CN103591927B - 井下钻机姿态测量仪及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种井下钻机姿态测量仪及其测量方法。测量仪固定于钻机推进器的轨道上，包括电源电路模块、惯性测量系统和控制显示部分，惯性测量系统包括三轴光纤陀螺仪、三轴加速度计、DSP处理器和FPGA采集电路等，控制显示部分包括STM32控制器和显示器等。测量方法中，STM32控制器发送测量点位置信息和寻北命令给FPGA采集电路，三轴光纤陀螺仪和三轴加速度计开始工作，将敏感的转动运动的角速度和平移运动的加速度在DSP处理器进行姿态解算，得到钻机的姿态；然后，惯性测量系统一直实时测量钻机的当前姿态直至测量结束。本发明无需借助外界信息仅依靠装置自身就可以自动、快速、精确地测量与显示井下钻机姿态信息。

Description

井下钻机姿态测量仪及其测量方法
技术领域
本发明涉及井下钻机姿态测量的技术，具体涉及一种无需借助外界信息可以自动测量井下钻机姿态(方位角、俯仰角)信息的装置和方法，也可用于井下其它设备姿态信息的测量。
背景技术
对于瓦斯矿井，必须先抽采瓦斯再采煤。这就要求在井下施工大量的瓦斯抽采孔，而且为保证高的瓦斯抽采率，要求施工钻机按照预先设计的方位角与俯仰角进行打孔作业。这样就必须测量钻机的姿态信息，以保证钻机姿态最终调整到预先设计的方位角与俯仰角。目前，公知的井下钻机方位角、俯仰角的确定是靠人工测量的方式来完成，其借助于巷道本身的方位角，通过人工投影与几何测量的方法来确定井下钻机的姿态信息。这种人工测量的方法缺点明显：耗费大量人力、测量时间长、测量误差大，难以满足快速精确测量的实际要求。
发明内容
为了克服人工测量方法的不足，本发明提供了一种井下钻机姿态测量仪及其测量方法，该井下钻机姿态测量仪采用广泛应用于航空航天的惯性技术，其特点是不需要任何外界信息仅靠仪器自身可以自动测定钻机的初始方位角与俯仰角，当钻机姿态调整时可以动态测量钻机的实时方位角与俯仰角。
本发明提供的井下钻机姿态测量仪，固定于钻机推进器的轨道上。井下钻机姿态测量仪包括电源电路模块、惯性测量系统和控制显示部分。惯性测量系统包括惯性测量单元和导航计算机；惯性测量单元包括三轴光纤陀螺仪和三轴加速度计，导航计算机包括信号调理电路、A/D（模拟/数字）采样模块、DSP（Digital Signal Processing，数字信号处理）处理器和FPGA（Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）采集电路。控制显示部分包括STM32控制器、显示器、键盘鼠标、USB通讯电路和Nand-flash存储器。
电源电路模块将镍氢电池组输出的直流电压经过隔离升压或降压，再经稳压和限流后供给惯性测量系统和控制显示部分。
三轴光纤陀螺仪敏感井下钻机姿态测量仪的三个转动运动的角速度，并通过RS422通信线输入FPGA采集电路。三轴加速度计敏感井下钻机姿态测量仪的三个平移运动的加速度，将输出的电流信号输入信号调理电路；信号调理电路将电流信号通过跨阻运放和低通滤波转换为电压信号，并输入给A/D采样模块；A/D采样模块将输入的电压信号转化为数字脉冲信号，并输入给FPGA采集电路。FPGA采集电路将输入的转动运动的角速度和平移运动的加速度打包后传给DSP处理器。DSP处理器进行捷联姿态解算得到钻机的方位角和俯仰角，并传送给FPGA采集电路。FPGA采集电路通过RS232串口输出给STM32控制器。
STM32控制器将得到的方位角和俯仰角通过显示器显示给用户，同时将方位角与俯仰角信息存入Nand-flash存储器，Nand-flash存储器中的数据可通过USB总线传送到PC机中，在PC机中完成数据读取与操作。
基于上面所述的井下钻机姿态测量仪，本发明提供的井下钻机姿态测量方法，具体是：开机上电后，STM32控制器发送测量点位置信息给导航计算机，发送成功后，STM32控制器发送寻北命令给导航计算机；导航计算机接收到寻北命令后，触发三轴光纤陀螺仪和三轴加速度计开始工作，并将测量得井下钻机姿态测量仪的三个转动运动的角速度和三个平移运动的加速度输入给DSP处理器进行捷联姿态解算，将解算得到钻机的方位角和俯仰角输出给STM32控制器；然后，导航计算机实时测量钻机的当前姿态并输出给STM32控制器，直至测量结束。
本发明的井下钻机姿态测量仪及其测量方法的有益效果是，本发明不依赖任何外界信息，通过捷联姿态解算方法自动测量井下钻机的姿态(方位角、俯仰角)信息，并可实时显示给用户，从而可替代现有人工几何测量方法，克服现有方法费时费力、测量时间长、测量误差大等缺点。
