专利名称：一种水平定向钻自由轨迹规划及纠偏方法
一种水平定向钻自由轨迹规划及纠偏方法本发明涉及一种水平定向钻的自由轨迹规划及纠偏方法，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。目前对水平定向钻的操作大多采用手动方式，在水平定向钻施工准备期，由于地下环境复杂且不可视，操作人员需要预先做好轨迹规划的工作，同时，在施工进行中，操作人员还需要做好实时轨迹纠偏的工作，这对施工人员的技术水平与经验提出了较高的要求。
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可改进水平定向钻的操作 方式，提高工作效率和工作质量的水平定向钻自由轨迹规划及纠偏方法。本发明的技术方案为
一种水平定向钻自由轨迹规划及纠偏方法，其特征在于，包括基于表定点的自由轨迹生成的步骤和自由轨迹纠偏的步骤，而所述的自由轨迹包括入土直线段、中间段和出土直线段，其中，所述的自由轨迹生成的步骤具体为
(11)利用格栅法获取标定点；在液晶显示屏中显示已设障碍物的示意图的界面中根据比例画出网格，然后在中间段范围内，用户点击网格上任意点，确认后得到用户输入点，所述的用户输入点以距中间段的起始点的水平距离排列顺序，距离最近的点为用户第一输入占.
(12)入土直线规划根据入土角的范围和入土直线最小长度要求，选取第一个点，并将第一个点作为中间段规划的起始点；
(13)出土直线规划根据出土角的范围和出土直线最小长度要求，选取最后一个点，作为中间段规划的最终点；
(14)中间段轨迹规划根据步骤(2)确定的中间段的起始点和步骤(3)确定的中间段的最终点，并以用户第一输入点为中间段的第二个点，用户最后输入点为中间段的倒数第二个点，并从中间段的起始点开始，所有点间采用点到点轨迹算法进行规划；
(15)建立点到点轨迹算法模型构建二维坐标系，并根据坐标关系、全弯曲角公式和几何关系建立点到点轨迹算法模型；
(16)利用迭代法求解点到点轨迹算法模型，
而所述的自由轨迹纠偏的步骤具体为
(21)当水平定向钻的钻头钻进入土直线段时保持直线钻进，不进行纠偏，但要根据当前实际钻头位置估计实际的中间段起始点，若实际的中间段起始点与设计点偏差大于阈值时，要预先用纠偏算法计算修正轨迹，纠偏算法有解时，更新未施工的轨迹段的轨迹；若无解，提示用户查看初始入土角是否设置正确，退回所有钻杆，调整入土角重新钻进；(22)当水平定向钻的钻头钻进轨迹中间段时，当监测到的实际轨迹点与对应设计点偏差超过阈值时，采用纠偏算法计算修正轨迹，若纠偏算法有解时，用修正轨迹更新当前未施工的轨迹部分，继续钻进；若纠偏算法无解时，无法生成修正轨迹，此时要回拖钻杆到上一确定点，用估测算法计算当前环境的参数，进行修正，重新钻进，继续监测；
(23)当水平定向钻的钻头钻进出土直线段时，保持直线钻进，不进行纠偏。进一步，所述的用户在自由输入标定点时具有条件范围限制，具体为(I)在入土直线段和出土直线段的范围内不允许输入点，在入土直线和出土直线范围内不允许输入标定点；(2)在关键障碍物处要有三个输入点。而所述的点到点轨迹算法模型的建立方法为
构建二维坐标系设入土点为O,出土点为C,然后取入土点O为坐标原点，重锤方向为y轴正方向，入土点O和出土点C的连线及y轴组成的面上的过O点的水平线为X轴，O到C的方向为X轴的正方向，形成二维的O-吁坐标系；
在所述的构建的5 — ^坐标系中，设中间段的起始点为2，设自由轨迹的目标点为5 ,中间还设置有输入点D、E、以及在B点的后面还设置有下一输入点G，其中，AD为圆弧端，DE为直线段，EB为圆弧段，而AC为J点在自由轨迹中的方向，抑为5点在自由轨迹中的方向，其中，所述的FB方向为B点、G点连线方向和A点、G点连线方向的角平分线方向，当B点为中间段的最终点时，B点方向为出土直线段的方向，圆弧AD在A点和D点分别做切线，所述的两根切线相交于C点，圆弧EB在E点和B点分别做切线，所述的两根切线相交于F点，圆弧Al)和圆弧的曲率半径取最小曲率半径，
