基于慣性傳感器的長大錨索鉆孔孔道測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種基于慣性傳感器的長大錨索鉆孔孔道測量系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以及固定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)備專用桿和固定桿、便攜工作站、手持終端，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)其中的中央芯片A面集成有MEMS運(yùn)動追蹤模塊、九軸傳感器模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、藍(lán)牙傳輸模塊，其中央芯片B面為主控制器單元，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要用于采集數(shù)據(jù)，并向手持終端或便攜工作站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于：針對錨索鉆孔特殊的鉆孔環(huán)境，本系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，經(jīng)過數(shù)據(jù)優(yōu)化處理后能得到高精度的三維空間孔道圖。
【專利說明】基于慣性傳感器的長大錨索鉆孔孔道測量系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及滑坡、高大邊坡巖土工程錨固【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種基于慣性傳感器的長大錨索鉆孔孔道測量系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]錨固技術(shù)作為一種有效措施在滑坡治理、高邊坡加固工程中得到了成功的應(yīng)用，但由于地質(zhì)條件和施工技術(shù)因素的影響，在錨索工程鉆進(jìn)施工中，往往產(chǎn)生錨索鉆孔孔道與設(shè)計(jì)方向偏離(即所謂的“錨索鉆孔彎曲”)。尤其在長大錨索工程施工中，這種鉆孔孔道的偏離更為嚴(yán)重，由此會導(dǎo)致例如塌孔、下錨困難、兩孔交匯、鉆孔報(bào)廢、有效錨固力下降等諸多技術(shù)問題，因此對鉆孔孔道的測量和偏離控制也越來越受到設(shè)計(jì)和施工部門的重視。
[0003]特別是長大錨索永久性工程，對錨索孔的鉆造質(zhì)量提出了十分嚴(yán)格的技術(shù)要求。但是迄今為止，對于施工部門來說，在長大錨索施工中對錨孔孔道的測量技術(shù)還不成熟，尚無法準(zhǔn)確掌握錨孔孔道的偏離特征，故很難有針對性地采取糾偏工藝。因此，有必要開發(fā)一種能快速、準(zhǔn)確得到錨孔孔道偏移特征的測量系統(tǒng)，以便于進(jìn)一步控制錨索鉆孔的質(zhì)量，提高錨索技術(shù)的應(yīng)用水平。
[0004]專利申請?zhí)枮?01110048965.4公開了一種利用陀螺測斜儀點(diǎn)測井眼的方法，將裝有兩個雙自由度撓性陀螺儀和雙石英加速度計(jì)的陀螺測斜儀固定在載體上，并隨載體伸入井眼內(nèi)；將陀螺儀和石英加速度計(jì)采集的數(shù)據(jù)帶入7 =,夂=?—(4)，
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，求出方位角Y、傾斜角α、和橫滾角β。通過陀螺儀采集井下數(shù)據(jù)，
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并經(jīng)濾波、姿態(tài)解算以及轉(zhuǎn)位測量井眼中某一點(diǎn)的方位角、傾斜角和橫滾角，可靠性好，精度高，測量速度快；本方法通過嵌入式計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，達(dá)到在井下數(shù)據(jù)采集和解算的目的，利用測量數(shù)據(jù)繪制出井眼軌跡圖，便于獲得所鉆井眼的軌跡；上述方法中采用的陀螺儀是一種靈敏度高，穩(wěn)定性好，不受磁場干擾，使用方便，且依靠測量地球的自轉(zhuǎn)角速度來完成測量斜點(diǎn)測。但上述方法只能測量2個方位，且主要方法側(cè)重在電信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換算法，沒有形成有效的可操作的成品。
