1.一种深部岩体钻探大曲率轨迹控制方法，其特征在于，包括：
S1、获取实际钻进过程中相等间距或相等时间步长的钻进路径实际长度以及各段钻进路径的起点和终点的角度数据和深度数据;
S2、将每一段钻进路径用一段贝塞尔曲线进行描述：
以前一段钻进路径的终点坐标作为本段钻进路径对应的贝塞尔曲线的起始点坐标，基于前一段钻进路径的终点坐标、角度数据和深度数据，以及，本段钻进路径的终点的角度数据和深度数据计算本段钻进路径对应的贝塞尔曲线的终点初始坐标以及其余中间控制点初始坐标;
基于本段钻进路径对应的贝塞尔曲线的起始点坐标、终点初始坐标以及其余中间控制点初始坐标，以最小化本段钻进路径实际长度和贝塞尔曲线的弧长的误差作为目标，通过优化算法进行迭代计算，获得本段钻进路径的终点的坐标，作为本段钻进路径对应贝塞尔曲线的终点坐标，并计算出更新后的中间控制点坐标;
根据本段钻进路径对应贝塞尔曲线的起始点坐标、终点坐标和更新后的中间控制点坐标，代入贝塞尔曲线方程，获得本段钻进路径的钻进曲线方程;
S3、基于每一段钻进路径的钻进曲线方程绘制实际钻进过程中的钻进曲线;
S4、依据实时生成的钻进曲线优化调整钻头的钻进方向，实现对钻进轨迹的控制。
2.如权利要求1所述的一种深部岩体钻探大曲率轨迹控制方法，其特征在于，
步骤S2中，所述贝塞尔曲线采用三阶贝塞尔曲线。
3.如权利要求2所述的一种深部岩体钻探大曲率轨迹控制方法，其特征在于，
步骤S2中，所述以前一段钻进路径的终点坐标作为本段钻进路径对应的贝塞尔曲线的起始点坐标，基于前一段钻进路径的终点坐标、角度数据和深度数据，以及，本段钻进路径的终点的角度数据和深度数据计算本段钻进路径对应的贝塞尔曲线的终点初始坐标以及其余中间控制点初始坐标，包括：
假设前一段钻进路径的已知终点坐标为P0(x0，y0)，已知角度数据为α0、本段钻进路径的终点的已知角度数据为α3，前一段钻进路径的终点已知深度数据为D0，本段钻进路径的终点已知深度数据为D3;
则本段钻进路径对应的贝塞尔曲线的终点P3的初始坐标P3(x3，y3)以及中间控制点P1的初始坐标P1(x1，y1)和中间控制点P2的初始坐标P2(x2，y2)的计算方式如下：
根据x1=x0+D0×cosα0，y1=y0+D0×sinα0求得中间控制点P1的初始坐标P1(x1，y1);
根据x2=x3-D3×cosα3，y2=y3-D3×sinα3来表达中间控制点P2的初始坐标P2(x2，y2);
将P0(x0，y0)、P1(x1，y1)、P2(x2，y2)代入三阶贝塞尔曲线方程，求解出终点P3的初始坐标P3(x3，y3)，同时获得中间控制点P2的初始坐标P2(x2，y2)。
4.如权利要求2所述的一种深部岩体钻探大曲率轨迹控制方法，其特征在于，
步骤S2中，所述优化算法采用BFGS算法。
5.如权利要求3所述的一种深部岩体钻探大曲率轨迹控制方法，其特征在于，
步骤S2中，计算出更新后的中间控制点坐标，包括：
P'1(x'1，y'1)=P1(x1，y1);
P'2(x'2，y'2)的更新方式为：x'2=x'3-D3×cosα3，y'2=y'3-D3×sinα3;
其中，x'3和y'3分别为经过迭代计算出的贝塞尔曲线的终点坐标中的横、纵坐标。
6.如权利要求2所述的一种深部岩体钻探大曲率轨迹控制方法，其特征在于，
步骤S2中，所述贝塞尔曲线的弧长的计算方式为：
通过对贝塞尔曲线方程中的参数t进行求导，来获得贝塞尔曲线的切线向量，然后计算切线向量的长度，并对切线向量的长度进行积分，获得贝塞尔曲线的弧长。
