CN108678732B - 一种基于北斗导航技术的三维测绘装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于北斗导航技术的三维测绘装置，包括测绘装置外壳、姿态采集卡槽、导向工件和姿态角度测量装置，所述测绘装置外壳的右端螺纹连接有电子仓，所述电子仓的内部固定安装有姿态角度测量装置，所述测绘装置外壳的内部轴向连接有导向工件，所述导向工件的左端螺纹连接有指向式测绘笔，整个装置建立了基于三轴加速度计与角速率陀螺仪的导向轴姿态组合测量方法，消除了工具旋转、摇摆所导致的姿态角度计算误差，从而解算得到较为准确的导向轴倾角、相对方位角、导向轴转速等工具姿态参数，解决了导向工具旋转外套与导向轴都处于旋转状态下的姿态测量信号传输问题。

Description

一种基于北斗导航技术的三维测绘装置

技术领域

本发明涉及三维测绘装置领域，具体为一种基于北斗导航技术的三维测绘装置。

背景技术

整个社会的全面快速发展使得能源的需求量在持续增加，其中，石油已经成为全球各个国家在提高其综合实力过程中不可或缺的战略性资源。但是，世界上大部分油田已经陆续进入到了开采后期，油藏开采的难度在不断增加，开采过程中遇到的地质情况变得日益复杂。

传统的定向钻井技术以及滑动导向钻井技术，由于在钻井过程中存在着非常多的局限性，已经不能适合钻采难度大、地质环境复杂的井眼使用。于是必须采用一种全新的闭环钻井技术，其既可以较好地控制井眼轨迹，又能够让钻柱在井下工作过程当中遇到的摩擦阻力尽可能地小，最重要的是可以尽快地解决复杂地层环境的影响；另外，其井下工具需要根据实时测量结果及时采取适当的措施，以使其具有良好的应变能力，从而尽可能地减少控制井眼轨迹所需要的辅助时间，现有的关于钻井技术三维测绘导向装置还存在以下不足之处：

例如，申请号为201711008183.1，专利名称为一种机载中型激光雷达三维测绘装置的发明专利：

其中嵌入式计算机、激光扫描仪以及惯性测量仪均设置于壳体内，集成度高，保证测绘装置整体结构美观，且方便将其搭载于飞行器上，具有应用灵活、三维测量精度高、获取植被以下地形、自主导航、变高飞行等优势，可用于丘陵、山区的高精度三维地形测绘。

但是，现有的基于北斗导航技术的三维测绘装置存在以下缺陷：

(1)现有的用于钻井技术的导向机构动力来自于涡轮发电机，因而对其依赖性比较高，轴承的磨损相对比较严重，这将会给钻具的寿命带来一定的影响；

(2)传统的导向钻井技术最初使用的测量井斜的仪器大多数都属于静态测量，且完成一次测量的时间较长、精度不高、抗干扰的能力也一般，不可以用在对井斜的实时测量上，现有的随钻测量仪虽然可以测量和传送姿态参数，但其动态测量效果欠佳，也不能直接用于导向钻井工具的姿态参数动态实时测量。

发明内容

为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种基于北斗导航技术的三维测绘装置，能有效的解决背景技术提出的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于北斗导航技术的三维测绘装置，包括测绘装置外壳、姿态采集卡槽、导向工件和姿态角度测量装置，所述测绘装置外壳的右端螺纹连接有电子仓，所述电子仓的内部固定安装有姿态角度测量装置，所述测绘装置外壳的内部轴向连接有导向工件，所述导向工件的左端螺纹连接有指向式测绘笔，所述导向工件的外壁上固定安装有姿态采集卡槽，所述姿态采集卡槽的两端与测绘装置外壳内壁固定连接。

进一步地，所述导向工件包括导向外壳和导向轴，所述导向轴的外壁通过密封垫片与导向外壳固定连接，所述导向轴的两侧还固定安装有扭矩传递机构，所述导向轴的内壁上还轴向连接有转动轴，所述转动轴的两侧面固定安装有第一无框电机，所述第一无框电机的右端通过连接法兰连接内偏心环，所述内偏心环的右端通过球座固定安装在转动轴的外壁上，所述内偏心环的外表面设置有外偏心环，所述外偏心环的右端固定安装有第二无框电机。

进一步地，所述第二无框电机的右端与导向轴左端固定连接。

进一步地，所述扭矩传递机构包括弹性扭矩元件和联接盘，所述联接盘的内部通过等径三棱孔轴相连接，所述等径三棱孔轴的外壁上串接有多个弹性扭矩元件。

进一步地，所述等径三棱孔轴的数量为多个，且多个等径三棱孔轴之间均通过扭矩弹簧相连接。

进一步地，所述姿态采集卡槽的内部固定安装有传感器组，所述传感器组的信号端反馈连接到姿态角度测量装置上，所述姿态角度测量装置的内部设置有导向轴控制器，所述导向轴控制器的控制端通过信号线分别连接有第一电机伺服器和第二电机伺服器，所述第一电机伺服器的信号端连接与第一无框电机相连接，所述第二电机伺服器的控制端与第二无框电机相连接。

