[发明专利]张拉孔道走向测量系统

权利要求书

1.一种张拉孔道走向测量系统，其特征在于，包括：运行装置、测量装置和运行控制装置；

所述运行装置，用于在张拉孔道的内壁上运行；

所述测量装置，安装在所述运行装置上，用于当所述运行装置在张拉孔道中运行时实时测量所述运行装置的运行参数，并根据所述运行参数建立张拉孔道走向模型，所述根据所述运行参数建立张拉孔道走向模型的过程包括在对张拉孔道走向进行测量时，建立空间直角坐标系和测量装置坐标系，并通过测量的所述运行装置的运行参数进行测量装置坐标系至空间直角坐标系的转换，根据坐标系统转换后的运行参数进行运算处理获得坐标信息，根据所述坐标信息建立张拉孔道走向模型，其中，所述获得坐标信息的过程包括：根据所述运行参数中的加速度数据，借助角度数据，将所述加速度数据转换为空间直角坐标系下的合加速度数据，根据所述合加速度数据，计算获得运行装置的速度数据，根据所述合加速度数据以及所述速度数据，计算获得运行装置在空间直角坐标系下的坐标信息；所述根据所述坐标信息建立张拉孔道走向模型包括：

在平弯孔道测量时，以张拉孔道的孔道口圆心处为坐标原点建立竖直坐标系，以X轴、Y轴组成的水平平面为参考面，其中，水平方向为所述X轴，竖直方向为所述Y轴，所测角度为Z轴角度，原点处的坐标为(0，0)，所述Z轴角度为φ_pe，当所述运行装置在张拉孔道内运行时，所述运行装置可能会发生绕所述X轴的旋转，所述X轴就会产生旋转因子γ_p，当所述运行装置在运行过程中不发生旋转时，则所述旋转因子为0，通过第一公式确定所述空间直角坐标系中水平方向的加速度，所述第一公式为

A_xpe＝a_xpecosφ_pe-(a_ypesinγ_pe+a_zpecosγ_pe)sinφ_pe

其中，A_xpe为所述空间直角坐标系中水平方向的加速度，a_xpe为所述X轴加速度，a_ype为所述Y轴加速度，γ_pe为所述X轴产生的旋转因子，φ_pe为所述Z轴角度；

通过第二公式确定所述空间直角坐标系中竖直方向的加速度，所述第二公式为

A_ype＝a_xpesinφ_pe+(a_ypesinγ_pe+a_zpe cosγ_pe)cosφ_pe

其中，A_ype为所述空间直角坐标系中竖直方向的加速度；

在第一个Δt后，测得所述X轴加速度、所述Y轴加速度以及所述X轴角度、所述Z轴角度表示为(a_xp1，a_yp1，γ_p1，φ_p1)；经过第二个Δt后，测得所述X轴加速度、所述Y轴加速度以及所述X轴角度、所述Z轴角度为(a_xp2，a_yp2，γ_p2，φ_p2)；经过第m-1个Δt后，测得所述X轴加速度、所述Y轴加速度以及所述X轴角度、所述Z轴角度为(a_xpm-1，a_ypm-1，γ_pm-1，φ_pm-1)；经过第m个Δt后，所述运行装置驶出孔道，测得所述X轴加速度、所述Y轴加速度以及所述X轴角度、所述Z轴角度为(a_xpm，a_ypm，γ_pm，φ_pm)，由于所述测量装置测量的数据均以自身坐标系为参考，因此需要进行坐标系的转换，转换为规定所述X轴、所述Y轴、所述Z轴组成空间直角坐标系；

需要说明的是，角度为与初始时刻测量装置的角度相比每个Δt内角度的变化量，通过第三公式确定所述空间直角坐标系中水平方向的加速度，所述第三公式为

A_xp1＝a_xp1cosφ_p1-(a_yp1sinγ_p1+a_zp1cosγ_p1)sinφ_p1

A_xp2＝a_xp2cosφ_p1-(a_yp2sinγ_p2+a_zp2cosγ_p2)sinφ_p2……

A_xpm-1＝a_xpm-1cosφ_pm-1-(a_ypm-1sinγ_pm-1+a_zpm-1cosγ_pm-1)sinφ_pm-1

A_xpm＝a_xpmcosφ_pm-(a_ypmsinγ_pm+a_zpmcosγ_pm)sinφ_pm

其中，A_xp1、A_xp2、A_xpm-1和A_xpm分别为所述第一个Δt后、所述第二个Δt后、所述第m-1个Δt后和所述第m个Δt后的所述空间直角坐标系中水平方向的加速度；

通过第四公式确定所述运行装置的水平行进距离，所述第四公式为

其中，

其中，Δxp₁、Δxp₂和Δxp_m为所述第一个Δt后、所述第二个Δt后和所述第m个Δt后的所述运行装置的水平行进距离；

通过第五公式确定所述空间直角坐标系中竖直方向的加速度，所述第五公式为

A_yp1＝a_xp1sinφ_p1+(a_yp1sinγ_p1+a_zp1cosγ_p1)cosφ_p1

A_yp2＝a_xp2sinφ_p2+(a_yp2sinγ_p2+a_zp2cosγ_p2)cosφ_p2……

A_ypm-1＝a_xpm-1sinφ_pm-1+(a_ypm-1sinγ_pm-1+a_zpm-1cosγ_pm-1)cosφ_pm-1

A_ypm＝a_xpmsinφ_pm+(a_ypmsinγ_pm+a_zpmcosγ_pm)cosφ_pm

其中，A_yp1、A_yp2、A_ypm-1和A_ypm分别为所述第一个Δt后、所述第二个Δt后、所述第m-1个Δt后和所述第m个Δt后的所述空间直角坐标系中竖直方向的加速度；

