一种定向仪的寻北定向方法及寻北定向系统与流程

1.本技术涉及地质勘测技术领域，特别涉及一种定向仪的寻北定向及寻北定向系统。


背景技术：

2.水与瓦斯是煤矿井下两个主要的灾害源，通过钻孔来探放水和抽排瓦斯是预防此类灾害的最有效方式，钻孔能否达到设计要求直接关系到瓦斯的抽采效果以及水的排放效果。钻孔设备的钻孔定向准确度是保证钻孔达到设计要求的首要环节。
3.目前，用于煤矿井下钻孔定向设备主要有两大类，一是内置光纤陀螺寻北的定向仪，此设备只能工作在近似水平状态，并且价格高昂，适用范围较小。另一类是基于六轴或九轴mems陀螺仪的定向仪，此类设备无法实现无基线自动寻北功能，因此必须布设巷道基线，并将定向仪与巷道基线对准，将方位角已知的巷道中心线作为初始基准角，该方法操作过程繁琐，且每个钻机定向都要重复这一过程，耗时较长。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供一种定向仪的寻北定向及寻北定向系统，以解决用于煤矿井的钻孔设备钻孔定向过程繁琐、适用范围小的问题。
5.一种定向仪的寻北定向方法，其包括如下步骤：
6.将定向仪放置于校准台上；
7.利用定向仪内置的mems陀螺仪和磁传感器测得定向仪所在位置的环境磁场影响稳定度；
8.判断环境磁场影响稳定度是否小于等于预设指标，若是，则进行无基线寻北定向，若否，则进行有基线寻北定向。
9.进一步的，所述利用定向仪内置的mems陀螺仪和磁传感器测得定向仪所在位置的环境磁场影响稳定度包括：
10.将磁传感器测得的当前位置的方位角作为mems陀螺仪的初始基准角；
11.旋转校准台，选取至少3个方位点，利用磁传感器测得每个方位点的方位角，并利用mems陀螺仪测得每个方位点的方位角；
12.计算每个方位点的两个方位角的差值，将最大的差值作为环境磁场影响稳定度。
13.进一步的，定向仪具有前向激光线束和顶部激光线束，所述无基线寻北定向包括：
14.将磁传感器测得的当前位置的方位角作为mems陀螺仪的初始基准角；
15.将定向仪设置于钻机，调整钻机的方位，使mems陀螺仪测得的方位角与目标钻孔点的方位角一致，同时，定向仪的前向激光线束对准目标钻孔点，定向结束。
16.进一步的，所述无基线寻北定向还包括：
17.待定向结束后，将定向仪放回至校准台，并关机；
18.当需要对下一个目标钻孔点进行寻北定向时，开启定向仪，将磁传感器测得的当
前位置的方位角作为mems陀螺仪的初始基准角；
19.将定向仪设置于钻机，调整钻机的方位，使mems陀螺仪测得的方位角与下一个目标钻孔点的方位角一致，同时，定向仪的前向激光线束对准下一个目标钻孔点，定向结束。
20.进一步的，定向仪具有前向激光线束和顶部激光线束，所述有基线寻北定向包括：
21.布置巷道基线；
22.将校准台设置于巷道基线的下方，并将定向仪放置于该校准台上；
23.旋转校准台，使定向仪的顶部激光线束与巷道基线重合；
24.将已知的巷道基线方位角作为mems陀螺仪的初始基准角；
25.将定向仪设置于钻机，调整钻机的方位，使mems陀螺仪测得的方位角与目标钻孔点的方位角一致，同时，定向仪的前向激光线束对准目标钻孔点，定向结束。
26.进一步的，在所述将已知的巷道基线方位角作为mems陀螺仪的初始基准角之后还包括：
27.待定向仪的顶部激光线束与巷道基线重合之后，定向仪获取并记忆磁传感器测得当前位置的方位角与巷道基线方位角的偏差值。
28.进一步的，所述在将校准台设置于巷道基线的下方，并将定向仪放置于该校准台上之后还包括：
29.待定向仪放置于校准台上之后，对校准台进行调平。
30.还提供一种寻北定向系统，其包括：
31.校准台，其设置于预设场地；
