（机械制造及其自动化专业论文）“穿地龙”机器人检测及控制系统的研究.pdf

“穿地龙”机器人检测及控制系统的研究 于两要 “穿地龙”机器人是一种可在土中自行行走的装置。它由计算机控制， 在地表的一端进入土中，按预定设计的轨迹前进，行进中可以随时改变方向 绕过障碍物或修正偏差，最后，从地表的另一端指定位置穿出。它主要能够 实现p e 或p v c 管、电缆、光缆等管线的地下铺设。“穿地龙”机器人属特 种作业机器人，在利用非开挖技术进行地下管线铺设方面具有广阔的应用前 景。 本文的研究工作是结合黑龙江省科学技术计划( 攻关) 项目“穿地龙” 机器人样机研制开展的。针对机器人土中作业环境的特点，主要进行了机器 人总体结构、检测及控制系统、位姿检测系统、误差分析及误差的补偿等相 关问题的研究工作。 论文介绍了国内外气动冲击矛技术和钻孔导向仪的发展现状，并分析了 轨迹可控的气动冲击矛的检测装置的发展现状。 通过对当今国内外小直径地下管线典型施工钻孔方案的分析，得出将转 向力矩的产生移至土中机器人本体上的“穿地龙”机器人总体方案。 通过对“穿地龙”机器人检测及控制系统的结构的分析研究，得出了检 测与控制系统建立过程中的几个关键问题，提出了采用多传感器检测机器人 在土中位置与姿态的方法，同时设计了光电检测装置硬件电路，取得了较好 的效果，为进一步进行“穿地龙”机器人研究工作提供了新的条件。 讨论了“穿地龙”机器人位姿检测系统的误差的种类及来源，并对其进 行详尽仔细的分析研究。 以“穿地龙”机器人检测系统的各种误差为根据，进行有效的误差补偿， 从而保证了机器人具有良好的姿态调节能力。通过试验结果表明，可以保证 机器人在土中按照预定的轨迹行走，完成穿孔作业任务。 论文最后进行了“穿地龙”机器人样机的实验研究。通过对“穿地龙” 机器人直线与曲线样机的陆上空载、测力与士中钻孔实验，可以得出：直线 钻孔样机达到了国内外同类同规格产品的技术性能指标，可以推向工程化使 用；曲线钻孔样机实现了一定曲率轨迹的钻孔作业，如再进行下一步的工程 化设计，能够推出超过现有产品技术水平的轨迹可控的机器人产品。 关键词：非开挖技术；“穿地龙”机器人；检测及控制；误差分析；误差补 偿 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t “d r a g o no f p u n c t u r i n gm u d ”r o b o ti sak i n do f d e v i c et h a tc a nw a l kb yi t s e l f i nt h em u d i ti sc o n t r o l l e db yt h ec o m p u t e rf o l l o w i n gt h es c h e d u l e dt r a c kt oe n t e r i n t ot h em u d ，c h a n g e st h ed i r e c t i o nt oa v o i dt h eo b s t a c l e s ，c o r r e c t st h ee r r o r sa n d c o m e so u to ft h em u df r o mt h ed e s t i n e ds p o tf i n a l l y s ou n d e rt h em u di tc a r l m a i n l yu s e dt op a v ep eo rp v cp i p e ，c a b l ea n do p t i c a lf i b e rc a b l e ，e t c a so n eo f s p e c i a lt y p ew o r kr o b o t s ，“d r a g o no f p u n c t u r i n gm u d r o b o th a sag r e a tf u t u r ei n t h ea s p e c t so f p a v i n gu n d e r g r o u n dp i p ea d o p t i n gt h en o - d r i l lt e c h n o l o g y t h er e s e a r c hw o r k sa r es u p p o r t e db y “d r a g o no fp u n c t u r i n gm u d ”r o b o t s a m p l em a k i n go ft h eh e i l o n n i a n gs c i e n c et e c h n o l o g yp r o j e a ti n t h i sp a p l e r a c c o r d i n gt ot h ep a r t i c u l a rc a s eo fm u de n v i r o n m e n t ，t h ep a p e rs t u d i e st h e r e l a t e dk e yt e c h n o l o g i e s ，i n c l u d i n gt h ec o l l e c t i v i t