本发明涉及工程机械，具体是一种牙轮钻远程驾驶储杆器换杆定位辅助作业控制系统及方法。
背景技术：
1、在煤炭、石油、天然气等资源的勘探与开发过程中，牙轮钻是一种常见的钻井设备，其主要通过钻杆的旋转和冲击来破碎岩石，从而实现钻井的目的。在实际操作中，牙轮钻机的储杆器是存放钻杆的重要装置，其换杆效率直接影响钻井效率。然而，目前储杆器换杆操作通常需要司机在钻机上进行手动操作，经常需要反复微调操作手柄进行钻杆定位对准，效率低下，且存在一定的安全风险。随着远程控制技术的发展，钻机设备的远程驾驶和智能化需求日益强烈，出现了远程驾驶牙轮钻的技术方案，即通过远程控制系统，操作员可以在远离钻机的位置通过远程驾驶操作平台观察远程端钻机动作的实时视频进行操作，从而降低操作员的工作强度，提高操作的安全性。然而，由于储杆器钻杆的定位对准操作需要较高的精度，而远程驾驶环境下的网络延迟等因素可能会导致远端设备的实时视频与操作台指令的传输不同步，驾驶员在储杆器钻杆定位对准的操作过程中经常会出现超调或调整不到位的情况，影响到储杆器钻杆定位的准确性，这对于钻杆的快速、准确更换带来了挑战。
2、为了解决上述问题，现有的解决方案主要是通过改进机械结构设计，例如增加辅助定位装置，以提高钻杆的定位精度和操作效率。此外，还有一些解决方案是通过优化控制算法，以提高定位的准确性和实时性。然而，现有的解决方案仍存在一些问题和限制。首先，通过改进机械结构设计的方式，虽然可以提高定位精度，但往往会增加设备的复杂性和成本。其次，通过优化控制算法的方式，虽然可以提高定位的准确性和实时性，但在网络延迟较大的情况下，这种方法的效果可能不佳。因此，如何在网络延迟较大的情况下，实现钻杆的快速、准确更换，仍是一个亟待解决的问题。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术之不足，提供一种结构合理、效果良好的牙轮钻远程驾驶储杆器换杆定位辅助作业控制系统及方法。
2、本发明是以如下技术方案实现的：一种牙轮钻远程驾驶储杆器换杆定位辅助作业控制系统，包括储杆器、编码器位置传感器、操作手柄、控制器和显示屏，所述编码器位置传感器设置在储杆器上，所述控制器的输入端与编码器位置传感器、操作手柄和显示屏连接在一起，所述控制器的输出端与显示屏和储杆器连接在一起；
3、所述储杆器包括放置待更换钻杆的旋转底座，所述旋转底座通过传动机构连接有电机，所述电机固定在摆杆上，所述摆杆的一端为旋转轴固定，所述摆杆的另一端连接有摆杆收放油缸。
4、其进一步是：所述控制器通过通讯总线与操作手柄、显示器和编码器位置传感器线连接，所述控制器与电机线连接控制电机运动。
5、所述编码器位置传感器安装在旋转底座或电机上，用于检测旋转底座的位置信息和速度信息。
6、一种牙轮钻远程驾驶储杆器换杆定位辅助作业控制系统的控制方法，包括如下步骤：
7、s1：根据系统预设参数及网络延迟动态设置阻尼系数；
8、s2：接收手柄正反向及行程信号、编码器位置传感器信号，计算储杆器运行的理论数据参数；
9、s3：根据上述手柄及传感器数据结合阻尼系数及系统传动比，规划调整储杆器旋转底座旋转运动速度及到位悬停等待时间，计算储杆器运行的期望数据参数；
10、s4：控制电流闭环输出，储杆器旋转并准确停在换杆位置；
11、s5：系统故障检测报警及处理。
12、步骤s1中，系统预设参数包括驾驶场景、最大速度和最短悬停时间，所述驾驶场景包括人工驾驶场景、遥控驾驶场景和远程驾驶场景。步骤s1中，系统预设参数与网络延迟分别通过不同的权重系数动态计算出系统的阻尼系数，阻尼系数与系统预设参数中的最大速度成负相关与最短悬停时间成正相关，阻尼系数d的计算公式如下：
13、
14、其中，p为系统预设参数，包含多个元素的向量最大速度vmax和最短悬停时间tmin；wp为系统预设参数权重系数，wp＝[wvmax,wtmin]，其中wvmax是最大速度vmax的权重，wtmin是最短悬停时间tmin的权重；l为网络延迟；wl为网络延迟的权重系数。