进一步地，所述第一无框电机的控制端与外偏心环相连接，所述第二无框电机的控制端与内偏心环相连接。

进一步地，所述外偏心环和内偏心环的控制端均与导向轴相连接。

进一步地，所述导向轴的控制端连接有测量采集系统，所述测量采集系统包括导向轴姿态采集装置和导向轴姿态解算系统，所述导向轴姿态采集装置的内部设置有微控制器，所述微控制器的信号端连接有加速度计，所述微控制器的信号端还连接有角速率陀螺，所述微控制器的输出端通过无线收发器与导向轴姿态解算系统相连接。

进一步地，所述导向轴姿态解算系统包括Labview控制器，所述Labview控制器的后面板连接有数模转换模块，所述Labview控制器的信号端与无线收发器相连接，所述Labview控制器的前面板连接有显示界面。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的三维测绘装置建立了基于三轴加速度计与角速率陀螺仪的导向轴姿态组合测量方法，利用角速率陀螺仪的速率测量信号对三轴加速度计的测量信号进行转速补偿，以消除(削弱)工具旋转、摇摆所导致的姿态角度计算误差，从而解算得到较为准确的导向轴倾角、相对方位角、导向轴转速等工具姿态参数，解决了导向工具旋转外套与导向轴都处于旋转状态下的姿态测量信号传输问题；

(2)本发明的三维测绘装置采用双闭环控制来实现对地面环境测绘的控制，地面监控系统通过下行通讯模块将地面环境测绘轨迹(工具倾角、相对方位角等)指令下传至地面环境测绘轨迹控制器，地面环境测绘轨迹控制器根据测量系统测量得到的当前井眼轨迹估计值实时更新其指向角度，导向轴控制器根据测量系统测量得到的当前导向轴姿态参数估计值产生新的导向轴倾角和相对方位角。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的导向工件结构示意图；

图3为本发明的扭矩传递机构结构示意图；

图4为本发明的姿态角度测量装置示意图；

图5为本发明的测量采集系统示意图。

图中标号：

1-测绘装置外壳；2-导向工件；3-姿态角度测量装置；4-姿态采集卡槽；5-电子仓；6-传感器组；7-指向式测绘笔；

201-导向外壳；202-导向轴；203-扭矩传递机构；204-第一无框电机；205-内偏心环；206-球座；207-外偏心环；208-第二无框电机；209-联接盘；210-等径三棱孔轴；211-弹性扭矩元件；212-扭矩弹簧；213-转动轴；214-密封垫片；215-连接法兰；

301-导向轴控制器；302-第一电机伺服器；303-第二电机伺服器；304-显示界面；305-Labview控制器；306-数模转换模块；307-测量采集系统；308-导向轴姿态采集装置；309-导向轴姿态解算系统；310-角速率陀螺；311-加速度计；312-微控制器；313-无线收发器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图5所示，本发明提供了一种基于北斗导航技术的三维测绘装置，包括测绘装置外壳1、姿态采集卡槽4、导向工件2和姿态角度测量装置3，所述测绘装置外壳1的右端螺纹连接有电子仓5，所述电子仓5的内部固定安装有姿态角度测量装置3，所述测绘装置外壳1的内部轴向连接有导向工件2，所述导向工件2的左端螺纹连接有指向式测绘笔7，所述导向工件2的外壁上固定安装有姿态采集卡槽4，所述姿态采集卡槽4的两端与测绘装置外壳1内壁固定连接。

所述导向工件2包括导向外壳201和导向轴202，所述导向轴202的外壁通过密封垫片214与导向外壳201固定连接，所述导向轴202的两侧还固定安装有扭矩传递机构203，所述导向轴202的内壁上还轴向连接有转动轴213，所述转动轴213的两侧面固定安装有第一无框电机204，所述第一无框电机204的右端通过连接法兰215连接内偏心环205，所述内偏心环205的右端通过球座206固定安装在转动轴213的外壁上，所述内偏心环205的外表面设置有外偏心环207，所述外偏心环207的右端固定安装有第二无框电机208，所述第二无框电机208的右端与导向轴202左端固定连接。

本实施例中，导向工件2的扭矩传递机构203可以将导向外壳201旋转所产生的扭矩传递到导向轴202，使导向轴202带动指向式测绘笔7对地面进行测绘，扭矩传递机构203也是导向轴202的转动支点，套接在球座206上的内偏心环205安装在外偏心环207内部，第一无框电机204的输出轴通过连接法兰215与外偏心环207连接，第二无框电机208的输出轴通过连接法兰215与内偏心环205连接，同时无框电机通过法兰和内、外偏心环直接连接，这样无框电机也可以直接驱动内、外偏心环。