由上述的坐标关系可得
权利要求
1.一种水平定向钻自由轨迹规划及纠偏方法，其特征在于，包括基于表定点的自由轨迹生成的步骤和自由轨迹纠偏的步骤，而所述的自由轨迹包括入土直线段、中间段和出土直线段，其中，所述的自由轨迹生成的步骤具体为 (11)利用格栅法获取标定点；在液晶显示屏中显示已设障碍物的示意图的界面中根据比例画出网格，然后在中间段范围内，用户点击网格上任意点，确认后得到用户输入点，所述的用户输入点以距中间段的起始点的水平距离排列顺序，距离最近的点为用户第一输入占. (12)入土直线规划根据入土角的范围和入土直线最小长度要求，选取第一个点，并将第一个点作为中间段规划的起始点； (13)出土直线规划根据出土角的范围和出土直线最小长度要求，选取最后一个点，作为中间段规划的最终点； (14)中间段轨迹规划根据步骤(2)确定的中间段的起始点和步骤(3)确定的中间段的最终点，并以用户第一输入点为中间段的第二个点，用户最后输入点为中间段的倒数第二个点，并从中间段的起始点开始，所有点间采用点到点轨迹算法进行规划； (15)建立点到点轨迹算法模型构建二维坐标系，并根据坐标关系、全弯曲角公式和几何关系建立点到点轨迹算法模型； (16)利用迭代法求解点到点轨迹算法模型， 而所述的自由轨迹纠偏的步骤具体为 (21)当水平定向钻的钻头钻进入土直线段时保持直线钻进，不进行纠偏，但要根据当前实际钻头位置估计实际的中间段起始点，若实际的中间段起始点与设计点偏差大于阈值时，要预先用纠偏算法计算修正轨迹，纠偏算法有解时，更新未施工的轨迹段的轨迹；若无解，提示用户查看初始入土角是否设置正确，退回所有钻杆，调整入土角重新钻进； (22)当水平定向钻的钻头钻进轨迹中间段时，当监测到的实际轨迹点与对应设计点偏差超过阈值时，采用纠偏算法计算修正轨迹，若纠偏算法有解时，用修正轨迹更新当前未施工的轨迹部分，继续钻进；若纠偏算法无解时，无法生成修正轨迹，此时要回拖钻杆到上一确定点，用估测算法计算当前环境的参数，进行修正，重新钻进，继续监测； (23)当水平定向钻的钻头钻进出土直线段时，保持直线钻进，不进行纠偏。
2.根据权利要求I所述的一种水平定向钻自由轨迹规划及纠偏方法，其特征在于，所述的用户在自由输入标定点时具有条件范围限制，具体为(I)在入土直线段和出土直线段的范围内不允许输入点，在入土直线和出土直线范围内不允许输入标定点；(2)在关键障碍物处要有三个输入点。
3.根据权利要求I所述的一种水平定向钻自由轨迹规划及纠偏方法，其特征在于，所述的点到点轨迹算法模型的建立方法为 构建二维坐标系设入土点为O,出土点为C,然后取入土点O为坐标原点，重锤方向为y轴正方向，入土点O和出土点C的连线及y轴组成的面上的过O点的水平线为X轴，O到C的方向为X轴的正方向，形成二维的c—分坐标系； 在所述的构建的^ — ^坐标系中，设中间段的起始点为』，设自由轨迹的目标点为5，中间还设置有输入点D、E、以及在B点的后面还设置有下一输入点G，其中，AD为圆弧端，DE为直线段，EB为圆弧段，而为J点在自由轨迹中的方向，为5点在自由轨迹中的方向，其中，所述的FB方向为B点、G点连线方向和A点、G点连线方向的角平分线方向，当B点为中间段的最终点时，B点方向为出土直线段的方向，圆弧AD在A点和D点分别做切线，所述的两根切线相交于C点，圆弧EB在E点和B点分别做切线，所述的两根切线相交于F点，圆弧AD和圆弧迎的曲率半径取最小曲率半径， 由上述的坐标关系可得
4.根据权利要求3所述的一种水平定向钻自由轨迹规划及纠偏方法，其特征在于，所述的迭代法步骤如下 (101)取Z1Λ的迭代初始值/ = O , i2° = O，迭代精度δ = 0._ ； (102)计算/和芎，由式(1)，令