[0005]中國專利201310146626.9公開了一種地球物理勘探，特別是一種煤礦井下軌跡記錄儀；所述煤礦井下軌跡記錄儀，包括:DSP + FPGA處理器、IXD、電源、USB接口、信號調(diào)理電路和傳感器；上述發(fā)明對微小的軌跡變化都能進(jìn)行記錄，提高了合成三維空間軌跡精確度，避免了由于深度測量裝置帶來的誤差；應(yīng)用于煤礦井下鉆孔軌跡測量和定向鉆進(jìn)的造斜精確度檢測，還應(yīng)用于測量巷道、迎頭掘進(jìn)、工作面等從而擴(kuò)展了應(yīng)用的范圍，使得軌跡數(shù)據(jù)輸出到PC計(jì)算機(jī)，為其它礦井物探解析軟件提供地理信息。但該發(fā)明對重力、鉆進(jìn)振動等因素對傳感器采集數(shù)據(jù)的影響考慮不夠，沒有給出相應(yīng)解決方案。
[0006]上述兩項(xiàng)技術(shù)有各自的使用條件，在長大錨索孔道測量時(shí)應(yīng)用還存在技術(shù)上的不足。
[0007]實(shí)際運(yùn)用中，鉆孔孔道測量數(shù)據(jù)誤差主要來源于慣性傳感器的精度誤差與在測量過程中機(jī)械振動帶來的誤差，加速度計(jì)極易受到機(jī)械振動的影響，陀螺儀由于零點(diǎn)漂移誤差的存在，各傳感器的安裝定位誤差等。由于這些誤差的綜合作用，致使在測量儀輸出中引入了靜態(tài)偏差和動態(tài)偏差項(xiàng)。
[0008]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于慣性傳感器的長大錨索鉆孔孔道測量系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以及固定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)備專用桿和固定桿、便攜工作站、手持終端，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)其中的中央芯片A面集成有MEMS運(yùn)動追蹤模塊、九軸傳感器模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、藍(lán)牙傳輸模塊，其中央芯片B面為主控制器單元，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要用于采集數(shù)據(jù)，并向手持終端或便攜工作站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
[0010]所述的MEMS運(yùn)動追蹤模塊、九軸傳感器模塊的作用是獲取錨索在鉆孔過程中連續(xù)特征點(diǎn)上的運(yùn)動慣性數(shù)據(jù)，通過對每個特征點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算獲得連續(xù)特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從而由各個特征點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)構(gòu)建出整個鉆孔孔道位置；
[0011]所述的便攜工作站為置入軟件系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，通過藍(lán)牙接收數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并進(jìn)行可視化顯示，或生成標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)與圖形導(dǎo)出到其他設(shè)備；
[0012]進(jìn)一步的，所述的軟件系統(tǒng)為數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理算法系統(tǒng)、誤差補(bǔ)償處理系統(tǒng)以及三維空間軌跡顯示系統(tǒng)；
[0013]數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)為接收中央單元采集的數(shù)據(jù)，并臨時(shí)存儲，以便于進(jìn)行下一步的處理；
[0014]數(shù)據(jù)處理算法系統(tǒng)是將采集的原始數(shù)據(jù)按卡爾曼濾波算法進(jìn)行處理，得到可掌握的格式的各特征點(diǎn)三維空間坐標(biāo)，利于圖形顯示；
[0015]誤差補(bǔ)償處理系統(tǒng)是通過馬爾科夫運(yùn)動模型的速度修正算法對原始三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，消除重力、振動等對數(shù)據(jù)結(jié)果的影響；
