本發(fā)明涉及地質(zhì)工程，尤其涉及一種基于遠程控制的鉆孔設備三維軌跡定位方法。

背景技術：

1、在地下環(huán)境中，尤其是隧道、礦山等領域的鉆孔作業(yè)中，現(xiàn)有的軌跡定位方法多依賴傳統(tǒng)的基于歐幾里得幾何的二維或三維建模技術。這些方法通過簡化的幾何模型來預測鉆孔路徑，在地質(zhì)條件較為簡單且穩(wěn)定的環(huán)境下通常能夠取得良好效果。然而，在面臨高度復雜和不規(guī)則的地下地質(zhì)時，傳統(tǒng)的軌跡優(yōu)化技術面臨顯著局限，無法有效處理地下結構中的非線性、非規(guī)則幾何特征。

2、現(xiàn)有技術通常通過基于歐幾里得幾何的模型進行路徑規(guī)劃，這些模型無法準確反映地下環(huán)境中的復雜性，例如地層彎曲、巖石斷裂或水流影響等，這些因素往往導致鉆孔路徑發(fā)生偏差。由于缺乏對地質(zhì)變化的實時響應能力，現(xiàn)有的軌跡優(yōu)化方法無法應對地下環(huán)境中的動態(tài)變化。因此，傳統(tǒng)方法往往無法保證鉆孔路徑的準確性和穩(wěn)定性，且難以實時修正鉆孔軌跡，導致作業(yè)效率低下，甚至可能出現(xiàn)設備損壞或作業(yè)失敗的情況。

3、此外，傳統(tǒng)軌跡優(yōu)化方法一般是基于靜態(tài)路徑規(guī)劃，缺乏與鉆孔設備實時狀態(tài)反饋的有效結合。鉆孔設備在作業(yè)過程中會受到地下環(huán)境的動態(tài)影響，因此，靜態(tài)的路徑規(guī)劃方法常常不能應對實際情況中的地質(zhì)突變和意外變化。設備的軌跡可能偏離預定路徑，導致作業(yè)精度下降，甚至影響整體作業(yè)進度和安全。

4、因此，提出了一種基于遠程控制的鉆孔設備三維軌跡定位方法。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有軌跡定位方法無法有效處理非線性、非規(guī)則幾何特征，導致鉆孔路徑發(fā)生偏差的問題，而提出的一種基于遠程控制的鉆孔設備三維軌跡定位方法。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術方案：

3、一種基于遠程控制的鉆孔設備三維軌跡定位方法，包括以下步驟：

4、步驟一：通過激光掃描儀或地質(zhì)雷達在鉆孔區(qū)域獲取目標點云數(shù)據(jù)，所述點云數(shù)據(jù)包含每個測量點的三維坐標信息，且所述點云數(shù)據(jù)覆蓋鉆孔路徑的全部或部分空間區(qū)域；

5、步驟二：對獲取的點云數(shù)據(jù)進行預處理，使用最小二乘法在每個測量點的鄰域內(nèi)計算法向量??，其中法向量??代表該測量點的局部表面方向，所述法向量計算通過對每個測量點周圍一定半徑內(nèi)的點云進行擬合，確定一個鄰域點集，所述鄰域點集由距離測量點??不超過該半徑r的所有點組成，基于最小二乘法求解該鄰域點集的平面方程，得到該點的局部法向量；

6、步驟三：基于法向量計算的結果，通過拉普拉斯算子與二階偏導數(shù)計算得到每個測量點的局部曲率張量??，其中局部曲率張量表示該測量點及其鄰域的彎曲性，所述局部曲率張量??的計算過程包括對測量點的鄰域進行高階偏導數(shù)求解，計算主曲率??和?；

7、步驟四：使用非歐幾里得幾何模型進行軌跡優(yōu)化，基于黎曼幾何理論，通過對路徑曲率的處理的優(yōu)化過程包括：根據(jù)局部曲率張量??構建路徑優(yōu)化的目標函數(shù)：?，其中，??為動態(tài)地質(zhì)因子，反映第i個測量點所在地質(zhì)層的物理特性；??和??為權重系數(shù)，分別調(diào)節(jié)曲率和地質(zhì)因子對路徑優(yōu)化的相對影響；??為地質(zhì)因子對路徑優(yōu)化的影響系數(shù)；利用所述目標函數(shù)，通過最優(yōu)化算法對鉆孔路徑進行調(diào)整，沿著曲率最小的軌跡進行優(yōu)化；通過迭代優(yōu)化，保證軌跡的精確度與穩(wěn)定性；

8、步驟五：在獲得優(yōu)化后的軌跡數(shù)據(jù)后，建立三維有限元模型，通過有限元方法對鉆孔設備在不同地質(zhì)層中的運動過程進行仿真，模擬鉆孔設備在地質(zhì)變化過程中可能遇到的力學反應，并分析設備與地下介質(zhì)之間的相互作用；通過仿真結果，進一步評估鉆孔軌跡的穩(wěn)定性；將有限元仿真結果反饋到鉆孔設備，實時調(diào)整軌跡，進一步提高鉆孔作業(yè)的精度；