ys t r u c t u r e ，t h ed e t e c t i n ga n d c o n t r o l l i n gs y s t e m ，t h el o c a t i o n p o s ed e t e c t i n gs y s t e m ，t h ee r r o ra n a l y s i sa n d c o m p e n s a t i o n ，e t c t h ea u t h o ri n t r o d u c e st h ed o m e s t i ca n df o r e i g nd e v e l o p i n gs i t u a t i o no f s a s s e si m p a c tm o l e sa n dd r i l l i n gb o r er a d i o d e t e c t i o n ，a n a l y s e st h ed e t e c t i n g d e v i c e sd e v e l o p i n gs i t u a t i o no ft h eg a s s e si m p a c tm o l e sw h o s et r a c ec a nb e c o n t r o l l e d d r a g o no fp l 】1 l c t u r i n gm u d r o b o tc o l l e c t i v i t yp r o j e c tt h a tt u r n i n gm o m e n t i sb r o u g h ta tr o b o tr e a l i t yi sd e v i s e da f t e ra n a l y z i n gt h em o d e lc o n s t r u c t i o n p r o j e c t o f s m a l ld i a m e t e ru n d e r g r o u n dp i p ec o n s t r u c t i o na th o m ea n da b r o a d b yt h ea n a l y s i s a n dr e s e a r c ho fd e t e c t i n ga n dc o n t r o l l i n gs t r u c t u r ef o r d r a g o no fp t m c t u r i n gm u d r o b o t ，t h es e v e r a lk e yp r o b l e m si nt h ec o u r s eo f c o n n e c t i o ne s t a b l i s h e db e t w e e nd e t e c t i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mh a sb e e ns o l v e d ， c o n t e m p o r a n e o u s l yt h em e t h o do fa d o p t i n gm u l t i s e n s o rt od e t e c tm b o t l o c a t i o n a n dp o s eu n d e rt h em u dh a sb e e nb r o u g h tf o r w a r d t h eh a r d w a r ec i r c u i to f p h o t o e l e c t r i cd e t e c t i n gd e v i c ea l s oh a sb e e nd e s i g n e dw h i c hh a st h ep e r f e c tr e s u l t a n dp r o v i d e sn e wc o n d i t i o nf o rt h ef a r t h e rr e s e a r c ho f “d r a g o no fp u n c t u r i n g m u d ”r o b o t t h ee r r o r ss o r ta n ds o u r c eo f d r a g o no fp u n c t u r i n gm u d r o b o t s l o c a t i o n - p o s ed e t e c t i n gs y s t e mh a v eb e e nd i s c u s s e d ，a n a l y z e da n dr e s e a r c h e da t i i “穿地龙”机器人检测及控制系统的研究 l a r g e b a s e do nt h ea nk i n d so fe r r o r so f “d r a g o no fp u n c t u r i n gm u d r o b o t s d e t e c t i n gs y s t e m ，t h ee r r o rc o m p e n s a t i o nh a sb