[0016]三維空間軌跡顯示系統(tǒng)是基于OpenGL的數(shù)據(jù)處理與軌跡生成軟件，完成從運(yùn)動慣性數(shù)據(jù)到特征點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)的解算功能，進(jìn)一步從特征點(diǎn)坐標(biāo)到三維軌跡的繪制和顯不O
[0017]所述九軸傳感器模塊分別為三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)以及磁力傳感器模塊，三軸陀螺儀完成錨索當(dāng)前姿態(tài)角的測量，三軸加速度計(jì)完成錨索鉆孔過程中在X，Y, Z方向上產(chǎn)生的加速度，磁力傳感器完成對傾斜誤差的補(bǔ)償，校正運(yùn)動慣性數(shù)據(jù)。
[0018]數(shù)據(jù)存儲模塊為SD卡，傳感器模塊經(jīng)過運(yùn)動感測融合算法處理后輸出原始的感測數(shù)據(jù)，并作為輸入進(jìn)入主控單元再次經(jīng)過數(shù)據(jù)優(yōu)化算法后以數(shù)據(jù)包的形式高速的存儲到SD卡讀寫模塊上，以備之后讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行三維孔道重構(gòu)；
[0019]藍(lán)牙傳輸模塊主要承擔(dān)通信、數(shù)據(jù)傳輸功能，將SD卡中存儲的數(shù)據(jù)傳輸入便攜工作站或手持終端進(jìn)行處理。
[0020]所述手持終端為控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行工作或停止工作的設(shè)備，采用藍(lán)牙技術(shù)對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行控制；并且?guī)в酗@示屏；實(shí)時(shí)顯示設(shè)備所處狀態(tài)及通過藍(lán)牙技術(shù)對電源電量監(jiān)控得到的電源的電量，預(yù)設(shè)電量不足報(bào)警閾值；并能通過android平臺對感測數(shù)據(jù)處理、完成鉆孔孔道的繪制與顯示。[0021 ] 可充電電源為整個鉆孔軌跡測量系統(tǒng)提供需要的供電電源。
[0022]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:針對錨索鉆孔特殊的鉆孔環(huán)境，本系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，經(jīng)過數(shù)據(jù)優(yōu)化處理后能得到高精度的三維空間孔道圖?？紤]到實(shí)際施工過程中工作人員的使用感受，本發(fā)明針對現(xiàn)實(shí)可能情況設(shè)計(jì)出操作簡單的硬件裝置及簡單的安裝過程；專門開發(fā)配套的客戶端軟件，在數(shù)據(jù)采集過程完成之后，工作人員經(jīng)過簡單的操作之后就能生成準(zhǔn)確的鉆孔孔道三維空間圖。該產(chǎn)品成本低，輕便小巧，使用方便，測量誤差小于3%,續(xù)測能力出色。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為長大錨索鉆孔孔道測量系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)框架圖。
[0024]圖2為長大錨索鉆孔孔道測量系統(tǒng)硬件組構(gòu)三維圖。
[0025]圖3為長大錨索鉆孔孔道測量系統(tǒng)硬件組構(gòu)剖面圖。
[0026]圖4為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件組構(gòu)。
[0027]圖5為中央芯片A面硬件組構(gòu)。
[0028]圖6為中央芯片B面硬件組構(gòu)。
[0029]圖7為馬爾科夫運(yùn)動模型速度修正算法的流程框圖。
[0030]圖8為長大錨索鉆孔孔道測量系統(tǒng)操作流程。
[0031]圖中:1 一推進(jìn)鉆頭；2 —數(shù)據(jù)米集系統(tǒng)；3 —設(shè)備專用桿；4 一固定桿；5 —手持終端；6 —便攜工作站；7 —螺絲扣連接；8 —中央芯片；9 一封裝盒；10 —可充電電源；11 -USB接口 ；12 —固定彈簧；13 —集成電路；14 一數(shù)據(jù)存儲模塊(SD卡);15 —藍(lán)牙傳輸模塊；16 - MEMS運(yùn)動追蹤模塊；17 —九軸傳感器模塊；18 —主控制器單元。
具體實(shí)施例
[0032]下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。
