[发明专利]一种钻孔轨迹测量装置

权利要求书

1.一种钻孔轨迹测量装置，其特征在于，钻孔轨迹测量装置(10)安装在首节钻杆(9)中，包括外壳(1)及设置在外壳(1)中的钻孔信息采集单元(2)、信号处理单元(3)、存储单元(4)、通讯电路(5)及电源(6)，钻孔信息采集单元(2)的输出端与信号处理单元(3)的输入端连接，信号处理单元(3)的输出端与存储单元(4)连接，存储单元(4)的输出端与通讯电路(5)连接，通讯电路(5)用于与终端设备(7)连接；

钻孔信息采集单元(2)用于采集钻孔施工信息，并将采集钻孔施工信息传输至信号处理单元(3)，钻孔施工信息包括钻杆动作信息、钻孔环境磁场信息及钻杆内部压力信息；信号处理单元(3)用于利用钻孔施工信息，获取钻孔轨迹信息，并对钻孔轨迹信息进行修正处理，得到修正后的钻孔轨迹信息；存储单元(4)用于存储修正后的钻孔轨迹信息；

钻孔信息采集单元(2)包括六轴惯性传感器(21)、三轴磁力计(22)及压力传感器(23)，六轴惯性传感器(21)及三轴磁力计(22)均设置在外壳(1)中，并均与信号处理单元(3)连接；压力传感器(23)设置在外壳(1)的端部，且位于首节钻杆(9)与钻头(11)的连接处；六轴惯性传感器(21)包括三轴陀螺仪传感器及三轴加速度传感器，三轴陀螺仪传感器用于获取钻杆转向角速度信息，三轴加速度传感器用于获取钻杆转向角速度增量信息；三轴磁力计(22)用于获取施工钻孔所在环境的地磁场信息；压力传感器(23)用于钻杆内部压力信息。

2.根据权利要求1所述的一种钻孔轨迹测量装置，其特征在于，通讯电路(5)的接线端设置在外壳(1)的端部，通讯电路(5)的接线端上设置有防水体(8)。

3.根据权利要求1所述的一种钻孔轨迹测量装置，其特征在于，首节钻杆(9)采用短节钻杆，短节钻杆的长度为0.4-1.0m。

4.根据权利要求1所述的一种钻孔轨迹测量装置，其特征在于，信号处理单元(3)获取钻孔轨迹信息，并对钻孔轨迹信息进行降噪及滤波处理过程，具体包括以下步骤：

步骤1、根据设定的钻杆转向顺序，建立欧拉角姿态运动学方程；

步骤2、利用在积分步进内点，关于钻杆转向角速度增量信息的多步算法，计算得到钻头的方位角ψ、滚转角γ和俯仰角θ；

步骤3、利用离散非线性扩展卡尔曼滤波器，对钻头的方位角ψ、滚转角γ和俯仰角θ进行修正处理，得到不同时刻钻头的姿态；

步骤4、根据获取的钻孔施工信息的周期性变化，对钻头掘进进尺进行模糊判断，生成有效的钻头掘进进尺数据；

步骤5、利用步骤4中有效的钻头掘进进尺数据，计算得到钻头在掘进过程中累积钻杆个数；结合已知的钻杆长度及不同时刻钻头的姿态，得到钻头在三维空间中实时位置变化，即为钻孔的轨迹信息。

5.根据权利要求4所述的一种钻孔轨迹测量装置，其特征在于，步骤1中，欧拉角姿态运动学方程为：

其中，为钻头姿态的方向余弦阵，上标n表示地理坐标系，下标b表示钻头测量坐标系；为三轴陀螺仪传感器获取的钻杆转向角速度三维向量构成的反对称阵；三轴陀螺仪传感器获取的钻杆转向角速度三维向量

6.根据权利要求4所述的一种钻孔轨迹测量装置，其特征在于，钻头的方位角ψ、滚转角γ和俯仰角θ的数学表达式如下：

其中，钻头姿态的方向余弦阵

7.根据权利要求1所述的一种钻孔轨迹测量装置，其特征在于，外壳(1)中填充有密封胶，采用密封胶将钻孔信息采集单元(2)、信号处理单元(3)、存储单元(4)、通讯电路(5)及电源(6)密封在外壳(1)中。

8.根据权利要求1所述的一种钻孔轨迹测量装置，其特征在于，终端设备(7)用于对存储单元(4)中存储的修正后的钻孔轨迹信息进行分析处理，绘制钻孔三维轨迹图。