測井探管三維實時姿態(tài)檢測系統(tǒng)及其檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種測井探管三維實時姿態(tài)檢測系統(tǒng)，包括傳感器組：用于采集所述測井探管的原始方位角和傾角信息，包括三軸電子羅盤和三軸加速度傳感器，該三軸電子羅盤的三個軸與三軸加速度傳感器的三個軸同軸連接；以及微處理器：通過I2C總線與所述傳感器組相連，內(nèi)嵌有數(shù)據(jù)融合定位解算算法，用于對所述傳感器組采集的原始方位角和傾角信息進行實時解算，得到測井探管的實施姿態(tài)信息。同時，本發(fā)明還提供了相應的檢測方法，通過本發(fā)明，可以在減少后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作量的同時，有效提高檢測的精度，具有很高的實用價值。
【專利說明】測井探管三維實時姿態(tài)檢測系統(tǒng)及其檢測方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鉆井中測井探管的姿態(tài)信息檢測技術，具體地說，是涉及一種測井探管三維實時姿態(tài)檢測系統(tǒng)及其檢測方法。
【背景技術】
[0002]在地震測井中，井下探管的姿態(tài)信息是很重要的參數(shù)之一，尤其是方位角信息，此處所指的方位角是指檢波器水平的一個分量與人工震源產(chǎn)生方向的夾角。
[0003]目前，常用的方位角檢測方法是對檢波器接收到的信號能量的強弱進行計算(即能量法)，進而估計出方位角信息。但是，這種方法并不能實時地得到方位角信息，需要對采集到信號經(jīng)過復雜的運算之后才能得到其估計值，不僅精確度較低，而且延遲性嚴重，并不能滿足實際需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種測井探管三維實時姿態(tài)檢測系統(tǒng)，解決現(xiàn)有技術存在的無法對井下探管的姿態(tài)信息進行實時檢測且精確度不高的問題。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下:
[0006]測井探管三維實時姿態(tài)檢測系統(tǒng)，其特征在于，包括
[0007]傳感器組:用于采集所述測井探管的原始方位角和傾角信息，包括三軸電子羅盤和三軸加速度傳感器，該三軸電子羅盤的三個軸與三軸加速度傳感器的三個軸同軸連接；
[0008]以及，微處理器:通過I2C總線與所述傳感器組相連，內(nèi)嵌有數(shù)據(jù)融合定位解算算法，用于對所述傳感器組采集的原始方位角和傾角信息進行實時解算，得到測井探管的實施姿態(tài)信息。
[0009]進一步地，所述傳感器組還包括用于對所述三軸電子羅盤和三軸加速度傳感器進行動態(tài)補償?shù)娜S陀螺儀，該三軸陀螺儀通過I2C總線與所述微處理器相連，且其三個軸與所述三軸電子羅盤的三個軸同軸。
[0010]優(yōu)選地，所述微處理器為32位基于Cotex-M4內(nèi)核的ARM處理器STM32F407VGT6 ；所述三軸電子羅盤為MEMS磁阻傳感器HMC5883L ;所述三軸加速傳感器為MEMS加速度傳感器BMA020 ;所述三軸陀螺儀為MEMS陀螺儀MPU3050。
[0011]以上述硬件設備為基礎，本發(fā)明提供了相應地測井探管三維實時姿態(tài)檢測系統(tǒng)的檢測方法，包括以下步驟:
[0012](I)選用大地坐標系作為測井探管實時姿態(tài)信息檢測時的參考坐標系；
[0013](2)將三軸電子羅盤、三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀同軸連接，組成傳感器組，并按照測井探管的三分量檢波器的設置方式設置傳感器組的三維坐標軸；
[0014](3)將傳感器組與微處理器通過I2C總線連接；
[0015](4)利用三軸電子羅盤和三軸加速度傳感器測得測井探管的原始姿態(tài)信息，然后由微處理器利用數(shù)據(jù)融合定位解算算法對該原始姿態(tài)信息進行數(shù)據(jù)融合與解算，并通過三軸陀螺儀對其進行動態(tài)補償，得到最終的測井探管姿態(tài)信息。
