CN112730893A - 抗机械震动mems加速计布置、相关方法、设备和系统 - Google Patents

抗机械震动mems加速计布置、相关方法、设备和系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种抗机械震动MEMS加速计布置、相关方法、设备和系统。描述确定地下工具的加速度的加速计布置和方法。支撑第一三轴加速计和第二三轴加速计使得第一三轴加速计的垂直感应轴至少总体上正交于所述第二三轴加速计的垂直感应轴，以用于基于来自于三轴加速计之一或二者的感应轴输出的组合来确定沿三个正交轴的加速度。可以将一个三轴加速计的较弱感应轴支撑为至少近似地垂直于另一三轴加速计的较弱感应轴，使得不使用较弱轴。可以支撑三轴加速计使得一个加速计的一个轴相对于另一加速计的另一轴是冗余的。一个三轴加速计可以被安装在相对于另一三轴加速计的倾斜面上。

Description

抗机械震动MEMS加速计布置、相关方法、设备和系统
本申请是申请日为2015年7月2日、申请号为201580020102.2、名称为“抗机械震动MEMS加速计布置、相关方法、设备和系统”的专利申请的分案申请。
相关申请
本书面文件要求2014年7月2日提交的美国临时专利申请序列号62/019,887、2014年7月7日提交的美国临时专利申请序列号62/021,618以及2015年7月1日提交的美国非临时专利申请序列号14/789,071的优先权，其每一项通过援引其整体内容而并入在此。
技术领域
本书面文件总体上涉及MEMS加速计，并且更具体地，涉及具有对机械震动的增强抵抗的MEMS加速计套件以及相关方法、设备和系统。
背景技术
在现代电子器件中，加速计已经变得无处不在。在这方面，测量沿三个正交轴的加速度可以提供对装置方位的基本上完整的表征。在单个、便捷的套件中配置成测量沿三个正交轴的加速度的加速计通常被称为三轴加速计。
许多现代电子系统将加速计应用于多种不同目的。作为一个通用例子，可以表征相关装置的操作状态或物理方位。作为另一更为特定于装置的例子，加速计可以用于检测硬盘驱动处于自由下落的状态中，使得在预计到即将发生的碰撞所引起的机械震动时，可以寄存驱动的读/写磁头。作为另一个特定于装置的例子，现代蜂窝智能电话通常包括加速计以确定电话的方位，以用于显示方位管理，并且可以由可以被安装在智能电话上的许多应用所使用。注意到的是对于适于例如蜂窝智能电话的消费级电子的加速计的需求已经驱动通常低成本的MEMS三轴加速计的开发。
作为另一特定于装置的例子，加速计可以用作水平定向钻井系统中的地下工具(“inground tool”)所携带的发射机的一部分，以用于监视地下工具的方位和移动。此类的监视可以促进操纵以及监视地下工具的位置。正如如下将详细描述的，已经认识到在使得加速计经受机械震动和振荡环境的设备中使用消费级低成本加速计会造成这些设备的故障。尽管以往的整体故障率并不高，但发射机任何的过早故障将导致重大的问题，包括在获得新的发射机时令全体人员和设备空闲，错过最终期限，以及在购买新的发射机所涉及的花费。到目前为止，由于缺乏认可的、实用的替代，业内仍在继续使用这些加速计。
本书面文件提供一种新的方式，其提供在高的机械震动和振荡环境中以增强可靠性的方式来使用低成本消费级加速计。
发明内容
下面结合旨在是示例性和说明性而非在范围上起限制性的系统、工具和方法来描述和说明实施例和其多个方面。在各种实施例中，已经减小或消除上述问题中的一个或多个问题，而其他的实施例针对于感兴趣的其他领域。
通常，描述一种加速计布置和方法，其用于在地下操作期间确定地下工具沿三个正交轴的加速度，该地下操作将加速计布置暴露于机械震动和振荡的环境。在本公开的一个方面中，加速计布置包括第一MEMS三轴加速计和第二MEMS三轴加速计，其每个包括一组三个正交布置的加速计，其感应包括一对面内(“in-plane”)感应轴和垂直(“normal”)感应轴的轴，使得垂直感应轴在响应于机械震动和振荡时相比于面内感应轴经受更高的故障率。支撑结构支撑第一三轴加速计和第二三轴加速计，使得第一三轴加速计的垂直感应轴至少总体上正交于第二三轴加速计的垂直感应轴。处理器基于来自于第一三轴加速计和第二三轴加速计之一或二者的感应轴输出的组合确定沿三个正交轴的加速度。
