一种基于孪生模型的定向钻机远程控制系统及方法

本发明涉及定向钻机远程控制领域，特别是涉及一种基于孪生模型的定向钻机远程控制系统及方法。

背景技术：

1、随着地质勘探和矿产开采行业的发展，诸如瓦斯抽采、地质勘探等钻进工作对定向钻机要求也在不断增加。现在用于煤矿开采的定向钻机普遍是机械动力驱动，使用液压控制，但是定向钻机的操控方法一般；并且因为定向钻机的体积较大，所以经常会与工作面或其他设备之间发生碰撞，因此造成定向钻机适应性差。再加上钻进施工难度高，导致现阶段的定向钻机的控制精度无法满足煤矿开采需求，而且现阶段井下钻进施工仍以人工操作为主，工作人员只能根据现场情况做出控制决策。由于施工现场环境复杂，工作人员精力有限，通过人工对现场数据的分析得到的控制策略存在不足，且时效性差，进一步降低了定向钻机的控制精度。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于孪生模型的定向钻机远程控制系统及方法，可提高对定向钻机物理真机的控制精度。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种基于孪生模型的定向钻机远程控制系统，与定向钻机物理真机连接，所述控制系统包括：

4、构建模块，用于在虚拟环境中构建用于对所述定向钻机物理真机及定向钻机物理真机所处的钻进工作面环境进行仿真的孪生模型，所述孪生模型包括对所述定向钻机物理真机进行仿真的定向钻机虚拟样机、及对钻进工作面环境进行仿真的钻进工作面虚拟模型；

5、数据采集模块，用于采集定向钻机物理真机的姿态数据和钻进工作面环境信息；

6、数据库解析模块，与所述数据采集模块连接，用于对所述姿态数据和钻进工作面环境信息进行解析并存储；

7、远程控制模块，与所述数据库解析模块连接，用于根据解析后的姿态数据和钻进工作面环境信息，控制定向钻机虚拟样机在钻进工作面虚拟模型中与定向钻机物理真机在钻进工作面环境中动作保持一致。

8、可选地，所述姿态数据包括：定向钻机物理真机的位置坐标参数和三维姿态角度参数、油液压力参数、油液流量参数、油液温度参数和钻进工作面的点云数据，所述钻进工作面环境信息包括：钻进工作面的瓦斯浓度参数和光谱图像；

9、所述数据采集模块包括：

10、惯性导航，用于采集所述定向钻机物理真机的位置坐标参数和三维姿态角度参数；

11、压力传感器，用于采集所述定向钻机物理真机在钻进过程中的油液压力参数；

12、流量传感器，用于采集所述定向钻机物理真机在钻进过程中的油液流量参数；

13、温度传感器，用于采集所述定向钻机物理真机的油液温度参数；

14、激光雷达，用于采集所述钻进工作面的点云数据；

15、瓦斯传感器，用于采集所述钻进工作面的瓦斯浓度参数；

16、多光谱相机，用于采集所述钻进工作面的光谱图像。

17、可选地，所述远程控制模块包括：

18、控制子模块，用于发送控制指令控制所述定向钻机虚拟样机和定向钻机物理真机同时动作；

19、显示子模块，与所述数据库解析模块连接，用于可视化显示所述定向钻机物理真机的钻进过程以及所述解析后的姿态数据和钻进工作面环境信息。

20、可选地，所述定向钻机虚拟样机和钻进工作面虚拟模型根据所述定向钻机物理真机和钻进工作面按照1：1比例建立。

21、为实现上述目的，本发明还提供了如下方案：

22、一种基于孪生模型的定向钻机远程控制方法，与定向钻机物理真机连接，所述基于孪生模型的定向钻机远程控制方法包括：

23、在虚拟环境中构建用于对所述定向钻机物理真机及定向钻机物理真机所处的钻进工作面环境进行仿真的孪生模型，所述孪生模型包括对所述定向钻机物理真机进行仿真的定向钻机虚拟样机及对钻进工作面环境进行仿真的钻进工作面虚拟模型；

24、采集定向钻机物理真机的姿态数据和钻进工作面环境信息；

25、对所述姿态数据和钻进工作面环境信息进行解析并存储；

26、根据解析后的姿态数据和钻进工作面环境信息，控制定向钻机虚拟样机在钻进工作面虚拟模型中与定向钻机物理真机在钻进工作面环境中动作保持一致。

27、可选地，采集定向钻机物理真机的姿态数据和钻进工作面环境信息，包括：采集定向钻机物理真机的位置坐标参数和三维姿态角度参数、油液压力参数、油液流量参数、油液温度参数、钻进工作面的点云数据、钻进工作面的瓦斯浓度参数以及钻进工作面的光谱图像中的至少一种。