7.如权利要求1-6任意一项所述的一种深部岩体钻探大曲率轨迹控制方法，其特征在于，所述角度数据为顶角或方位角。
8.一种深部岩体钻探大曲率轨迹控制装置，其包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，其特征在于，
所述处理器通过执行所述计算机程序，从而实现如权利要求1-7任意一项所述的一种深部岩体钻探大曲率轨迹控制方法的步骤。
9.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，
当所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1-7任意一项所述的一种深部岩体钻探大曲率轨迹控制方法的步骤。
说明书
技术领域
[0001]本发明属于深部岩体钻探取芯技术领域，具体涉及一种深部岩体钻探大曲率轨迹控制方法、装置及存储介质。
背景技术
[0002]地质钻探技术是地球科学领域中获取地下实物资料和进行地球内部探测的重要手段。目前，地质钻探技术已经取得了一系列新进展。例如，通过集成钻进、出渣、支护、除尘、通风、降温、导向、防爆、防冲等技术，实现了深井硬岩巷道的智能钻进。此外，深部钻探关键设备的选择及配置优化也得到了深入研究，以提高钻探效率和适应不同使用条件的需求。
[0003]在钻探过程中，实时生成钻进曲线具有重要意义，它不仅有助于实时监控和调整钻进参数，提高钻进精度和优化钻进路径，还能记录和分析钻进数据，提高可视化效果，确保钻探的安全性和可靠性。然而，在现有技术中通常采用的钻进曲线的生成方式为：通过钻探设备上的传感器获取钻探相关数据，如顶角/方位角、钻进深度等数据，将这些数据上传地面数据处理系统，从而计算钻探位置相对坐标，然后采用直线连接相邻坐标点，以此生成钻进曲线并进行可视化呈现。该方式的缺陷为：钻进曲线的精度不够，特别是对于深部岩体的大曲率钻探而言，由于钻进轨迹的曲率变化较大，而现有技术方案生成的钻进曲线并无平滑过度，无法准确反映钻头的位置和方向，无法为钻进参数的优化提供准确依据，导致在钻进过程中钻头容易偏离预定轨迹，不仅影响了钻进效率，甚至可能达不到预期的钻进目标。
发明内容
[0004]本发明所要解决的技术问题是：提出一种深部岩体钻探大曲率轨迹控制方法、装置及存储介质，解决现有技术方案中生成的钻进曲线精度不高，不能进行准确的钻进轨迹控制的问题。
[0005]本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：
一方面，本发明提供了一种深部岩体钻探大曲率轨迹控制方法，包括：
S1、获取实际钻进过程中相等间距或相等时间步长的钻进路径实际长度以及该段钻进路径的起点和终点的角度数据和深度数据;
S2、将每一段钻进路径用一段贝塞尔曲线进行描述：
以前一段钻进路径的终点坐标作为本段钻进路径对应的贝塞尔曲线的起始点坐标，基于前一段钻进路径的终点坐标、角度数据和深度数据，以及，本段钻进路径的终点的角度数据和深度数据计算本段钻进路径对应的贝塞尔曲线的终点初始坐标以及其余中间控制点初始坐标;
基于本段钻进路径对应的贝塞尔曲线的起始点坐标、终点初始坐标以及其余中间控制点初始坐标，以最小化本段钻进路径实际长度和贝塞尔曲线的弧长的误差作为目标，通过优化算法进行迭代计算，获得本段钻进路径的终点的坐标，作为本段钻进路径对应贝塞尔曲线的终点坐标，并计算出更新后的中间控制点坐标;
根据本段钻进路径对应贝塞尔曲线的起始点坐标、终点坐标和更新后的中间控制点坐标，代入贝塞尔曲线方程，获得本段钻进路径的钻进曲线方程;
