為提高鉆探中的鉆具姿態(tài)測量精度,提出一種基于重力四元數(shù)的MEMS慣性隨鉆姿態(tài)測量方法。采用MEMS慣性器件構(gòu)建鉆具姿態(tài)測量系統(tǒng),把加速度計(jì)數(shù)據(jù)解算的姿態(tài)四元數(shù)作為觀測四元數(shù),陀螺儀數(shù)據(jù)解算的姿態(tài)四元數(shù)作為誤差四元數(shù);然后將陀螺儀漂移融入誤差四元數(shù),建立重力四元數(shù)估計(jì)陀螺儀誤差四元數(shù)的模型,采用最小二乘法估計(jì)陀螺儀三軸漂移,進(jìn)而補(bǔ)償陀螺儀姿態(tài)四元數(shù);通過補(bǔ)償后的姿態(tài)四元數(shù)解算出鉆具姿態(tài)。最后設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)臺(tái)、振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)和鉆進(jìn)模擬實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,姿態(tài)四元數(shù)補(bǔ)償后的井斜角和工具面角漂移由平均10°/h減小到約0.2°/h,方位角誤差由平均12°/h減小到約0.46°/h,實(shí)現(xiàn)了加速度計(jì)補(bǔ)償陀螺的三軸漂移,表明該方法能夠有效提高鉆具的姿態(tài)測量精度。
【部分圖文】：

傳 感 技 術(shù) 學(xué) 報(bào)www．chinatransducers．com 第 30 卷統(tǒng)所采集，MIMU 傳感器技術(shù)參數(shù)如下: ①陀螺儀: 噪聲密度槡0．005 ° / s / Hz ，偏差穩(wěn)定性 18 ° / hr; ②加速度計(jì): 噪聲密度 400 μgn槡/ Hz ，偏差穩(wěn)定性 60 μgn。為驗(yàn)證算法的鉆進(jìn)過程的動(dòng)態(tài)性能，將該系統(tǒng)固定在雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)上，將轉(zhuǎn)臺(tái)傾斜角設(shè)為 44 °，如圖 3 所示，在轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速為 400 °/s 時(shí)采集加速度、角速度數(shù)據(jù)，采集時(shí)間 3 600 s。將采集的數(shù)據(jù)采用前文方法實(shí)時(shí)估計(jì)并補(bǔ)償陀螺漂移，補(bǔ)償前后解算的姿態(tài)角誤差對(duì)比曲線如圖 4 所示。較小，導(dǎo)致重力四元數(shù)觀測陀螺方位軸漂移能力降低，致使方位角誤差補(bǔ)償能力略有降低。3．2 振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證算法在鉆進(jìn)振動(dòng)情況下估計(jì)并補(bǔ)償陀螺漂移性能，設(shè)計(jì)了振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)，將設(shè)計(jì)的藍(lán)牙 MIMU以傾斜角45°固定于振動(dòng)臺(tái)，如圖5 所示，采集3 600 sMIMU 信號(hào)，用本文方法實(shí)時(shí)估計(jì)并補(bǔ)償陀螺漂移，陀螺漂移補(bǔ)償前后姿態(tài)解算誤差隨時(shí)間變化情況如圖 6 所示。1190

傳感技術(shù)學(xué)報(bào)www．chinatransducers．com第30卷統(tǒng)所采集，MIMU傳感器技術(shù)參數(shù)如下:①陀螺儀:噪聲密度槡0．005°/s/Hz，偏差穩(wěn)定性18°/hr;②加速度計(jì):噪聲密度400μgn槡/Hz，偏差穩(wěn)定性60μgn。為驗(yàn)證算法的鉆進(jìn)過程的動(dòng)態(tài)性能，將該系統(tǒng)固定在雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)上，將轉(zhuǎn)臺(tái)傾斜角設(shè)為44°，如圖3所示，在轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速為400°/s時(shí)采集加速度、角速度數(shù)據(jù)，采集時(shí)間3600s。將采集的數(shù)據(jù)采用前文方法實(shí)時(shí)估計(jì)并補(bǔ)償陀螺漂移，補(bǔ)償前后解算的姿態(tài)角誤差對(duì)比曲線如圖4所示。圖3MIMU轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)圖4轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)陀螺儀漂移補(bǔ)償前后姿態(tài)角誤差觀察圖4可知，陀螺儀在較短時(shí)間內(nèi)漂移累積誤差較小，長時(shí)間工作累計(jì)誤差較大，且工作時(shí)間越長，累計(jì)誤差越大，因此需要對(duì)陀螺漂移進(jìn)行估計(jì)與補(bǔ)償。經(jīng)過1h的姿態(tài)解算，加速度計(jì)連續(xù)補(bǔ)償陀螺漂移，井斜角誤差由9．35°/h減小到0．17°/h;工具面角誤差由9．35°/h減小到0．19°/h;方位角誤差由9．96°/h減小到0．28°/h，顯著減小了因陀螺漂移造成的姿態(tài)解算誤差，可見算法實(shí)現(xiàn)了加速度計(jì)對(duì)陀螺儀的三軸漂移估計(jì)與補(bǔ)償。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)傾斜角小于3°或接近90°時(shí)，方位角變化引起的重力四元數(shù)變化較小，導(dǎo)致重力四元數(shù)觀測陀螺方位軸漂移能力降低，致使方位角誤差補(bǔ)償能力略有降低。3．2振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證算法在鉆進(jìn)振動(dòng)情況下估計(jì)并補(bǔ)償陀螺漂移性能，設(shè)計(jì)了振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)，將設(shè)計(jì)的藍(lán)牙MIMU以傾斜角45°固定于振動(dòng)臺(tái)，如圖5所示，采集3600sMIMU信號(hào)，用本文方法實(shí)時(shí)估計(jì)并補(bǔ)償陀螺漂移，陀螺漂移補(bǔ)償前后姿態(tài)解算誤差隨時(shí)間變化情況如圖6所示。圖5MIMU振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)觀察圖6發(fā)現(xiàn)，加速度計(jì)補(bǔ)償陀螺漂移前后井斜角誤差由11．14°/h減小到0．24°/h;工具面角誤差由10．09°/h減小到0．42°/h;方位角?