e e ne f f i c i e n t l yd o n e ，c o n s e q u e n t l y t h ep e r f e c tp o s ee d j u s t e da b i l i t yo fr o b o th a sb e e ne n s u r e d t h et e s tr e s u l t i n d i c a t e st h a tt h er o b o tc a nb ee n s u r e dt ow a l ka c c o r d i n gt h es c h e d u l e dt r a c k u n d e rt h em u da n dc o m p l e t et h et a s ko f d r i l l i n g i nt h ee n d ，t h er e s e a r c ho n “d r a g o no fp u n c t u r i n gm u d r o b o tp r o t o t y p e s t e s tw a se x p e r i m e n t a l i z e d a f t e rb e e l i n ea n dc u r v et w ot y p e so fp r o t o t y p e s e x p e r i m e n tt h a ti n c l u d e se m p t yl o a d ，i m p a c t i n gf o r c et e s ta n dd r i l l i n gi nt h es o i l ， i tc a nb ee d u c e dt h a tt h eb e d i n et y p eo fp r o t o t y p ea c h i e v e sp e r f o r m a n c eo f p r o d u c ti nt h es a m ec l a s sa n ds p e c i f i c a t i o na th o m ea n da b r o a d ，i tm a y b eu s e di n e n g i n e e r i n g ；t h ec u r v et y p eo fp r o t o t y p ec a r r i e so u ts o m ec u r v a t u r et r a c kd r i l l i n g o p e r a t i n g ，t h er o b o tp r o d u c tt h a tb a c kc a nb ec o n t r o l l e da n di t sp e r f o r m a n c e e x c e e d sp r o d u c t si ne x i s t e n c ew i l lb em a d e ，i fn e x te n g i n e e r i n gd e s i g ni sc a r r i e d o n k e y w o r d s ：n o n d r i l lt e c h n o l o g y , “d r a g o no fp u n c t u r i n gm u d ”r o b o t ，d e t e c t i n g a n dc o n t r o l l i n g ，e r r o ra n a l y s i s ，e r r o rc o m p e n s a t i o n i i i 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开 发表的作品成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确的方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ：硷壹 日期：知f 年2 月塔日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 。1 课题的来源、目的和意义 本课题来源于黑龙江省科学技术计划( 攻关) 项目“穿地龙”机器 人样机研制( 2 0 0 1 0 1 0 1 0 0 5 0 0 ) 。 “穿地龙”机器人是一种可在土中自行行走的装置。它由计算机控制， 在地表的端进入土中，按预定设计的轨迹前进，行进中可以随时改变方向 绕过障碍物或修正偏差，最后，从地表的另一端指定位置穿出。它主要髭够 实现p e 或p v c 管、电缆、光缆等管线的地下非开挖铺设。 对于地下管线的铺设，从2 0 世纪7 0 年代起，在西方发达国家中开始推 广应用非开挖技术。这项技术可以在少量开挖地表的条件下探测、检查、修 复、更新和铺设管道、线缆等多种地下设施。与开挖法地下管线施工相比， 非开挖法具有不影响交通、不污染环境等优点，并且在许多情况下比开挖法 施工周期短、成本低。因此，它被看作是地下管线工程施工的一次技术革命， 受到了各国政府的重视，非开挖法正以越来越快的速度，在越来越多的场合 取代开挖法地下管线施工。