CN103649450B - 校准钻凿设备中的传感器的方法和布置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及校准钻凿设备中的传感器的方法，该钻凿设备设有可移动载体（1）、框架（2）和安装成绕垂直于所述框架（2）的转动轴线转动的钻臂组件（5）、测量所述钻臂组件的转动角度的角度传感器（7）以及测量倾斜度的基于重力的倾斜度传感器（8）。根据本发明，所述钻臂组件（5）相对于所述框架（2）转动，测量转动角度的数值和由所述倾斜度传感器提供的倾斜度值，以及基于所测量的数值，确定所述倾斜度传感器的数值与实际的倾斜角度值的偏差。

Description

校准钻凿设备中的传感器的方法和布置
背景技术
本发明涉及一种校准钻凿设备中的传感器的方法，该钻凿设备设置有可移动载体、安装成绕横向于载体的移动方向的水平轴线转动的框架、以及安装在框架上以绕垂直轴线转动的上托架、以及测量上托架相对于框架的转动角度的角度传感器和测量上托架的倾斜度的基于重力的传感器。本发明还涉及一种校准钻凿设备中的传感器的布置，该钻凿设备设置有可移动载体、框架、安装成绕垂直于框架的转动轴线转动的钻臂组件、测量钻臂组件相对于框架的转动角度的角度传感器、以及基于重力的倾斜度传感器，所述基于重力的倾斜度传感器被安装到钻臂组件上且与钻臂组件一起绕转动轴线转动，以测量在两个互相垂直的坐标轴的方向上的倾斜度。
不同类型的测量装置和/或传感器被使用在可移动钻凿设备上，用于期望定向和定位钻杆以及通过其形成的钻孔。这种测量装置通常是基于重力的倾斜度传感器和指示不同可移动部件的移动的传感器。典型实例包括接头的角度传感器和指示线性移动的距离或运动传感器。类似地，指示罗盘方向或基于卫星导航的测量装置用来测量在全局坐标系中的钻凿设备的罗盘方向和位置。
诸如指示钻杆倾斜度的测量装置的简单测量装置能以通过仅使用诸如水平仪或类似装置的少数工具以将钻杆转动到垂直位置的简单方式进行校准。在该情况下，测量装置的显示器示出传感器误差。更复杂的测量装置通常设有用以测量多个方向和角度的多个传感器，且因此它们不是很容易进行校准。
现有设备通常在工厂环境下被校准，而在工厂环境中，足够数量的不同参照装置是可用的，而且具有已知位置的不同倾斜平面、点和其它必需装置或工具可提供用来校准。在该情况下，还有可用的非常精通校准且能够使用上述装置和工具的人。
现有校准方法的问题是缺乏测量装置或不适于校准的环境或所要校准的装置通常必须运送到用来校准的测量场所这个事实。这导致时间和成本两者的损失。而且，如果由于任何原因，有必要核查装置的校准，这无法现场马上完成，而是大量测量装置和其它设备必须运送到位。由于条件差，这还导致测量和校准误差。
发明内容
本发明的目的是提供允许钻凿设备的至少一些传感器比现在的(同样在现场条件下)使用更少工具和更容易地校准、或在不需要单独的测量装置的情况下实施校准的方法和布置。
本发明的方法特征在于，
当钻臂组件绕转动轴线转动时，在钻凿设备下方的表面上将钻凿设备移动到钻凿设备稳定保持在位的位置上而没有倾斜；
将钻臂组件绕转动轴线转动到相对于框架的多个不同转动角度位置；
为每个转动角度位置测量转动角度的数值和由倾斜度传感器提供的倾斜度值；以及
基于所测量的转动角度数值和由倾斜度传感器提供的倾斜度值确定由倾斜度传感器提供的数值与实际的倾斜角度的偏差。
本发明的布置特征在于，
当将钻臂组件绕转动轴线转动到相对于框架的多个不同转动角度位置时，控制单元布置用以
