[發(fā)明專利]一種小口徑鉆探用旋轉(zhuǎn)調(diào)制式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110403658.7
• 申請日: 2021-04-15
• 公開（公告）號: CN113175928B
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳剛;齊菲;馮培德;孟躍
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G01C21/18
• 分類號: G01C21/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開了一種小口徑鉆探用旋轉(zhuǎn)調(diào)制式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，所述慣導(dǎo)系統(tǒng)的核心器件為三個(gè)陀螺和三個(gè)加表；所述慣導(dǎo)系統(tǒng)包括結(jié)構(gòu)件部分、慣性器件部分以及電路部分；所述慣性器件部分安裝于所述結(jié)構(gòu)件部分的旋轉(zhuǎn)單元體結(jié)構(gòu)中的四腔室旋轉(zhuǎn)框架上，框架上依次設(shè)置有相互正交排列的Y軸光纖陀螺儀、X軸光纖陀螺儀和Z軸光纖陀螺儀，X軸加表、Y軸加表和Z軸加表正交安裝在X軸光纖陀螺儀腔體底側(cè)，結(jié)構(gòu)緊湊；所述電路部分位于三處，分別是X軸光纖陀螺儀的上方、Z軸光纖陀螺儀的下方和旋轉(zhuǎn)框架尾端；三個(gè)部分軸向排列呈細(xì)長圓柱體；本發(fā)明基于旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)構(gòu)造單軸旋轉(zhuǎn)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，自主性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)性能好、性價(jià)比高，且不易受磁場影響，適用于長距離小口徑的應(yīng)用環(huán)境，尤其在復(fù)雜地質(zhì)取芯、石油鉆井控制、非開挖式城市管廊建設(shè)等方面具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種小口徑鉆探用旋轉(zhuǎn)調(diào)制式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，尤其涉及一種由單軸旋轉(zhuǎn)單元體構(gòu)成的結(jié)構(gòu)緊湊、高精度捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，屬于慣性導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

高海拔地區(qū)的地質(zhì)條件復(fù)雜惡劣，隧道建設(shè)面臨勘探難度大、易發(fā)生活動(dòng)斷裂、地應(yīng)力高、高原高寒等問題，因此在使用盾構(gòu)機(jī)等大型自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行挖掘之前，亟需對前方待挖巖況進(jìn)行超前預(yù)報(bào)，探查前方巖石強(qiáng)度、可鉆性、水文、不良地質(zhì)區(qū)域狀況及規(guī)模等情況，進(jìn)而最大程度保證工程進(jìn)度，并可降低事故的發(fā)生。在眾多超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法中，超前水平取芯鉆探法具有預(yù)報(bào)結(jié)果準(zhǔn)確直觀、預(yù)報(bào)范圍廣、易分析判斷等優(yōu)勢，是一種使用最可靠的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，但目前尚缺乏可滿足長距離小口徑取芯探測需求的高精度定位定向技術(shù)。此外，在石油鉆井控制、非開挖式城市管廊建設(shè)等方面也有類似的小口徑鉆探定位定向系統(tǒng)的需求。

高精度定位定向技術(shù)的關(guān)鍵是掌握鉆具姿態(tài)信息和確定鉆進(jìn)軌跡。在鉆探環(huán)境中，常規(guī)的導(dǎo)航手段失效，通常使用以下三種測量方式：(1)基于單獨(dú)的傾斜角、方位角和工具面向角傳感器測量，(2)基于加表和磁性傳感器測量，(3)基于陀螺儀和加表測量。方式(1)雖然測量原理簡單，但是只能在靜止條件下測量，并且無法獲得軌跡信息；方式(2)中的磁性傳感器易受到磁場的干擾；方式(3)通過陀螺儀和加表組建慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，具有完全自主、全天候、不受外部磁場干擾、無信號丟失等優(yōu)點(diǎn)，因此該種測量方式具有重要的應(yīng)用價(jià)值和巨大的工程意義。盡管目前已經(jīng)出現(xiàn)了少量基于捷聯(lián)式慣導(dǎo)的陀螺測斜儀或鉆探導(dǎo)向系統(tǒng)的研究和嘗試，但其在精度、尺寸、動(dòng)態(tài)性能以及性價(jià)比等方面，還無法滿足長距離鉆探應(yīng)用場景的需求。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種小口徑鉆探用旋轉(zhuǎn)調(diào)制式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，旨在根據(jù)實(shí)際工程環(huán)境特點(diǎn)，在圓柱形儀器艙中合理布局各傳感器和電路板，并結(jié)合徑向運(yùn)動(dòng)被約束的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)單軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，通過單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)有效提高系統(tǒng)導(dǎo)航精度。

本發(fā)明提供一種小口徑鉆探用旋轉(zhuǎn)調(diào)制式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，所述慣導(dǎo)系統(tǒng)的核心器件為三個(gè)陀螺和三個(gè)加表；所述慣導(dǎo)系統(tǒng)包括結(jié)構(gòu)件部分、慣性器件部分以及電路部分；它們之間的位置連接關(guān)系是：慣性器件部分安裝于結(jié)構(gòu)件部分的旋轉(zhuǎn)單元體結(jié)構(gòu)中的四腔室旋轉(zhuǎn)框架上，框架上依次設(shè)置有相互正交排列的Y軸光纖陀螺儀、X軸光纖陀螺儀和Z軸光纖陀螺儀，X軸加表、Y軸加表和Z軸加表正交安裝在X軸光纖陀螺儀腔體底側(cè)，結(jié)構(gòu)緊湊；電路部分位于三處，分別是X軸光纖陀螺儀的上方、Z軸光纖陀螺儀的下方和旋轉(zhuǎn)框架尾端；三個(gè)部分軸向排列呈細(xì)長圓柱體。

所述結(jié)構(gòu)件部分包括單軸旋轉(zhuǎn)單元體結(jié)構(gòu)，該旋轉(zhuǎn)單元體結(jié)構(gòu)是：如圖1所示，具有四個(gè)腔室的圓柱體構(gòu)型，如圖2所示，中心旋轉(zhuǎn)部件自下而上分別為：力矩直流電機(jī)、上軸承、慣性器件旋轉(zhuǎn)臺體、下軸承、絕對式光電碼盤。