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光纤陀螺井斜测量单元的姿态解算方法研究及误差分析

作　者: 王鑫
导　师: 魏国
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 随钻测量 光纤陀螺 捷联惯导 四元数法
分类号: TE928
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


随钻测斜仪的主要作用是完成井斜角、方位角、工具面角等参数的测量。目前国内定向钻井过程中所用的传感器均采用加速度计和磁强计,但由于磁强计易于受到各种因素引发的电磁干扰,因此需要安装昂贵的非磁性轴环以提高精度。光纤陀螺被认为是磁强计在井下测量的替代品,可以显著地提高测量精度。而且采用捷联惯导方法计算姿态和速度能实现磁传感器不能实现的实时测量,即随钻测井。本文首先介绍了定向钻井的一些基本概念和专业术语等,介绍了捷联惯导的原理,同时比较了欧拉角法、方向余弦法和四元数法等姿态算法的优劣,最后选择了四元数法。在传感器的选取上,通过介绍石英挠性加速度计、光纤陀螺传感器的工作原理和性能指标,从而给出了传感器选取的指标和原因。而后详细阐述了利用三轴石英挠性加速度计和三轴光纤陀螺进行测斜的原理,对整体流程包括粗对准、精对准、采用捷联惯导方法和采用四元数姿态解算方法,给出了详细的公式推导过程,从而得出井斜角、方位角和工具面角,并进行了系统误差、传感器误差的分析与补偿和传感器敏感轴不正交角的校正。最后采用了软件实现解算方法和一些外围功能,并进行了系统调试。理论分析和实际调试结果表明,算法设计正确,满足要求。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-13
  1.1 课题的研究背景及意义  9-10
    1.1.1 惯性导航系统概述  9
    1.1.2 光纤陀螺及惯性导航在随钻测井中的应用  9-10
  1.2 国内外发展现状  10-12
    1.2.1 国内发展现状  10-11
    1.2.2 国外发展现状  11-12
  1.3 论文主要研究内容  12-13
第2章 随钻测斜仪的工作原理  13-28
  2.1 定向钻井专业术语  13
  2.2 常用坐标系介绍  13-14
    2.2.1 惯性坐标系i  13-14
    2.2.2 地球坐标系e  14
    2.2.3 地理坐标系g  14
    2.2.4 导航坐标系n  14
    2.2.5 载体坐标系b  14
  2.3 姿态更新算法比较  14-17
    2.3.1 欧拉角法  14-15
    2.3.2 方向余弦法  15-16
    2.3.3 四元数法  16-17
    2.3.4 姿态算法的比较  17
  2.4 光纤陀螺的原理  17-20
  2.5 光纤陀螺的性能指标  20-23
    2.5.1 零偏  20-21
    2.5.2 零偏稳定性  21
    2.5.3 零偏重复性  21
    2.5.4 随机游走系数  21-22
    2.5.5 标度因数  22
    2.5.6 标度因数的非线性度  22
    2.5.7 零偏温度灵敏度  22
    2.5.8 标度因数温度灵敏度  22-23
  2.6 石英挠性加速度计的工作原理  23
  2.7 传感器的选型  23-25
    2.7.1 加速度计的选择  23-24
    2.7.2 光纤陀螺的选择  24-25
  2.8 卡尔曼滤波  25-27
  2.9 本章小结  27-28
第3章 姿态更新算法  28-38
  3.1 算法总体流程  28-29
  3.2 初始对准  29-32
    3.2.1 粗对准  29-30
    3.2.2 精对准  30-32
  3.3 姿态解算算法  32-37
    3.3.1 参数说明  32-33
    3.3.2 速度更新流程  33
    3.3.3 姿态更新流程  33-37
  3.4 本章小结  37-38
第4章 数据处理及误差分析  38-42
  4.1 光纤陀螺的温度补偿  38-39
  4.2 敏感轴不正交校正  39-41
  4.3 其他误差的消除方法  41
  4.4 本章小结  41-42
第5章 上位机软件设计及仿真结果  42-51
  5.1 软件介绍  42-44
    5.1.1 软件流程图  42-43
    5.1.2 软件界面  43-44
  5.2 软件实现结果  44
  5.3 软件功能测试  44-46
  5.4 仪器敏感轴不正交校准  46-48
  5.5 初始对准仿真结果  48-49
  5.6 姿态解算仿真及结果  49-50
  5.7 本章小结  50-51
结论  51-52
参考文献  52-56
致谢  56

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中图分类: > 工业技术 > 石油、天然气工业 > 石油机械设备与自动化 > 钻井机械设备 > 钻井机械化与自动化
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