[發明專利]小孔徑單陀螺水平井旋轉定向測斜裝置及方法

有效

• 申請號: 201710060766.2
• 申請日: 2017-01-25
• 公開（公告）號: CN106917621B
• 公開（公告）日: 2020-02-07
• 發明（設計）人: 任春華;胡曉明;周枚林
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: E21B47/022
• 分類號: E21B47/022
• 代理公司: 50212 重慶博凱知識產權代理有限公司
• 代理人: 李海華

1.小孔徑單陀螺水平井旋轉定向測斜方法，其特征在于：本方法采用小孔徑單陀螺水平井旋轉定向測斜裝置實現，

小孔徑單陀螺水平井旋轉定向測斜裝置包括兩機械固件，在其中一個機械固件上設置一個表面平整度滿足安裝要求的基座，在基座上剛性連接有直流電機，直流電機采用伺服電機；直流電機輸出軸呈水平狀態，直流電機輸出軸端部設有轉臺，轉臺軸線與電機輸出軸重合；在轉臺上剛性安裝單軸小口徑光纖陀螺儀和雙軸MEMS加速度計組件，其中光纖陀螺儀敏感軸為X軸，雙軸MEMS加速度計敏感軸分別為X軸、Y軸，轉臺在直流電機輸出軸帶動下繞Y軸轉動，陀螺儀和雙軸MEMS加速度計組合構成本裝置的慣性測量單元；還包括測量電機輸出軸轉速的轉速傳感器；

在另一機械固件上固定安裝有ARM微處理器和電機驅動模塊，ARM微處理器中含有解算模塊，ARM微處理器主要完成陀螺儀和加速度計信號實時采集、接口通信、直流電機控制信號的發出與定向測斜算法解算，并提取北向角度信息；轉速傳感器的輸出接ARM微處理器，ARM微處理器通過鑒相計數計算轉速信息，同時發出PWM信號，給電機驅動模塊，電機驅動模塊輸出接直流電機以控制直流電機勻速轉動；

該方法包括如下步驟：

1)將所述的小孔徑單陀螺水平井旋轉定向測斜裝置放入小孔徑水平井內，直流電機輸出軸沿水平井長度方向設置；

2)裝置上電后即開始工作，使直流電機輸出軸繞Y軸連續旋轉，并通過轉速傳感器采集直流電機轉速，并將該轉速信號傳遞給ARM微處理器，經閉環反饋由電機驅動模塊根據轉速傳感器采集信息使直流電機轉速穩定；

3)ARM微處理器中的解算模塊實時獲取雙軸MEMS加速度計和陀螺儀輸出數據，提取微弱方向信息和傾斜角信息，采用粒子濾波算法解算北向角；具體過程如下：

3.1)首先建立四個坐標系，地理坐標系OX_nY_nZ_n，方向為東北天；轉臺坐標系OX_bY_bZ_b，方向為右前上；以及兩個過度坐標系OX₁Y₁Z₁、OX₂Y₂Z₂；轉臺坐標系是地理坐標系經過如下三次轉動α、θ、γ角后產生的，

其中α、θ、γ分別為北向角、俯仰角和橫滾角；

3.2)光纖陀螺儀敏感軸與轉臺坐標系x_b軸重合，考慮陀螺的常值漂移和隨機漂移影響，旋轉定點采樣算法中，轉臺從初始位置開始，按右手定則以角速度ω繞Y軸轉動，光纖陀螺敏感軸的輸出表達為：

ω_bx＝kω_ie[cosL(sinαcos(γ+ωt)+cosαsinθsin(γ+ωt)-sinLcosθsin(γ+ωt)]+ε_0x+ε_ix+N_噪 (1)

其中k為標度因數，ω_ie為地球自轉角速率，L為當地地理緯度；ε_0x為常值漂移在X軸的分量；ε_ix為陀螺的隨機漂移在X軸的分量；N_噪為光纖陀螺儀輸出信號噪聲；

3.3)假設安裝在轉臺坐標系X軸和Y軸的加速度計的輸出分別為：A_xb、A_yb；則

A_xb＝gcosθsin(γ+ωt)

A_yb＝-gsinθ

由上式解算出轉臺的俯仰角θ和橫滾角γ分別為：

其中，g為當地重力加速度，ω為電機轉動角速度，t為旋轉時間；

3.4)將步驟3.3)中解算出的俯仰角θ和橫滾角γ代入步驟3.2)中光纖陀螺敏感軸的輸出式中，得到一個北向角α與陀螺儀輸出值ω_bx的方程；

3.5)使直流電機連續旋轉，改變旋轉時間t取值，即采集不同時刻下光纖陀螺敏感軸的輸出和雙軸加速度計的輸出A_xb、A_yb，重復步驟3.2)-3.4)，得到不同時刻下北向角α與陀螺儀輸出值ω_bx的多個方程，最后采用粒子濾波算法對該多個方程中方位信息進行最優估計，從而實現對α角的精確測量，由此實現水平井定向測斜。

2.根據權利要求1所述的小孔徑單陀螺水平井旋轉定向測斜方法，其特征在于：所述轉速傳感器為光電編碼器，光電編碼器設置在電機輸出軸上，光電編碼器選用微小型光編，光電編碼器軸向與電機輸出軸對齊。