平定向钻各部分的工况信息的可编程逻辑控制器。进一步，所述的嵌入式系统包括用于轨迹规划和纠偏的处理的核心处理器、用于和可编程逻辑控制器或导向仪进行数据交互的CAN通信接口，以及用于操作人员查看和输入水平定向钻运行的相关参数的人机接口，且所述的核心处理器分别与所述的CAN通信接口和人机接口连通。其中，所述的人机接口包括液晶屏接口、触摸屏接口和键盘接口。此外，所述的导向仪通过人工手动输入或总线自动获取的方式将钻头位置信息反馈给所述的嵌入式系统。其中，所述的人工手动输入的方式为所述的操作人员将导向仪的显示屏上显示的当前钻头位置信息，通过所述的触摸屏接口上连接的触摸屏和键盘接口上连接的键盘手动输入到所述的嵌入式系统。 而所述的总线自动获取的方式则为所述导向仪上设置有总线接口和总线协议，并通过CAN总线与所述的嵌入式系统通信。再进一步，所述的嵌入式系统和可编程逻辑控制器之间通信的信息帧类型包括命令帧、确认帧和数据帧。其中，所述的命令帧为嵌入式系统发给可编程逻辑控制器要执行的用于调整水平定向钻的钻进方向和参数范围的动作指令和参数标定指令。所述的确认帧为可编程逻辑控制器发给嵌入式系统的表示收到命令的确认回复及执行情况回复。而所述的数据帧则为可编程逻辑控制器发给嵌入式系统的水平定向钻各部分的机械工作状态和仪表数据。本发明的有益效果为I、本发明在传统的水平定向钻控制系统基础上，加入一套嵌入式装置，可实现钻头轨迹的自动规划和纠偏，提高了机械的工作效率和质量；2、导向仪与嵌入式系统之间的两种位置信息输入形式，灵活方便，解决了多种不同的导向仪与嵌入式系统的通信问题；3.本发明的嵌入式系统能够提供友好的人机界面，方便操作人员输入和查看相关信息，降低了操作难度。
图I为本发明一实施例的结构示意图；图2为本发明所述的嵌入式系统的结构框图；图3为本发明所述的嵌入式系统的程序流程图。图中主要附图标记含义为101、导向仪102、嵌入式系统 103、可编程逻辑控制器201、核心处理器 202、CAN通信接口 203、人机接口204、液晶屏接口 205、触摸屏接口 206、键盘接口。
具体实施例方式下面结合附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。图I为本发明一实施例的结构示意图。
如图I所示基于嵌入式系统的水平定向钻控制装置，包括导向仪101、嵌入式系统102和可编程逻辑控制器(PLC) 103，导向仪101用于获取当前钻头位置信息，并将钻头位置信息反馈给嵌入式系统102 ;考虑到导向仪101产品的多样性和内部协议的封闭性，在具体实施例中，如果导向仪101不能提供任何接口，那么就采用手动输入方式，也就是操作人员读取导向仪的显示屏上显示的当前钻头位置信息，通过所述的触摸屏接口上连接的触摸屏和键盘接口上连接的键盘手动输入到所述的嵌入式系统102中；如果导向仪101设置有总线接口和总线协议，那么采用自动获取方式更为简单便利，比如可以通过CAN总线与嵌入式系统102相连接，按照设定协议发送钻头当前位置。嵌入式系统102是整个水平定向钻控制装置的核心，主要功能是根据操作人员的设定自动规划水平定向钻的运行轨迹，并通过导向仪101反馈的的钻头位置信息对运行轨迹进行纠偏，同时还要发送控制命令给PLC 103，并接收PLC 103的工况信息的数据包，将工况信息显示给操作人员。图2为本发明所述的嵌入式系统的结构框图。·