在另一个方面中，加速计布置包括第一MEMS三轴加速计和第二MEMS三轴加速计，每个包括比另外两个感应轴更易受机械震动和振荡影响的较弱感应轴。支撑结构支撑第一三轴加速计和第二三轴加速计，使得第一三轴加速计的较弱感应轴至少近似垂直于第二三轴加速计的较弱感应轴。处理器基于来自于第一和第二三轴加速计的感应轴输出的组合而不使用第一和第二三轴加速计的每个的较弱感应轴来确定沿三个正交轴的加速度。
在另一个方面中，加速计布置包括第一加速计套件和第二加速计套件，每个加速计套件包括一个或多个感应轴，使得第一加速计套件和第二加速计套件共同地提供用于沿三个正交轴感应的总计至少四个感应轴。支撑结构支撑第一加速计和第二加速计，使得第一加速计套件的至少一个感应轴关于第二加速计套件的至少一个感应轴是冗余的。处理器被配置成从总计数目的感应轴中选择三个感应轴的组合以确定沿三个正交轴的加速度。
在另一个实施例中，加速计布置包括第一MEMS三轴加速计和第二MEMS三轴加速计。支撑结构支撑第一和第二三轴加速计，使得第一三轴加速计支撑在相对于支撑第二三轴加速计的第二平面形成至少近似于45度的角度的第一平面上。处理器基于来自于第一和第二三轴加速计的感应轴输出的组合确定沿三个正交轴的加速度。
附图说明
在所引用的附图中示出示例性的实施例。这里所公开的实施例和附图旨在是示例性的而非限制性的。
图1根据使用双三轴MEMS加速计的本公开的发射机的图解正面示图。
图2是图1的发射机的加速计布置的实施例的图解透视图。
图3是示出图1的发射机的实施例的示意图。
图4是示出图1的发射机的操作的实施例的流程图。
图5和6是图1的加速计布置的实施例的图解视图。
图7是示出用于基于从两个或多个加速计导出的感应轴组合的优先级表、根据本申请操作发射机的方法的实施例的流程图。
图8是用于根据本公开支撑双加速计的另一实施例的图解图示的透视图，其中在非垂直于彼此的平面上支撑加速计。
发明详述
提供下面的描述以使得本领域的技术人员能够做出和使用本发明，并且在专利申请和其要求的上下文中提供该描述。本领域技术人员将容易明白对于所述实施例的各种修改，并且这里所教导的通用原理可以应用于其他的实施例。因此，本公开并不旨在限于这里所示出的实施例，而是赋予与这里所述的包括修改和等同的原理和特征相一致的最宽范围，正如所附权利要求所定义的范围内。注意到附图并不是按比例的并且本质上是以被认为最佳的示出感兴趣的特征的方式来图解的。描述性的术语可以关于这些描述来使用，然而，该术语是以促进读者的理解的意图来采用的，而非旨在是限制性的。进一步，为了清楚说明，附图并不按比例绘制。
现在转向附图，其中贯穿各种附图类似的组件由类似的参考编号来指示，立即关注图1，其是图解性地示出发射机的实施例的正视图，该发射机通常由参考编号10来指示，以用于水平定向钻井系统。发射机10由地下工具14来支撑，例如诸如用于执行钻井操作的钻具或与用于执行拉回操作的后钻孔工具(“back-reaming tool”)一起使用的张力监视布置。正如将变得明显，本公开与任何这样的应用相关，该应用令某些组件经受机械震荡和振动环境。
发射机10包括处理器20，其与发射机部22通信，该发射机部耦合到用于发射信号28的天线24，该信号例如诸如可以是偶极子信号的定位信号。当发射机安装在其中时，该发射机可以包括至少总体上与地下工具14的伸长轴对准的伸长轴30。注意到为了清楚说明的目的，在图1中并未示出组件间布线，但应该理解的是其存在。在另一实施例中，发射机部10可以包括也用于接收入射的电磁信号的收发器。仍在另一实施例中，地上通信可以通过使用钻柱(未示出)来实现，该钻柱作为电导体附接到地下工具14，如例如在美国专利申请号2013/0176139所描述的，其整体内容通过援引并入在此。应该理解的是这里的教导保持适用而无论实施的特定通信路径或多个通信路径。可以提供任意合适的传感器组合作为发射机的一部分，例如诸如压力传感器32、温度传感器36和加速计布置40。通过处理器20从这些各种传感器所收集的数据可以例如通过调制信号28来发送。