S3、基于每一段钻进路径的钻进曲线方程绘制实际钻进过程中的钻进曲线;
S4、依据实时生成的钻进曲线优化调整钻头的钻进方向，实现对钻进轨迹的控制。
[0006]进一步的，步骤S2中，所述贝塞尔曲线采用三阶贝塞尔曲线。
[0007]进一步的，所述角度数据为顶角或方位角。
[0008]进一步的，步骤S2中，所述以前一段钻进路径的终点坐标作为本段钻进路径对应的贝塞尔曲线的起始点坐标，基于前一段钻进路径的终点坐标、角度数据和深度数据，以及，本段钻进路径的终点的角度数据和深度数据计算本段钻进路径对应的贝塞尔曲线的终点初始坐标以及其余中间控制点初始坐标，包括：
假设前一段钻进路径的已知终点坐标为P0(x0，y0)，已知角度数据为α0、本段钻进路径的终点的已知角度数据为α3，前一段钻进路径的终点已知深度数据为D0，本段钻进路径的终点已知深度数据为D3;
则本段钻进路径对应的贝塞尔曲线的终点P3的初始坐标P3(x3，y3)以及中间控制点P1的初始坐标P1(x1，y1)和中间控制点P2的初始坐标P2(x2，y2)的计算方式如下：
根据x1=x0+D0×cosα0，y1=y0+D0×sinα0求得中间控制点P1的初始坐标P1(x1，y1);
根据x2=x3-D3×cosα3，y2=y3-D3×sinα3来表达中间控制点P2的初始坐标P2(x2，y2);
将P0(x0，y0)、P1(x1，y1)、P2(x2，y2)代入三阶贝塞尔曲线方程，求解出终点P3的初始坐标P3(x3，y3)，同时获得中间控制点P2的初始坐标P2(x2，y2)。
[0009]进一步的，步骤S2中，所述优化算法采用BFGS算法。
[0010]进一步的，步骤S2中，计算出更新后的中间控制点坐标，包括：
P'1(x'1，y'1)=P1(x1，y1);
P'2(x'2，y'2)的更新方式为：x'2=x'3-D3×cosα3，y'2=y'3-D3×sinα3;
其中，x'3和y'3分别为经过迭代计算出的贝塞尔曲线的终点坐标中的横、纵坐标。
[0011]进一步的，步骤S2中，所述贝塞尔曲线的弧长的计算方式为：
通过对贝塞尔曲线方程中的参数t进行求导，来获得贝塞尔曲线的切线向量，然后计算切线向量的长度，并对切线向量的长度进行积分，获得贝塞尔曲线的弧长。
[0012]第二方面，本发明还提供了一种深部岩体钻探大曲率轨迹控制装置，其包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器通过执行所述计算机程序，从而实现上述深部岩体钻探大曲率轨迹控制方法的步骤。
[0013]第三方面，本发明还提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现上述深部岩体钻探大曲率轨迹控制方法的步骤。
[0014]本发明的有益效果是：
基于贝塞尔曲线的可控性好、平滑度高的特点，采用分段贝塞尔曲线对钻进曲线进行表示，并依据实际钻进路径长度数据与贝塞尔曲线弧长对曲线上的控制点进行精确修正，使得贝塞尔曲线无限逼近真实的钻探轨迹，最终提高生成的钻进曲线的精度，为实时监控和调整钻进参数，优化钻进路径和提高钻进精度提供科学指导。
附图说明
[0015]图1为本发明实施例中的深部岩体钻探大曲率轨迹控制方法流程图;
图2为三阶贝塞尔曲线的曲线轨迹及控制点坐标示意图。
具体实施方式