如图2所示所述的嵌入式系统102包括用于轨迹规划和纠偏的处理的核心处理器201、用于和可编程逻辑控制器103或导向仪101进行数据交互的CAN通信接口 202，以及用于操作人员查看和输入水平定向钻运行的相关参数的人机接口 203，且所述的核心处理器201分别与所述的CAN通信接口 202和人机接口 203连通。且所述人机接口 203还包括液晶屏接口 204、触摸屏接口 205和键盘接口 206。在本实施方式中，核心处理器201选择Samsung S3C2440AL，这是一款功能强大的ARM 9处理器，外扩64MBSDRAM、256MB NandFlash和2MB Nor Flash,搭建嵌入式Linux系统,选择Qt平台进行应用程序的开发；CAN通信接口 202采用MCP2510作为CAN总线控制器和MCP2551作为CAN总线收发器，通过核心处理器201的SPI接口拓展，最高数据传输速率可达5Mb/s ;液晶屏采用8. 4英寸TFT IXD三菱液晶屏作为图像显示模块，大小为640 X 480，因为处理器S3C2440AL内部集成了 IXD控制器，只需要将相应管脚接到LCD驱动器即可控制液晶屏；触摸屏选择常用的四线电阻式，处理器S3C2440AL内部集成了 4种触摸屏接口模式，其中X/Y坐标自动(连续)转换模式和等待中断模式的应用比较常见，这种技术大大方便了用户操作，只要用手指轻轻地碰触显示屏上的图符或文字就能实现对主机操作，从而使人机交互更为直截；键盘接口 206主要是辅助操作人员输入相关信息，使用常规电路实现即可。图3为本发明所述的嵌入式系统的程序流程图。如图3所示嵌入式系统102所完成的功能流程图开始于步骤301，结束于步骤305 步骤301 :在施工前，操作人员将获取的施工场地环境参数和标定点通过人机接口 203输入到嵌入式系统102中；步骤302 :嵌入式系统102获取到必要的信息后开始进行自动轨迹规划，以指导水平定向钻的运行；步骤303 :嵌入式系统102将计算的控制指令通过CAN总线发送给PLC 103，PLC103按命令驱动水平定向钻104，直到完成施工任务；步骤304 :将从导向仪101获取的钻头位置信息和从PLC 103接收的水平定向钻各部分的工况信息显示在嵌入式系统102的液晶屏上，供操作人员随时查看施工情况；
步骤305 :嵌入式系统102根据导向仪101测量的当前钻头位置进行轨迹纠偏，然后转到步骤303。此外，本发明中的可编程逻辑控制器(PLC) 103—方面通过CAN总线与嵌入式系统102连接，用于控制指令的接收和状态信息的发送，另一方面驱动水平定向钻104运行，并监测其各部分的工况信息。PLC 103与嵌入式系统102之间通信的信息帧类型主要包括命令帧、确认帧和数据帧。命令帧是指嵌入式系统102发给PLC 103要执行的动作指令和参数标定指令，用于调整水平定向钻的钻进方向和参 数范围，在具体实施例中，命令帧的ID号为0x231-0x250，其信息内容参见表I。表I命令巾贞的信息内容
信息位数/状态数具体内容
动作指令 j__此命令的长度_
1/2__运动、停止运动_
1/2__钻进方向，钻进、回t也_J/2__钻头是否旋转_
1/23进速度高低速
_16__钻头旋转角度_
_ 16钻进/回拖距离
参数标定 I钻杆长度确认帧是指PLC 103发给嵌入式系统102表示收到命令的确认回复及执行情况回复，在具体实施例中，确认帧的ID号为0x103，只用其第一个字节，0x00表示帧正确正在执行；0x01表示错误,需重新发送；0x02表示执行完成；0x03表示执行失败。数据帧是指PLC 103发给嵌入式系统102的水平定向钻各部分机械工作状态和仪表数据，在具体实施例中，数据帧的信息内容参见表2。表2数据帧的信息内容