[0016]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0017]本發(fā)明利用三軸電子羅盤和三軸加速度傳感器按照測井探管的三分量檢波器的設置方式進行定向，以構成檢測探管姿態(tài)信息的基礎設備，并通過三軸電子羅盤和三軸加速度傳感器測得初始的方位角信息和傾角信息，然后利用三軸陀螺儀對其進行動態(tài)補償，以提高檢測的精確度，最后再利用微處理器對測得的方位角信息和傾角信息進行數(shù)據(jù)融合與解算處理，整個過程全自動化處理，無需人工操作，并在采集數(shù)據(jù)之后立刻傳輸給微處理器進行處理，幾乎可以實現(xiàn)同步得出結果，有效地解決了現(xiàn)有技術檢測精度低、難以實現(xiàn)實時獲取探管姿態(tài)信息的問題。本發(fā)明所提供的測井探管三維實時姿態(tài)檢測系統(tǒng)，不僅檢測裝置十分簡單，大大減小了后續(xù)數(shù)據(jù)處理的工作量，提高了數(shù)據(jù)處理速度，還有效提高了檢測精度，提高了地震測井的勘探效率，實現(xiàn)了在檢測的同時實時“看到”井下探管姿態(tài)的目的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明中測井探管三維實時姿態(tài)檢測系統(tǒng)的設置示意圖。
[0019]圖2為本發(fā)明中測井探管水平狀態(tài)下姿態(tài)信息的計算示意圖。
[0020]圖3為本發(fā)明中測井探管傾斜狀態(tài)下姿態(tài)信息的計算示意圖。
[0021]圖4為本發(fā)明中數(shù)據(jù)融合與解算框圖。
[0022]圖5為本發(fā)明中數(shù)據(jù)融合定位解算算法的簡易框圖。
[0023]圖6為本發(fā)明中數(shù)據(jù)融合定位解算算法得到的方位角的效果圖。
[0024]圖7為本發(fā)明中方位角測量方法的示意圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明，本發(fā)明的實施方式包括但不限于下列實施例。
[0026]實施例
[0027]如圖1所示，本發(fā)明公開的測井探管三維實時姿態(tài)檢測系統(tǒng)，主要由傳感器組和微處理器通過I2C總線連接構成。其中，傳感器組由三軸電子羅盤、三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀構成，所述三軸電子羅盤可以有效感知地磁大小，并根據(jù)地磁大小來測出傳感器敏感軸的方位指向，但當三軸電子羅盤傾斜或者受到地磁外強磁場干擾時，會影響其測量精度，造成測量結果的不準確，其在本技術中主要用于采集測井探管的方位角信息。所述三軸加速度傳感器用于測量測井探管的傾角，加速度傳感器可以測量加速度的大??；當沒有外界加速度時，測量的對象為地球的重力加速度在其各個軸向上的分量，通過各個分量的大小即可測出傳感器組的相對于水平面的傾斜角度，而通過該傾斜角度，又可以對三軸電子羅盤做相應的傾斜補償，以提高三軸電子羅盤的測量精度。而所述三軸陀螺儀則用于對所述三軸電子羅盤和三軸加速度傳感器進行動態(tài)補償，三軸陀螺儀可以測量其各個軸向的角速度，通過該角速度，實時地對三軸電子羅盤和三軸加速度傳感器進行補償，以進一步提高測井探管姿態(tài)信息的檢測精度。
[0028]整個傳感器組主要用于完成測井探管姿態(tài)信息的采集，而微處理器則用于對傳感器組采集的信息進行處理，以達到快速完成數(shù)據(jù)處理、實時獲取測井探管的三維姿態(tài)信息的目的。所述微處理器選用32位基于Cotex-M4內(nèi)核的ARM處理器STM32F407VGT6，內(nèi)嵌數(shù)據(jù)融合定位解算算法，通過該算法，微處理器可以將傳感器組采集得到的原始信息進行融合、解算，最終得到需要的測井探管三維姿態(tài)信息。
[0029]需要注意的是，在安裝傳感器組時，應將三軸電子羅盤、三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀的三個軸分別按照相同的方向定位，具體地說，三軸電子羅盤的X軸、三軸加速度傳感器的X軸和三軸陀螺儀的X軸方向應相同；三軸電子羅盤的Y軸、三軸加速度傳感器的Y軸和三軸陀螺儀的Y軸方向應相同；三軸電子羅盤的Z軸、三軸加速度傳感器的Z軸和三軸陀螺儀的Z軸方向應相同。同時，整個傳感器組的三個軸向應與測井探管的三分量檢波器的三個軸向也保持相同。
[0030]下面具體說明測井探管的姿態(tài)信息檢測過程。
[0031]如圖2~圖7所示，首先對下列符號進行定義:
[0032]方位角Ψ:從地磁北方向順時針轉(zhuǎn)到傳感器組X軸向的角度，范圍為O到360°。
[0033]傾角包括俯仰角Ψ和翻滾角Θ，其中:
[0034]俯仰角φ..傳感器組X軸正向與其在水平方面上投影的夾角，向上仰為正，向下俯為負；
[0035]翻滾角Θ:傳 感器組Y軸正向與其在水平面上投影的夾角，右轉(zhuǎn)為正，左轉(zhuǎn)為負；