32.定向仪，其设置于所述校准台，所述定向仪包括mems陀螺仪、磁传感器、第一计算模块和判断模块，所述第一计算模块用于利用定向仪内置的mems陀螺仪和磁传感器测得环境磁场影响稳定度，所述判断模块用于判断环境磁场影响稳定度是否小于预设指标，所述mems陀螺仪、磁传感器分别与所述第一计算模块通信连接，所述第一计算模块与所述判断模块通信连接。
33.进一步的，所述校准台与已知磁性干扰源之间的间距不小于1m。
34.进一步的，所述定向仪还包括用于计算磁传感器测得的方位角与巷道基线方位角的偏差值的第二计算模块，所述mems陀螺仪、磁传感器分别与所述第二计算模块通信连接。
35.本技术提供的技术方案带来的有益效果包括：
36.本技术实施例提供了一种定向仪的寻北定向及寻北定向系统，其利用定向仪内置的mems陀螺仪和磁传感器，实现无基线寻北定向或有基线寻北定向。并且，先进行判断是否可以进行无基线寻北定向，若可以进行无基线寻北定向，无须布置基线，能够快速定向，操作简单。当现场条件不满足无基线寻北定向的条件时，可以进行有基线寻北定向。本技术的定向仪能够同时实现无基线寻北定向和有基线寻北定向两种定向方式，可以适用于多种场地，适用性范围广。
附图说明
37.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他
的附图。
38.图1为本技术实施例定向仪的寻北定向方法的流程图；
39.图2为图1中的环境磁场影响稳定度的计算过程流程图；
40.图3为图1中的无基线寻北定向的流程图；
41.图4为图1中的有基线寻北定向的流程图；
42.图5为本技术寻北定向系统的实施例一的整体结构图；
43.图6为本技术寻北定向系统的实施例二的整体结构图。
44.1、mems陀螺仪；2、磁传感器；3、第一计算模块；4、判断模块；5、第二计算模块。
具体实施方式
45.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
46.本技术实施例提供了一种定向仪的钻孔定向方法及定向系统，其能解决用于煤矿井的钻孔设备钻孔定向过程繁琐、适用范围小的问题。
47.如图1所示，一种定向仪的寻北定向方法，其包括如下步骤：
48.步骤s1：将定向仪放置于校准台上。
49.步骤s2：利用定向仪内置的mems陀螺仪1和磁传感器2测得定向仪所在位置的环境磁场影响稳定度。
50.步骤s3：判断环境磁场影响稳定度是否小于等于预设指标，若是，则进行步骤s4。若否，则进行步骤s5。
51.步骤s4：无基线寻北定向。
52.步骤s5：有基线寻北定向。
53.具体的，在上述步骤s1之前，在目标钻孔位置的邻近处，寻找一个空地，将校准台设置于该空地。优选的，该空地的位置与周围磁性干扰源的间距应该不小于1m，从而避免磁性干扰源对定向仪的测量造成较大的干扰，影响测量和定向的精确度。具体的，校准台可以为有刻度的圆盘，校准台的顶面具有多条自中心向外延伸的射线，每相邻两条射线与校准台的边沿形成扇形，多条射线将校准台的顶面分为多个扇形。
54.具体的，在上述步骤s1中，将定向仪置于校准台上，并将定向仪开机启动。
55.具体的，在本技术实施例中，在上述步骤s3中，预设指标为1
°
，当环境磁场影响稳定度小于等于1
°
时，说明定向仪所在位置的磁场干扰较小。当环境磁场影响稳定度大于1
°
时，说明定向仪所在位置的磁场干扰较大。在其他实施例中，上述步骤3中的预设指标可以为其他数据，可以根据实际情况来设定。
56.具体的，在本技术实施例中，在上述步骤s3中，若环境磁场影响稳定度大于1
°
，还可以验证环境磁场影响稳定度。具体步骤为，调整校准台的位置，并将定向仪放置于校准台上，重新测得环境磁场影响稳定度，直至环境磁场影响稳定度小于等于预设指标，则进行步骤s4。若调整若干位置后，环境磁场影响稳定度始终大于预设指标，则表明当前环境下，定向仪所在位置的磁场干扰较大，则进行步骤s5。该过程可以充分利用场地，提高本技术实施