结合图1参考图2，在一个实施例中，加速计布置40包括在发射机10内所支撑的MEMS加速计布置。MEMS加速计布置包括第一MEMS三轴加速计44a和第二三轴加速计44b。注意到这些加速计可以共同地由参考编号44来指代。图2是MEMS加速计套件40的放大图解透视图。第一三轴MEMS加速计44a包括正交感应轴x1、y1和z1，而第二三轴MEMS加速计44b包括正交感应轴x2,y2和z2。注意到轴x2和z1可以至少近似地对准于或平行于伸长轴30，尽管这不是所需的。可以以任何合适的方式来支撑三轴加速计并电连接。在本例子中，第一印刷电路板50支撑并电连接三轴MEMS加速计44a而第二印刷电路板52支撑并电连接第二三轴MEMS加速计44b。通常，相同部分编号可以用于三轴MEMS加速计二者，尽管这不需要。三轴MEMS加速计可以是便宜的、消费级MEMS加速计，例如诸如在蜂窝电话中找到的三轴加速计。此类消费级三轴加速计的一个非限制性例子是由飞思卡尔半导体所制造的MMA8451Q。在本实施例中，加速计44配置有I2C接口，使得处理器20通过从每个三轴加速计内的特定存储器进行读取来访问沿每个轴的读数，尽管可以使用包括模拟的任意合适形式的接口。
三轴MEMS加速计已经变得可以广泛地获得，并且在许多情形中是市场中可获得的最便宜的加速计。这些加速计已经普遍存在于范围从蜂窝电话到玩具的应用中。然而，地下钻井可以令加速计经受更高和/或更为延长的机械震荡级别，而这些机械震荡级别在某些环境中可能超过这些组件通常被设计的阈值。具体地，申请人认识到三轴MEMS加速计的z轴(其可以称为垂直轴或较弱轴)在暴露于极端的震荡条件下时，往往比其他的轴更多的发生故障，由此限制组件的整体性能。尽管存在该限制，但在没有更为合适的替代下，定位系统的制造商仍使用这些组件。这里公开的教导补偿了该限制，当这些加速计被使用在地下钻井应用中或其他的极端机械震荡的条件下时，提供了显著的更高级别的可靠性的可能性。
在图2的透视图中可以很好地看到，MEMS加速计44a被安装成正交于MEMS加速计44b，使得加速计44a的z1轴至少近似地正交于加速计44b的z2轴，并且x1,y1面至少近似地正交于x2,y2面。注意到给定加速计的x和y感应轴可以称为面内轴，因为这些轴定义了这样的面，该面至少总体上平行于支撑三轴加速计套件的平面，而z轴可以称为垂直轴。在一个实施例中，可以基于沿加速计44a的轴x1以及加速计44b的轴x2和y2的感应来获得针对于三个正交布置的轴的加速计读数，使得使用x1加速计读数来替代来自于加速计44b的z2读数。在另一个实施例中，可以基于沿加速计44a的轴x1和y1以及沿加速计44b的轴x2的感应来获得加速计读数，使得使用x2加速计读数来替代于来自于加速计44a的z1读数。在这些实施例的之一中，不需要来自于双加速计的z轴的传感器读数。以另一种方式来陈述，两个三轴MEMS加速计套件可以被安装成垂直于或正交于彼此，由此允许一个套件中的垂直加速计可以由另一套件中的面内加速计来替代。该解决方案提供了超出以标准方式来使用多个加速计(即，使用所有三个轴)的简单冗余，因为这仍将令设备暴露于z轴的潜在故障。通过比较，申请人的配置专门设计成消除这些组件中所认识到的最薄弱环节，即z轴。
参考图3，示出发射机10的一个实施例的示意图。为了清楚的目的，类似组件的描述将不会被重复。在本实施例中，I2C接口100将三轴MEMS加速计44a和44b连接到CPU 20。如果压力传感器32和温度传感器36之一是模拟传感器，则其可以使用模数转换器104来接口连接至处理器20。
图4是示出总体上由参考编号200所指示的方法的一个实施例的流程图，该方法用于根据本公开来操作发射机10。该方法开始于开始204并且前进到208，此处读取加速计44a的轴x1。在210处，读取加速计44b的轴x2，接着在212处，读取加速计44b的轴y2。基于正在确定的参数或多个参数，可以分别地，以任意合适的顺序或组合来读取各种加速计轴。作为非限制性的例子，此类的参数包括地下工具14的俯仰角(“pitch”)和翻滚角(“roll”)。在216处，加速计读数用于执行确定，例如诸如俯仰角和/或翻滚角方位参数。
