[发明专利]一种蓄能电站隧洞磁定位系统和方法

权利要求书

1.一种蓄能电站隧洞磁定位系统，其特征在于，包括处理器、螺线管线(11)和探管装置(6)，所述探管装置(6)安装在钻头(7)的后端，所述螺线管线(11)位于蓄能电站的预设隧洞轨迹(5)所在山体(1)的表面；所述探管装置(6)用于：检测所述螺线管线(11)所产生的磁场，并发送至所述处理器；，所述探管装置(6)包括磁信号接收装置(61)和通讯装置(63)；所述磁信号接收装置(61)用于：检测所述螺线管装置(10)所产生的磁场、以及所述螺线管线(11)所产生的磁场，并通过所述通讯装置(63)发送至所述处理器；

所述处理器用于：根据所述螺线管线(11)所产生的磁场，确定所述钻头(7)与所述山体(1)的表面之间的垂直距离，根据所述垂直距离判断是否对所述钻头(7)的钻进轨迹进行调整；

所述处理器具体用于：判断所述钻头(7)与所述山体(1)的表面之间的垂直距离，与目标点位置与山体(1)的表面之间的理论垂直距离的是否存在偏差，若是，则对所述钻头(7)的钻进轨迹进行调整，其中，所述目标点位置表示：所述蓄能电站的预设隧洞轨迹(5)中与所述钻头(7)在同一深度上的点位置；

还包括螺线管装置(10)，所述螺线管装置(10)包括两个相互垂直设置的螺线管，分别为一号螺线管和二号螺线管，所述螺线管装置(10)位于所述蓄能电站的预设隧洞轨迹(5)的钻出点(9)的周边位置；

所述探管装置(6)还用于：检测所述螺线管装置(10)所产生的磁场，并发送至所述处理器；所述处理器还用于：根据所述螺线管装置(10)所产生的磁场，确定所述钻头(7)与所述螺线管装置(10)之间的距离，根据所述钻头(7)与所述螺线管装置(10)之间的距离判断是否对所述钻头(7)的钻进轨迹进行调整；

所述确定所述钻头(7)与所述山体(1)的表面之间的垂直距离，包括：设以螺线管线中的任一匝的中心点O为原点，建立三维直角坐标系，三维直角坐标系的xOy面与螺线管线的该匝线圈的所在平面垂直，z轴垂直向下；计算螺线管线（11）在空间任意点P(x₀,y₀,z₀)产生的磁场的三个分量H_x、H_y和H_z分别为：

式中，H_x、H_y、H_z分别代表探管装置内的磁信号接收装置捕获到三个方向的磁场，I为螺线管线（11）的通电电流，R₀为螺线管线（11）的线圈半径，a为oP线与x轴的夹角，则：

根据探管装置内的磁信号接收装置和以上已知参数即通电电流I、线圈半径R₀，cosa和sina，即可推导出探管装置的真实坐标(x,y,z)，即得到当前钻头与山体表面之间的垂直距离，即为：探管装置与螺线管线的实际距离即

所述确定所述钻头(7)与所述螺线管装置(10)之间的距离，包括：设H₁表示一号螺线管在磁信号接收装置位置产生的磁场，H₂表示二号螺线管在磁信号接收装置位置产生的磁场，R′表示：螺线管装置至磁信号接收装置之间的距离，r表示：为R′在和构成的水平面内的投影，表示一号螺线管所产生的磁矩，表示二号螺线管所产生的磁矩，θ为和r之间的夹角，α为R′和重力加速度g方向之间的夹角，xHi为垂直于H₁和H₂所在平面的单位向量，并且位于R′和重力加速度g所构成的平面内；

螺线管装置工作时，相互垂直且平行于水平面的磁矩以及重力加速度g构成右手直角坐标系，螺线管装置（10）内的一号螺线管和二号螺线管简化为磁偶极子后，所产生的磁矩值为m，由麦克斯韦方程可得，一号螺线管和二号螺线管在磁信号接收装置处产生的磁场H₁,H₂可分别表示为：

式中，为R′的单位向量；

对R,α,θ这三个参数进行解算，具体解算过程如下：

步骤1:求解θ：

将其代入H₁,H₂，则有：

从而求得θ；

步骤2:求解α、R′：

r单位向量为定义单位向量xHi，其垂直于H₁,H₂构成的平面，其构建的方法如下：

在构成的右手直角坐标系中，则：

其中，m₁是的标量值，m₂是的标量值，所以：

由上式可知，xHi是位于r和g所构成的平面内向量，代入上式可求得α；

代入可求得R′；

通过以上对R′、α、θ的求解结合，便可实时得到确定钻头与螺线管装置之间的距离。