基于加速度计和磁强计的随钻姿态测量观测模型.pdf

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1、20传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)2013年第32卷第2期基于加速度计和磁强计的随钻姿态测量观测模型苏毅，刘阳，李晓琨，齐昕(1．北京科技大学机械工程学院，北京100083；2．北京二七轨道交通装备有限责任公司，北京100072)摘要：水平定向钻进中钻具姿态的实时测量是实现导向的关键因素。推导了钻具姿态角的测量方法，给出了姿态转换矩阵的解算公式。针对姿态测量的非线性问题和已有算法的不足，建立了姿态测量系统的线性观测方程，该观测方程利用加速度计和磁强计分别测得的地球重力场分量和地磁场分量

2、来构造新的观测向量，并以姿态四元数的误差向量作为观测模型的输入。给出了线性观测模型的求解方法，最小二乘递推法。仿真结果表明：该算法收敛速度快，能够得到钻具准确的姿态信息，即使起始姿态的估计值与真实值之间的偏差很大，该算法仍能很好地收敛到真实值。关键词：定向钻进；姿态测量；四元数；线性观测模型；最小二乘递推法中图分类号：TP212．9文献标识码：A文章编号：1000-9787(2013)02-0020--04Observationmodelofattitudedeterminationwhiledirectionaldrillingbasedon

3、accelerometersandmagnetometerssUYi，LIUYang，LIXiao．kun。，QIXin(1．SchoolofMechanicalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China；2．BeijingFeb．7thRailwayTransportationEquipmentCoLtd，Beijing100072，China)Abstract：Reahimemeasurementsofthedrillbitattitudew

4、hilehorizontaldirectionaldrillingarethekeyfactorsforguidingofdirectionaldrilling．Amethodisintroducedtodeterminetheattitudeanglesandthedirectcosinematrix(DCM)．Asfornonlinearproblemsofattitudedeterminationandshortcomingsoftheexistingalgorithms，linearobservationequationforattit

5、udedeterminationsystemisestablished，whichusesaccelerometersandmagnetometerstomeasurecomponentsoftheearth’SgravityfieldandgeomagneticfieldtoconstructFleWobservationvectorsandtakeserrorvectorofattitudequaternionasitsinput．Asolutiontothelinearobservationmodel，recursiveleast—squ

6、aresmethodisproposed．Simulationresultsshowthatthealgorithmconvergesquickly，andcangetaccurateattitudeinformation，thealgorithmcanconvergetorealvalue，eventhoughthedeviationofestimatedandrealvalueofinitialattitudeislarge．Keywords：directionaldrilling；attitudedetermination；quatern

7、ion；linearobservationmodel；recursiveleast—squaremethod0引言钻具结构主要由钻杆、钻铤、无磁钻铤、喷嘴及斜面钻头等水平定向钻进(horizontaldirectionaldrilling，HDD)是指组成，测量单元安装在无磁钻铤内，在钻具钻进的同时对姿在钻进过程中通过控制钻具的前进方向，在钻进区域实现态角进行实时测量，并将测量结果以电磁波的形式发送到预先设定的钻孔轨迹，从而到达预定位置的一种钻进技井上。方位角表示钻具运动方向在水平面的投影，是磁北术。它具有施工速度快、精度高、成本低等优点、广泛

8、极与水平面内钻具轴线投影之间的夹角；倾斜角表示钻具应用于石油开采、煤矿钻探、非开挖管线铺设、地质勘探等运动方向以水平面为参考时的倾斜程度，是水平面与钻