本发明涉及地质勘探
技术领域：
，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。
背景技术：
：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。技术实现要素：本发明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。应用本发明的技术方案，效果是：1、本发明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、本发明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发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明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。此处采用离线式测量方式，即水平钻机钻进时不实时测量，结束钻进时，惯性导航系统进入钻孔并进行测量，测量数据保存至电子存储卡中，测量结果传输到工控机上。具体测量过程为，惯性导航系统首先进行初始对准，对准完成以后，惯性导航系统置于钻孔入口处进行测量，此时进行初始位置零速校正，匀速行进至最远点并固接后，再次进行零速校正，再匀速回至洞口，进行第三次零速校正。测量结束后，将接收到的原始测量数据以.txt或者.dat格式传输到工控机，通过惯性导航软件处理。详情如下：1、惯性导航系统在钻进轨迹的起始点p0进行零速校正；2、惯性导航系统从洞口位置p0(p0坐标已知)到达第一个零速校正点p1时，惯性导航系统停下10s，对惯性导航系统的状态量x1进行零速校正，得到量测值z1，此时量测值z1与真实坐标值相比偏差最小，用z1来表示点p1坐标，即可得到p0到p1的轨迹l01，从而得到一阶段的轨迹i1＝l01；3、惯性导航系统从洞口位置p0(优选在洞口位置p0进行零速校正)经过p1到达第二个零速校正点p2，经过p1时，通过此时惯性导航系统的测量状态量x1，与第一个零速校正点的量测值z1进行卡尔曼滤波，对惯性导航系统状态量x进行更新；惯性导航系统继续测量到达第二个零速校正点p2后，惯性导航系统停下10s，对惯性导航系统的状态量x2进行零速校正，得到量测值z2，用z2来表示点p2坐标，即可得到p1到p2的轨迹l12，从而得到二阶段的轨迹i2＝l01+l12；4、惯性导航系统从洞口位置p0(优选在洞口位置p0进行零速校正)经过p1和p2到达第三个零速校正点p3，经过点p1不再进行处理，经过p2时，通过此时惯性导航系统的测量状态量x2，与第二个零速校正点的量测值z2进行卡尔曼滤波，对惯性导航系统状态量x2进行更新；惯性导航系统继续测量到达第三个零速校正点p3后，惯性导航系统停下10s，对惯性导航系统的状态量x3进行零速校正，得到量测值z3，用z3来表示点p3坐标，即可得到p2到p3的轨迹l23，从而得到三阶段的轨迹i3＝l01+l12+l23；5、惯性导航系统从洞口位置p0(优选在洞口位置p0进行零速校正)经过p1、p2、p3到达第4个零速校正点p4，经过点p1和p2不再进行处理，经过点p3时，通过此时惯性导航系统的测量状态量x3，与第3个零速校正点的量测值z3进行卡尔曼滤波，对惯性导航系统状态量x3进行更新；继续测量到达第4个零速校正点p4后，惯性导航系统停下10s，对惯性导航系统的状态量x4进行零速校正，得到量测值z4，用z4来表示点p4坐标，即可得到p3到p4的轨迹l34，从而得到轨迹i4＝l01+l12+l23+l34。通过全站仪获得的钻机轨迹如表1(作为参照)：表1全站仪所测轨道坐标北坐标(m)东坐标(m)天坐标(m)起点坐标-19.912-16.1622-1.1288零速校正点1-20.34221.1421-1.1181零速校正点2-19.472218.3682-1.0834零速校正点3-17.377935.1854-1.2413终点坐标-13.938552.3367-1.8271采用本实施例方案所获得的钻进轨迹详见表2(基于零速校正的实测数据)：表2本实施例经过零速校正后的坐标趟数北坐标(m)东坐标(m)天坐标(m)起点坐标-19.912-16.1622-1.1288零速校正点1-20.35621.2023-1.1196零速校正点2-19.510318.3821-1.0911零速校正点3-17.449835.1084-1.2456终点坐标-14.050752.2796-1.8254未进行零速校正的钻进轨迹详见表3：表3未经过零速校正的坐标北坐标(m)东坐标(m)天坐标(m)起点坐标-19.912-16.1622-1.1288零速校正点1-20.36711.2162-1.1253零速校正点2-19.521618.3962-1.0949零速校正点3-17.469235.0828-1.2472终点坐标-14.062452.2726-1.8327根据表1和表2获得基于零速校正后的精度如表4；根据表1和表3获得未进行零速校正的精度如表5：表4经过零速校正后的精度北坐标差(m)东坐标差(m)天坐标差(m)起点坐标000零速校正点10.014-0.06020.0015零速校正点20.0381-0.01390.0077零速校正点30.07190.0770.0043终点坐标0.11220.0571-0.0017表5未经过零速校正的精度北坐标差(m)东坐标差(m)天坐标差(m)起点坐标000零速校正点10.0249-0.07410.0072零速校正点20.0494-0.0280.0115零速校正点30.09130.10260.0059终点坐标0.12390.06410.0056对比表4和表5可知，采用本发明基于零速校正的方法，所获得的水平钻机的钻机轨迹精准度高。以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的
技术领域：
，均同理包括在本发明的专利保护范围内。当前第1页12