本实施例中，导向轴202的左端插入球座206中，使两者配合形成一个圆柱副，球座206和偏心环形成一个球绞副，这样的设计使导向轴202在摆动的过程中不会被卡死，导向轴202右端连接扭矩传递机构203，扭矩传递机构203右端使用波纹管实现密封，在导向轴最右端设有锥螺纹便于安装指向式测绘笔7，在导向轴202左端设有电子仓5用于安装姿态角度测量系统3。

本实施例中，指向式测绘笔7采用双闭环控制来实现对地面环境测绘的控制，地面监控系统通过下行通讯模块将地面环境测绘轨迹(工具倾角、相对方位角等)指令下传至地面环境测绘轨迹控制器，地面环境测绘轨迹控制器根据测量系统测量得到的当前井眼轨迹估计值实时更新其指向角度，导向轴控制器根据测量系统测量得到的当前导向轴姿态参数估计值产生新的导向轴倾角和相对方位角。

所述扭矩传递机构203包括弹性扭矩元件211和联接盘209，所述联接盘209的内部通过等径三棱孔轴210相连接，所述等径三棱孔轴210的外壁上串接有多个弹性扭矩元件211，所述等径三棱孔轴210的数量为多个，且多个等径三棱孔轴210之间均通过扭矩弹簧212相连接。

本实施例中，弹性扭矩元件211采用多层多头钢制弹性扭矩元件，弹性扭矩元件211与联接盘209焊接联接或强力粘接联接，联接盘209与主轴和输出元件的联接采用等径三棱孔轴210联接，使该新型弹性扭矩装置在传递运动和扭矩时无相对滑移运动和转动，无摩擦和动态惯性运动，因此，具有结构尺寸小、传动功率较大、传输转速高、卸荷能力强等特点，能满足高速大功率高精磨削主轴扭矩传递的要求。

所述姿态采集卡槽4的内部固定安装有传感器组6，所述传感器组6的信号端反馈连接到姿态角度测量装置3上，所述姿态角度测量装置3的内部设置有导向轴控制器301，所述导向轴控制器301的控制端通过信号线分别连接有第一电机伺服器302和第二电机伺服器303，所述第一电机伺服器302的信号端连接与第一无框电机204相连接，所述第二电机伺服器303的控制端与第二无框电机208相连接，所述第一无框电机204的控制端与外偏心环207相连接，所述第二无框电机208的控制端与内偏心环205相连接。

本实施例中，电机控制器301根据其控制指令控制伺服驱动器驱动相应无框电机工作，如果当其中一个无框电机没有输出时，其相对应的偏心环就没有转动，另外一个无框电机直接驱动其偏心环为整个偏置机构提供动力；如果当两个无框电机同时有输出时，内偏心环205和外偏心环207同时转动，可以使导向轴202的偏置位移更快速更有效的连续从最小值到最大值的调节，偏置机构作用的方向和大小由两个偏心环的合偏心位移所确定，从而以导向轴摆动的角位移来改变指向式测绘笔7实时测绘的方向，直到指向式测绘笔7沿预设的轨迹进行测绘，最终形成预期轨迹，实现导向目的。

所述外偏心环207和内偏心环205的控制端均与导向轴202相连接，所述导向轴202的控制端连接有测量采集系统307，所述测量采集系统307包括导向轴姿态采集装置308和导向轴姿态解算系统309，所述导向轴姿态采集装置308的内部设置有微控制器312，所述微控制器312的信号端连接有加速度计311，所述微控制器312的信号端还连接有角速率陀螺310，所述角速率陀螺310使用CS-ARS-02系列的角速率陀螺仪，所述微控制器312的输出端通过无线收发器313与导向轴姿态解算系统309相连接。

本实施例中，对于加速度计311和角速率陀螺仪310输出的四组测量信号可以使用微控制器312自带的十位AD转换器进行采样转换就能够满足要求，这样可以使系统更加简单，硬件电路更加紧凑，更能适应地面上狭小空间。

本实施例中，加速度计311选择使用ADXL337型号的加速度计进行姿态测量性能测试，测试结果表明导向轴倾角测量误差不大于0.4°，相对方位角测量误差不大于4°，验证了整个系统的设计性能。

本实施例中，为三轴加速度计311和角速率陀螺仪310提供低纹波的基准电压，减小传感器本身的测量误差，这样才可以得到更稳定、更精确的信号输出，从而得到更准确的解算角度。

所述导向轴姿态解算系统309包括Labview控制器305，所述Labview控制器305的后面板连接有数模转换模块306，所述Labview控制器305的信号端与无线收发器313相连接，所述Labview控制器305的前面板连接有显示界面304。

