基于陀螺仪的随钻姿态测量新算法.pdf

《基于陀螺仪的随钻姿态测量新算法.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、2013年第32卷第1期传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)137基于陀螺仪的随钻姿态测量新算法苏毅，齐昕，刘阳，张金光(1．北京科技大学机械工程学院，北京100083；2．山西潞安环保能源开发股份有限公司地质处，山西长治046204)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。针对已有算法的不足和缺点，采用陀螺仪进行钻具倾角、方位角和工具面向角的测量，推导出了相应的姿态角计算公式。同时针对测量过程中存在的陀螺仪漂移误差，采用四元数全姿态互补滤波算法，利用加速度计和磁强计对陀螺

2、仪进行补偿，给出了详细的理论分析和计算过程。实验结果表明：基于传感器组合的四元数全姿态互补滤波算法能够有效地消除陀螺仪漂移误差，获得的方位角测量精度优于±O．3。。关键词：定向钻进；姿态测量；四元数；陀螺仪漂移中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1000--9787(2013)01-0137-04NewalgorithmofattitudemeasurementwhiledrillingbasedongyroscopeSUYi，QIXin，LIUYang，ZHANGJin．guang。(1．SchoolofMechanicalEngin

3、eering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China；2．GeologicalDepartment，Shan~lu’alEnvironmentalEnergyDevelopmentCoLtd，Changzhi046204，China)Abstract：Realtimemeasurementsofdrillbitattitudewhiledrillingarethekeyfactorsforguidingofhorizontaldirectionaldrilling．A

4、imingatshortcomingsofexistingalgorithms，anewmethodisintroducedtomeasureinclination，azimuth，andtoolfaceangleusinggyroscope．Throughquaternion-basedallattitudecomplementaryfilteralgorithm，accelerometersandmagnetometersareusedtocompensateforthemeasurementerrorduetothedriftofthegy

5、roscopeoutputovertime．Thedetailedtheoreticalanalysisandcalculationprocessarepresented．Theresultsshowthatquaternion—basedallattitudecomplementaryfilteralgorithmbasedonsensorcombinationcaneffectivelyeliminategyroscopedrifteror．andobtainedazimuthmeasurementprecisionisbetterthan±

6、0．3。．Keywords：directionaldrilling；attitudemeasurement；quaternion；gyroscopedrift0引言极与水平面内钻具轴线投影之间的夹角；倾斜角表示钻具水平定向钻进(horizontaldirectionaldrilling，HDD)是运动方向以水平面为参考时的倾斜程度，是水平面与钻具指在钻进过程中通过控制钻具的前进方向，在钻进区域实轴线之间的夹角；工具面向角表示钻具钻进时下一步的造现预先设定的钻孔轨迹，从而到达预定位置的一种钻进技斜方向，是钻具的造斜方向与参考方向之间的夹角。目前，钻

7、具姿态测量大都利用三轴加速度计和三轴磁强计来完术。它具有施工速度快、精度高、成本低等优点、广泛应用成，加速度计和磁强计分别测量重力场分量与地磁场分量，于石油开采、煤矿钻探、非开挖管线铺设、地质勘探等领然后通过各分量在不同坐标系间的转换关系求解出这些姿域。态角。水平定向钻进中钻具姿态的实时测量是实现导向的关王瑞等人5基于加速度计和磁强计根据坐标变换给键因素，这些姿态信息包括工具面向角、倾斜角和方位角，出了姿态角的计算公式，并针对测量过程中的干扰磁场提它们是由安装在钻具内的随钻测量单元获得的。水平定向出了补偿算法，但由于加速度计动态性能差，算法只有在

8、载钻具结构主要由钻杆、钻铤、无磁钻铤、喷嘴及斜面钻头等体静态时工作良好，动态时姿态测量存在滞后。RiosJA组成，测量单元安装在无磁钻铤