目前，非开挖技术旖工量已占全部管线施工量的 1 0 ，个别地区高达4 0 ，已经成为衡量一个国家地下管线施工科技含量高 低的重要标志之一( i - 1 1 , 1 3 。1 6 j 。 为了缩短与世界发达国家技术水平的差距，赶上非开挖先进技术的发展 趋势，开发一种知识产权自主的产品是非常紧迫和十分必要的，因此，我们 以“穿地龙”机器人样机的研制为攻关课题，相信，通过该课题的研究可以 在一定意义上提高非开挖施工的技术水平。 “穿地龙”机器人与国外的同类产品相比，具有操作简单，价格低廉， 性能满足使用要求等优点，因而，具有很大的应用前景。 1 2 国内外相关领域研究现状综述 非开挖地下管线施工方法的采用已有相当长的历史，最早的非开挖旌工 在上一世纪7 0 年代已经出现。一些菲开挖铺管法如水平钻进法、项管法的大 哈尔滨工程大学硕士学位论文 量采用已有几十年历史了，这些是属于早期的非开挖地下管线施工方法。非 开挖技术包括定向钻进、冲击矛、微型隧道、水平螺旋钻、夯管锤等各种非 开挖铺管技术以及各种各样的非开挖管道修复及探测技术。在水平定向钻进 技术中，以美国、英国、瑞士、德国等国家为代表，近年来不断开发了新型 钻机，钻孔直径可从中5 0 1 2 0 0r f m l ，铺管长度可达1 5 0 0 - 2 0 0 0m 。在冲击矛 技术中，以德国、美国为代表，其中，德国研制的定向气动矛是世界上第一 台能够实现定向钻进的冲击设备。而我国在这方面的发展与世界水平有一定 的差距，以中国地质科学院勘探技术研究所和同济大学为代表，目前，对于 轨迹可控的地下钻孔冲击设备还没有成型产品1 1 7 “3 0 l 。 对于目前的中、小直径管线的非开挖铺设，主要有水平定向钻进、冲击 矛、水平螺旋钻、夯管锤等技术，其中，水平定向钻机的优点是钻孔精度高， 但结构复杂、安装繁琐、设备价格高；冲击矛具有价格低，结构简单、安装 容易、操作方便等特点，特别适合小直径( m3 0 中6 0 0 ) m m 、中距离( 4 0 - 8 0 ) m 的管线施工。因此，本文提出的“穿地龙”机器人，它的前进采用冲击方 式，转向是通过陆上操作人员发出控制指令信号使得机器人转向机构转过给 定的角度，带动头部转到预定的位置来实现的，这样就使得“穿地龙”机器 人能实现在土中的穿洞运动，按设计的钻孔轨迹完成穿孔施工作业1 3 “。 “穿地龙”机器人与国外的同类产品相比，性能可达到使用要求，并具 有价格低廉的特点，因此，在国外高昂的产品价格前，“穿地龙”机器人是有 很大市场前景的。 1 2 1 国内外气动冲击矛研究发展现状 冲击矛是由缸体与冲击活塞等部件组成的装置，依靠冲击活塞的往复运 动输出冲击功实现在土中的穿孔作业，因其外观象矛，故因此得名。它的发 展已有几十年的历史，早在6 0 年代，俄罗斯人就发明了无阀式气动冲击矛， 之后德国的t r a c r o t e c t m i k 、美国的v e r m e e r 、c a s e 等公司相继开发了类似 产品，在8 0 年代迅速得到发展。 1 2 1 1 国外气动冲击矛发展现状 1 1 瑞士t e r r a 公司生产的冲击矛 瑞士t e r r a 公司最近推出的直径大于由8 0m m 的冲击矛，如图1 1 所示。 篁鋈璧垄鎏鐾型鳖一 t e r r a h a 慨e r 气动矛在起始架里，它准备穿越到目称坑里，j 司明椅r 厶4 目。似 过去。由压气推动的t e r r a h a w e r 气动矛可以穿越公路，铁路和花园等。操 作快捷准确，可铺设煤气、自来水、下水道、电力及电缆等管道，铺设直径 为巾4 5 2 4 5h i m 。 优点是：矛头内可放置能示踪的发射装置( t u o s o p l u s s 型) ，可以有效实 现冲击矛方向可控。 图1 ，1t e r r a - h a m m e r 2 1 德国t r a c r o - t e c h n i k 公司冲击矛 德国t r a c r o - t e c l 】i l i k 公司有1 5 种规格( 巾4 5m m 由1 8 0 m m ) 冲击 图1 , 2i t 公司巾7 5h m 定向气动矛转向工作原理 1 空压机与控制柜2 导向管支架3 ，导向管4 进土可调支架5 ，冲击本体 6 测试碳棒7 转向机构8 锥形头部 ；些鳖至鎏塑些丝垒已一 矛，并可以有效用于非水平孔和直孔作业，它采用气动冲击形式，可铺设p e 管、p v c 管、钢管及其它管线，管直径从t b 3 0 m m 咖1 5 0 m m ，钻孔长度从 2 0 m 7 0 m 。 德国t t 公司于2 0 0 0 年又推出了直径中7 5m i l l 的定向气动矛，它的转向 工作原理如图1 2 所示p ”，借助于标准的导向仪引导定向矛的方向，传感器 置于气动矛前腔室内，给显示器提供其倾角及转动信息，而地面上的手动定 位装置可精确跟踪气动矛的倾角和深度位置，通过操作人员转动地面上的导 向管来实现定向钻进。 优点是方向可控。 缺点是转向是人为转动导向管实现的，土中的位姿是用探测仪检测的， 在实际使用中具有局限性。 3 ) 美国c a s e 公司冲击矛 美国c a s e 公司冲击矛系列，规格从直径巾5 4 m m 如2 6 7t r i m ，见图1 , 3 ， 图1 3 美国c a s e 公司气动矛 主要性能指标见表1 1 。 