例的适用范围。
57.具体的，在上述步骤s3中，当判断该场地无法进行无基线寻北定向时，可以人工控制定向仪，使其切换至有基线寻北定向的流程。
58.进一步的，如图2所示，上述步骤s2为环境磁场影响稳定度的计算流程，具体包括如下步骤：
59.步骤s21：将磁传感器2测得的当前位置的方位角作为mems陀螺仪1的初始基准角。
60.步骤s22：旋转校准台，选取至少3个方位点，利用磁传感器2测得每个方位点的方位角，并利用mems陀螺仪1测得每个方位点的方位角。
61.步骤s23：计算每个方位点的两个方位角的差值，将最大的差值作为环境磁场影响稳定度。
62.具体的，在上述步骤s22中，在本技术实施例中，在校准台的周围随机选取5个方位点。优选的，5个方位点围绕着校准台形成一圈，每相邻两个方位点之间的距离相等，多个方位点均匀分布。在其他实施例中，方位点的数量为多于3个的其他数值，可以根据实际情况来设定，以便于提高定向仪测量和定向的精确度。
63.具体的，上述步骤s22中，通过mems陀螺仪1依次测得定向仪对准每个方位点时的方位角。具体为，当定向仪对准某个方位点时，mems陀螺仪1可以测得相对于mems陀螺仪1的初始基准角的转角，mems陀螺仪1的转角与mems陀螺仪1的初始基准角之和，即为mems陀螺仪1测得的该方位点的方位角。
64.上述步骤s22具体为，旋转校准台，使定向仪旋转，定向仪对准第一个方位点，待定向仪静止稳定后，通过磁传感器2获取当前位置的方位角，通过mems陀螺仪1获取当前位置的方位角，计算上述两个方位角的差值。顺时针旋转校准台，使定向仪旋转，定向仪对准第二个方位点，通过磁传感器2获取当前位置的方位角，通过mems陀螺仪1获取当前位置的方位角，计算上述两个方位角的差值。依次类推，得到定向仪对准每个方位点时，磁传感器2测得的方位角和mems陀螺仪1测得方位角的差值，将最大的差值作为环境磁场影响稳定度。
65.当需要验证环境磁场影响稳定度时，调整校准台的位置，重复上述步骤s21至步骤s23。
66.进一步的，定向仪具有前向激光线束和顶部激光线束。上述步骤s4包括：将磁传感器2测得的当前位置的方位角作为mems陀螺仪1的初始基准角。将定向仪设置于钻机，调整钻机的方位，使mems陀螺仪1测得的方位角与目标钻孔点的方位角一致，同时，定向仪的前向激光线束对准目标钻孔点，定向结束。
67.具体的，在上述步骤中，将定向仪设置于钻机，具体为将定向仪设置于钻机的滑轨上。定向仪内置的激光发射器可以发射出前向激光线束，旋转钻机，定向仪内置的mems陀螺仪1自动获取当前位置的方位角，而目标钻孔点的方位角为已知，当mems陀螺仪1获取的方位角与目标钻孔点的方位角一致时，此时，前向激光线束对准的位置，即为目标钻孔点。
68.进一步的，上述步骤s4还包括：待定向结束后，将定向仪放回至校准台，并关机。当需要对下一个目标钻孔点进行寻北定向时，开启定向仪，将磁传感器2测得的当前位置的方位角作为mems陀螺仪1的初始基准角。将定向仪设置于钻机，调整钻机的方位，使mems陀螺仪1测得的方位角与下一个目标钻孔点的方位角一致，同时，定向仪的前向激光线束对准下一个目标钻孔点，定向结束。
69.具体的，在上述步骤中，当需要对下一个目标钻孔点进行定向时，可以直接将磁传感器2测得的当前位置的方位角作为mems陀螺仪1的初始基准角，对下一个目标钻孔点进行定向。该方法方便快捷，可以在短时间内对多个目标钻孔点进行钻孔定向，大大提高工作效率。
70.如图3所示，在本技术实施例中，无基线定向的具体步骤为：
71.步骤s41：将磁传感器2测得的当前位置的方位角作为mems陀螺仪1的初始基准角。