9、步驟六：通過遠程控制平臺，實時監(jiān)控鉆孔設備的三維軌跡，若檢測到軌跡偏離預定路徑，則通過遠程控制系統(tǒng)向鉆孔設備發(fā)送修正指令，自動調(diào)整鉆孔設備的運動方向，從而保證鉆孔軌跡的準確性和穩(wěn)定性。

10、優(yōu)選的，所述法向量的計算過程包括：對每個測量點周圍一定半徑的點集進行平面擬合，擬合過程中采用最小二乘法求解平面方程??，其中a、b、c為平面法向量的分量，d為常數(shù)項，并得到法向量??，所述法向量??用于描述該測量點的局部表面方向。

11、優(yōu)選的，所述局部曲率張量??的計算過程包括：在每個測量點處通過對該點的鄰域點進行二階偏導數(shù)計算，求解局部曲率張量??，并通過特征值分解得到主曲率?和??，其曲率信息反映了該點在不同方向上的彎曲度。

12、優(yōu)選的，所述軌跡優(yōu)化依據(jù)步驟四所述的非歐幾里得幾何模型和黎曼幾何理論，采用最短曲率路徑優(yōu)化算法調(diào)整鉆孔路徑的曲率，并使得所述路徑盡量平滑，以適應復雜的地下地質(zhì)層，最小化鉆孔設備的振動與誤差。

13、優(yōu)選的，所述軌跡優(yōu)化過程通過曲率約束最優(yōu)化算法實現(xiàn)，具體步驟如下：基于激光掃描儀或地質(zhì)雷達獲取的點云數(shù)據(jù)，使用直線擬合方法生成初步鉆孔路徑；計算路徑上每個點的局部曲率，通過優(yōu)化算法調(diào)整路徑，最小化相鄰點間的曲率；通過迭代算法修正路徑，最小化彎曲度，并根據(jù)地質(zhì)條件實時調(diào)整路徑，得到最優(yōu)路徑。

14、優(yōu)選的，所述測量點數(shù)據(jù)通過激光掃描儀或地質(zhì)雷達反復采集，并通過點云處理算法進行數(shù)據(jù)濾波，去除異常值與噪聲數(shù)據(jù)，具體步驟如下：使用激光掃描儀或地質(zhì)雷達多次掃描，確保數(shù)據(jù)全面；應用ransac算法去除異常數(shù)據(jù)，使用dbscan聚類識別并刪除誤差點；通過加權平均平滑數(shù)據(jù)，插值填補空缺區(qū)域，確保數(shù)據(jù)均勻分布。

15、優(yōu)選的，所述步驟五中的有限元仿真通過abaqus或ansys軟件對鉆孔設備進行動力學建模，結合地下介質(zhì)的物理特性，仿真鉆孔過程中的力學響應，并根據(jù)模擬結果優(yōu)化軌跡路徑，具體步驟如下：使用abaqus或ansys進行三維建模，并通過網(wǎng)格劃分確保計算精度；仿真鉆孔設備與地下介質(zhì)的相互作用，計算設備的阻力、振動及動態(tài)負載；根據(jù)仿真結果調(diào)整鉆孔路徑，避免設備進入高壓或松軟地質(zhì)層，確保穩(wěn)定性和精度。

16、優(yōu)選的，所述鉆孔設備進一步包括智能反饋模塊，所述智能反饋模塊與鉆孔設備的傳感器網(wǎng)絡聯(lián)動，能夠?qū)崟r監(jiān)控鉆孔設備的運行狀態(tài)，并在軌跡偏離時發(fā)出警報或進行微調(diào)。

17、優(yōu)選的，所述三維軌跡定位方法結合b樣條曲面或nurbs曲面模型對地下層地質(zhì)數(shù)據(jù)進行建模，并用于構建鉆孔路徑的幾何參考，以提高軌跡的精度。

18、本發(fā)明具備以下有益效果：

19、本發(fā)明中，通過結合激光掃描、地質(zhì)雷達、非歐幾里得幾何模型和有限元分析等技術，顯著提高了鉆孔設備在復雜地下環(huán)境中的定位精度。激光掃描和地質(zhì)雷達的應用，使得獲取的三維點云數(shù)據(jù)更加全面和準確，能夠有效反映地下地質(zhì)結構的復雜性。通過最小二乘法計算法向量和局部曲率張量，能夠精確描述測量點的局部表面特征，為后續(xù)的軌跡優(yōu)化提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎。此外，非歐幾里得幾何模型的引入，使得路徑優(yōu)化過程更加靈活，能夠適應不同地質(zhì)條件下的鉆孔需求，減少了鉆孔設備的振動和誤差。

20、本發(fā)明中，通過遠程控制技術，提升了鉆孔作業(yè)的自動化和智能化水平。本方法不僅能夠?qū)崟r檢測鉆孔設備的軌跡偏離情況，還能自動生成修正指令，確保設備始終沿著預定路徑進行作業(yè)。這種動態(tài)調(diào)整機制顯著提高了鉆孔作業(yè)的安全性和效率，減少了因軌跡偏離導致的設備損壞和作業(yè)失敗的風險。同時，通過有限元分析對鉆孔路徑的穩(wěn)定性進行評估，進一步優(yōu)化了鉆孔作業(yè)的精度，確保設備在不同地質(zhì)條件下的穩(wěn)定運行。整體而言，本發(fā)明為鉆孔作業(yè)提供了一種高效、可靠的解決方案，具有廣泛的應用前景。