[0033]一種錨索鉆孔孔道的測量系統(tǒng)，包括硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)。整個系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)框架如圖1。硬件系統(tǒng)由設(shè)備專用桿3、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2、推進(jìn)鉆頭1、固定桿4、可充電電源10、手持終端5、便攜工作站6組成。如圖2?6。
[0034]設(shè)備專用桿3為長圓管型鋁制管件，圓管內(nèi)部中間部位留有凸起的卡口，便于兩端置入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2，設(shè)備專用桿3兩端采用加橡膠圈的螺絲扣7的方式連接推進(jìn)鉆頭I與固定桿4。
[0035]推進(jìn)鉆頭I起密封、保護(hù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2以及便于設(shè)備專用桿3進(jìn)入鉆孔目的。
[0036]固定桿4起固定、密封數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2以及加橡膠圈的螺絲扣7連接外接鉆桿之用。
[0037]手持終端的功能主要分3個部分:(I)通過藍(lán)牙通信技術(shù)，控制中央單元的運(yùn)行與停止。(2)在中央控制單元充電之后，實(shí)時(shí)發(fā)送電量的信息，監(jiān)控中央控制單元的電源電量，電量不足報(bào)警閾值時(shí)，警告使用人員進(jìn)行充電。(3)當(dāng)中央控制單元數(shù)據(jù)采樣完成后，手持設(shè)備對中央控制單元下發(fā)停止采集的命令，此時(shí)中央控制單元收到停止命令后，停止采集數(shù)據(jù)，同時(shí)將保存在控制單元中SD卡中的數(shù)據(jù)傳送給手持設(shè)備端，手持設(shè)備對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、誤差修正處理，通過顯示屏顯示出錨索鉆孔孔道三維圖形。功能(3)依賴于在Android平臺下安裝軟件系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。
[0038]便攜工作站6為置入軟件系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，通過藍(lán)牙技術(shù)接收數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并進(jìn)行可視化顯示，亦可生成標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)與圖形，可導(dǎo)出到其他設(shè)備。
[0039]數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2是錨索鉆孔的三維軌跡的測量系統(tǒng)硬件部分的核心部分，為封裝圓管型元件，主要功能采集數(shù)據(jù)，并向手持終端5或便攜工作站6進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。主要由集成的中央芯片8、電源10、封裝盒9及外裝封閉鋁制圓管組成。鋁制圓管留有USB接口 11，以便于為電源10充電。封裝盒9將中央芯片8與電源10封裝，并連出有引線，連接到鋁制圓管的USB接口 11，以供電源10充電之用。封裝盒9與鋁制圓管間采用彈簧12連接，不僅可起固定作用，還可以在振動時(shí)起緩沖作用。
[0040]可充電電源10為整個鉆孔孔道測量系統(tǒng)提供需要的供電電源。
[0041]中央芯片8為集成芯片，分A、B兩面。中央芯片A面集成有MEMS運(yùn)動追蹤模塊16、九軸傳感器模塊17、數(shù)據(jù)存儲模塊14、藍(lán)牙傳輸模塊15。
[0042]MEMS運(yùn)動追蹤模塊16/九軸傳感器模塊17整合了陀螺儀、加速度計(jì)、磁力傳感器，提供九軸運(yùn)動感測追蹤功能。其中，三軸陀螺儀完成錨索當(dāng)前姿態(tài)角的測量，三軸加速度計(jì)完成錨索鉆孔過程中在X，Y，Z方向上產(chǎn)生的加速度，磁力傳感器完成對傾斜誤差的補(bǔ)償，校正運(yùn)動慣性數(shù)據(jù)。此模塊的主要作用是獲取錨索在鉆孔過程中連續(xù)特征點(diǎn)上的運(yùn)動慣性數(shù)據(jù)，通過對每個特征點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算獲得連續(xù)特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從而由各個特征點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)構(gòu)建出整個鉆孔孔道位置。
