钻孔机控制系统

　　本发明总的涉及地下钻孔领域，更具体地讲，涉及一种用于实时控制地下钻孔机的操作的闭环控制系统和方法。

　　用于水、电、煤、电话和有线电视的公共事业管线出于安全和美观的原因而常常铺设在地下。在众多情形中，地下公共事业管线可被埋设在沟渠中，该沟渠随后被重新铺平。虽然在新构建的地区中较为实用，但将公共事业管线埋设在沟渠中具有某些缺点。在支承现有建筑的地区中，沟渠可会严重干扰建筑物或路面。而且，挖掘一条沟渠还极可能危害先前埋设的公共事业管线，并且因挖掘沟渠而受干扰的建筑物或路面极可能几乎无法恢复到它们原有的状态。另外，敞开着的沟渠还可能伤及工作人员和过往行人。

　　为了克服采用传统掘沟技术所带来的上述及其它未道明的缺点，目前已开发了钻设水平地下孔的综合技术。根据该综合水平钻孔技术(也称之为微型隧道技术、水平方向钻探(HDD)技术或无沟渠地下钻孔技术)，钻孔系统位于地面上，并相对于地面以一斜角向地面中钻设一孔。钻探流体通常流过钻柱，从钻孔工具上流过并向上回流通过钻孔，以便去除切屑和碎片。在钻孔工具到达所需深度之后，该工具则对准大致水平地路径，以便形成一水平钻孔。在已获得所需长度的钻孔之后，该工具则向上对准，以便冲破地表。然后，将扩孔器安装到钻柱上，该扩孔器被回拉通过钻孔，由此将该钻孔扩大至较大的直径。通常将公共事业管线或其它管道连接在扩孔工具上，以便将其与扩孔器一起拖过钻孔。

　　为了提供钻孔工具的地下位置，传统的途径涉及在钻孔工具中安装一主动探针，该探针通常采用能产生磁场的磁场发生设备。通常在地面上设置一接收器，以便检测从钻孔工具发射的磁场的存在。该接收器通常安装在手持式扫描设备中，它和金属检测器无甚两样，而常常被称之为定位器。钻孔工具通常在前进通过一段钻杆的长度之后就暂时停止钻孔活动。接着，操作者用定位器扫描钻孔工具上的区域，试图检测由设置在钻孔工具中的主动探针所形成的磁场。在获取并估算钻孔工具数据期间里钻孔操作持续停止一段时间。携带定位器的操作者通常向钻孔机的操作者提供口头指令，以使钻孔工具保持在所需走向上。

　　要意识到的是，目前用于检测并控制钻孔工具沿着所需地下路径移动的方法较为繁琐、常常出错、且需要不断地停止钻孔操作。此外，由定位器操作者与钻孔机操作者之间走向变化指令的口头通信所引起的固有的延迟可能会危及隧道钻设精度和已钻设的隧道的安全。例如，在隧道钻设操作之前或期间常常难以检测所埋设的物体和公共事业管线的存在。总的来讲，传统的钻孔系统无法迅速地响应必需的钻孔工具的方向变化和生产力的调节，而这些在检测到所埋设的障碍物或者遇到变化的土壤状况时通常是必要的。

　　在传统的水平和垂直钻探系统的操作期间，熟练的操作者依赖于解读由各种井下信号传感器所采集的数据，鉴于所采集的井下数据来改变适当的控制，并通常利用口头通信协同其它操作者来安全且高效地完成所给的钻探任务。鉴于此，此类传统的钻探系统采用一种“开环”控制方案，其中涉及钻头状态的信息的通信和将此类钻头状态信息转换成钻孔机控制信号以便对钻头活动进行所需的变化需要操作者在控制环路中的几个点上存在和介入。这种在钻头系统的控制环路中对人类介入的依赖性通常会降低总的挖掘生产力，增加响应所采集的钻孔机和钻头传感器信息而使钻探系统的活动作必要变化的延迟时间，而且还增加了对操作者造成伤害的危险和操作者出错的可能性。

　　因此，在挖掘工业中需要一种用于比当前可得到的所给的技术状态更迅速地响应且更精确地控制地下钻孔工具和钻孔机的设备和方法。还需要一种可实用在垂直和水平钻探应用中的设备和方法。本发明即可满足这些及其它需要。