工作过程是： a ) 在需要穿越地段的路面两侧，挖一入口坑和出口坑 b 1 将气动矛设置在入口坑所需敷管的深度处固定； 空压机持续提供动力，气动矛从入口坑钻入地面，直到出口坑； d ) 完成孔后将敷设的管线固定在气动矛上，再次启动气源，气动矛从入 口坑将管线拉入地下己形成的孔道，直至完成敷设； e 1 回填入口坑和出口坑，管道敷设即可完成。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表】美国c a s e 公司气动矛主要性能参数 直径长度重量工作压力 耗气量 气管直径 冲击频 ( m 3 r a i n 寡 ( 1 n n l )( m m ) ( 蚝)( m p a ) ( i t t n l ) g 参：t m i n ) 5 4 1 0 l o1 2 7o 60 61 2 75 3 5 7 61 3 6 03 3 o 61 12 04 0 0 9 81 5 7 05 7o 61 72 54 0 0 1 0 31 5 7 06 30 61 72 54 0 0 1 2 71 5 7 06 5 0 6 1 7 2 54 0 0 1 3 01 4 4 08 8 o 64 o 2 53 7 0 1 5 21 7 3 01 4 1o 66 83 84 0 0 1 7 81 4 4 01 1 20 64 02 53 7 5 2 0 31 7 3 01 5 50 66 8 3 8 4 0 0 优点是外壳整体式后扩孔设计，依靠气动矛尾端固有的锥型扩孔体，通 过成孔直径的逐渐增大，用较小质量的设备一次形成个较大的孔洞。它无 需另外配备专门的扩孔器，节省配置，减少施工布置，提高工作效率。 缺点是它的方向不可控。 4 ) 美国v e r m e e r 公司气动矛 美国v e r m e e r 公司有2 1 种型号遁地冲击矛，如图1 4 所示，它采用气动 冲击，其机体坚固、内部设计巧妙且结构简单，冲击力强而无后坐力，同时， 图1 4 美国v e r m e e r 公司冲击矛系列 哈尔滨工程大学硕士学位论文 安装、操作和维修非常简单其尺寸大小由直径毋4 5n l n l 日b 5 8 0r n n l ，可以安 装的管线范围是毋1 3r l l _ i t l 西1 5 0 0m r n ，分别可用于铺设p v c 管、h d p e ( m n p e ) 管、铸铁管或钢管等不同材质的管线。 主要性能指标见表1 ，2 1 3 4 】 优点是它的尾部安装快速反向装置，可以控制机器自动前进或后退，这 点是可以借鉴的。 缺点是它的方向不可控。 表1 2 美国v e r m e e r 公司冲击矛主要性能指标 钻孔直径长度 重量耗气量工作压力 冲击频率 ( 次 ( m m )( m m ) ( k g ) ( m 3 m i n ) ( m p a ) m i n ) 4 58 8 9 8o 5 0 7 5 4 5 5 01 1 2 21 1o 6o 75 2 0 6 51 2 0 7 2 30 9 o 7 3 8 5 7 51 3 9 13 1o 9o 74 8 0 1 0 01 5 4 36 21 9 o 7 3 7 0 1 4 51 8 0 91 3 83 70 73 0 0 1 8 01 9 5 62 3 26 7o 72 9 5 3 0 02 3 1 47 1 11 70 72 5 6 5 8 03 3 5 34 2 3 74 80 7 1 7 7 另外，美国s u l l a i r 公司制造的气动工具系列，如s k l 0 风镐、m k 2 1 9 气动混凝土破碎锤、a m 系列气动混凝土振捣器等可有效完成坚硬表面的钻 孔、切割、捣固等工作。 1 2 1 2 国内气动冲击矛发展现状 我国是在7 0 年代末左右开始进行气动冲击矛的研制工作的，主要有北京 科技大学、同济大学、东北大学、吉林大学、地质科学院勘探技术研究所等 科研机构，主要研究成果及观点如下。 1 ) 中国地质科学院勘探技术研究所生产的m 系列冲击矛 如图1 5 所示，气动矛俗称地老鼠或地下火箭，其结构非常简单，由钢 质外套( 矛体) 、活塞和配气装置组成。气动矛在压缩空气作用下，矛体内的 活塞作往复运动，不断冲击矛头，矛头在土层中挤压周围土体，形成钻孔并 带动矛体前进。设各简单，操作方便，投资少：可铺设p e 管、p v c 管和钢 管；图1 ，6 为m 系列冲击矛施工照片。 图1 5m 系列气动矛动矛 图1 6 施工照片 优点是形成钻孔后可以直接将待铺管道拉入，也可通过拉扩法将钻孔扩 大，以便铺设更大赢径的管道。适用于短距离( 3 0 m 以内) 、小直径管道的 穿越铺设；适合在狭小空间内施工。 缺点是方向不可控。 2 ) 中国地质科学院勘探技术研究所生产的t t 系列夯管锤 1 9 9 4 年在国内率先研制并推出h 系列夯管锤( 直径巾1 l om m 4 2 0 m m ， 共6 种规格) 。它机构紧凑、工作效率高、操作简便，该技术产品于1 9 9 9 年 获得国家知识产权局授予的专利权( 专利号为z l 9 8 2 0 3 7 7 4 0 ) ，如图1 7 所不。 