为每个转动角度位置测量转动角度的数值和由倾斜度传感器提供的倾斜度值；以及
基于所测量的转动角度值和由倾斜度传感器提供的倾斜度值计算由倾斜度传感器提供的数值与实际的倾斜角度的偏差。
在该布置的一个实施例中，用于校准的倾斜度传感器是安装到钻臂组件的转动轴线一端以测量框架的倾斜度的传感器，并且用于校准的倾斜度传感器被安装至钻臂组件，使得当钻臂组件转动时，与钻臂组件一起绕转动轴线转动，而在其它情况下，用于校准的倾斜度传感器与钻臂组件移动无关地保持在相对于转动轴线的相同位置。在布置的另一个实施例中，控制单元被布置用以通过使用所测量的角度数值并且通过应用最小二乘法计算倾斜度传感器的偏差值。
在该布置的另一个实施例中，控制单元被布置用以，在校准倾斜度传感器之后，校准转动轴线的转动传感器，钻臂组件保持在相对于钻凿设备的相同位置并且相对于钻凿设备的框架保持在位而不能转动，读取转动传感器的转动角度的数值，当将框架相对于载体绕在框架和载体之间的横向轴线倾斜到不同倾斜角度时，测量倾斜度测量装置的倾斜度传感器的倾斜度值，并且基于转动角度和倾斜角度的所测量的数值计算由转动传感器提供的与实际的转动角度数值的转动角度偏差。
在该布置的另一个实施例中，用于校准的倾斜度传感器是安装到设置在钻臂组件的端部的进给梁以测量进给梁的倾斜度的传感器，并且当钻臂组件和进给梁在整个校准期间保持在相对于彼此的相同位置时，倾斜度传感器在钻臂组件转动时与钻臂组件一起绕转动轴线转动，而在其它情况下，用于校准的倾斜度传感器保持在相对于转动轴线的相同位置。
在该布置的另一个实施例中，控制单元被布置用以在校准过程中测量安装到钻凿设备的框架且在钻臂组件的转动过程中保持与框架静止的倾斜度传感器的倾斜度值，以测量框架的倾斜度，并且通过进给梁的倾斜度传感器计算安装到框架以测量框架的倾斜度的倾斜度传感器的偏差。
在该布置的另一个实施例中，控制单元被布置用以通过使用所测量的角度数值并且通过应用最小二乘法计算倾斜度传感器的偏差值。
本发明基于一种理念，根据该理念，钻臂组件绕其垂直转动轴线转动到多个不同角度位置，对每个角度位置存储转动角度和由指示倾斜度的传感器提供的倾斜度值。该方法还包括基于转动角度和倾斜度值、通过三角函数计算由传感器提供的倾斜度值与实际的倾斜度的偏差，即传感器的零点偏移量。
本发明的优点是不需要用来校准的单独的测量装置，而是可仅使用设置在钻凿设备中的传感器和安装在控制装置的程序来进行校准。这允许同样在现场容易而又快速进行校准而根本不必移动设备。在设有用于操作员的操作室的设备中，可进行校准，而操作员不必离开操作室。
附图说明
现在附图中更详细地描述本发明，其中
图1是钻凿设备和相关坐标系的示意图；
图2a和2b是设在钻凿设备中的倾斜度传感器的校准的示意图，其中用本发明的方法通过转动钻臂组件进行该校准；
图3a和3b是由校准传感器得到的结果的示意图；
图4a和4b是校准钻臂组件的转动传感器的示意图；以及
图5是另一种类型钻凿设备的示意图。
具体实施方式
图1示出设有可移动载体1、框架2的钻凿设备，可移动载体1包括用来移动且通过设备的发动机(未示出)移动的滚轮，框架2与载体附连以便以参照图4a和4b更详细描述的方式绕横向轴线转动。此外，钻凿设备设有绕垂直于框架2的转动轴线4转动的示例性上托架3。当框架2处于水平时，垂直转动轴线4表示在地球坐标系中垂直的轴线。当框架倾斜到任何方向时，转动轴线4自然等量地倾斜到相同方向。