通过第六公式确定所述运行装置的竖直行进距离，所述第六公式为

其中，

其中，Δyp₁、Δyp₂和Δyp_m为所述第一个Δt后、所述第二个Δt后和所述第m个Δt后的所述运行装置的竖直行进距离；

通过第七公式确定所述运行装置在m时刻定位的坐标(X_m，Y_m)，所述第七公式为

X_m＝Δxp₁+Δxp₂+Δxp₃+…+Δxp_m

Y_m＝Δyp₁+Δyp₂+Δyp₃+…+Δyp_m；

在竖弯孔道测量时，以所述张拉孔道的孔道口圆心处为坐标原点建立竖直坐标系，以所述X轴、所述Z轴组成的竖直平面为参考面，其中，水平方向为所述X轴，竖直方向为所述Z轴，所测角度为Y轴角度，所述原点处的坐标为(0，0)，当所述运行装置在张拉孔道内运行时，所述运行装置可能会发生绕所述X轴的旋转，所述X轴就会产生旋转因子γ，当所述运行装置在运行过程中不发生旋转时，则所述旋转因子为0；

在第一个Δt后，测得所述X轴加速度、所述Z轴加速度以及所述X轴角度、所述Y轴角度表示为(a_x1，a_z1，γ₁，θ₁)；经过第二个Δt后，测得所述X轴加速度、所述Z轴加速度以及所述X轴角度、所述Y轴角度为(a_x2，a_z2，γ₂，θ₂)；经过第m-1个Δt后，测得所述X轴加速度、所述Z轴加速度以及所述X轴角度、所述Y轴角度为(a_xm-1，a_zm-1，γ_m-1，θ_m-1)；经过第m个Δt后，所述运行装置驶出孔道，测得所述X轴加速度、所述Z轴加速度以及所述X轴角度、所述Y轴角度为(a_xm，a_zm，γ_m，θ_m)，由于所述测量装置测量的数据均以自身坐标系为参考，因此需要进行坐标系的转换，转换为规定所述X轴、所述Y轴、所述Z轴组成空间直角坐标系；

需要说明的是，角度为与初始时刻测量装置的角度相比，每个Δt内角度的变化量，通过第八公式确定所述空间直角坐标系中水平方向的加速度，所述第八公式为

A_x1＝a_x1cosθ₁+(a_y1sinγ₁+a_z1cosγ₁)sinθ₁

A_x2＝a_x2cosθ₂+(a_y2sinγ₂+a_z2cosγ₂)sinθ₂……

A_xm-1＝a_xm-1cosθ_m-1+(a_ym-1sinγ_m-1+a_zm-1cosγ_m-1)sinθ_m-1

A_xm＝a_xmcosθ_m+(a_ymsinγ_m+a_zmcosγ_m)sinθ_m

其中，A_x1、A_x2、A_xm-1和A_xm分别为所述第一个Δt后、所述第二个Δt后、所述第m-1个Δt后和所述第m个Δt后的所述空间直角坐标系中水平方向的加速度；

通过第九公式确定所述水平方向的距离，所述第九公式为

其中，

其中，Δx₁、Δx₂和Δx_m为所述第一个Δt后、所述第二个Δt后和所述第m个Δt后的所述水平方向的距离；

通过第十公式确定所述空间直角坐标系中竖直方向的加速度，所述第十公式为

A_z1＝a_x1sinθ₁-(a_y1sinλ₁+a_z1cosγ₁)cosθ₁

A_z2＝a_x2sinθ₂-(a_y2sinλ₂+a_z2cosγ₂)cosθ₂……

A_zm-1＝a_xm-1sinθ_m-1-(a_ym-1sinλ_m-1+a_zm-1cosγ_m-1)cosθ_m-1

A_zm＝a_xmsinθ_m-(a_ymsinλ_m+a_zmcosγ_m)cosθ_m

其中，A_z1、A_z2、A_zm-1和A_zm分别为所述第一个Δt后、所述第二个Δt后、所述第m-1个Δt后和所述第m个Δt后的所述空间直角坐标系中竖直方向的加速度；

通过第十一公式确定所述竖直方向的距离，所述第十一公式为

其中，

其中，Δz₁、Δz₂和Δz_m为所述第一个Δt后、所述第二个Δt后和所述第m个Δt后的所述竖直方向的距离；

通过第十二公式确定所述运行装置在m时刻定位的坐标(X_m，Z_m)，所述第十二公式为

X_m＝Δx₁+Δx₂+Δx₃+…+Δx_m

Z_m＝Δz₁+Δz₂+Δz₃+…+Δz_m；

根据所述运行装置在m时刻定位的坐标建立所述张拉孔道走向模型；

所述运行控制装置，与所述运行装置连接，用于牵引所述运行装置运行。