附图说明
图1是本发明的井下钻机姿态测量仪的系统原理图；
图2是本发明的控制显示部分的外部控制面板示意图；
图3是本发明的井下钻机姿态测量仪的外壳示意图；
图4是本发明的井下钻机姿态测量仪在钻机上的安装示意图。
图5是本发明的井下钻机姿态测量方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供的井下钻机姿态测量仪，如图1所示，包括电源电路模块1、惯性测量系统2和控制显示部分3。
电源电路模块1包括镍氢电池组、充电接口和二次电源模块。镍氢电池组输出的直流电压经过隔离升压或降压，产生的电压经稳压和限流后供给惯性测量系统2和控制显示部分3。
惯性测量系统2包括惯性测量单元21和导航计算机22。惯性测量单元21包括三轴加速度计211和三轴光纤陀螺仪212。导航计算机22包括信号调理电路221、A/D采样模块222、FPGA采集电路223和DSP处理器224。
三轴加速度计211敏感井下钻机姿态测量仪的三个平移运动的加速度。三轴光纤陀螺仪212敏感井下钻机姿态测量仪的三个转动运动的角速度。三轴光纤陀螺仪212将敏感得到的转动运动的角速度信号通过RS422通信线输入FPGA采集电路223。三轴加速度计211敏感得到的平移运动的加速度信号输出为电流信号，将电流信号输入信号调理电路221。在信号调理电路221中将电流信号通过跨阻运放和低通滤波转换为电压信号，然后将电压信号输入给A/D采样模块222。A/D采样模块222将输入的电压信号转化为数字脉冲信号，并输入给FPGA采集电路223。FPGA采集电路223将三轴光纤陀螺仪212输入的转动运动的角速度信号和A/D采样模块222输入的平移运动的加速度信号打包后，传送给DSP处理器224。DSP处理器224进行捷联姿态解算得到钻机的方位角和俯仰角，并传送给FPGA采集电路223。FPGA采集电路223通过RS232串口将钻机的方位角和俯仰角输出给控制显示部分3的STM32控制器31，并存储在Nand-flash存储器32中。
控制显示部分3包括STM32控制器31、Nand-flash存储器32、LCD显示器33、鼠标键盘34和USB通讯电路35。STM32控制器31将得到的方位角和俯仰角通过LCD显示器33显示给用户，同时将方位角与俯仰角信息存入Nand-flash存储器32。Nand-flash存储器32中的数据可通过USB总线传送到PC机中，在PC机中完成数据读取与操作。
如图2所示，为本发明的井下钻机姿态测量仪的控制显示部分的外部控制面板示意图。其中，控制面板上设有开关电源按钮、USB接口、充电接口、键盘鼠标接口以及LCD显示器33。
如图3所示，井下钻机姿态测量仪具有一个采用不锈钢材料制成的外壳，惯性测量系统2放置在箱中。
本发明提供的钻机姿态测量仪，整体包括如下组成部件：采用不锈钢材料制成的外壳、LCD、防水鼠标、镍氢电池组、三轴光纤陀螺传感器、三轴加速度计传感器、STM32控制器、计算模块、储存模块、充电/USB航空头及辅助夹具。
如图4所示，本发明提供的钻机姿态测量仪的内部结构示意图，包括：三轴加速度计传感器、三轴光纤陀螺传感器、信号调理电路、A/D采样模块、FPGA、DSP、STM32控制器、电源电路、LCD显示器、鼠标键盘、USB通讯电路和存储器Flash。
采用三个高精度光纤陀螺和三个石英加速度计组成惯性测量组件，通过信号调理电路再经24位A/D采样模块转换为数字电压信号送入下位机控制器FPGA，再送入DSP处理器，利用寻北算法及姿态更新算法输出钻机的方位角与俯仰角信息，再将方位角与俯仰信息返回FPGA，后经RS232串口送入微控制器STM32，将方位角与俯仰角信息存入Nand flash存储器并通过显示器显示操作菜单、钻机姿态信息等。Nand flash存储器中的数据可通过USB总线传送到PC机中，在PC机中完成数据读取与操作
如图4所示，通过辅助夹具将井下钻机姿态测量仪固定于钻机推进器的轨道上。开机后镍氢电池组输出的直流电压经隔离升压或降压电路产生两路±5V、一路±15V、一路+5V，再经稳压与限流，分别供给惯性测量系统2中的三轴光纤陀螺仪212、三轴加速度计211及导航计算机22。如图1所示，其中一路±5V和一路﹢5V供给三轴光纤陀螺仪212，一路±15V供给三轴加速度计211，另外一路±5V供给导航计算机22。三轴光纤陀螺仪212的输出通过RS422接口输入FPGA采集电路223，三轴加速度计211的输出为电流，经过信号调理电路221中的跨阻运放及低通滤波转化为电压，再通过A/D采样模块222转换为数字脉冲信号输入FPGA采集电路223。FPGA采集电路223将采集的陀螺仪信号和加速度计信号传给DSP处理器224进行导航解算。DSP处理器224将经过导航解算得到的方位角及俯仰角输入给FPGA采集电路223，FPGA采集电路223通过RS232通信线和STM32控制器31进行通信。