[0016]本发明旨在提供一种深部岩体钻探大曲率轨迹控制方法、装置及存储介质，解决现有技术中生成的钻进曲线精度不高，不能进行准确的钻进轨迹控制的问题。其核心思想是：将钻进曲线以分段贝塞尔曲线进行描述，通过获取实际钻进过程中的路径长度、角度、深度等数据，以最小化钻进路径的实际长度和相对应贝塞尔曲线的弧长的误差作为目标，通过优化算法对钻头相对坐标进行迭代计算，从而对贝塞尔曲线上的控制点进行精确修正，使得贝塞尔曲线无限逼近真实的钻探轨迹，最终提高生成的钻进曲线的精度，依据实时生成的钻进曲线优化调整钻头的钻进方向，实现对钻进轨迹的控制。
[0017]下面结合附图及实施例对本发明的方案作进一步的描述。
[0018]实施例
[0019]本实施例提供的深部岩体钻探大曲率轨迹控制方法流程参见图1，其包括以下过程：
S1、获取钻进过程中的相关数据
本步骤中，可以基于钻进设备上的传感器来获取钻进过程中的相关数据，其包括：实际钻进过程中相等间距或相等时间步长的钻进路径实际长度s以及该段钻进路径的起点和终点的角度数据α和深度数据D。
[0020]S2、将每一段钻进路径用一段贝塞尔曲线进行描述
本步骤中，对于实际钻进过程，钻头在地层中的移动路线形成钻进路径，随着钻进工作的进行，需要实时生成钻进曲线，通过将整个钻进过程分段表示，每一段钻进路径用一段贝塞尔曲线来描述，则在钻进工作结束时可以获得由多段贝塞尔曲线连接而成的完整钻进曲线。
[0021]从理论上来讲，可以使用任意阶的贝塞尔曲线，阶数越高，则对钻进路径表示越精确，但是同时会带来计算复杂度更高、资源耗费更高的问题，因此，出于精度和计算资源的综合考虑，本实施例优选三阶贝塞尔曲线。
[0022]三阶贝塞尔曲线需要4个控制点来表示，其曲线轨迹和控制点参见图2，4个控制点包括起始点P0(x0，y0)、两个中间控制点P1(x1，y1)、P2(x2，y2)和终点P3(x3，y3)。其曲线方程表示为：
;其中，t为从0到1之间变化的参数。
[0023]则确定贝塞尔曲线的过程即为确定上述曲线方程中4个控制点坐标的过程。
[0024]本实施例中采用三阶贝塞尔曲线描述钻进路径的具体过程如下：
S21、根据已知数据计算控制点初始坐标
其中，对于本段钻进路径而言，其已知数据包括起始点坐标P0(x0，y0)，由于钻进路径的连续性，该坐标即为前一段钻进路径的终点坐标，而前一段钻进路径的终点已经通过迭代算法求出，因此其为已知数据。需要说明的是，如果本段钻进路径为第一段钻进路径，则本段钻进路径的起始点坐标即为坐标原点。
[0025]此外，对于本段钻进路径而言，其已知数据还包括本段钻进路径的起始点P0处的角度数据α0、起始点P0处的深度数据D0、本段钻进路径的终点P3处的角度数据α3、终点P3处的深度数据D3、本段钻进路径的实际长度s，这些数据都可以通过钻探设备上的传感器来测量。
[0026]则本段钻进路径对应的贝塞尔曲线的终点P3的初始坐标P3(x3，y3)以及中间控制点P1的初始坐标P1(x1，y1)和中间控制点P2的初始坐标P2(x2，y2)的计算方式如下：
根据x1=x0+D0×cosα0，y1=y0+D0×sinα0求得中间控制点P1的初始坐标P1(x1，y1);
根据x2=x3-D3×cosα3，y2=y3-D3×sinα3来表达中间控制点P2的初始坐标P2(x2，y2);
将P0(x0，y0)、P1(x1，y1)、P2(x2，y2)代入上述式(1)，可以求解出终点P3的初始坐标P3(x3，y3)，同时获得中间控制点P2的初始坐标P2(x2，y2)。
[0027]S22、根据控制点初始坐标采用优化算法进行迭代计算
其中，优化算法可以采用BFGS(Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno)算法，在每次迭代中，BFGS方法都通过近似海森矩阵来更新控制点的梯度，从而找到目标函数的最小值。