图1 7 h 系歹4 气动夯管锤 优点：夯管锤铺管管径范围较大，直径2 0 ( 卜- 2 0 0 0 m m 均可，视地层和夯 管锤的不同，一次性铺管长度达1 0 8 0 m 。 夯管锤铺管对地层适应性较强，可在任何土层中使用，无论是含砾石土 层，还是含水土层均能顺利地夯入管道，而且铺管速度较快，一般夯速为6 - - 8 1 1 1 h ，快时可达1 5 2 0 i 】h 。夯管锤镝管法具有铺管精度高，施工成本 哈尔滨工程大学_ 硕士学位论文 i l li i 低，设备简单，投资少，操作、维护方便。 缺点：夯管锤铺管只能用于铺设钢管，钢管间的联接由现场焊接来完成， 一般是夯入一段，焊接一段。 3 ) 同济大学研制的d h 系列气动穿孔机可实现地下水平孔的穿越，适用 于铺设直径q 5 4 5 驴1 5 0 0m m 、距离2 0 n 8 0m 的管线。它采用气动矛冲击形 式，在穿孔过程中不能自动修正前进轨迹，只能完成直线施工，旋工时靠目 标坑的标杆与工作坑的瞄准器实现初始冲击定位。具体性能参数如表1 ，3 所 示1 3 5 3 q 。近年来，他们又在进行s i ) h 轨迹可控气动穿孔机的研究，目的是要 达到自行修正前进轨迹完成管线的曲线施工，它通过对土的力学特性分析， 得出了穿孔轨迹与地层、钻头的关系，设计了特殊机构的双稳头钻头，依靠 挠性杆的旋转使得双稳头处于非对称斜面位置，造成双稳头在垂直于运动方 向的平面上受到不平衡阻力，使其作曲线运动：同时，设计了导向控制系统， 在机体内安置传感器，通过传感器的几个角度参数的测定，可以在地面时刻 掌握穿孔机在地下的方位和姿态位置。目前处于理论研究与实验阶段。 表】3d h 型气动矛性能参数 直径重量长度冲击功冲击频率耗气量使用压力 型号 ( r o a n ) ( k g ) ( i n m )( n m )( 次m i n )( m 3 m i n )( 【p a ) d h 6 06 01 81 1 3 45 04 6 0 一5 0 00 3 加40 6 - - - o 7 d h 7 07 02 71 2 8 06 83 5 0 4 5 0o 70 6 - - o 7 d h 9 59 56 l1 5 8 01 5 03 5 0 - 4 5 00 90 昏7 d h 3 6 03 6 01 4 6 52 7 5 04 5 0 01 8 0 一1 9 02 50 6 7 d h 5 1 05 1 03 3 9 53 3 0 01 1 0 0 01 5 0 1 9 02 9 3 3o 矗7 d h 6 0 0 6 0 0 5 9 0 04 0 0 02 0 0 0 01 4 0 1 8 04 5 5 00 d 7 4 ) 吉林大学的殷琨等人对可控冲击矛的可控机构与轨迹变化进行了研 究，通过改变冲击矛钻头的方向，使钻头轴线与冲击器轴线存在一定夹角实 现钻进方向可控，他们通过模拟试验，获得了大量数据，利用计算机采用最 小二乘法对各数据点进行拟合处理，得出了以下冲击矛钻进轨迹和轨迹偏移 的规律，其中，单位进尺所消耗的功为进尺比功，单位进尺所产生的偏角为 偏转强度“。 锥角在一定的范围内越大，进尺比功越大，偏转强度越小； 偏角在一定的范围内越大，进尺比功越小，偏转强度越大； 存在异径的冲击矛要比不存在异径的冲击矛进尺比功小，偏转强度 哈尔滨工程大学硕士学位论文 大： 阶梯形钻头的进尺比功比锥形钻头大，偏转强度比锥形钻头的进尺强 度小； 杆越长，其迸尺比功越大，偏转强度越小； 土层越硬，其进尺比功越大，偏转强度越小； 3 ) 、4 ) 两项理论可以借鉴，但没有成型的产品。 1 2 2 国内外钻孔导向仪发展状况 随着非开挖技术的发展，非开挖施工中钻头轨迹的检测技术也在不断提 高。钻孔导向仪就是地下管线非开挖铺设而进行钻孔控制的一种完整的信息 系统，它包括一个智能型的探头和手提定位仪以及可选的远距离监视设备。 该设备主要应用在水平定向钻机进行非开挖施工中。 国外从事钻孔导向仪的专业生产厂家主要包括英国的雷迪公司 ( r a d i o d e t e c t i o n ) 、美国的威猛公司( v e r i f i e r ) 和沟神公司( d i t c h w i t c h ) 等。 ( 1 1 导向仪 雷迪公司主要研制地下设旌定位和追踪系，如图1 8 所示是在r d 3 8 5 、 图1 8r d 领航者工作示意图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 8 6 导向仪的基础上又最新研制上出抗干扰能力更强、导向精度更高的 ( i t r a c k ) r d 领航者，接收机：内置钻孔数据记录存贮器：探头高温或电池低 电量告警；自动追踪箭头；显示钻头的倾角；罗盘指示钻头方向；探头实时 传送转角和倾角信号给接收机及同步显示器；兼容雷迪s d s 短距离探头和 p d f 探头。同步显示器：远程导向；探头高温或电池低电量告警：同步显示 器实时显示钻头的转角和倾角内置外接电源插口，使用1 2 v 外接电源a ( 2 ) 英国雷迪公司的r d 3 8 5 定向钻进导向仪 如图1 9 的r d 3 8 5 定向钻进导向仪是非开挖行业的一套完备的信息系统。 在钻进之前，其管线探测功能可以对各种地下设施进行定位，从而可以规划 一条安全的钻进轨迹。