图5和图6是为了进一步说明性的目的而示出的加速计布置40的一个实施例的图解透视图。
应该理解的是除了使用低成本三轴MEMS加速计来提供鲁棒性的加速计布置以外，通过上述的实施例来提供进一步的优势。例如，可以关于加速计读数来提供冗余性。参考图2，在使用轴x1,x2和y2的实施例中，不使用加速计44a的轴y1，并且例如如果经历y2的故障，则使用加速计44a的轴y1来替代于加速计44b的轴y2。
已经公开的教导可以轻易地被应用于其他的实施例，而这些其他的实施例被认为落入到本申请的范围内，只要给定的实施例实践避免使用较弱轴。例如，在一个实施例中，双加速计布置可以包括一对双轴加速计，使得垂直z或较弱轴并不出现在任一的实施例中，并且双加速计被支撑成至少近似于垂直或正交于彼此，使得双轴加速计之一的面内轴用作z轴或垂直轴。在另一实施例中，三轴加速计可以与双轴加速计配对，使得双轴加速计的面内轴被支撑成用于替代于三轴加速计的较弱z轴或垂直轴。仍在另一个实施例中，三轴加速计可以与单轴加速计配对，使得单轴加速计被支撑于用于替代于三轴加速计的较弱z轴或垂直轴。仍在另一个实施例中，具有一对面内加速计的双轴加速计可以与单轴加速计配对，使得单轴加速计被布置成至少近似垂直或正交于双轴加速计的面内加速计。
尽管上述的教导整体上提供了更为坚韧的加速计套件，另外的鲁棒性可以从两个三轴套件获得，正如下面即将描述到的。
应该理解的是两个三轴套件可以提供加速计的八种组合，其可以用作单个三轴加速计，其中两个加速计可以用于每个笛卡尔方向。表1列出根据图2中示出的加速计轴的组合。注意到的是在图2中示出一组主坐标轴X,Y,Z，使得表1的最后列针对于给定组合的每个感应轴指示与相应的主坐标轴关联的符号。
表1
双三轴加速计的可用组合
Figure BDA0002824145530000071
Figure BDA0002824145530000081
*＝增强的可靠性
如表1中的星号所指示的，存在两种组合1和4，其通过消除在两个加速计套件中对垂直加速计的所有使用来提供最坚韧的布置。
对于组合1、2、4和8，指示为
Figure BDA0002824145530000089
的俯仰角如下给出：
Figure BDA0002824145530000088
对于组合1和5，指示为β的翻滚角通过例子如下给出：
Figure BDA0002824145530000082
对于组合2和6，翻滚角通过例子如下给出：
Figure BDA0002824145530000083
申请人认识到表1中的每个组合的适当功能性可以通过针对每种组合对三个加速度的平方进行求和来验证。和应该等于重力加速度g的平方。通常使用变量a,b,和c来表示针对于每种组合的三个加速计读数：
g2＝a2+b2+c2 等式(4)
在实际应用中，可以对等式4的平方的和施加范围限制，以考虑加速计的精确性和其他的测量误差，使得与等式4的具体和相关联的加速计可以被认为正确地操作，只要和落入在
Figure BDA0002824145530000084
和
Figure BDA0002824145530000085
之间。作为非限制性的例子，对于
Figure BDA0002824145530000086
和
Figure BDA0002824145530000087
的合适值至少分别近似于0.958g2和1.05g2，或从1g开始的+/-5％变化。
在一个实施例中，加速计组合的排序列表可以用于确定使用哪种加速计组合，该排序列表令位于列表顶部的最为可靠的组合作为优选项。表2代表此类的排序列表的一个实施例，其中描述了来自于表1的组合编号。
表2
用于双三轴加速计的优先级表
优先级顺序 组合编号 组合的轴
1 1* x<sub>2</sub>,y<sub>2</sub>,x<sub>1</sub>
2 4* x<sub>2</sub>,y<sub>1</sub>,x<sub>1</sub>