[0028]本实施例中目标函数采用本段钻进路径实际长度s和贝塞尔曲线的弧长L的差值平方，即表示为：
;其中，贝塞尔曲线的弧长L的计算方式如下：
将控制点的初始坐标P0(x0，y0)、P1(x1，y1)、P2(x2，y2)、P3(x3，y3)代入上述式(1)中可以获得在xy铅垂面内钻进曲线关于t的参数方程，表示为：
;通过对贝塞尔曲线方程中参数t进行求导，可以获得贝塞尔曲线的切线向量，表示为：
;则在xy铅垂面内钻进曲线关于t的参数方程的导数形式表示为：
;然后通过计算导数的模长即可计算出切线向量的长度，表示为：
;最后对切线向量的长度进行积分，即可计算出贝塞尔曲线的弧长，表示为：
;在迭代计算过程中，每一轮的输出值为终点P3的新坐标值，根据此终点P3的新坐标值可以计算出控制点P2的新坐标值，则将初始坐标P0、初始坐标P1、控制点P2的新坐标值、终点P3的新坐标值作为下一轮迭代的输入，以此类推，直至本轮迭代计算的目标函数值与上一轮迭代计算的目标函数值的误差小于设定的阈值时，获得迭代计算的终点P3的坐标P'3(x'3，y'3)。
[0029]S23、更新控制点坐标
其中，P'1(x'1，y'1)=P1(x1，y1);
P'2(x'2，y'2)的更新方式为：x'2=x'3-D3×cosα3，y'2=y'3-D3×sinα3;
其中，x'3和y'3分别为经过迭代计算出的贝塞尔曲线的终点坐标P'3(x'3，y'3)中的横、纵坐标。
[0030]据此，则获得了准确的控制点，最后，将这些准确的控制点坐标代入式(1)中，就可以获得本段钻进路径的曲线方程表示。
[0031]根据上述过程可以获得每一段钻进路径的曲线方程表示，为便于区分，下面将第一段钻进路径对应的贝塞尔曲线中的控制点以P0、P1、P2、P3进行表示，第二段钻进路径对应的贝塞尔曲线中的控制点以P3、P4、P5、P6进行表示，第三段钻进路径对应的贝塞尔曲线中的控制点以P6、P7、P8、P9进行表示，以此类推，第i段钻进路径对应的贝塞尔曲线中的控制点以P3i-3、P3i-2、P3i-1、P3i来表示，其中i=1...N，N为钻进路径的分段数。则钻进曲线可以表示为：
;S3、绘制钻进曲线
本步骤中，在实际钻进过程中，可以基于每一段钻进路径的钻进曲线方程绘制钻进曲线，为实时监控和调整钻进参数，提高钻进精度和优化钻进路径提供科学指导。
[0032]S4、钻进轨迹控制
本步骤中，依据实时生成的钻进曲线优化调整钻头的钻进方向，如通过将生成的钻进曲线与目标钻进轨迹曲线进行比较，来调整钻头的角度，实现对钻进轨迹的控制。具体的根据钻进曲线进行钻进轨迹控制的过程可以采用现有技术实现，这里不再赘述，而本发明的核心在于如何获得高精度的钻进曲线。
[0033]需要说明的是，对于本实施例中的角度数据，可以采用顶角数据，其为钻孔轴线与铅垂线的夹角，描述的是钻孔的倾斜程度，则对应生成的钻进曲线为竖向钻进曲线;也可以采用方位角数据，其为钻孔轴线水平投影与正北方向的夹角，描述的是钻孔在水平面上的投影方向，则对应生成的钻进曲线为水平钻进曲线。
[0034]最后应当说明的是，上述实施例仅是优选实施方式，并不用以限制本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出若干修改，等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
说明书附图(2)
