在钻孔机器人学生竞赛中开发微型自主钻机的控制装置

Drillbotics™竞赛向来自世界各地的学生团队发起挑战，要求他们设计、建造并操作一种小型钻机，该钻机可以自主钻穿岩石样品的垂直井眼。评估团队的标准不仅是他们钻井的速度和井筒质量，还包括他们在设计和建造钻机方面学到的东西。该比赛由石油工程师协会(SPE)钻井系统自动化技术部门(DSATS)赞助，2015年有4支队伍进入决赛，2016年有5支队伍进入决赛。

2014-2015年，也就是比赛的第一年，我们的德克萨斯大学奥斯汀分校(UT Austin)团队凭借独立的自主设计(nanoRIG)进入了决赛。在2015-2016年的比赛中，我们再次进入决赛(图1)，使用nanoRIGv2成功钻穿了一个30厘米平方的岩石样品。利用Simulink实现了一个针对nanoRIGv2的实时控制系统^®、Simulink Real-Time™和Speedgoat目标硬件。与去年使用Windows操作系统的设计相比，这是一个显著的改进^®计算机的数据采集模块和手写的C代码。通过利用Simulink，团队能够花更多的时间改进硬件和测试控制策略，而不是调试低级驱动程序。通过加强定点跟踪和钻井优化，钻井性能也得到了提高。

Drillbotics的岩石样品含有多个成分未知的层，其中一些层有角度，使垂直钻井变得困难。我们的实时控制器能够快速响应这些变化的条件，使钻机能够保持垂直井眼，并最大限度地提高钻速(ROP)，同时保持一致的钻井速度和钻压(WOB)。

钻机和钻柱的构造和测试

为了构建nanoRIGv2，我们重用了第一个钻机的许多组件，包括它的结构框架、步进电机、顶部驱动、绞车和泥浆泵(图2)。为了适应比nanorigg使用的更小的样本，我们增加了一个独立底座，改进了钻机的灵活性，以及一个直列钻柱扭矩传感器，以及钻柱底部钻具组合(BHA)中的传感器，包括一个用于测量振动的加速度计(图3)。我们在MATLAB中进行了计算^®确保新基座中的部件足够坚固，以支撑运行中的钻机。

在钻机的早期测试中，我们对钻压和马达转速设定点的不同组合进行了试验。测试发现了一个我们没有预料到的问题:当电机运行在170 - 320 rpm范围内时，钻柱发生了结构共振，振动的严重程度与钻压相关。我们知道在钻井过程中必须避免这个有问题的RPM范围。

开发控制系统

我们最初的nanoRIG设计的一个缺点是传感器输入和通过电机驱动的控制系统响应之间的相对较长(0.5 - 2秒)延迟。由于有1秒或更长时间的延迟，该系统无法对岩层的变化做出足够快的反应。第二个缺点是，我们手写代码中的错误偶尔会导致控制软件崩溃。使用nanoRIGv2，我们想要最小化延迟，并消除手工编写低级控制代码的需要，因此选择与Simulink Real-Time和Speedgoat系统一起工作。

nanoRIGv2控制器处理来自多个传感器的输入，包括一个应变计(用于计算钻压)、一个扭矩传感器和底部钻具组合中的一个加速度计。使用这个输入，控制器为齿轮牵引步进电机产生模拟电压，从而提高和降低钻头，顶部驱动电机为钻柱提供扭矩。每个电机都使用内部控制器，并提供近乎即时的反馈来控制输入。

我们在Simulink中对控制器建模，在应变计输入中添加滤波器，以减少步进电机和钻井振动引起的噪声。为了管理比例控制器和PID控制器的设定点，我们在MATLAB中实现了一个监控控制器作为一个简单的状态机。该状态机定义了六种操作模式:初始化、脱入、标记、钻取、脱出和等待(图4)。状态机的未来实现将使用Stateflow^®；然而，最初的实现在我们的Simulink模型中的嵌入式MATLAB代码块中使用了一个简单的switch语句。

为了帮助我们在钻井过程中监控系统，我们使用MATLAB和Simulink创建了两种可视化效果。第一个是钻井状态显示器，显示活动状态、当前钻井数据和设定点。

第二个用于钻机的手动控制，是一组4个刻度盘，用于指定RPM和ROP设定点，以及下钻深度和钻井目标深度。图5显示了这两种显示器，以及我们安装在钻机上的监控网络摄像头的图像。通过将网络摄像头放置在钻柱附近，我们可以监测钻柱的振动和弯曲，而不必接近移动的机械。

使用实时控制器进行测试

为了模拟竞争对手的样本，我们在自己的岩石样本上测试了钻机和控制器，该样本有倾斜的石灰岩和砂岩层。我们使用Simulink real-time从Simulink模型生成实时控制软件，并在Speedgoat目标硬件上运行该应用程序，该硬件连接到钻机的传感器和马达。随着监督控制算法逐步进入钻机的工作状态，实时应用程序每秒处理传感器输入1000次，并根据需要调整电机转速，以保持钻压和转速设定值。

竞争的一天

在比赛当天，来自DSATS的代表来到UT Austin观看了我们的钻机的运行情况。按照竞赛要求，我们以160转/分钟的保守速度启动，以演示系统平稳运行。我们很快通过了安全检查，让法官满意，并增加速度到我们设计的340转。因此，我们将钻井速度从0.5 cm /小时提高到近10 cm /小时。钻井速度的提高证明了控制器能够以更快的速度改变状态和适应。评委们评论说，Simulink对钻机状态和性能的可视化帮助他们建立了对系统安全和行为的信心。

测试进行得很顺利，但我们在过程中确实遇到了一些障碍。在发现BHA中的稳定器对于我们安装的井口来说太大后，我们不得不重新启动钻井过程。我们还经历了数据丢失，因为我们没有考虑到长时间钻井过程导致的大文件大小。

尽管遇到了这些小挫折，nanoRIGv2还是成功地在整个岩石样本上钻了一个垂直的孔。对于每一层，井眼都是直的、均匀的，壁光滑、干净(图6)。这是因为我们用Simulink Real-Time创建的控制应用程序能够在钻头穿过不同硬度的层和层间的气隙时，对岩石样品的变化立即做出反应。

为明年的比赛做计划

为了明年的比赛，DSATS委员会取消了WOB限制，并将电机的允许马力从2.5 HP增加到25HP。我们的团队计划使用Simulink和Simulink Real-Time来开发一个增强型控制器，它将利用新的指导方针，同时解决我们现有的控制设计中我们认为可以改进的方面。

我们计划为2016-2017 Drillbotics竞赛做的主要改进之一是利用Stateflow来实现监视状态机。我们还计划实施一个自动化流程，以确定最佳钻压和转速值组合，以应对钻井环境的变化，以最大限度地提高钻井速度，减少钻井功能障碍。

罗曼现在是卡尔加里大学的助理教授，他正在那里组建一个新的Drillbotics团队。该团队计划使用Simulink进行控制设计，将在2016-2017学年的Drillbotics竞赛中直接与UT Austin团队和其他团队竞争。