15、网络延迟的获取方式为在操作端和车辆端分别记录指令发出和执行的时间戳，通过比较这两个时间戳计算出网络延迟。
16、步骤s2中，控制器根据接收到的手柄正反向信号和行程信号后，计算出储杆器电机的旋转方向以及运动的最大速度。
17、步骤s2中，控制器根据接收到的编码器位置传感器信号，计算出当前的储杆器钻杆的位置及目标悬停位置。
18、步骤s3中，控制器根据手柄及传感器数据结合阻尼系数及系统传动比，运行阻尼运动规划器，根据步骤s1和s2中得出的数据计算并规划输出接下来每个控制周期的储杆器旋转底座的期望位置、期望速度、期望电流及到位悬停等待时间；
19、定义以下变量：
20、· xhand：手柄位置，正负表示方向，大小表示行程
21、·xencoder：编码器位置，储杆器旋转底座的当前位置
22、·vencoder：编码器速度，储杆器旋转底座的当前速度
23、·kd：阻尼系数
24、·g：系统传动比
25、·xdesired：期望位置
26、·vdesired：期望速度
27、·idesired：期望电流
28、·thold：到位悬停时间
29、期望位置计算：xdesired＝g·xhand
30、期望速度计算：vdesired＝kp·(xdesired-xencoder)
31、其中kp是比例增益；
32、期望电流计算：idesired＝kv·vdesired
33、假设电机电流与速度成正比，其中kv是速度到电流的转换系数；
34、到位悬停时间：thold＝f(xhand，vencoder)
35、其中f是根据手柄位置和编码器速度确定悬停时间的函数。
36、步骤s4中，控制器采用pid闭环输出控制，包括位置环、速度环和电流环，控制器的总输出u(t)是三个环路输出的总和：
37、u(t)＝uposition(t)+uvelocity(t)+ucurrent(t)
38、其中，uposition(t)为位置环的pid控制器的输出，uvelocity(t)为速度环的pid控制器的输出，ucurrent(t)为电流环的pid控制器的输出。
39、在位置环中：
40、期望位置xdesired(t)由更高层的控制逻辑提供，pid控制器负责调整实际位置x(t)以匹配xdesired(t)；
41、位置环的pid控制器输出uposition(t)表示为：
42、
43、其中，eposition(t)＝xdesired(t)-x(t)是位置误差，kp_position，ki_position，kd_position分别是位置环的pid控制器的比例、积分和微分增益；
44、在速度环中：
45、期望速度vdesired(t)由更高层的控制逻辑提供，pid控制器负责调整实际速度v(t)以匹配vdesired(t)；
46、速度环的pid控制器输出uvelocity(t)表示为：
47、
48、其中，evelocity(t)＝vdesired(t)-v(t)是速度误差，kp_velocity，ki_velocity，kd_velocity分别是速度环的pid控制器的比例、积分和微分增益；
49、在电流环中：
50、期望电流idesired(t)由速度环的输出uvelocity(t)决定，pid控制器负责调整实际电流i(t)以匹配idesired(t)；
51、电流环的pid控制器输出ucurrent(t)可以表示为：
52、
53、其中，ecurrent(t)＝idesired(t)-i(t)是电流误差，kp_current，ki_current，kd_current分别是电流环的pid控制器的比例、积分和微分增益。
54、本发明具有以下优点：
55、1、优化作业流程提高操作效率：本发明采用阻尼定位算法技术，实现了储杆器钻杆的辅助定位对准操作，大大提高了牙轮钻机拆卸安装钻杆的效率，优化了操作员的钻孔作业流程，减少了操作时间，提高了工作效率；