3 2 x<sub>2</sub>,y<sub>1</sub>,z<sub>2</sub>
4 3 z<sub>1</sub>,y<sub>2</sub>,z<sub>2</sub>
5 5 z<sub>1</sub>,y<sub>2</sub>,x<sub>1</sub>
6 6 z<sub>1</sub>,y<sub>1</sub>,z<sub>2</sub>
7 7 z<sub>1</sub>,y<sub>1</sub>,x<sub>1</sub>
8 8 x<sub>2</sub>,y<sub>2</sub>,z<sub>2</sub>
*＝增强的可靠性
应该理解的是例如表2的优先级表的使用并不需要使用具有较弱轴的一个或多个加速计。可以根据涉及可靠性的任意类型的考虑来做出优先级分配。作为非限制性的例子，此类的考虑可以从物理安装、支持的电连接、环境暴露和历史的可靠性来导出。在一些实施例中，即使当加速计轴组合被认为都至少总体上展示出相同的可靠性，也可以使用优先级表，以便提供在此之前未看到的整体优先级水平。
参见图7，示出基于例如表2的优先级表操作发射机10的方法的实施例，总体上由参考编号200来指示。方法200开始于开始204，例如，当发射机和加速计首先被打开并且前进到208。该后一步骤将每个优先级计数器和循环计数器设置为值1。循环计数器的目的将在下文的合适点处被公开。在210处，产生表2中的针对于加速计的第一或最高级组合的加速计的平方的和。在214处，针对于gmin2和gmax2来测试平方值的和，并且如果值在范围内，则操作被选路至218处，使得加速计的当前组合被用于常规操作。在常规操作期间，可以针对于故障在220处周期性地监测和/或测试选择的加速计组合，例如，基于等式4和/或任意合适的因子。如果检测到没有故障，则在224处重新开始常规操作。如果在220处检测到加速计故障，则操作返回到208处，使得重新开始过程。
返回到214的讨论，如果平方的和在范围之外，操作前进到230处，其中将优先级顺序计数器的值增加1。在234处，针对于表2中总共数目的可用加速计组合来测试优先级顺序计数器的值。如果优先级顺序计数器的当前值并没有超过可用组合的总数目，则操作返回到210处并且从其前进。否则，操作前进到238处，其中针对循环计数限度来测试循环计数器的当前值。循环计数器的目的涉及MEMS加速计由于静态电荷力而变为临时被卡住的潜在性。相应地，不必基于到达优先级表列表的底部来停止加速计选择过程。相反，在宣布加速计套件不可用前，优先级表列表可以被重复循环通过若干次，或选择过程可以无限次地连续进行以期待加速计变得可工作。作为循环架构的一部分，应该理解的是可以例如基于由步骤220的检测来测试或重新测试感应轴的每个可用组合，包括在第一实例中调用测试过程的组合。通过这种方式，随后变得可操作的先前故障的组合可以被置入服务中。注意到的是测试步骤238和循环架构并不是必需的。在不使用循环计数的实施例中，步骤214可以在每次进入该步骤时通知操作员加速计测试正在执行。如果在238处不超过循环计数，则操作前进到240处，其增加循环计数并且将优先级顺序计数器设置为1。操作接着返回到210处并且从其前进。另一方面，如果238确定循环计数超过循环计数限度(其例如通过制造商来建立)，则可以在244处向操作员发布警告。
上述的方法和相关的设备可以与附加的加速计套件一起使用，该附加的加速计套件具有任意数目的感应轴和/或单个的感应轴，以便甚至具有更多的冗余性。进一步，图4和7的过程并不限于三轴加速计套件并且不需要加速计套件来彼此垂直地安装，只要可以从选择的加速计求解出三个笛卡尔加速度方向，正如下面即将详细描述地。
