定向钻进姿态测量系统的设计及误差分析和补偿.pdf

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1、2013年仪表技术与传感器2013第1l期InstrumentTechniqueandSensorNo．11定向钻进姿态测量系统的设计及误差分析和补偿郭宏，姚爱国(1．中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉430074；2．武汉科技大学计算机学院，湖北武汉430065)摘要：阐述了定向钻进的工作原理及钻具姿态测量的方法，设计了一种采用磁阻传感器和加速度传感器测定钻具倾斜角、面向角和方位角的测量系统。分析了影响系统测量精度的误差来源，并在此基础上提出了相应的校正和补偿方法。实验结果表明：校正和补偿后系统的倾斜角、面向角误差在±1。以内，方位角误差在±1．75。以内，能够满足定向钻

2、进钻具姿态实时测量的需要。关键词：定向钻进；姿态测量；误差分析和补偿中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1002—1841(2013)l1—0088—03DirectionalDrillingAttitudeMeasuringSystem’SDesign，ErrorAnalysisandCompensationGUOHong一．YAOAi—guo(1．FacultyofEngineering，ChinaUniversityofGeosciences，Wuhan430074，China；2．InstituteofComputer，WuhanUniversityofSci

3、enceandTechnology，Wuhan430065，China)Abstract：Expoundingtheworkingprinciplesofdirectionaldrillingandtheattitudemeasurementmethodofdrillingtool，akindofdrillingtool’Spitch，rollandazimuthmeasurementsystemwhichadoptedmagnetoresistivesensorsandaccelerationtransduc—erwasdesigned．BasedOntheanalysisa

4、boutthesourceoferrorwhichinfluencedthemeasurementsystem'saccuracy，themethodofcorrectionwascomeupwith．Experimentalresultsshowthataftercompensationpitchandroll’Serrorwillbein±1。．andtheazimuth’Serrorwillbein±1．75。．whichcanmeettheneedofreal—timemeasurementofdrillingtoolindirectionaldrilling．Keyw

5、ords：directionaldrilling；attitudemeasurement；analysisandcompensationoferor0引言随着微处理器技术与新型传感器技术的发展，利用加速度计、磁阻传感器和微处理器构成基于地球磁场和重力场的捷联式姿态测量系统，已成为许多载体姿态测量的首选⋯。为此，文中从定向钻进姿态随钻测量的实际出发，设计了一种基于三轴加速度计、磁阻传感器的钻具姿态测量系统，该系统在体积、质量、功耗、可靠性等方面具有较大的优势。但由于钻具运动状态的复杂性以及周围磁场的干扰，系统有时很难准确地反映钻具姿态信息；另一方面，MEMS器件本身也存在一定的误

6、差，这些都将导致系统出现测量误差。因此，为了得到正确的钻具图1地理坐标系与钻具坐标系姿态信息，有必要对环境和测量器件产生的误差进行分析与补强计测得的磁场强度为(、、Hz)，可得：偿。=arctan-Gx1姿态测量原理“丽；y=a删rctan()J；1．1坐标系的定义定义地理坐标系与测量系统坐标系(钻具坐标系)之间的～眦rct诅an“百赢㈩)关系(如图1所示)，其中O—XZ为地理坐标系，O—XYbZ式中G=~／++G；，为当地重力加速度的大小。为钻具坐标系。由地理坐标系(O—XZ)转换为钻具坐标因此，只要知道三轴加速度计和三轴磁强计的输出，即可系(O—X)所旋转的角度、、即为钻具

7、的倾斜角、面向根据式(1)，求出钻具当前的姿态角。角和方位角。2姿态测量系统设计1．2姿态角的测量：2．1系统结构设三轴加速计测得的重力加速度为(G、G、G)，三轴磁姿态测量系统结构如图2所示，分为传感器模块、信号调理模块和MCU模块三部分。系统采集三轴加速度计和三轴磁收藕日期：2012—11—18收修改稿日期：2013—07—05第l1期郭宏等：定向钻进姿态测量系统的设计及误差分析和补偿阻传感器的信号，并通过调理电路对采集的信号进行放大；然感器所处温度、芯片参考电压以及供电电源芯片的不同而