水平螺旋钻导向中自动调焦系统的设计

董志伟，徐彬彬，俞超

(无锡市钻通工程机械有限公司，江苏无锡 214161)

1 螺旋钻进施工工艺简介

螺旋钻进施工是根据管线设计要求，先在接收坑与工作坑中间打一条先导孔，然后将切削扩头连接在螺旋钻杆穿于套管内，旋转头一端连接导向钻杆，螺旋钻杆连接钻机旋转轴端，通过钻机带动切削扩头的旋转，使扩头上的切削齿对土层进行切削。通过钻机顶进形成一个孔洞，扩头沿着导向钻杆的轨迹钻进，使套管顶进在形成的空洞内，顶进完成后，再将套管替换为需要铺设的管道。施工流程见图1、图2和图3。

图1 导向施工示意图

图2 套管顶进施工示意图

图3 管道替换施工示意图

该施工工艺的核心是导向钻进，导向精度的高低决定了施工管道铺设的精度。目前国内导向仪器主要依赖进口，价格较高，而且施工过程中需要人工不断调节接收仪器的焦距，调节过程中会造成接收仪器的位移，降低了导向精度。因此，钻通公司改进了导向仪器的发射和接收装置。

2 导向原理

光学成像导向主要用于250 m以内近距离微型隧道、水平螺旋钻进施工中，该系统主要由光靶、相机和显示器三部分组成，其工作原理如图4所示。常见的光学成像导向仪有德国Perforator公司的GmbH导向仪、波兰Wamet公司的光学成像导向仪及美国McLaughlin公司的激光成像导向仪等。

图4 光学成像导向原理图

导向光靶安装在导向钻头内，光靶中黑色部分表示造斜钻头造斜板的方向。在钻机后面用相机拍摄光靶，通过数据线将拍摄的图像传送到显示器。钻进过程中当光靶中心偏离显示器中心刻线时，表示钻进方向与规划的轨迹方向有所偏离，此时需要进行纠偏操作。该导向系统的主要特点是操作简单方便，适用于距离小于250 m的微型隧道、螺旋钻进或顶管施工中，可精确掌握钻进方向与姿态，对钻进状态进行实时监测。

导向光靶采用LED点光源光靶，根据水平螺旋钻进导向钻杆尺寸设计的LED导向光靶如图5(a)所示，其中O点为光靶中心，OCBA方向即为导向钻头造斜板方向，内圈LED灯圆周直径为12 mm，外圈为30 mm。在钻进过程中当光靶O点位于屏幕十字刻线O′点时，表示钻进方向没有发生偏斜，如图5(b)所示；当光靶O点偏离屏幕十字刻线O′点时，表示钻进方向与预定钻进轨迹有偏离，需要进行纠偏，此时O点与O′点的距离即为钻头偏离量，如图5(c)所示。

图5 LED光靶状态

在进行纠偏时，首先旋转钻杆使射线ABCO过O′点，然后进行顶进操作，此时光靶O点将慢慢靠近O′点。当O点与O′点重合时说明钻进方向回到预定钻进轨迹上。

3 导向难点

(1)光源问题。在钻进过程中，当钻进长度超过30 m时，由于在LED灯光源光线发散性较强，光靶成像效果较差，已不能识别出LED光靶中心，只能通过导向光靶内圈的LED灯大致确定光靶中心，扩大了导向误差。

(2)调焦问题。在钻进过程中，随着钻进深度的增加，经纬仪观测到的图像逐渐模糊，此时需要手动调节经纬仪的焦距，以得到清晰的观测图像，因此每隔一段距离就需要对经纬仪进行一次调焦。施工过程中的调焦工作需要施工人员一边观察一边进行调整，但是接收装置所处的位置可能因施工环境狭窄而不适合工人进入，因此人工手动实时调节镜筒旋钮会存在阻碍，并且可能会造成接收仪器的位移，使得导向偏差精度降低，不仅造成了资源浪费，还会降低钻进效率，导向过程如图6所示。

图6 实际导向效果图

4 解决方案

4.1 导向光靶设计

为减少导向光靶发散光对导向效果带来的影响，使观测图像更加清晰，一方面对光靶进行滤光处理以保证光线的单色性，突出导向LED轮廓图像；另一方面选择适当的遮光条件，降低散射光强度，减少发散光对导向效果的影响。根据光源选择实验的实验结果选择的红色LED灯作为导向光靶的光源，制作光靶。利用DXP设计导向光靶PCB板，集成电路内置调节电阻，因LED灯内阻、电池电压等会对光源亮度造成影响，所以需要调节电阻使光源达到最佳效果，组合灯板保持架和滤光片，提高光源轮廓显示效果，如图7所示。将制作好的光靶依次放在模拟钢管后面观察图像，并记录实验数据，实验结果如图8所示。

