[发明专利]井下钻机姿态测量仪及其测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及井下钻机姿态测量的技术，具体涉及一种无需借助外界信息可以自动测量井下钻机姿态(方位角、俯仰角)信息的装置和方法，也可用于井下其它设备姿态信息的测量。

背景技术

对于瓦斯矿井，必须先抽采瓦斯再采煤。这就要求在井下施工大量的瓦斯抽采孔，而且为保证高的瓦斯抽采率，要求施工钻机按照预先设计的方位角与俯仰角进行打孔作业。这样就必须测量钻机的姿态信息，以保证钻机姿态最终调整到预先设计的方位角与俯仰角。目前，公知的井下钻机方位角、俯仰角的确定是靠人工测量的方式来完成，其借助于巷道本身的方位角，通过人工投影与几何测量的方法来确定井下钻机的姿态信息。这种人工测量的方法缺点明显：耗费大量人力、测量时间长、测量误差大，难以满足快速精确测量的实际要求。

发明内容

为了克服人工测量方法的不足，本发明提供了一种井下钻机姿态测量仪及其测量方法，该井下钻机姿态测量仪采用广泛应用于航空航天的惯性技术，其特点是不需要任何外界信息仅靠仪器自身可以自动测定钻机的初始方位角与俯仰角，当钻机姿态调整时可以动态测量钻机的实时方位角与俯仰角。

本发明提供的井下钻机姿态测量仪，固定于钻机推进器的轨道上。井下钻机姿态测量仪包括电源电路模块、惯性测量系统和控制显示部分。惯性测量系统包括惯性测量单元和导航计算机；惯性测量单元包括三轴光纤陀螺仪和三轴加速度计，导航计算机包括信号调理电路、A/D（模拟/数字）采样模块、DSP（Digital Signal Processing，数字信号处理）处理器和FPGA（Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）采集电路。控制显示部分包括STM32控制器、显示器、键盘鼠标、USB通讯电路和Nand-flash存储器。

电源电路模块将镍氢电池组输出的直流电压经过隔离升压或降压，再经稳压和限流后供给惯性测量系统和控制显示部分。

三轴光纤陀螺仪敏感井下钻机姿态测量仪的三个转动运动的角速度，并通过RS422通信线输入FPGA采集电路。三轴加速度计敏感井下钻机姿态测量仪的三个平移运动的加速度，将输出的电流信号输入信号调理电路；信号调理电路将电流信号通过跨阻运放和低通滤波转换为电压信号，并输入给A/D采样模块；A/D采样模块将输入的电压信号转化为数字脉冲信号，并输入给FPGA采集电路。FPGA采集电路将输入的转动运动的角速度和平移运动的加速度打包后传给DSP处理器。DSP处理器进行捷联姿态解算得到钻机的方位角和俯仰角，并传送给FPGA采集电路。FPGA采集电路通过RS232串口输出给STM32控制器。

STM32控制器将得到的方位角和俯仰角通过显示器显示给用户，同时将方位角与俯仰角信息存入Nand-flash存储器，Nand-flash存储器中的数据可通过USB总线传送到PC机中，在PC机中完成数据读取与操作。

基于上面所述的井下钻机姿态测量仪，本发明提供的井下钻机姿态测量方法，具体是：开机上电后，STM32控制器发送测量点位置信息给导航计算机，发送成功后，STM32控制器发送寻北命令给导航计算机；导航计算机接收到寻北命令后，触发三轴光纤陀螺仪和三轴加速度计开始工作，并将测量得井下钻机姿态测量仪的三个转动运动的角速度和三个平移运动的加速度输入给DSP处理器进行捷联姿态解算，将解算得到钻机的方位角和俯仰角输出给STM32控制器；然后，导航计算机实时测量钻机的当前姿态并输出给STM32控制器，直至测量结束。

本发明的井下钻机姿态测量仪及其测量方法的有益效果是，本发明不依赖任何外界信息，通过捷联姿态解算方法自动测量井下钻机的姿态(方位角、俯仰角)信息，并可实时显示给用户，从而可替代现有人工几何测量方法，克服现有方法费时费力、测量时间长、测量误差大等缺点。

附图说明

图1是本发明的井下钻机姿态测量仪的系统原理图；

图2是本发明的控制显示部分的外部控制面板示意图；

图3是本发明的井下钻机姿态测量仪的外壳示意图；

图4是本发明的井下钻机姿态测量仪在钻机上的安装示意图。

图5是本发明的井下钻机姿态测量方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供的井下钻机姿态测量仪，如图1所示，包括电源电路模块1、惯性测量系统2和控制显示部分3。