控制显示部分3主要由STM32控制器31扩展组成，扩展单元包括Nand-flash存储器32、LCD显示器33、鼠标键盘34和USB通讯电路34。Nand-flash存储器32用以存储FPGA采集电路223通过RS232通讯口传到STM32控制器31的姿态信息、三轴光纤陀螺仪212的输出信号和三轴加速度计211的输出的经过处理得到的数字脉冲信号。LCD显示器33采用640×480的彩色LCD，显示操作菜单、参数设置及测量结果等。鼠标键盘34进行初始参数（当前位置）的输入和控制命令的选择。USB通讯电路35可以将Nand-flash存储器31中的数据传送到PC机中。
如图5所示，为利用本发明的井下钻机姿态测量仪进行井下钻机姿态测量方法的流程。开机上电后，通过鼠标键盘34输入测量点位置信息（经度、纬度、高度），并在LCD显示器33显示，点击“参数设置”命令，STM32控制器31将位置信息通过RS232接口发送给导航计算机22，导航计算机22接收到位置信息后，返回“收到”应答。通过显示器33观察到“收到”应答后，再通过STM32控制器31下发“寻北命令”，导航计算机22接收到后通过FPGA采集电路223采集三轴光纤陀螺仪212和三轴加速度计211敏感的数据，并输入给DSP处理器224进行寻北解算，同时实时上传姿态参数、寻北状态及寻北时间。寻北结束后，将寻北姿态参数信息和寻北结束标志上传到STM32控制器31并显示到LCD显示器33上。之后井下钻机姿态测量仪自动转入到连续测量模式，实时测量钻机的当前姿态，并将测量解算的姿态存入Nand-flash存储器32中，同时上传到STM32控制器31并显示到LCD显示器33上，直至测量结束。
本发明无需借助外界信息仅依靠装置自身就可以自动、快速、精确地测量与显示井下钻机姿态信息。

Claims (2)

1.一种井下钻机姿态测量仪，其特征在于，包括：电源电路模块、惯性测量系统和控制显示部分；电源电路模块将镍氢电池组输出的直流电压经过隔离升压或降压，再经稳压和限流后供给惯性测量系统和控制显示部分；惯性测量系统包括惯性测量单元和导航计算机；惯性测量单元包括三轴光纤陀螺仪和三轴加速度计，导航计算机包括信号调理电路、A/D采样模块、DSP处理器和FPGA采集电路；控制显示部分包括STM32控制器、显示器、键盘鼠标、USB通讯电路和Nand-flash存储器；
三轴光纤陀螺仪敏感井下钻机姿态测量仪的三个转动运动的角速度，并通过RS422通信线输入FPGA采集电路；三轴加速度计敏感井下钻机姿态测量仪的三个平移运动的加速度，将输出的电流信号输入信号调理电路；信号调理电路将电流信号通过跨阻运放和低通滤波转换为电压信号，并输入给A/D采样模块；A/D采样模块将输入的电压信号转化为数字脉冲信号，并输入给FPGA采集电路；FPGA采集电路将输入的转动运动的角速度和平移运动的加速度打包后传给DSP处理器；DSP处理器进行捷联姿态解算得到钻机的方位角和俯仰角，并传送给FPGA采集电路；FPGA采集电路通过RS232串口将钻机的方位角和俯仰角输出给STM32控制器；
STM32控制器将得到的方位角和俯仰角通过显示器显示给用户，同时将方位角与俯仰角信息存入Nand-flash存储器，Nand-flash存储器中的数据通过USB总线传送到PC机中，在PC机中完成数据读取与操作。
2.基于权利要求1所述的井下钻机姿态测量仪的井下钻机姿态测量方法，其特征在于，具体实现过程为：开机上电后，STM32控制器发送测量点位置信息给导航计算机，发送成功后，STM32控制器发送寻北命令给导航计算机；导航计算机接收到寻北命令后，触发三轴光纤陀螺仪和三轴加速度计开始工作，并将测量得井下钻机姿态测量仪的三个转动运动的角速度和三个平移运动的加速度输入给DSP处理器进行捷联姿态解算，将解算得到钻机的方位角和俯仰角输出给STM32控制器；然后，导航计算机实时测量钻机的当前姿态并输出给STM32控制器，直至测量结束。
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