56、2、增强作业安全性：本发明的系统和方法降低了操作员的工作强度，减少了人工操作带来的安全风险，提高了作业的安全性。
57、3、适应网络延迟：本发明的系统和方法具备自适应网络延迟功能，能够保证在一定网络延迟的情况下，仍然能够实现快速、准确的钻杆定位对准操作，解决了现有技术在网络延迟较大的情况下，定位不准确的问题。
58、4、推动设备智能化：本发明的系统和方法为牙轮钻机设备的远程驾驶提供了技术支持，推动了钻机设备的智能化发展，使得远程驾驶牙轮钻成为可能，进一步提高了操作的便捷性和安全性。
59、5、广泛应用前景：本发明的牙轮钻远程驾驶储杆器换杆定位辅助作业控制系统及方法具有广泛的应用前景，能够显著提高钻机作业效率和安全性，降低司机劳动强度，推动钻机设备智能化发展。
1.一种牙轮钻远程驾驶储杆器换杆定位辅助作业控制系统，其特征在于：包括储杆器、编码器位置传感器、操作手柄、控制器和显示屏，所述编码器位置传感器设置在储杆器上，所述控制器的输入端与编码器位置传感器、操作手柄和显示屏连接在一起，所述控制器的输出端与显示屏和储杆器连接在一起；
2.如权利要求1所述的一种牙轮钻远程驾驶储杆器换杆定位辅助作业控制系统，其特征在于：所述控制器通过通讯总线与操作手柄、显示器和编码器位置传感器线连接，所述控制器与电机(2)线连接控制电机运动。
3.如权利要求1所述的一种牙轮钻远程驾驶储杆器换杆定位辅助作业控制系统，其特征在于：所述编码器位置传感器安装在旋转底座(4)或电机(2)上，用于检测旋转底座(4)的位置信息和速度信息。
4.一种使用权利要求1所述的牙轮钻远程驾驶储杆器换杆定位辅助作业控制系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
5.如权利要求4所述的一种牙轮钻远程驾驶储杆器换杆定位辅助作业控制系统的控制方法，其特征在于：步骤s1中，系统预设参数包括驾驶场景、最大速度和最短悬停时间，所述驾驶场景包括人工驾驶场景、遥控驾驶场景和远程驾驶场景。
6.如权利要求4所述的一种牙轮钻远程驾驶储杆器换杆定位辅助作业控制系统的控制方法，其特征在于：步骤s1中，系统预设参数与网络延迟分别通过不同的权重系数动态计算出系统的阻尼系数，阻尼系数与系统预设参数中的最大速度成负相关与最短悬停时间成正相关，阻尼系数d的计算公式如下：
7.如权利要求6所述的一种牙轮钻远程驾驶储杆器换杆定位辅助作业控制系统的控制方法，其特征在于：网络延迟的获取方式为在操作端和车辆端分别记录指令发出和执行的时间戳，通过比较这两个时间戳计算出网络延迟。
8.如权利要求4所述的一种牙轮钻远程驾驶储杆器换杆定位辅助作业控制系统的控制方法，其特征在于：步骤s2中，控制器根据接收到的手柄正反向信号和行程信号后，计算出储杆器电机(2)的旋转方向以及运动的最大速度。
9.如权利要求4所述的一种牙轮钻远程驾驶储杆器换杆定位辅助作业控制系统的控制方法，其特征在于：步骤s2中，控制器根据接收到的编码器位置传感器信号，计算出当前的储杆器钻杆的位置及目标悬停位置。
10.如权利要求4所述的一种牙轮钻远程驾驶储杆器换杆定位辅助作业控制系统的控制方法，其特征在于：步骤s3中，控制器根据手柄及传感器数据结合阻尼系数及系统传动比，运行阻尼运动规划器，根据步骤s1和s2中得出的数据计算并规划输出接下来每个控制周期的储杆器旋转底座(4)的期望位置、期望速度、期望电流及到位悬停等待时间；
11.如权利要求4所述的一种牙轮钻远程驾驶储杆器换杆定位辅助作业控制系统的控制方法，其特征在于：步骤s4中，控制器采用pid闭环输出控制，包括位置环、速度环和电流环，控制器的总输出u(t)是三个环路输出的总和：
12.如权利要求11所述的一种牙轮钻远程驾驶储杆器换杆定位辅助作业控制系统的控制方法，其特征在于：