上托架3还设有通过接头与其附连的钻臂组件5、用于钻机6a的进给梁6，钻机6a设在钻臂组件的端部。此外，有钻杆6b和钻头6c。可通过转动角度传感器7测量上托架3的转动和因此钻臂组件5相对于框架2的转动，并且通过与上托架3附连的倾斜度测量装置8的倾斜度传感器测量沿相对于上托架3固定的互相垂直坐标轴SX和SY方向的上托架的倾斜度。倾斜度测量装置8的倾斜度传感器通常基于重力工作。钻凿设备还设有计算单元9，该计算单元9基于由倾斜度测量装置8的倾斜度传感器提交的倾斜度值计算上托架的倾斜度。
图1还示出载体的坐标集x1、y1和z1以及由地球重力确定的坐标集x0、y0和z0，x1表示钻凿设备的行进方向，即直线向前。
测量上托架3的倾斜度的倾斜度测量装置8的倾斜度传感器按以下方式校准。当上托架和与其附连的钻臂组件5以及与钻臂组件附连的装置绕转动轴线4转动时，钻凿设备移动到其稳定保持在位的适当表面上而没有倾斜。类似地，框架2和上托架3一直保持在相对于载体1的相同位置。假设在校准过程中，钻凿设备的框架2保持在相同位置而没有倾斜，则钻凿设备的载体不必是水平的，其倾斜度也不必是已知的。
钻凿设备的上托架3以图2a和2b中所示方式绕转动轴线4转动到不同转动位置i，且在每个转动位置i中，记录由角度传感器提供的转动角度ST和由倾斜度测量装置8的倾斜度传感器提供的上托架在轴线SX和SY的方向上的倾斜度值。上托架3优选地以足够大小的角度(例如90°)转动，而倾斜度测量装置8的倾斜度传感器因此处于90°的转动角度，如图2b中所示。自然地，转动角度可小于或大于90°，而由于传感器测量数值之间的有数学相关性，因此可按以下方式计算由安装传感器导致的误差(即所谓的偏移值)。
TY＝asin(-sin(SX)cos(ST)+sin(SY)sin(ST))(1)
TX＝asin((sin(SY)cos(ST)+sin(SX)sin(ST))/cos(TY))(2)，
其中
TY表示载体的纵向倾斜度，即其绕轴y0的转动。
TX表示载体的横向倾斜度，即其绕转动轴x0(轴x0’)的转动
ST表示上托架绕轴z1的转动角度
SX表示上托架相对于水平平面的纵向倾斜度
SY表示上托架相对于水平平面的横向倾斜度
图3a和3b是基于从设备的校准得到的期望误差值形成的、在钻凿设备的纵向轴X和横向轴Y的方向上的倾斜度的示意图。
由于当上托架转动时，如上所述，设备载体不移动，因此如果倾斜度传感器的精度是最佳的，那么在每个测量点的计算将产生常数TX[i]和TY[i]。然而，由于倾斜度传感器包含零点偏移，即由错误安装导致的误差，因此当上托架3的转动角度改变时，数值TX[i]和TY[i]不会保持常数，而是变化，这使其看起来像是载体倾斜似的。
根据本方法，对倾斜度测量装置8的两个倾斜度传感器估算零点偏移值SXoffset和SYoffset，接着在每个测量点通过这些零点偏移量计算载体的倾斜度TY和TX。
TY[i]＝f(SX[i]-SXoffset，SY[i]-SYoffset，ST[i])(3)
TX[i]＝f(SX[i]-SXoffset，SY[i]-SYoffset，TY[i]，ST[i])(4)
不同零点偏移值的SXoffset和SYoffset导致载体的倾斜度TX[i]和TY[i]的变化不同。当通过最佳估算的零点偏移值SXoffset和SYoffset计算这些数值时，载体的倾斜度值的变化可最小化。这在图3a中示出，其示出当零点偏移值的SXoffset和Syoffset值与最佳值不同时，倾斜度值以转动角度的函数的方式变化。
图3b则示出说明正确的零点偏移值的SXoffset和Syoffset值如何总是导致与转动角度无关的基本上正确的载体倾斜度值的曲线图。