现在关注于图8，其是根据本公开支撑双加速计的另一实施例的图解透视图。注意到的是独立于物理封装来示出加速计轴，并且使用来自于图1和图2的参考名称来指示轴。为了简化图解，第一电路板50和第二电路板52被示为平面，而加速计44a和44b被认为位于它们各自的坐标轴的原点。在本实施例中，第二电路板52以相对于第一电路板52的锐角β而被支撑。角度β可以具有任意合适的值。在一个实施例中，β可以是至少近似45°。如图1中可以看到，x2轴可以至少近似对准或平行于发射机的伸长轴，尽管这并不是必需的。图1中的加速计44a的面内轴x1和y1保持至少近似平行于第一电路板50，但已经旋转一定的角度。z1轴至少近似正交于电路板50的平面。在本实施例中，角度α至少近似等于45°。在其他的实施例中，对于α可以使用任意合适的角度。例如，α可以处于从20°到160°的范围内，其将允许对于感兴趣的轴上的足够投射。
仍参考图8，应该理解的是角度α和β可以在制造的时候确定和/或基于执行的校准过程来确定，例如当发射机和加速计布置被支撑在已知的物理位置。校准过程可以基于可以参考于发射机的机壳的三个正交轴来在六个基本方位上定位发射机。这些基本方位可以对应于0°、90°、180°和270°的翻滚角位置，而一个俯仰角为0°，以及多个俯仰角为+/-90°。通过这种方式，可以确定角度α和β以及轴x2相对于发射机的伸长轴的任意角度变化。每个轴的方位可以以公知的方式来表征，例如基于使用发射机伸长轴和0翻滚角方位作为参考的欧拉角度。基于针对角度α和β所描述的值，加速计44a的每个轴相对于加速计44b的每个轴倾斜或展示出一定的角度偏移。正如将看到的，图8中所绘出的加速计布置以及其变形提供显著数目的轴的组合以及灵活性，以便测量翻滚角方位和俯仰角方位。
表3提出根据图8的实施例的、可以用于翻滚角和俯仰角方位的轴的组合。注意到对于每种组合，两个轴用于检测翻滚角方位而一个不同的轴用于检测俯仰角方位。对于特定的组合，用于检测翻滚角方位的轴使用R来标记而用于检测俯仰角方位的轴被标记为“P”。如表的最后一列所列出的，当用于俯仰角测量的轴相对于轴x2倾斜时，俯仰角测量可以对于角度β或角度α和β敏感，这里为了本例子的目的而假设轴x2平行于发射机的伸长轴。由于假设轴x2平行于伸长轴，相对于使用x2的俯仰角测量，没有展示出那样的敏感性(在表中指示为“N/A”)。
表3
针对俯仰角和翻滚角的加速计轴组合
翻滚角组合 x1 y1 z1 x2 y2 z2 俯仰角敏感性正比于：
1a P R R N/A
1b P R R sinβ
1c P R R cosβ,sinα
1d P R R cosβ,cosα
2a R P R N/A
2b R P R cosβ,cosα
2c R P R sinβ
3a R P R N/A
3b R P R sinβ
4a R P R N/A
4b R P R cosβ,cosα
4c R P R sinβ
5a R P R N/A
5b R P R sinβ
5c P R R cosβ,sinα
相应地，十五种不同的组合是可用的。应该理解的是这些组合可以被优先级排序。例如，依赖于z1或z2的组合可以比不依赖于这些轴的组合分配有相对更低的优先级。依赖于z1和z2的组合仍可以被分配较低的优先级。申请人认为表1中范围广的一系列轴组合可以提供对于一个或多个加速计轴就俯仰角和翻滚角测量而言故障的显著免疫。注意到的是表3中给出的15个组合中的14个组合使用来自两个三轴加速计的输出。
仍参考图8，可以使用利用每个加速计的所有三个轴的附加组合。在这些实施例中，由加速计44a或44b任意一个所做出的正交x、y和z加速计测量被求解在发射机的参考轴上，例如，至发射机的伸长轴和对应于零翻滚角方位的轴上。在图8的例子中，发射机伸长轴被附加地标记为Gx并且在假设x2至少近似平行于伸长轴的情况下对应于轴x2。翻滚角方位参考轴Gy对应于轴y2，假设发射机定位在零度的翻滚角参考位置，并且参考轴Gz正交于Gx和Gy。在获得这些值的情况下并且在一个实施例中，可以基于下式来确定翻滚角方位：
Roll＝atan2(Gy，Gz) 等式(5)
应该理解的是函数atan2是反正切函数，其具有两个参量并且对于确定的翻滚角返回合适的象限。
在另一个实施例中，可以基于下式来确定翻滚角方位
Figure BDA0002824145530000131
相应地，就确定翻滚角方位的能力而言，可以基于等式5和6来提供甚至更多的灵活性。