图7 导向光靶组成、电路图及PCB图

图8 实验结果

由实验结果可以看出，在100 m内LED光源轮廓通过调焦处理后清晰可见，较之前明显改善，能够满足水平螺旋钻导向需求。

4.2 自动调焦系统

现有的导向系统在水平螺旋钻进过程中需要随时调节经纬仪的焦距以保证观测图像的清晰，这种人工调焦方式不但影响钻进效率，并且可能会造成接收仪器的位移，降低导向精度。为实现水平螺旋钻进导向智能化控向，对自动调焦方案设计就显得比较重要。为了提高导向精度和调焦的稳定可靠性，设计了一种水平螺旋钻机导向自动调焦系统，专门针对手动调焦问题做的攻关，图9为原理示意图。

1.发光器；2.接收装置；3.输出装置；4.视频处理器；5.显示器；6.控制器；7.传输线；8.越权旋钮

经纬仪自带焦距调节旋钮，通过手动调节聚焦，我们把自带调节旋钮改为齿式旋钮，在经纬仪上端提手固定处增加固定支架，支架上安装一小型伺服电机，伺服电机输出端安装与调节旋钮齿型一样的尼龙齿轮，齿轮与调节旋钮用橡胶皮带连接，采用1∶3减速传动，增加旋转调节控制精度。伺服电机采用PLC编程控制，通过实验测试数据得到了在运动过程中发光装置与接收装置的距离和焦距调节之间的一个概率曲线，根据该曲线对伺服电机进行编程控制，使其可以精确地调节接收装置，实现影像的自动聚焦，使显示画面一直处于清晰的状态。由于外部光源会对接收成像造成干扰，概率曲线与实际施工中会存在一定的偏差，自动调节时会出现过调或欠调的情况，为此增设了手动越权功能，可以手动辅助调节，使成像效果更精准可靠，保证导向施工精度。改进后的自动调焦接收装置见图10。

1.高倍率经纬仪；2.支架；3.伺服电机；4.小齿轮；5.尼龙皮带；6.调节旋钮；7.连接座；8.CCD高清摄像机

在经纬仪调焦规律实验过程中，采用32倍变焦激光经纬仪进行观测，观测距离为100 m，实验中经纬仪的调焦规律如表1所示。

表1 调焦规律

由实验结果可以看出，经纬仪在0～10 m过程中的调焦量占经纬仪可调焦量的75%，约为540°，而在0～10 m钻进过程中经纬仪的观测距离比较近，CCD相机所拍摄处的图像也比较清晰。在10～100 m过程中经纬仪只需要微调，在这个过程中调焦量占可调焦量的12.5%，约为90°，在此过程中CCD相机所拍摄出的图像逐渐变模糊。

根据经纬仪自身光学系统的作用距离以无限远计算，当作用距离大于5 km时不需要调焦，当作用距离在5 km之内时需要调整焦距。根据实验结果可知在水平螺旋钻进过程中调整焦距的距离最小值为1 m，即在0～10 m之间时调整最为频繁，故在后面对数据处理时的距离单位为m，调整焦距量以(°)为单位。

对实验结果进行数据分析以求出在0～100 m钻进过程中经纬仪的调焦规律，利用MATLAB中CFTOOL曲线拟合工具箱对数据进行拟合实验，分别取数据点x为调焦量，y为观测距离，数据点及坐标位置如图11所示。

图11 数据坐标点

根据坐标点的趋势可以看出数据点大致符合指数函数规律，利用MATLAB中指数函数进行拟合，拟合出的曲线如图12所示。其中曲线方程为：f(x)=3.244×10-15×e3.437x+0.4169×e0.3331x。

图12 拟合曲线

5 结语

目前该套系统已可实现90 m以内的精准导向施工，实地施工导向偏差不大于10 mm，完全满足管道铺设的偏差要求。但该套系统还存在一些缺陷：孔内发光装置受外界光源影响很大，白天与夜晚施工效果差异明显；随着导向距离增加，成像图变小；由于光源之间存在相互干扰，导致成像点位不清晰。

因此，后期的主要改进方向包括：①增加光波过滤系统，屏蔽外界干扰，使接收的光源更单一；②增加视频图像自动放大缩小功能，使图像始终处于一个合理的尺寸，方便导向人员观察控制；③增加接收图像分割处理功能，针对图像中的各项特征进行分类，以突出并提取出所需特征，进行整合处理，从而显示出更清晰的图像。