[0043]數(shù)據(jù)存儲模塊為SD卡，傳感器模塊經(jīng)過運(yùn)動感測融合算法處理后輸出原始的感測數(shù)據(jù)，并作為輸入進(jìn)入主控單元再次經(jīng)過數(shù)據(jù)優(yōu)化算法后以數(shù)據(jù)包的形式高速的存儲到SD卡存儲模塊上，以備之后讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行三維孔道重構(gòu)。本系統(tǒng)中，傳感器模塊經(jīng)過運(yùn)動感測融合算法處理后輸出原始的感測數(shù)據(jù)，并作為輸入進(jìn)入主控單元再次經(jīng)過數(shù)據(jù)優(yōu)化算法后以數(shù)據(jù)包的形式高速的存儲到SD卡讀寫模塊上，以備之后讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行三維孔道重構(gòu)。
[0044]藍(lán)牙傳輸模塊主要承擔(dān)通信、數(shù)據(jù)傳輸功能，將SD卡中存儲的數(shù)據(jù)傳輸入便攜工作站或手持終端進(jìn)行處理。
[0045]中央芯片B面集成主控制器單元，作為整個中央芯片部分的控制單元，所有的控制算法以及信息存儲控制都由它來完成。
[0046]軟件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理算法系統(tǒng)、誤差補(bǔ)償處理系統(tǒng)、三維空間孔道顯示系統(tǒng)、手持終端應(yīng)用組成。
[0047]數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)為接收中央單元采集的數(shù)據(jù)，并臨時(shí)存儲，以便于進(jìn)行下一步的處理。
[0048]數(shù)據(jù)處理算法系統(tǒng)是將采集的原始數(shù)據(jù)按卡爾曼濾波算法進(jìn)行處理，得到可掌握的格式的各特征點(diǎn)三維空間坐標(biāo)，利于圖形顯示。
[0049]誤差補(bǔ)償處理系統(tǒng)是通過馬爾科夫運(yùn)動模型的速度修正算法對原始三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，消除重力、振動等對數(shù)據(jù)結(jié)果的影響。
[0050]三維空間孔道顯示系統(tǒng)是基于OpenGL的數(shù)據(jù)處理與孔道生成軟件，完成從運(yùn)動慣性數(shù)據(jù)到特征點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)的解算功能，進(jìn)一步從特征點(diǎn)坐標(biāo)到三維孔道的繪制和顯示。將處理后的鉆孔孔道數(shù)據(jù)以三維圖形形式展示，繪制三維孔道圖形時(shí)，首先調(diào)用相應(yīng)函數(shù)繪制外部框架以及坐標(biāo)軸，外部框架和坐標(biāo)軸刻度繪制好后，開始繪制鉆孔孔道圖。通過聲明一個相應(yīng)類型的二次曲面對象，調(diào)用相應(yīng)函數(shù)得到聲明的二次方程對象，利用相應(yīng)函數(shù)加載鉆孔空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)繪制鉆孔孔道。為了顯示的更直觀，通過相應(yīng)函數(shù)將孔道的起點(diǎn)(鉆孔起點(diǎn))移動至立方體框架的中心。同時(shí)作出原設(shè)計(jì)鉆孔位置，以便于對比，并在實(shí)測量孔道發(fā)生偏轉(zhuǎn)點(diǎn)處標(biāo)示出偏轉(zhuǎn)角度。
[0051]鉆孔數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由內(nèi)部的MEMS運(yùn)動追蹤模塊16與九軸傳感器模塊17組成的慣性傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測錨索鉆孔過程中產(chǎn)生的運(yùn)動慣性數(shù)據(jù)和磁通量信號，經(jīng)過主控單元優(yōu)化處理后將原始數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)存儲模塊，測量結(jié)束后通過藍(lán)牙傳輸模塊15輸出到便攜工作站6或手持終端5。