实践中，可通过不同数学方法计算零点偏移值的SXoffset和Syoffset值，例如通过使用最小二乘法计算针对转动角度的零点偏移值的成对的SXoffset和Syoffset值的数值列TY[i]和TX[i](对应于成对的SXoffset和Syoffset值)的平均误差平方之和。此后，在零点偏移值的成对的SXoffset和SYoffset值中，可选择误差平方之和最小的那一对值。使用还用作用来设备定向的定位装置的计算器9执行该计算。
图4a和4b则示出如何校准上托架的转动传感器和与上托架附连的钻臂组件的转动传感器，或相应地只是钻臂组件的转动传感器。这里出发点是已按上述方式校准的上托架的倾斜度传感器。当钻凿设备已稳定且不可移动地就位时，在校准过程中，上托架3和由此还有钻臂组件5保持在相对于钻凿设备的相同位置并且不会相对于载体1从该位置转动。
当上托架3处于该位置时，存储转动角度传感器7的读数。上托架接着沿钻凿设备的纵向方向绕横向倾斜轴线11相对于载体1在图4a和4b中所示的极限位置α和β之间以适当的倾斜度间隔倾斜。极限位置角度α和β在大小上可不同或相同。
为每个倾斜角度测量通过指示倾斜度测量装置8的x和y轴的倾斜度的倾斜度传感器测量的倾斜度值。
基于所得到的数值、倾斜度值、保持不变的转动角度和由经校准的倾斜度传感器提供的倾斜度值，可计算转动角度传感器7的零点偏移量，以便倾斜度测量装置8的传感器的测量轴最大可能程度地处在转动传感器的相对于钻凿设备的纵向轴线的零度角度上。
图5是另一种类型钻凿设备的示意图。其示出对应于图1中的钻凿设备的钻凿设备，除了其在载体和框架之间不具有倾斜轴线，因此框架总是以与载体相同的方式倾斜。而且，尽管单独的上托架和操作室可按类似于图1的方式设置，但是该实施例的钻凿设备也不具有单独的上托架或用于操作员的操作室。类似地，图1的钻凿设备可没有操作室和单独的上托架。
此外，钻凿设备具有倾斜度测量装置8和相关的用于测量框架倾斜度的倾斜度传感器，该传感器固定地安装到框架上，以便当钻臂组件5转动时，其不会与钻臂组件5一起转动。
根据该实施例，借助于进给梁的倾斜测量装置12的被安装成相对于进给梁6不可移动的倾斜度传感器来进行校准。
在校准过程中，钻臂组件5和进给梁6首先被放置在这样的一个位置上，即：在该位置中，它们可绕转动轴线4转动而不会被周围可能存在的障碍物阻挡，并且它们保持在位以便它们相对于彼此的位置不会改变，而且它们也不会相对于钻凿设备的框架2转动。例如，进给梁6可安装到近似垂直的位置，但是由于可在计算过程中考虑倾斜度的偏差，因此关于方向本身的精确度没有显著要求。
当钻臂组件5和相关联的进给梁6已安装到合适位置时，钻臂组件绕转动轴线4转动到不同转动角度，并且同时，在每个转动角度位置测量由进给梁的倾斜度测量装置12的倾斜度传感器提供的倾斜度值。
而且，可在校准过程中测量由框架2的倾斜度测量装置8的倾斜度传感器提供的倾斜度值，由于倾斜度测量装置8不会与钻臂组件5一起转动，因此这些数值与钻臂组件的转动无关地保持相同。进给梁6的倾斜度测量装置12的倾斜度传感器提供的读数允许确定框架的倾斜度测量装置8的倾斜度传感器的偏移值。
本发明的方法可自然地不仅应用于借助计算机程序的传感器的适当校准而且可应用于传感器的连续状态监测，甚至是允许传感器自动地进行校准的程序。
附图和说明书仅披露示例性设备，而方法可用于其中。载体中的滚轮可用轮子替换，而钻凿设备则在其上移动。上托架可包括具有控制操作室的发动机和其它致动器(如果有的话)以及钻臂，该钻臂和其附件一起与上托架附连并与上托架一起转动。可替代地，发动机和其它致动器可与框架附连，而钻臂及其附件仅附连到上托架。