[0036]考慮到測井探管的三分量檢波器一般情況下為Z軸朝下，變化不大且在傾斜角度過大時對三軸電子羅盤的傾斜補償效果不好，因此，設定俯仰角和翻滾角的范圍為±60°。在安裝傳感器組時，應保持三軸電子羅盤、三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀的同軸向連接，即:三軸電子羅盤、三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀三者的X軸連接；三軸電子羅盤、三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀三者的Y軸連接；三軸電子羅盤、三軸加度素傳感器和三軸陀螺儀三者的Z軸連接。并且，組成的傳感器組與測井探管的三分量檢波器的三個軸向應保持相同的軸向。之后，整個傳感器組通過I2C總線將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給微處理器，經(jīng)微處理器處理后得到測井探管的當前方位角信息和傾角信息，即其姿態(tài)信息。
[0037]在傳感器組對測井探管進行實時檢測時，選用大地坐標系作為參考坐標系。在實際檢測過程中，測井探管可以使水平狀態(tài)，如圖2所示，也可以使傾斜狀態(tài)，如圖3所示，但測井探管處于水平狀態(tài)僅僅是一種特殊情況，絕大多數(shù)時候測井探管均處于傾斜狀態(tài)，因此，本實施例僅對測井探管處于傾斜狀態(tài)時的數(shù)據(jù)處理過程進行說明。
[0038]圖3中測井探管的最終位置看作是從大地坐標通過一系列的旋轉(zhuǎn)得到，每一次的旋轉(zhuǎn)相當于一次坐標變換，沿不同軸向的旋轉(zhuǎn)矩陣依次是:
【權利要求】
1.測井探管三維實時姿態(tài)檢測系統(tǒng)，其特征在于，包括 傳感器組:用于采集所述測井探管的原始方位角和傾角信息，包括三軸電子羅盤和三軸加速度傳感器，該三軸電子羅盤的三個軸與三軸加速度傳感器的三個軸同軸連接； 以及，微處理器:通過I2C總線與所述傳感器組相連，內(nèi)嵌有數(shù)據(jù)融合定位解算算法，用于對所述傳感器組采集的原始方位角和傾角信息進行實時解算，得到測井探管的實施姿態(tài)信息。
2.根據(jù)權利要求1所述的測井探管三維實時姿態(tài)檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器組還包括用于對所述三軸電子羅盤和三軸加速度傳感器進行動態(tài)補償?shù)娜S陀螺儀，該三軸陀螺儀通過I2C總線與所述微處理器相連，且其三個軸與所述三軸電子羅盤的三個軸同軸連接。
3.根據(jù)權利要求2所述的測井探管三維實時姿態(tài)檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述微處理器為32位基于Cotex-M4內(nèi)核的ARM處理器STM32F407VGT6。
4.根據(jù)權利要求3所述的測井探管三維實時姿態(tài)檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述三軸電子羅盤為MEMS磁阻傳感器HMC5883L。
5.根據(jù)權利要求4所述的測井探管三維實時姿態(tài)檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述三軸加速傳感器為MEMS加速度傳感器BMA020。
6.根據(jù)權利要求5所述的測井探管三維實時姿態(tài)檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述三軸陀螺儀為MEMS陀螺儀MPU3050。
7.測井探管三維實時姿態(tài)檢測系統(tǒng)的檢測方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)選用大地坐標系作為測井探管實時姿態(tài)信息檢測時的參考坐標系； (2)將三軸電子羅盤、三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀同軸連接，組成傳感器組，并按照測井探管的三分量檢波器的設置方式設置傳感器組的三維坐標軸； (3)將傳感器組與微處理器通過I2C總線連接； (4)利用三軸電子羅盤和三軸加速度傳感器測得測井探管的原始姿態(tài)信息，然后由微處理器利用數(shù)據(jù)融合定位解算算法對該原始姿態(tài)信息進行數(shù)據(jù)融合與解算，并通過三軸陀螺儀對其進行動態(tài)補償，得到最終的測井探管姿態(tài)信息。
【文檔編號】G01C21/18GK104034333SQ201410265356
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月13日 優(yōu)先權日:2014年6月13日
【發(fā)明者】李懷良, 庹先國, 沈統(tǒng), 劉勇, 蔣鑫, 陽林鋒, 毛小波, 賀春艷 申請人:西南科技大學