[0052]一套本系統(tǒng)中采用兩個鉆孔數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，目的是為了相互校正，提高測量精度。
[0053]主控制器單元18,主要采用基于ATmega328核心處理器的Arduino Uno開源開發(fā)板，該開發(fā)板搭載8位微控制器，具有32KB存儲器容量、USB接口、ICSP header、I2C總線、工作時(shí)鐘16MHz。由于錨索鉆孔孔道測量實(shí)時(shí)性要求不高，因此這樣一款主控開發(fā)板完全滿足數(shù)據(jù)采集和處理的要求。通過程序?qū)崿F(xiàn)從運(yùn)動追蹤模塊高速的獲取傳感器的感測數(shù)據(jù)，并且傳感器和主控制器之間采用有線連接的方式來滿足較高的數(shù)據(jù)傳輸速率要求，避免其他因素帶來的噪聲干擾。
[0054]藍(lán)牙傳輸模塊15，藍(lán)牙技術(shù)作為一門低成本低功耗的無線連接技術(shù)，將鉆孔數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與外界設(shè)備建立起專門的連接。利用藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)存儲模塊的孔道信息數(shù)據(jù)包通過無線發(fā)送的方式傳給外部設(shè)備，無須通過有線連接的方式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。除此之外，主控制單元的啟動和關(guān)閉也是通過藍(lán)牙發(fā)送指令的方式來實(shí)現(xiàn)，從而達(dá)到了真正的獨(dú)立運(yùn)行，一旦鉆孔數(shù)據(jù)采集盒安裝完成無須頻繁的拆卸，便可以實(shí)現(xiàn)從采集到孔道生成的全部控制過程。
[0055]可充電電源模塊10，整個鉆孔孔道測量系統(tǒng)需要一個供電電源，主要給主控單元Arduino Uno供電，再由Arduino Uno給其他模塊供電。考慮到系統(tǒng)的便利性，電源采用可充電式移動電源作為供電模塊。不僅可以為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的5V工作電壓，還具有拆卸方便、充電簡單等特點(diǎn)。
[0056]基于OpenGL的數(shù)據(jù)處理與孔道生成軟件:主要用于提取到數(shù)據(jù)存儲模塊中的感測數(shù)據(jù)包后，通過數(shù)據(jù)處理解算出空間三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)鉆孔孔道三維重構(gòu)。該軟件主要分為兩部分，基于馬爾科夫運(yùn)動模型速度修正算法的數(shù)據(jù)處理模塊和基于OpenGL的鉆孔孔道三維重構(gòu)模塊。其中基于馬爾科夫運(yùn)動模型速度修正算法的數(shù)據(jù)處理模塊主要針對錨索鉆孔過程中巨大的機(jī)械振動、短時(shí)間內(nèi)位移的平穩(wěn)增長過程、安裝鉆桿帶來的短暫停滯等特點(diǎn)分別采用了卡爾曼濾波算法，馬爾科夫過程和無線定位方法來對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理，處理后的感測數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)。這些多次處理后精準(zhǔn)的感測數(shù)據(jù)通過馬爾科夫運(yùn)動模型速度修正算法便可以解算出特征點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)。
[0057]而基于OpenGL的鉆孔孔道三維重構(gòu)模塊主要在得到特征點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)后進(jìn)行鉆孔孔道三維重構(gòu)，并且在這個重構(gòu)的三維模型中反映處理后的一些特征數(shù)據(jù),例如在鉆孔孔道什么位置發(fā)生了多少度的偏轉(zhuǎn)等信息，為后期研究提供技術(shù)支持。
[0058]在本發(fā)明中對不同的偏差，采用不同的技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，如各傳感器的安裝定位誤差，屬于靜態(tài)偏差項(xiàng)，可通過精確測量其誤差值進(jìn)行在線補(bǔ)償。對于陀螺儀的零點(diǎn)漂移和加速度計(jì)由于振動影響造成的誤差，屬于動態(tài)誤差。通過補(bǔ)償濾波融合，以此來校正鉆孔運(yùn)動的姿態(tài)，估計(jì)出角度誤差和角速率偏差。以修正陀螺輸出產(chǎn)生的角度漂移，從而得到最優(yōu)的運(yùn)動方向。通過對加速度的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，確定鉆孔當(dāng)時(shí)狀態(tài)，消除計(jì)算速度時(shí)的漂移。二者結(jié)合得到最優(yōu)的孔道位置。
