多自由度組合姿態(tài)測量方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明應(yīng)用于石油工程、航天、航空和航海，屬于精密測量儀器領(lǐng)域，特別設(shè)及多 自由度組合姿態(tài)測量方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 精確姿態(tài)測量是石油勘探和航行器導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制的基礎(chǔ)，在國內(nèi)外爭奪愈來 愈激烈的石油能源勘探和國防軍事領(lǐng)域有著非常重要的地位。姿態(tài)慣性測量與控制技術(shù)是 衡量一個(gè)國家尖端技術(shù)水平的重要標(biāo)志，精度要求越來越高；而采用的常規(guī)正交坐標(biāo)系在 全角度范圍內(nèi)的相對誤差奇點(diǎn)多、整體精度分布離散。改進(jìn)設(shè)計(jì)和校正補(bǔ)償可提高部分精 度，但無法提高整體精度。
[0003] W采用3個(gè)軸向安裝、相互正交的加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)鉆井軌跡測量為例，在北西天 ONWS地理坐標(biāo)系中建立地下/井下導(dǎo)航（簡稱航地）鉆井工具儀器坐標(biāo)系（OXYZ坐標(biāo)系）。
[0004] 兩個(gè)坐標(biāo)系初始重合，N軸沿當(dāng)?shù)刈游缇€指北，W軸沿當(dāng)?shù)丶澗€指西，S軸沿當(dāng)?shù)氐?垂線指天，NW面為當(dāng)?shù)厮矫?，NS面為當(dāng)?shù)刈游缑?。定義方位角A為鉆井工具在水平面內(nèi) 從地理北逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到井軌跡在水平面投影的角，傾斜角I為井眼軸線與重力矢量之間的 夾角，工具面角T為從重力高邊逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到鉆井工具高邊的夾角。
[0005] 通常的歐拉旋轉(zhuǎn)經(jīng)過3次不同軸的旋轉(zhuǎn)就可得到當(dāng)前工具的儀器姿態(tài)。ONWS地理 坐標(biāo)系繞OS軸旋轉(zhuǎn)角A到OX1Y1Z1，繞OY1軸旋轉(zhuǎn)角I到OX2Y2Z2,再繞OZ2軸旋轉(zhuǎn)角T到 OX3Y3Z3,就得到儀器的當(dāng)前坐標(biāo)系。
[0006] 將地球重力加速度g向儀器坐標(biāo)系上投影，可得=軸加速度計(jì)輸出為
[0007]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多自由度組合姿態(tài)測量方法，采用三個(gè)各自正交的儀器坐標(biāo)系，其中第一個(gè)儀 器坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系初始重合，與地理坐標(biāo)系中重力方向平行的軸為Z軸，其他兩個(gè)正 交軸分別為X、Y軸，另外兩個(gè)儀器坐標(biāo)系是由地理坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)得到的，其特征在于， 首先，以位于待測裝置中間位置的傳感器檢測元件中心〇為原點(diǎn)，以地理坐標(biāo)系中重 力方向平行的軸為Z軸，與地理坐標(biāo)系中非重力方向平行的其他兩個(gè)軸為X、Y軸，建立第一 個(gè)儀器坐標(biāo)系OXYZ ; 然后，將地理坐標(biāo)系繞其重力方向平行的軸逆時(shí)針或順時(shí)針旋轉(zhuǎn)Q角，Q = ±45°或 0 =±135°，構(gòu)成第二個(gè)儀器坐標(biāo)系0MNZ，與Z軸正交的另外兩個(gè)軸為M、N軸； 接著，將地理坐標(biāo)系繞其非重力方向平行的X軸逆時(shí)針或順時(shí)針旋轉(zhuǎn)0角，構(gòu)成第三 個(gè)儀器坐標(biāo)系0XPQ，與X軸正交的另外兩個(gè)軸為P、Q軸，或者將地理坐標(biāo)系繞非重力方向 平行的Y軸逆時(shí)針或順時(shí)針旋轉(zhuǎn)0角，構(gòu)成第三個(gè)儀器坐標(biāo)系0SYT，與Y軸正交的另外兩 個(gè)軸為S、T軸； 在各軸上安裝姿態(tài)測量傳感器，各傳感器檢測元件的中心始終在待測裝置的中心軸線 上； 最后，定義待測裝置的傾斜角I為待測裝置的中心軸線與指向地心的重力矢量的夾 