Claims (14)

1.一种校准钻凿设备中的传感器的方法，所述钻凿设备设置有可移动载体(1)、框架(2)、安装成绕垂直于所述框架(2)的转动轴线转动的钻臂组件(5)、测量所述钻臂组件相对于所述框架(2)的转动角度的角度传感器、以及基于重力的倾斜度传感器，所述基于重力的倾斜度传感器被安装到所述钻臂组件(5)且与所述钻臂组件一起绕所述转动轴线(4)转动，以测量在两个互相垂直的坐标轴的方向上的倾斜度，其特征在于，
当所述钻臂组件(5)绕所述转动轴线(4)转动时，在所述钻凿设备下方的表面上将所述钻凿设备移动到所述钻凿设备稳定地保持在位的位置而没有倾斜；
将所述钻臂组件(5)绕所述转动轴线(4)转动到相对于所述框架(2)的多个不同转动角度位置；
为每个转动角度位置测量所述转动角度的数值和由所述倾斜度传感器提供的所述倾斜度值；以及
基于所测量的转动角度数值和由所述倾斜度传感器提供的所述倾斜度值确定由所述倾斜度传感器提供的数值与实际的倾斜角度的偏差。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用于校准的所述倾斜度传感器是安装在所述钻臂组件(5)的所述转动轴线(4)一端以测量所述框架(2)的倾斜度的传感器，并且用于校准的所述倾斜度传感器被安装到所述钻臂组件(5)，使得当所述钻臂组件转动时，与所述钻臂组件(5)一起绕所述转动轴线(4)转动，而在其它情况下，用于校准的所述倾斜度传感器与所述钻臂组件的移动无关地保持在相对于所述转动轴线(4)的相同位置。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过使用所测量的角度数值并且通过使用最小二乘法计算所述倾斜度传感器的偏差值。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，在校准所述倾斜度传感器之后，校准所述转动轴线(4)的转动传感器，所述钻臂组件(5)保持在相对于所述钻凿设备的相同位置并且相对于所述钻凿设备的框架(2)保持在位而不转动，同时读取所述转动传感器的转动角度的数值，并且将所述框架(2)相对于所述载体(1)绕在所述载体和框架之间的横向倾斜轴线(11)倾斜到不同倾斜角度，同时测量通过所述倾斜度测量装置的所述倾斜度传感器提供的倾斜度数值，并且基于所述转动角度和所述倾斜角度的所测量的数值计算由所述转动传感器提供的与实际的转动角度数值的转动角度偏差。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用于校准的所述倾斜度传感器是安装到设置在所述钻臂组件(5)的端部的进给梁(6)以测量所述进给梁的倾斜度的传感器，并且所述钻臂组件(5)和所述进给梁(6)在整个校准期间保持在相对于彼此的相同位置，所述倾斜度传感器在所述钻臂组件转动时与所述钻臂组件(5)一起绕所述转动轴线(4)转动，而在其它情况下，所述倾斜度传感器保持在相对于所述转动轴线(4)的相同位置。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在校准过程中测量通过安装到所述钻凿设备的框架且在所述钻臂组件(5)的转动过程中保持与所述框架(2)静止的倾斜度传感器提供的倾斜度值，以测量所述框架(2)的倾斜度，并且通过所述进给梁(6)的所述倾斜度传感器确定安装到所述框架以测量所述框架(2)的倾斜度的所述倾斜度传感器的偏差。