本实施例中，测量采集系统307的实质就是对导向轴倾角、相对方位角、导向轴转速等参数进行实时测量及采集，并将采集到的测量数据传输至Labview控制器305，Labview控制器305通过显示界面304实现对导向轴的实时控制。

本实施例中，测绘工具建立了基于三轴加速度计与角速率陀螺仪的导向轴姿态组合测量方法，利用角速率陀螺仪的速率测量信号对三轴加速度计的测量信号进行转速补偿，以消除(削弱)工具旋转、摇摆所导致的姿态角度计算误差，从而解算得到较为准确的导向轴倾角、相对方位角、导向轴转速等工具姿态参数，解决了导向工具旋转外套与导向轴都处于旋转状态下的姿态测量信号传输问题。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (9)

1.一种基于北斗导航技术的三维测绘装置，包括测绘装置外壳(1)、姿态采集卡槽(4)、导向工件(2)和姿态角度测量装置(3)，其特征在于：所述测绘装置外壳(1)的右端螺纹连接有电子仓(5)，所述电子仓(5)的内部固定安装有姿态角度测量装置(3)，所述测绘装置外壳(1)的内部轴向连接有导向工件(2)，所述导向工件(2)的左端螺纹连接有指向式测绘笔(7)，所述导向工件(2)的外壁上固定安装有姿态采集卡槽(4)，所述姿态采集卡槽(4)的两端与测绘装置外壳(1)内壁固定连接；

所述导向工件(2)包括导向外壳(201)和导向轴(202)，所述导向轴(202)的外壁通过密封垫片(214)与导向外壳(201)固定连接，所述导向轴(202)的两侧还固定安装有扭矩传递机构(203)，所述导向轴(202)的内壁上还轴向连接有转动轴(213)，所述转动轴(213)的两侧面固定安装有第一无框电机(204)，所述第一无框电机(204)的右端通过连接法兰(215)连接内偏心环(205)，所述内偏心环(205)的右端通过球座(206)固定安装在转动轴(213)的外壁上，所述内偏心环(205)的外表面设置有外偏心环(207)，所述外偏心环(207)的右端固定安装有第二无框电机(208)。

2.根据权利要求1所述的一种基于北斗导航技术的三维测绘装置，其特征在于：所述第二无框电机(208)的右端与导向轴(202)左端固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于北斗导航技术的三维测绘装置，其特征在于：所述扭矩传递机构(203)包括弹性扭矩元件(211)和联接盘(209)，所述联接盘(209)的内部通过等径三棱孔轴(210)相连接，所述等径三棱孔轴(210)的外壁上串接有多个弹性扭矩元件(211)。

4.根据权利要求3所述的一种基于北斗导航技术的三维测绘装置，其特征在于：所述等径三棱孔轴(210)的数量为多个，且多个等径三棱孔轴(210)之间均通过扭矩弹簧(212)相连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于北斗导航技术的三维测绘装置，其特征在于：所述姿态采集卡槽(4)的内部固定安装有传感器组(6)，所述传感器组(6)的信号端反馈连接到姿态角度测量装置(3)上，所述姿态角度测量装置(3)的内部设置有导向轴控制器(301)，所述导向轴控制器(301)的控制端通过信号线分别连接有第一电机伺服器(302)和第二电机伺服器(303)，所述第一电机伺服器(302)的信号端连接与第一无框电机(204)相连接，所述第二电机伺服器(303)的控制端与第二无框电机(208)相连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于北斗导航技术的三维测绘装置，其特征在于：所述第一无框电机(204)的控制端与外偏心环(207)相连接，所述第二无框电机(208)的控制端与内偏心环(205)相连接。

7.根据权利要求6所述的一种基于北斗导航技术的三维测绘装置，其特征在于：所述外偏心环(207)和内偏心环(205)的控制端均与导向轴(202)相连接。

8.根据权利要求7所述的一种基于北斗导航技术的三维测绘装置，其特征在于：所述导向轴(202)的控制端连接有测量采集系统(307)，所述测量采集系统(307)包括导向轴姿态采集装置(308)和导向轴姿态解算系统(309)，所述导向轴姿态采集装置(308)的内部设置有微控制器(312)，所述微控制器(312)的信号端连接有加速度计(311)，所述微控制器(312)的信号端还连接有角速率陀螺(310)，所述微控制器(312)的输出端通过无线收发器(313)与导向轴姿态解算系统(309)相连接。

9.据权利要求8所述的一种基于北斗导航技术的三维测绘装置，其特征在于：所述导向轴姿态解算系统(309)包括Labview控制器(305)，所述Labview控制器(305)的后面板连接有数模转换模块(306)，所述Labview控制器(305)的信号端与无线收发器(313)相连接，所述Labview控制器(305)的前面板连接有显示界面(304)。

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