CAN的ID号对象位数./'状态内容
____状态数__
各部分I 0x101前虎钳丨1/2 I I夹紧、O松开
权利要求
1.基于嵌入式系统的水平定向钻控制装置，其特征在于，包括 用于获取当前钻头位置信息，并将钻头位置信息反馈给嵌入式系统的导向仪； 用于自动规划水平定向钻的运行轨迹、根据导向仪反馈的钻头位置信息对运行轨迹进行纠偏、发送控制命令给可编程逻辑控制器、并接收可编程逻辑控制器的工况信息的数据包，将工况信息显示给操作人员的嵌入式系统； 与嵌入式系统通过CAN总线连通，且用于驱动水平定向钻运行，并监测水平定向钻各部分的工况信息的可编程逻辑控制器。
2.根据权利要求I所述的基于嵌入式系统的水平定向钻控制装置，其特征在于，所述的嵌入式系统包括用于轨迹规划和纠偏的处理的核心处理器、用于和可编程逻辑控制器或导向仪进行数据交互的CAN通信接口，以及用于操作人员查看和输入水平定向钻运行的相关参数的人机接口，且所述的核心处理器分别与所述的CAN通信接口和人机接口连通。
3.根据权利要求2所述的基于嵌入式系统的水平定向钻控制装置，其特征在于，所述的人机接口包括液晶屏接口、触摸屏接口和键盘接口。
4.根据权利要求3所述的基于嵌入式系统的水平定向钻控制装置，其特征在于，所述的导向仪通过人工手动输入或总线自动获取的方式将钻头位置信息反馈给所述的嵌入式系统。
5.根据权利要求4所述的基于嵌入式系统的水平定向钻控制装置，其特征在于，所述的人工手动输入的方式为所述的操作人员将导向仪的显示屏上显示的当前钻头位置信息，通过所述的触摸屏接口上连接的触摸屏和键盘接口上连接的键盘手动输入到所述的嵌入式系统。
6.根据权利要求4所述的基于嵌入式系统的水平定向钻控制装置，其特征在于，所述的总线自动获取的方式为所述导向仪上设置有总线接口和总线协议，并通过CAN总线与所述的嵌入式系统通信。
7.根据权利要求I所述的基于嵌入式系统的水平定向钻控制装置，其特征在于，所述的嵌入式系统和可编程逻辑控制器之间通信的信息帧类型包括命令帧、确认帧和数据帧。
8.根据权利要求7所述的基于嵌入式系统的水平定向钻控制装置，其特征在于，所述的命令帧为嵌入式系统发给可编程逻辑控制器要执行的用于调整水平定向钻的钻进方向和参数范围的动作指令和参数标定指令。
9.根据权利要求7所述的基于嵌入式系统的水平定向钻控制装置，其特征在于，所述的确认帧为可编程逻辑控制器发给嵌入式系统的表示收到命令的确认回复及执行情况回复。
10.根据权利要求7所述的基于嵌入式系统的水平定向钻控制装置，其特征在于，所述的数据帧为可编程逻辑控制器发给嵌入式系统的水平定向钻各部分的机械工作状态和仪表数据。
全文摘要
本发明涉及一种基于嵌入式系统的水平定向钻控制装置，包括用于获取当前钻头位置信息，并将钻头位置信息反馈给嵌入式系统的导向仪；用于自动规划水平定向钻的运行轨迹、根据导向仪反馈的钻头位置信息对运行轨迹进行纠偏、发送控制命令给可编程逻辑控制器、并接收可编程逻辑控制器的工况信息的数据包，将工况信息显示给操作人员的嵌入式系统；与嵌入式系统通过CAN总线连通，且用于驱动水平定向钻运行，并监测水平定向钻各部分的工况信息的可编程逻辑控制器。本发明实现了水平定向钻的自动轨迹规划和纠偏，简化了水平定向钻的操作方式，提高了工作效率和质量。
文档编号E21B44/02GK102900365SQ20121037992
公开日2013年1月30日 申请日期2012年10月9日 优先权日2012年10月9日
发明者叶桦, 孙晓洁, 李静, 任峥峥, 李根营, 高雪林 申请人:东南大学