72.步骤s42：将定向仪设置于钻机，调整钻机的方位，使mems陀螺仪1测得的方位角与目标钻孔点的方位角一致，同时，定向仪的前向激光线束对准目标钻孔点，定向结束。
73.步骤s43：将定向仪放回至校准台，并将定向仪关机。
74.步骤s44：判断是否进行下一个目标钻孔点的钻孔定向。若是，进行步骤s45，若否，则结束。
75.步骤s45：将定向仪开机启动，回到步骤s41。
76.可知道的是，上述步骤s42中，mems陀螺仪1可以测得相对于mems陀螺仪1的初始基准角的转角，mems陀螺仪1的转角与mems陀螺仪1的初始基准角之和，即为mems陀螺仪1测得的方位角。
77.进一步的，定向仪具有前向激光线束和顶部激光线束。上述步骤s5包括：布置巷道基线。将校准台设置于巷道基线的下方，并将定向仪放置于该校准台上。旋转校准台，使定向仪的顶部激光线束与巷道基线重合。将已知的巷道基线方位角作为mems陀螺仪1的初始基准角。将定向仪设置于钻机，调整钻机的方位，使mems陀螺仪1测得的方位角与目标钻孔点的方位角一致，同时，定向仪的前向激光线束对准目标钻孔点，定向结束。
78.具体的，在上述步骤中，可以在巷道基线的下方中心设置校准台，也可以将无基线定向过程中的校准台移动至巷道基线的下方，再将定向仪放置于位于巷道基线下方的校准台上。
79.具体的，在上述步骤中，定向仪内置的激光发射器可以发射出顶部激光线束，顶部激光线束位于定向仪的上方。旋转校准台，使定向仪旋转，调整定向仪的方位，使定向仪的顶部激光线束与巷道基线重合。
80.具体的，上述步骤中，将定向仪设置于钻机，具体为将定向仪设置于钻机的滑轨上。定向仪可以发射出前向激光线束，旋转钻机，定向仪内置的mems陀螺仪1自动获取当前位置的方位角，而目标钻孔点的方位角为已知，当mems陀螺仪1获取的方位角与目标钻孔点的方位角一致时，此时，前向激光线束对准的位置，即为目标钻孔点。
81.进一步的，在上述步骤将已知的巷道基线方位角作为mems陀螺仪1的初始基准角之后还包括：定向仪获取并记忆磁传感器2测得当前位置的方位角与mems陀螺仪1的初始基准角的偏差值。也就是定向仪获取并记忆磁传感器2测得当前位置的方位角与巷道基线方位角的偏差值。
82.具体的，当定向仪的顶部激光线束与巷道基线重合之后，将已知的巷道基线方位角作为mems陀螺仪1的初始基准角，磁传感器2会自动获取当前位置的方位角，定向仪可以获取并记忆该方位角与mems陀螺仪1的初始基准角的偏差值，也就是定向仪可以获取并记忆该方位角与巷道基线方位角的偏差值。
83.具体的，当第一个目标钻孔点定向完成后，将定向仪放回至校准台上，并将定向仪
关机。当需要对下一个目标钻孔点进行钻孔定向时，将定向仪开机启动，根据磁传感器2测得的当前位置的方位角与偏差值，重新得到mems陀螺仪1的初始基准角。将定向仪设置于钻机，调整钻机的方位，使mems陀螺仪1测得的方位角与下一个目标钻孔点的方位角一致，同时，定向仪的前向激光线束对准下一个目标钻孔点，定向结束。也就是说，当需要对下一个目标钻孔点进行钻孔定向时，将定向仪开机启动，磁传感器2测得当前位置的方位角，将该方位角与偏差值之和，作为mems陀螺仪1的新的初始基准角。
84.具体的，在上述步骤中，在对第一个目标钻孔点之后的每一个目标钻孔点进行定向时，均可以通过根据磁传感器2测得的当前位置的方位角与偏差值，重新得到mems陀螺仪1的初始基准角，再将定向仪设置于钻机，调整钻机的方位，使mems陀螺仪1测得的方位角与下一个目标钻孔点的方位角一致，同时，定向仪的前向激光线束对准下一个目标钻孔点，定向结束。该方法的优点为，只需要在对第一个目标钻孔点进行定向时，布置巷道基线，并将定向仪的顶部激光线束与巷道基线重合，在对第一个目标钻孔点之后的每一个目标钻孔点进行定向时，无须再次布置巷道基线，也不用再进行定向仪的顶部激光线束与巷道基线重合这一步骤，大大节省了钻孔定向的时间，减轻了工作量，提高了工作效率。