在钻进过程中，r d 3 8 5 可以提供钻头的位置、方向和 深度等数据，从而保证钻进沿着预定的轨迹顺利进行。r d 3 8 5 系统可以 图1 9r d 3 8 5 定向钻进导向仪基本组件 为操作者提供连续的钻头转角和倾角指示。r d 3 8 5 定向钻进导向仪主要包括 接收机、数据监视器和数据探头等。 接收机：手持式接收机能接受到来自数据探头的各种信息，包括探头 的转角、倾角、深度、位置、电池状况以及温度等，它也可以作为管线定位 仪使用。 数据显示器：能接受来自接收机的转角、倾角和深度等各种信息。该 监视器安装在钻机处，为钻机的操纵提供信息。 数据探头：其安装在钻头的前端，其中包括测量倾角、转角、探头温 度以及电池状况的传感器。 图1 1 0r d 3 8 5 定向钻进导向仪工作过程简图 r b 3 8 5 定向钻进导向仪的主要技术参数： 深度范围：长距离数据探头1 6 m + _ 5 ；短距离数据探头4 m 5 i 定位精度：深度的5 ； 工作温度：一2 0 。c 5 0 。c ； 电池：l r 6 ( a a ) 碱性电池，寿命3 0 小时。； ( 3 ) 美国的威猛公司和沟神公司的定向钻进导向仪 图1 1 1 钻孔资料处理系统 1 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 - i i i i i i 萱i 皇i i i i i i i i i i i 薯葺皇i i i i 嗣 美国的威猛公司和沟神公司生产的定向钻进导向仪性能与英国雷迪公 司的r d 3 8 5 定向钻进导向仪基本相同，沟神公司的定向钻进导向仪还包括钻 孔资料处理系统，如图1 1 l 所示”“。 钻孔资料处理系统的主要功能包括：快速显示各类钻杆弯曲半径的数据 以备参考；记录下每次加接钻杆时的钻头位置及相关数据，包括钻杆根数、 深度位置、左右偏角、钻头转向角、倾角、探头温度、电池状态、日期和时 间；并可在此基础上进行钻孑l 轨迹设计。 国外的定向钻进导向仪价格很高，而且技术保密；为了在国内开发和推 广非开挖铺设地下管线新技术，国内的一些研究所和高校也在从事导向仪的 开发和研究工作。 河北地矿局在1 9 9 5 年立项，进行g t - i 型导向孔无线导向仪的研究，该 仪器主要包括孔内仪器、地面探测仪和钻场监视器3 部分组成，其主要功能 包括探测钻孔的深度、监测钻头的倾角和向钻场监视器发送测量数据等功能； 其工作原理是通过孔内仪器发射电磁波，根据电磁场的空间分布和衰减规律， 由地面探测仪进行探测。 但其缺点是孔内仪器( 也称为数据探头) 不能工作在冲击钻孔设备中。 同济大学也进行了导向仪的相关科研工作，但没有相关产品的报道。 ( 4 ) 导向传感器 电子罗盘是一种重要的导航工具，当前大多数的导航系统都使用某种类 型的电子罗盘来指示方向。电子罗盘依靠地球磁场，其角度上的精确度可以 高于o 1 度。高端磁场传感器和磁力计可为电子罗盘提供完整的解决方案。 三维电子罗盘主要由：磁传感器、激励放大、脉冲电路、倾斜角传感器、数 据转换、微控制器等组成，其工作原理是：根据磁阻传感器工作原理，用仪 表放大器对其输出信号进行放大；a d 转换器进行模数转换；为控制器实现 数字信号处理，误差不畅和数据通讯。其中误差补偿包括硬铁补偿、偏置磁 场补偿和倾角补偿。 h m r 3 3 0 0 三维固态电子罗盘如图1 1 2 所示，应用于航海、自动驾驶、 无入机、天线伺服控制、平台稳定、g p s 组合导航、激光测距，自动控制等 领域，其数据输出形式可采用数字r s 一2 3 2 或r s 一4 8 5 接口。由于h m r 3 3 0 0 数 字罗盘采用固态加速度传感器来代替液浮传感器，其它的器件也全部采用固 晗尔滨工程大学硕士学位论文 态元器件，其倾斜测量范围得到了提高， 也更适合冲击等严酷环境，同时也提高了 h m r 3 3 0 0 数字罗盘的可靠性、稳定性和动 态性。航向范围：o - 3 6 0 0 ；横滚和俯仰范 围：6 0 0 ；分辨率：0 】。；精确度i o 。； 尺寸：2 5 4l l l i n 3 6 8m m 1 1 m m 。 h m r 3 0 0 0 数字罗盘如图1 1 3 所 图1 1 2 i m l 玎3 0 0 三维固态电子罗盘 示，用来测量物体的姿态，通过r s 2 3 2 或r s 4 8 5 接口，实时准确地输出被测物体的 俯仰、横滚和航向角度，且航向精度高，误 差在0 5 。可广泛应用于航海、通信雷达、 微波定向、海上平台控制、天线安装、无人 机飞行、机器人、运动定向、自动控制等方 面。h m r 3 0 0 0 体积小，功耗低，精度高，主板 尺寸：8 3 t m n 2 5 r a m 2 2 m m ；倾斜角( 横滚和 俯仰) ：4 0 。；精度：o 3 。：重复性： 图1 1 3 删r 3 0 0 。电子罗盘 0 2 。；分辨率：0 1 。 c o m p a s s 一3 - v 型垂直钻井测量用( 防水) 磁力仪带倾角补偿罗盘双 轴倾角传感器如图1 1 4 所示 先进的探测型罗盘c o m p a s s - 3 一v 包含了俯仰横滚温度补偿罗盘磁力 计系统，它内部装配了一个艺术化的c m o s 微控制器，此微控制器利用了a o s i 算法。