5.根据权利要求I所述的一种水平定向钻自由轨迹规划及纠偏方法，其特征在于，所述的实际轨迹点的监测方法为在无导向仪反馈的位置信号时，实际轨迹根据钻杆完成情况取得，当收到一根钻杆完成动作的信号后，监测界面上显示的实际完成轨迹增加一根钻杆的长度；在收到导向仪反馈的位置信号后，修正当前显示的钻杆头位置，判断实际轨迹与规划轨迹偏差是否在允许范围内，若超出允许范围，则进行纠偏处理，提出新的规划轨迹及对应动作指令。
6.根据权利要求I所述的一种水平定向钻自由轨迹规划及纠偏方法，其特征在于，所述的纠偏算法的具体步骤为 步骤I、构建三维坐标系，利用三维坐标关系、全弯曲角公式和几何关系建立三维的点到点纠偏算法模型； 步骤2 :使用迭代法求解三维的点到点纠偏算法模型； 步骤3 :目标点的选择利用纠偏算法来修正的轨迹段为中间段，具体为以当前钻进钻杆位置为基准往后顺推I个钻杆长度得到纠偏目标点，判断是否可以纠偏成功，若不可，继续往后顺推η个钻杆长，所述的η为2、3、4……，纠偏目标点最远不超过下一用户输入点。
7.根据权利要求6所述的一种水平定向钻自由轨迹规划及纠偏方法，其特征在于，所述的三维的点到点纠偏算法模型的建立方法具体为 构建三维坐标系设入土点为O,然后取入土点O为坐标原点，重锤方向为y轴正方向，水平线为X轴，与所述的X轴和I轴构成的平面垂直的OZ线为z轴，建立三维的心2坐标系; 在所述的^—识坐标系中，设实际钻进到达4点位置，4力J点在实际轨迹中的方向，设钻进纠偏到的目标点为5，中间还设置有输入点D、Ε，其中，AD为圆弧端，DE为直线段，EB为圆弧段，且自由轨迹钻进至点处时，B点的顶角和坐标方位角和原设计轨迹i 点一致，所述的两个圆弧段2D和BB都位于各自的空间斜平面内，且两者不共面，圆弧AD在A点和D点分别做切线，所述的两根切线相交于C点，圆弧EB在E点和B点分别做切线，所述的两根切线相交于F点，圆弧和圆弧迎的曲率半径取最小曲率半径， 由上述的0 - -W三维坐标关系可得χΒ - κΛ -11 sin &Acos αΛH-(! + 4 + /2)sm S1 cos +/2 sin ΘΒ cosaB式(10) yM -yA = Z1 cos &A + (i +Z1 +i2) cos Qi +I2 cos ΘΒ式(11)
8.根据权利要求7所述的一种水平定向钻自由轨迹规划及纠偏方法，其特征在于，所述的求解三维的点到点纠偏算法模型的迭代法为 (201)取Z1，I2的迭代初始值/ =0,ξ =0，迭代精度5 = 0 ； (202)计算/,h由式(10)-式(12)，令
9.根据权利要求I所述的一种水平定向钻自由轨迹规划及纠偏方法，其特征在于，所述的估测算法用于中间段，具体为 当所述的中间段为直线段到曲线段的过渡段时设曲线段中一根钻杆的实际轨迹为AB , AC为直线段，CB为曲线段，已知AC直线段的长度为4，A点坐标、B点坐, A、B点的顶角和方位角分别为七、Oi4、S1s、O13 ,弧^￡§长度为一根钻杆的长度I，则巧为C、B两点运动向量的夹角，C点的顶角和方位角与A点相同，得到
全文摘要
本发明涉及一种水平定向钻自由轨迹规划及纠偏方法，该方法包括一种基于标定点的自由轨迹生成算法和一种对应的轨迹纠偏策略，首先，采用格栅法获取标定点，其次根据设计参数和机械参数，依次进行入土直线规划、出土直线规划和中间段轨迹规划，在中间段轨迹规划中要用到点到点轨迹算法规划。在水平定向钻实际运行过程中，采用导向仪和钻杆运动情况相结合的钻孔轨迹监测方法进行入土直线段、中间段和出土直线段的轨迹纠偏，在中间段时用到纠偏算法和估测算法。上述方法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E21B7/10GK102900366SQ20121041581
公开日2013年1月30日 申请日期2012年10月26日 优先权日2012年10月26日
发明者叶桦, 孙晓洁, 李静, 高雪林, 李根营, 任峥峥 申请人:东南大学