85.进一步的，在上述步骤中，在将校准台设置于巷道基线的下方，并将定向仪放置于该校准台上之后还包括：待定向仪放置于校准台上之后，对校准台进行调平，对校准台进行调平。
86.具体的，校准台可以具有支座，通过支座调整校准台的方位或者高度，当校准台上的定向仪测得的倾角和横滚角均小于0.1
°
时，说明校准台达到水平状态。校准台保持水平，可以避免校准台对定向仪的测量精度的影响，并且也可以避免定向仪放置不稳，定向仪摔坏或划出校准台。
87.如图4所示，在本技术实施例中，有基线定向的具体步骤为：
88.步骤s51：布置巷道基线。
89.步骤s52：将校准台设置于巷道基线的下方，并将定向仪放置于该校准台上。
90.步骤s53：旋转校准台，使定向仪的顶部激光线束与巷道基线重合。
91.步骤s54：将已知的巷道基线方位角作为mems陀螺仪1的初始基准角。
92.步骤s55：待定向仪的顶部激光线束与巷道基线重合之后，定向仪获取并记忆磁传感器2测得当前位置的方位角与mems陀螺仪1的初始基准角的偏差值。
93.步骤s56：将定向仪设置于钻机，调整钻机的方位，使mems陀螺仪1测得的方位角与目标钻孔点的方位角一致，同时，定向仪的前向激光线束对准目标钻孔点，定向结束。
94.步骤s57：将定向仪放回至校准台，并将定向仪关机。
95.步骤s58：判断是否进行下一个目标钻孔点的钻孔定向。若是，进行步骤s59，若否，则结束。
96.步骤s59：将定向仪开机启动，将磁传感器2测得的当前位置的方位角与偏差值之和作为mems陀螺仪1的新的初始基准角，回到步骤s56。
97.可知道的是，上述步骤s56中，mems陀螺仪1可以测得相对于mems陀螺仪1的初始基准角的转角，mems陀螺仪1的转角与mems陀螺仪1的初始基准角之和，即为mems陀螺仪1测得的方位角。
98.本技术实施例还提供一种定向系统，如图5所示，为本技术实施例一的结构示意
图，在本实施例中，寻北定向系统包括校准台和定向仪。其中，校准台设置于预设场地。定向仪设置于校准台，定向仪包括mems陀螺仪1、磁传感器2、第一计算模块3和判断模块4，第一计算模块3用于利用定向仪内置的mems陀螺仪1和磁传感器2测得环境磁场影响稳定度，判断模块4用于判断环境磁场影响稳定度是否小于预设指标，mems陀螺仪1、磁传感器2分别与第一计算模块3通信连接，第一计算模块3与判断模块4通信连接。
99.具体的，校准台可以为有刻度的圆盘，校准台的顶面具有多条自中心向外延伸的射线，每相邻两条射线与校准台的边沿形成扇形，多条射线将校准台的顶面分为多个扇形。
100.进一步的，校准台与已知磁性干扰源之间的间距不小于1m。
101.具体的，从而避免磁性干扰源对定向仪的测量造成较大的干扰，影响测量和定向的精确度。
102.进一步的，如图6所示，为本技术实施例二的结构示意图，与实施例一相比，实施例二的不同之处在于，本技术的寻北定向系统的定向仪还包括用于计算环境磁场影响稳定度测得的方位角与巷道基线方位角的偏差值的第二计算模块5，mems陀螺仪1、磁传感器2分别与第二计算模块5通信连接。
103.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
104.需要说明的是，在本技术中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
105.以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。