7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，通过使用所测量的角度值并且通过使用最小二乘法计算所述倾斜度传感器的偏差值。
8.一种用于在钻凿设备中根据权利要求1所述的方法校准传感器的布置，所述钻凿设备设置有可移动载体(1)、框架(2)、安装成绕垂直于所述框架(2)的转动轴线转动的钻臂组件(5)、测量所述钻臂组件相对于所述框架(2)的转动角度的角度传感器、以及基于重力的倾斜度传感器，所述基于重力的倾斜度传感器被安装到所述钻臂组件(5)且与所述钻臂组件一起绕所述转动轴线(4)转动，以测量在两个互相垂直的坐标轴的方向上的倾斜度，其特征在于，
当将所述钻臂组件(5)绕所述转动轴线(4)转动到相对于所述框架(2)的多个不同的转动角度位置时，控制单元布置用以
为每个转动角度位置测量所述转动角度的数值和由所述倾斜度传感器提供的所述倾斜度值；以及
基于所测量的转动角度数值和由倾斜度传感器提供的倾斜度值计算由所述倾斜度传感器提供的数值与实际的倾斜角度的偏差。
9.如权利要求8所述的布置，其特征在于，用于校准的所述倾斜度传感器是安装在所述钻臂组件(5)的所述转动轴线(4)一端以测量所述框架(2)的倾斜度的传感器，并且用于校准的所述倾斜度传感器被安装至所述钻臂组件(5)，使得当所述钻臂组件转动时，与所述钻臂组件(5)一起绕所述转动轴线(4)转动，而在其它情况下，用于校准的所述倾斜度传感器与所述钻臂组件的移动无关地保持在相对于所述转动轴线(4)的相同位置。
10.如权利要求9所述的布置，其特征在于，所述控制单元布置用以通过使用所测量的角度数值并且通过使用最小二乘法计算所述倾斜度传感器的偏差值。
11.如权利要求9或10所述的布置，其特征在于，所述控制单元被布置用以：在校准所述倾斜度传感器之后，校准所述转动轴线(4)的转动传感器，所述钻臂组件(5)保持在相对于所述钻凿设备的相同位置并且相对于所述钻凿设备的框架(2)保持在位而不能转动；读取所述转动传感器的转动角度的数值；在将所述框架(2)相对于所述载体(1)绕在所述框架和载体之间的横向倾斜轴线(11)倾斜到不同倾斜角度时，测量通过所述倾斜度测量装置的所述倾斜度传感器提供的倾斜度值；和基于所述转动角度和所述倾斜角度的所测量的数值计算由所述转动传感器提供的与实际的转动角度数值的转动角度偏差。
12.如权利要求8所述的布置，其特征在于，用于校准的所述倾斜度传感器是安装到设置在所述钻臂组件(5)的端部的进给梁(6)以测量所述进给梁的倾斜度的传感器，并且当所述钻臂组件(5)和所述进给梁(6)在整个校准期间保持在相对于彼此的相同位置时，所述倾斜度传感器在所述钻臂组件转动时与所述钻臂组件(5)一起绕所述转动轴线(4)转动，而在其它情况下，所述倾斜度传感器保持在相对于所述转动轴线(4)的相同位置。
13.如权利要求12所述的布置，其特征在于，所述控制单元被布置用以在校准过程中测量通过安装到所述钻凿设备的框架且在所述钻臂组件的转动过程中保持与所述框架(2)静止的倾斜度传感器提供的倾斜度值，以测量所述框架(2)的倾斜度，并且通过所述进给梁(6)的所述倾斜度传感器计算安装到所述框架以测量所述框架(2)的倾斜度的倾斜度传感器的偏差。
14.如权利要求12所述的布置，其特征在于，所述控制单元被布置用以通过使用所测量的角度数值并且通过使用最小二乘法计算所述倾斜度传感器的偏差值。
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