罗 盘尺寸为长7 ”，直径为1 2 5 ”的电子管。是 密封的而且是罐装的，可以用于防水或浅水 应用中。以标准的r s 一2 3 2 和r s 一4 2 2 接口输 出持续的航向、磁场、双轴倾斜和温度数据 信息。罗盘倾斜模块最适合应用于大量岩石 图1 1 4c o y p a s s 一3 叫型传感器 的钻孔、航海、导航、调查、训练、建筑业、 其它精确定位应用以及导航水准测量应用中。方位角范围：o - 3 6 0 度；方位 角分辨率：1 2 位( 0 。0 8 度) ；方位角精度； 0 。5 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 目前该产品有两种封装形式；e z c o , | l p a s s 一3 h ( v )铝壳封装，适用于普 通工业应用，军工标准封装，可承受振动：l o 2 0 0 h z ；抗冲击：1 0 1 5 9 1 l m s ， 厂家会将原来固定在线路板上的敏感元件引出，然后独立封装在尺寸为l ” 的铝制小盒中，再用铝给整个罗盘进行封装以达到抗冲击和振动的要求。然 后会对产品进行重新标定。 5 4 7 导向传感器如图1 1 5 所示，它在钻井应用和导向应用中提供方向 信息，它的外形采用圆柱状。直径只有2 5 4 厘米，长度2 6 6 7 厘米。可直接 嵌入钻探机械的管体，为地下钻探提供精确的导 航。5 4 7 工作时的最高温度可承受1 2 5 。抗冲击 达1 0 0 0 9 ；角度精度：0 8 0 。；方位角( 4 0 。) ： l 。；倾斜：0 。4 。；横滚和俯仲：0 5 。； 航向角：1 5 。( 姿态 4 0 。) ，非常适合在 小直径、高温度、冲击、振动的范围中使用。 图1 。1 55 4 7 导向传感器 1 3 论文研究的主要内容 “穿地龙”机器人是极限作业机器人领域的新生事物，是特种作业机器 人的新成员，本文在黑龙江省科学技术计划( 攻关) 的资助下，将“穿地龙” 机器人作为一个复杂的系统进行深入研究，力图在“穿地龙”机器人所涉及 的技术方面有所突破。 本文的主要研究内容包括以下几个方面： i 详细阐述气动冲击矛、钻孔导向仪国内外研究与发展现状，从而得出 研究“穿地龙”机器人的必要性。 2 在深入分析国内外小直径地下管线典型施工钻孔方案的基础上，对原 “穿地龙”机器人总体方案中的转向机构进行了改进，由转向机构转角可确 定机器人的前进方向。 3 进行“穿地龙”机器人的检钡4 及控制系统研究，提出采用多传感器检 测机器人在土中位置与姿态的方法，并进行了传感器的选型和接口电路的设 计。 4 分析“穿地龙”机器人位姿检测系统的误差的种类及来源，并对其进 行详尽仔细的研究，以“穿地龙”机器人检测系统的各种误差为根据，进行 1 4 有效的误差补偿，从而保证了机器人具有良好的姿态调节能力。 5 建立“穿地龙”机器人的室内试验平台，进行了“穿地龙”机器人样 机的试验研究，机器人在实际工况中的穿孔实验及整机土中爬行试验， 轨迹测试等。 通过试验结果表明，可以保证机器人在土中按照预定的轨迹行走，完成 穿孔作业任务。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章“穿地龙 机器人总体结构研究 2 1 引言 “穿地龙机器人是一种可在土中自行行走的装置，它由计算机控制， 在地表的一端进入土中，按预定设计的轨迹前进，行进中可以随时改变方 向绕过障碍物或修正偏差，最后，从地表的另一端指定位置穿出；主要能 够实现p e 或p v c 管、电缆、光缆等管线的地下铺设。作为在泥土环境中 运行的机器人，应该具有良好的姿态调整能力和行走机能，机器人本体的 结构要合理，以适应于在复杂的泥土环境中的走出规划的轨迹。 本章在分析了当今国内外小直径地下管线典型施工钻孔方案后，得出 “穿地龙”机器人总体结构。 2 2 “穿地龙”机器人系统性能指标 根据“穿地龙”机器人管线的地下铺作业任务的要求，机器人的整体 性能应达到如下主要技术指标： 穿地龙机器人总体尺寸：长x 直径：1 4 0 0 ) 圣6 0 l r l l t l ； 地下穿管线直径：巾7 5i f l l l 以内； 地下穿管线长度： 3 0r i l l 穿管线速度：1 0 m 4 , 时 2 3 国内外小直径地下管线典型施工钻孔方案分析 2 3 1 导向钻进钻孔原理 水平定向钻进非开挖铺管技术是国外8 0 年代发展起来的一项先进的铺 设地下管线技术。该项技术利用放置在地面上的钻机、钻具及安装在钻头后 面的导向发射仪器和地面上的手持接收仪器，按照设计轨迹，先完成一个导 向孔，然后进行反拉扩孔至所需孔径并同步或分步将铺设管拉入孔内，实现 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 不挖槽铺设地下管线。一般将小型( 铺管直径巾5 0 2 5 0 m m ) 的水平定向钻 进称为导向钻进，主要用于通讯、电力、电缆、光缆、p e 或p v c 管、煤 气管的铺设，如图2 1 所示 3 4 , 4 2 _ 3 1 。 图2 1 美国c a s e6 0 1 0 导向钻机工作原理图 1 铺设管2 扩孔器3 楔形钻头4 信号发射探头5 信号接收器6 砧管7 钻机 此