[发明专利]小孔径单陀螺水平井旋转定向测斜装置及方法

权利要求书

1.小孔径单陀螺水平井旋转定向测斜方法，其特征在于：本方法采用小孔径单陀螺水平井旋转定向测斜装置实现，

小孔径单陀螺水平井旋转定向测斜装置包括两机械固件，在其中一个机械固件上设置一个表面平整度满足安装要求的基座，在基座上刚性连接有直流电机，直流电机采用伺服电机；直流电机输出轴呈水平状态，直流电机输出轴端部设有转台，转台轴线与电机输出轴重合；在转台上刚性安装单轴小口径光纤陀螺仪和双轴MEMS加速度计组件，其中光纤陀螺仪敏感轴为X轴，双轴MEMS加速度计敏感轴分别为X轴、Y轴，转台在直流电机输出轴带动下绕Y轴转动，陀螺仪和双轴MEMS加速度计组合构成本装置的惯性测量单元；还包括测量电机输出轴转速的转速传感器；

在另一机械固件上固定安装有ARM微处理器和电机驱动模块，ARM微处理器中含有解算模块，ARM微处理器主要完成陀螺仪和加速度计信号实时采集、接口通信、直流电机控制信号的发出与定向测斜算法解算，并提取北向角度信息；转速传感器的输出接ARM微处理器，ARM微处理器通过鉴相计数计算转速信息，同时发出PWM信号，给电机驱动模块，电机驱动模块输出接直流电机以控制直流电机匀速转动；

该方法包括如下步骤：

1)将所述的小孔径单陀螺水平井旋转定向测斜装置放入小孔径水平井内，直流电机输出轴沿水平井长度方向设置；

2)装置上电后即开始工作，使直流电机输出轴绕Y轴连续旋转，并通过转速传感器采集直流电机转速，并将该转速信号传递给ARM微处理器，经闭环反馈由电机驱动模块根据转速传感器采集信息使直流电机转速稳定；

3)ARM微处理器中的解算模块实时获取双轴MEMS加速度计和陀螺仪输出数据，提取微弱方向信息和倾斜角信息，采用粒子滤波算法解算北向角；具体过程如下：

3.1)首先建立四个坐标系，地理坐标系OX_nY_nZ_n，方向为东北天；转台坐标系OX_bY_bZ_b，方向为右前上；以及两个过度坐标系OX₁Y₁Z₁、OX₂Y₂Z₂；转台坐标系是地理坐标系经过如下三次转动α、θ、γ角后产生的，

其中α、θ、γ分别为北向角、俯仰角和横滚角；

3.2)光纤陀螺仪敏感轴与转台坐标系x_b轴重合，考虑陀螺的常值漂移和随机漂移影响，旋转定点采样算法中，转台从初始位置开始，按右手定则以角速度ω绕Y轴转动，光纤陀螺敏感轴的输出表达为：

ω_bx＝kω_ie[cosL(sinαcos(γ+ωt)+cosαsinθsin(γ+ωt)-sinLcosθsin(γ+ωt)]+ε_0x+ε_ix+N_噪 (1)

其中k为标度因数，ω_ie为地球自转角速率，L为当地地理纬度；ε_0x为常值漂移在X轴的分量；ε_ix为陀螺的随机漂移在X轴的分量；N_噪为光纤陀螺仪输出信号噪声；

3.3)假设安装在转台坐标系X轴和Y轴的加速度计的输出分别为：A_xb、A_yb；则

A_xb＝gcosθsin(γ+ωt)

A_yb＝-gsinθ

由上式解算出转台的俯仰角θ和横滚角γ分别为：

其中，g为当地重力加速度，ω为电机转动角速度，t为旋转时间；

3.4)将步骤3.3)中解算出的俯仰角θ和横滚角γ代入步骤3.2)中光纤陀螺敏感轴的输出式中，得到一个北向角α与陀螺仪输出值ω_bx的方程；

3.5)使直流电机连续旋转，改变旋转时间t取值，即采集不同时刻下光纤陀螺敏感轴的输出和双轴加速度计的输出A_xb、A_yb，重复步骤3.2)-3.4)，得到不同时刻下北向角α与陀螺仪输出值ω_bx的多个方程，最后采用粒子滤波算法对该多个方程中方位信息进行最优估计，从而实现对α角的精确测量，由此实现水平井定向测斜。

2.根据权利要求1所述的小孔径单陀螺水平井旋转定向测斜方法，其特征在于：所述转速传感器为光电编码器，光电编码器设置在电机输出轴上，光电编码器选用微小型光编，光电编码器轴向与电机输出轴对齐。