[0059]由于外接鉆桿的長度是有限的，一般長度在1.5m?2m，因此，需要在鉆桿推進(jìn)過程中停止下來再外接另一段鉆桿，這時(shí)本發(fā)明的系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)；只有在續(xù)接上一段鉆桿后，重新推進(jìn)鉆桿才能處于運(yùn)動狀態(tài)；根據(jù)接上鉆桿的時(shí)間差，本發(fā)明的系統(tǒng)的運(yùn)動狀態(tài)可以看著是一個馬爾科夫模型，一共分為2個狀態(tài):靜止?fàn)顟B(tài)和運(yùn)動狀態(tài)。在運(yùn)動狀態(tài)，三軸加速度傳感器受到地球重力場、鉆桿的推力、機(jī)械振動的作用，而在靜止?fàn)顟B(tài)，只受到地球重力場的作用。
[0060]因此，設(shè)計(jì)基于慣性傳感設(shè)備的馬爾科夫運(yùn)動模型的速度修正算法如下:
[0061 ] (I)根據(jù)加速度傳感器采集到的三軸加速度的值為Wt設(shè)定兩個閥值4、
K2 (K1KK2 ),若&<α=φξ+αξ + αξ <Κ^ ,則認(rèn)為錨索鉆孔處于運(yùn)動狀態(tài);否則，認(rèn)為系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)。
[0062](2)對運(yùn)動狀態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行去毛刺的濾波處理，靜止?fàn)顟B(tài)和運(yùn)動狀態(tài)都是連續(xù)的，對靜止和運(yùn)動狀態(tài)中的突變，一般是由于機(jī)械振動的誤差造成的。確定運(yùn)動狀態(tài)的時(shí)刻
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表示錨索鉆孔第k個時(shí)間靜止?fàn)顟B(tài)的時(shí)間段,其中(2<k<m ),表示錨索鉆孔第k-Ι個時(shí)間運(yùn)動狀態(tài)的時(shí)間段。
[0063](3)采用四元數(shù)卡爾曼濾波的方式，對采集到加速度、陀螺儀、磁通量傳感器中的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波融合，校正由于機(jī)械振動、零點(diǎn)漂移的誤差，得出傳感器坐標(biāo)系相對參考坐標(biāo)系的姿態(tài)角變化的四元數(shù)。
[0064](4)重力場是固定不變的，在參考坐標(biāo)系下的值為g=[0 O 1]，通過(3)得出的傳感器坐標(biāo)系相對參考坐標(biāo)系變化的姿態(tài)角的變化，計(jì)算出重力場在傳感器坐標(biāo)系下的影響
=在傳感器坐標(biāo)系下測得的重力的值為=[士 aJ即為錨索鉆孔的傳感器坐標(biāo)系運(yùn)動加速度的值。
[0065](5)將錨索鉆孔的傳感器坐標(biāo)系運(yùn)動加速度的值轉(zhuǎn)化為在參考坐標(biāo)系下的運(yùn)動加速度％ = g* ? (? —貧和)?g
[0066](6)若采樣時(shí)刻tin),則可以判斷出錨索鉆孔處于靜止?fàn)顟B(tài)，在靜止?fàn)顟B(tài)下，可以設(shè)定錨索鉆孔三軸的運(yùn)動速度均為V11 二[O O O];否則進(jìn)行第(9)
止/J/ O
[0067](7)實(shí)際上由于加速度傳感器的漂移、振動引起的誤差，O O]。通過對%進(jìn)行積分處理，得到其速度漂移誤差ν_.=，漂移誤差初始值重O開始。若2: =Tiew，進(jìn)行第(8)步，對速度漂移誤差進(jìn)行修正，否則進(jìn)行第(11)步。
[0068](8)可以計(jì)算出在時(shí)間段內(nèi)，錨索鉆孔運(yùn)動速度的平均漂移誤差為νΛ^?Ι ~ —),作為下一時(shí)刻運(yùn)動狀態(tài)的速度漂移。
[0069](9)根據(jù)前一時(shí)刻的速度v__,和當(dāng)前時(shí)刻的加速度atm加速度積分，得到當(dāng)前時(shí)刻的速度' =+ aEJkt ,再進(jìn)行第(11)步。