角，工具面角T為從第一個(gè)儀器坐標(biāo)系OXYZ下待測裝置的重力鉛垂面指北方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 到待測裝置中心軸線的鉛垂面上高邊方向的夾角，方位角A為第一個(gè)儀器坐標(biāo)系OXYZ下待 測裝置從地理北逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到待測裝置在非重力軸所組成平面上投影的角度； 在任何姿態(tài)位置，當(dāng)其中一個(gè)儀器坐標(biāo)系中有2個(gè)傳感器測量幅值均比其他儀器坐標(biāo) 系中的任何傳感器測量幅值大時(shí)，該儀器坐標(biāo)系即作為當(dāng)前姿態(tài)位置的最佳測量儀器坐標(biāo) 系，根據(jù)該儀器坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)關(guān)系來計(jì)算姿態(tài)參數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多自由度組合姿態(tài)測量方法，其特征在于，所述地理坐 標(biāo)系為北西天坐標(biāo)系或者西北天坐標(biāo)系或者北東地坐標(biāo)系或者東北地坐標(biāo)系。
3. -種多自由度組合姿態(tài)測量裝置，該裝置由三個(gè)儀器坐標(biāo)系組成，其特征在于，第一 個(gè)儀器坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系初始重合，與地理坐標(biāo)系中重力方向平行的軸為Z軸，其他兩 個(gè)軸分別為X、Y軸，另外兩個(gè)儀器坐標(biāo)系是由地理坐標(biāo)系分別繞其重力方向平行和非重力 方向平行的軸旋轉(zhuǎn)X角得到的，X = ±45°或A = ±135°，在各軸上安裝通用的姿態(tài) 測量傳感器，各傳感器檢測元件的中心始終在裝置的中心軸線上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種多自由度組合姿態(tài)測量裝置，其特征在于，所述地理坐 標(biāo)系為北西天坐標(biāo)系或者西北天坐標(biāo)系或者北東地坐標(biāo)系或者東北地坐標(biāo)系。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種多自由度組合姿態(tài)測量裝置，其特征在于，三個(gè)儀器坐 標(biāo)系在待測裝置的軸向空間安裝順序從上到下可以為第一個(gè)儀器坐標(biāo)系、第二個(gè)儀器坐標(biāo) 系、第三個(gè)儀器坐標(biāo)系，或第一個(gè)儀器坐標(biāo)系、第三個(gè)儀器坐標(biāo)系、第二個(gè)儀器坐標(biāo)系，或第 二個(gè)儀器坐標(biāo)系、第一個(gè)儀器坐標(biāo)系、第三個(gè)儀器坐標(biāo)系，或第二個(gè)儀器坐標(biāo)系、第三個(gè)儀 器坐標(biāo)系、第一個(gè)儀器坐標(biāo)系，或第三個(gè)儀器坐標(biāo)系、第二個(gè)儀器坐標(biāo)系、第一個(gè)儀器坐標(biāo) 系，或第三個(gè)儀器坐標(biāo)系、第一個(gè)儀器坐標(biāo)系、第二個(gè)儀器坐標(biāo)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多自由度組合姿態(tài)測量方法及裝置，在與常規(guī)的正交地理坐標(biāo)系初始重合的測量儀器坐標(biāo)系OXYZ的三軸上安裝一組(三自由度)姿態(tài)傳感器，接著將正交地理坐標(biāo)系繞其重力方向平行的軸旋轉(zhuǎn)一次，構(gòu)成第二個(gè)儀器坐標(biāo)系OMNZ，在M、N軸方向安裝一組(二自由度)姿態(tài)傳感器，再將正交地理坐標(biāo)系繞其非重力方向平行的軸旋轉(zhuǎn)一次，構(gòu)成第三個(gè)儀器坐標(biāo)系OXPQ或OSYT，在P、Q軸或S、T軸方向安裝一組(二自由度)姿態(tài)傳感器，這樣得到一個(gè)多自由度組合姿態(tài)測量裝置，可使得在任何姿態(tài)位置，至少有一個(gè)儀器坐標(biāo)系中的2個(gè)傳感器可以輸出較大幅度的姿態(tài)測量信號，提高姿態(tài)測量的原始信噪比和整體測量精度。
【IPC分類】G01C21-20
【公開號】CN104864870
【申請?zhí)枴緾N201510275329
【發(fā)明人】程為彬, 郭穎娜, 宋久旭, 康思民, 魏娜, 高理, 朱凱然
【申請人】西安石油大學(xué)
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年5月26日