傳感技術(shù)學(xué)報(bào)www．chinatransducers．com第30卷統(tǒng)所采集，MIMU傳感器技術(shù)參數(shù)如下:①陀螺儀:噪聲密度槡0．005°/s/Hz，偏差穩(wěn)定性18°/hr;②加速度計(jì):噪聲密度400μgn槡/Hz，偏差穩(wěn)定性60μgn。為驗(yàn)證算法的鉆進(jìn)過程的動(dòng)態(tài)性能，將該系統(tǒng)固定在雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)上，將轉(zhuǎn)臺(tái)傾斜角設(shè)為44°，如圖3所示，在轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速為400°/s時(shí)采集加速度、角速度數(shù)據(jù)，采集時(shí)間3600s。將采集的數(shù)據(jù)采用前文方法實(shí)時(shí)估計(jì)并補(bǔ)償陀螺漂移，補(bǔ)償前后解算的姿態(tài)角誤差對(duì)比曲線如圖4所示。圖3MIMU轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)圖4轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)陀螺儀漂移補(bǔ)償前后姿態(tài)角誤差觀察圖4可知，陀螺儀在較短時(shí)間內(nèi)漂移累積誤差較小，長時(shí)間工作累計(jì)誤差較大，且工作時(shí)間越長，累計(jì)誤差越大，因此需要對(duì)陀螺漂移進(jìn)行估計(jì)與補(bǔ)償。經(jīng)過1h的姿態(tài)解算，加速度計(jì)連續(xù)補(bǔ)償陀螺漂移，井斜角誤差由9．35°/h減小到0．17°/h;工具面角誤差由9．35°/h減小到0．19°/h;方位角誤差由9．96°/h減小到0．28°/h，顯著減小了因陀螺漂移造成的姿態(tài)解算誤差，可見算法實(shí)現(xiàn)了加速度計(jì)對(duì)陀螺儀的三軸漂移估計(jì)與補(bǔ)償。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)傾斜角小于3°或接近90°時(shí)，方位角變化引起的重力四元數(shù)變化較小，導(dǎo)致重力四元數(shù)觀測陀螺方位軸漂移能力降低，致使方位角誤差補(bǔ)償能力略有降低。3．2振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證算法在鉆進(jìn)振動(dòng)情況下估計(jì)并補(bǔ)償陀螺漂移性能，設(shè)計(jì)了振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)，將設(shè)計(jì)的藍(lán)牙MIMU以傾斜角45°固定于振動(dòng)臺(tái)，如圖5所示，采集3600sMIMU信號(hào)，用本文方法實(shí)時(shí)估計(jì)并補(bǔ)償陀螺漂移，陀螺漂移補(bǔ)償前后姿態(tài)解算誤差隨時(shí)間變化情況如圖6所示。圖5MIMU振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)觀察圖6發(fā)現(xiàn)，加速度計(jì)補(bǔ)償陀螺漂移前后井斜角誤差由11．14°/h減小到0．24°/h;工具面角誤差由10．09°/h減小到0．42°/h;方位角?
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相關(guān)期刊論文 前2條

1 馬大錚;;四元數(shù)變換分析球面機(jī)構(gòu)[J];武漢水運(yùn)工程學(xué)院學(xué)報(bào);1988年04期

2 肖尚彬;;四元數(shù)在多體力學(xué)中的應(yīng)用[J];西安理工大學(xué)學(xué)報(bào);1992年04期

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