[0070](10)根據(jù)第(8)步計(jì)算得出的速度漂移誤差，修正第(9)步m時(shí)刻得到的速度值V, =Vm- 。通過推動設(shè)備桿造成錨索鉆孔的運(yùn)動，運(yùn)動的速度值不可能太大，可以根據(jù)錨索鉆孔運(yùn)動速率的規(guī)律，設(shè)定其一個閾值irk。若I，\ < O ,取
V麗=-1?祖，W麗>0，取?題。
[0071](11)得到m時(shí)刻的速度之后，根據(jù)前一時(shí)刻的三維運(yùn)動的位置Sm,通過對速度進(jìn)行積分，得到m時(shí)刻錨索鉆孔運(yùn)動的位置s_+ 。錨索鉆孔的孔道輸出，返回步驟(3)。
[0072]圖7為馬爾科夫運(yùn)動模型速度修正算法的流程框圖。
[0073]為進(jìn)一步闡明本發(fā)明所采用的技術(shù)手段，下面結(jié)合附圖對具體實(shí)施說明如下。
[0074](I)按照圖2的型式，將兩個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2裝入設(shè)備專用桿3，一端通過螺絲扣7旋進(jìn)推進(jìn)鉆頭，另一端旋進(jìn)固定桿4，將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2固定，固定桿4再外接鉆桿，即可推進(jìn)鉆孔進(jìn)行測試工作。
[0075](2)將安裝好的設(shè)備放入鉆孔孔口后，通過手持終端5開啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2開始工作，穩(wěn)定的將設(shè)備桿推入鉆孔，直到孔底，然后再穩(wěn)定的將此設(shè)備抽出鉆孔，當(dāng)設(shè)備桿到達(dá)鉆孔口時(shí)，再通過手持終端5關(guān)閉數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2，使其停止工作，這樣一個鉆孔就測試完畢，同時(shí)每一個點(diǎn)由于運(yùn)動方向不同測量有兩次數(shù)據(jù)，以備數(shù)據(jù)處理時(shí)相互校正，提高測量精度。
[0076](3)在設(shè)備桿運(yùn)動過程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2中九軸傳感器模塊17實(shí)時(shí)采集運(yùn)動的加速度、角度和磁通量變化等數(shù)據(jù)，并通過MEMS運(yùn)動追蹤模塊16、主控制器單元18進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化。
[0077](4)將步驟3中優(yōu)化后的數(shù)據(jù)以規(guī)定的數(shù)據(jù)包格式存儲到數(shù)據(jù)存儲模塊14。
[0078](5)通過藍(lán)牙傳輸模塊15或者讀取SD卡14，讀取完整的感測數(shù)據(jù)包。
[0079](6)將步驟5中讀取的所有數(shù)據(jù)作為輸入基于OpenGL的數(shù)據(jù)處理和孔道生成軟件系統(tǒng)的手持終端5或便攜工作站6。
[0080]在軟件系統(tǒng)中，用長大錨索鉆孔孔道測量優(yōu)化方法將數(shù)據(jù)處理解算出精準(zhǔn)的特征點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)點(diǎn)，利用這些點(diǎn)繪制鉆孔孔道三維空間圖。
[0081]圖8為長大錨索鉆孔孔道測量系統(tǒng)操作流程。
【權(quán)利要求】
1.一種錨索鉆孔孔道的測量系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)推進(jìn)鉆頭、固定桿、可充電電源、手持終端、便攜工作站，其特征在于:還包括設(shè)備專用桿，設(shè)備專用桿為長圓管型鋁制管件，圓管內(nèi)部中間部位留有凸起的卡口，便于兩端置入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，設(shè)備專用桿兩端采用加橡膠圈的螺絲扣的方式連接推進(jìn)鉆頭與固定桿；固定桿起固定、密封數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及加橡膠圈的螺絲扣連接外接鉆桿之用。
【文檔編號】E21B47/022GK203978421SQ201420194530
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年4月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月21日
【發(fā)明者】于貴, 朱寶龍, 李貌, 羅杰, 覃木慶, 張寬, 于興國 申請人:中鐵西北科學(xué)研究院有限公司西南分院