28、可选地，在虚拟环境中构建用于对所述定向钻机物理真机及定向钻机物理真机所处的钻进工作面环境进行仿真的孪生模型，包括：

29、获取所述定向钻机物理真机和钻进工作面的实际尺寸；所述定向钻机物理真机包括车体和其余零部件；

30、通过solidworks软件以1：1比例建立所述定向钻机物理真机和钻进工作面的三维基础模型，导出为.stl格式文件；

31、通过3dsmax软件对所述.stl格式文件进行贴图渲染，导出为.fbx格式文件；

32、通过unity3d软件对所述.fbx格式文件中定向钻机物理真机的车体和其余部件进行父子关系绑定，建立高低层级运动关系；所述车体为父物体，所述其余零部件为子物体；

33、通过c#脚本在所述unity3d软件中联动所述父物体与子物体之间的运动关系，并建立虚实交互界面。

34、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

35、本发明提供了一种基于孪生模型的定向钻机远程控制系统及方法，与定向钻机物理真机连接，所述定向钻机远程控制系统通过构建模块在虚拟环境中构建用于对所述定向钻机物理真机及定向钻机物理真机所处的钻进工作面环境进行仿真的孪生模型，所述孪生模型包括对所述定向钻机物理真机进行仿真的定向钻机虚拟样机及对钻进工作面环境进行仿真的钻进工作面虚拟模型；数据采集模块采集定向钻机物理真机的姿态数据和钻进工作面环境信息；与所述数据采集模块连接的数据库解析模块解析并存储所述姿态数据和钻进工作面环境信息；与所述数据库解析模块连接的远程控制模块根据解析后的姿态数据和钻进工作面环境信息，控制定向钻机虚拟样机在钻进工作面虚拟模型中与定向钻机物理真机在钻进工作面环境中动作保持一致。本发明的定向钻机远程控制系统通过对所述定向钻机物理真机进行远程控制，可以提高对定向钻机物理真机的控制精度。

技术特征：

1.一种基于孪生模型的定向钻机远程控制系统，与定向钻机物理真机连接，其特征在于，所述控制系统包括：

2.根据权利要求1所述的基于孪生模型的定向钻机远程控制系统，其特征在于，所述姿态数据包括：定向钻机物理真机的位置坐标参数和三维姿态角度参数、油液压力参数、油液流量参数、油液温度参数和钻进工作面的点云数据，所述钻进工作面环境信息包括：钻进工作面的瓦斯浓度参数和光谱图像；

3.根据权利要求1所述的基于孪生模型的定向钻机远程控制系统，其特征在于，所述远程控制模块包括：

4.根据权利要求1所述的基于孪生模型的定向钻机远程控制系统，其特征在于，所述定向钻机虚拟样机和钻进工作面虚拟模型根据所述定向钻机物理真机和钻进工作面按照1：1比例建立。

5.一种基于孪生模型的定向钻机远程控制方法，与定向钻机物理真机连接，其特征在于，所述基于孪生模型的定向钻机远程控制方法包括：

6.根据权利要求5所述的基于孪生模型的定向钻机远程控制方法，其特征在于，采集定向钻机物理真机的姿态数据和钻进工作面环境信息，包括：采集定向钻机物理真机的位置坐标参数和三维姿态角度参数、油液压力参数、油液流量参数、油液温度参数、钻进工作面的点云数据、钻进工作面的瓦斯浓度参数以及钻进工作面的光谱图像中的至少一种。

7.根据权利要求5所述的基于孪生模型的定向钻机远程控制方法，其特征在于，在虚拟环境中构建用于对所述定向钻机物理真机及定向钻机物理真机所处的钻进工作面环境进行仿真的孪生模型，包括：

技术总结
本发明公开了一种基于孪生模型的定向钻机远程控制系统及方法，涉及定向钻机远程控制领域；所述远程控制系统与定向钻机物理真机连接，包括：通过构建模块在虚拟环境中构建用于对所述定向钻机物理真机及钻进工作面环境进行仿真的孪生模型；通过数据采集模块采集定向钻机物理真机的姿态数据和钻进工作面环境信息；之后数据库解析模块对所述姿态数据和钻进工作面环境信息解析并存储；远程控制模块根据解析后的姿态数据和钻进工作面环境信息，控制定向钻机虚拟样机与定向钻机物理真机动作保持一致；本发明通过孪生模型对定向钻机物理真机进行远程控制，提高了对定向钻机物理真机的控制精度。

技术研发人员：张旭辉,郑西利,吕欣媛,杜昱阳,万继成,陈鑫,杨骏豪,李语阳,麻兵
受保护的技术使用者：西安科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13