为了说明性和描述性的目的而提供本发明的上述描述。本意并非是穷举性的或将本发明限于这里所公开的精确形式或多个精确形式，并且鉴于上述的教导，其他的修改和变化也是可以的。相应地，本领域技术人员将认识到上述所公开的实施例的某些修改、排列、增加和子组合。
优选地包括这里所描述的所有单元、部件和步骤。将要理解的是这些单元、部件和步骤的任意可以由其他的单元、部件和步骤来代替，或一起被删除，正如它们对于本领域技术人员来说将是明显的。
概括地说，本书面文件公开至少下面的内容：
描述一种用于确定地下工具的加速度的加速计布置和方法。支撑第一三轴加速计和第二三轴加速计，使得第一三轴加速计的垂直感应轴至少总体上正交于第二三轴加速计的正交感应轴，以用于基于来自于第一三轴加速计和第二三轴加速计之一或二者的感应轴输出的组合来确定沿三个正交轴的加速度。一个三轴加速计的较弱感应轴可以被支撑成至少近似垂直于另一三轴加速计的较弱感应轴，使得不使用较弱轴。可以支撑三轴加速计使得一个加速计的一个轴关于另一加速计的另一轴是冗余的。一个三轴加速计可以被安装在相对于另一三轴加速计的倾斜面上。
该书面文件也提出至少下面的概念。
概念1.一种加速计布置，用于在将所述加速计暴露于机械震荡和振动环境的地下操作期间，确定地下工具沿三个正交轴的加速度，所述加速计布置包括：
第一MEMS三轴加速计和第二MEMS三轴加速计，每个三轴加速计包括一组三个正交布置的加速计感应轴，其包括一对面内感应轴和垂直感应轴，使得所述垂直感应轴在响应于所述机械震荡和振动环境时比所述面内感应轴经受更高的故障率；
支撑结构，用于支撑所述第一三轴加速计和第二三轴加速计，使得所述第一三轴加速计的所述垂直感应轴至少总体上正交于所述第二三轴加速计的所述垂直感应轴；以及
处理器，用于基于来自于所述第一三轴加速计和第二三轴加速计之一或二者的感应轴输出的组合来确定沿所述三个正交轴的所述加速度。
概念2.根据概念1的所述加速计布置，其中所述处理器在确定沿所述三个正交轴的所述加速度时不需要使用第一三轴加速计和所述第二三轴加速计的每个的所述垂直感应轴。
概念3.根据概念1或2的所述加速计布置，其支撑于由所述地下工具所携带的发射机内。
概念4.根据概念3所述的加速计布置，其中所述发射机包括伸长轴，并且其中所述第一三轴加速计的一个感应轴和所述第二三轴加速计的另一感应轴至少总体上平行于所述伸长轴。
概念5.根据概念3或4所述的加速计布置，其中所述第一三轴加速计和所述第二三轴加速计的至少一个面内感应轴被布置成感应所述发射机的俯仰角方位。
概念6.根据概念3-5所述的加速计布置，其中所述第一三轴加速计和第二三轴加速计之一的一对面内感应轴被支撑，以用于检测所述发射机的翻滚角方位。
概念7.根据概念1-6所述的加速计布置，其中所述支撑结构包括支撑所述第一三轴加速计的第一印刷电路板和支撑所述第二三轴加速计的第二印刷电路板。
概念8.根据概念7所述的加速计布置，其中所述第二印刷电路板由至少总体上与其正交的第一印刷电路板所支撑。
概念9.根据概念1-8所述的加速计布置，其中所述处理器被配置成基于优先级表来选择感应轴输出的组合。
概念10.根据概念9所述的加速计布置，其中所述第一三轴加速计和所述第二三轴加速计提供一组感应轴组合，并且根据所述一组感应轴组合中的至少一些组合的可靠性来设置所述优先级表。
概念11.根据概念10所述的加速计布置，其中第一组合和第二组合被分配为所述优先级表中的第一优先级和第二优先级，并且所述第一组合和第二组合中的每个排除所述第一三轴加速计和所述第二三轴加速计的所述垂直感应轴。
概念12.根据概念9-11的所述加速计布置，其中所述处理器被配置成检测所述组合中的一个或多个感应轴的故障，并且响应于此，循环通过所述优先级表以从所述一组感应轴组合中找到可用的所述感应轴组合。
概念13.根据概念12所述的加速计布置，其中所述处理器被配置成循环通过优先级表多次。
概念14.根据概念13所述的加速计布置，其中所述处理器被配置成响应于循环通过所述优先级表所述多次而没有识别可用组合时发布警告。
概念15.根据概念12-14所述的加速计布置，其中感应轴输出的上述组合被标识为故障的组合，并且作为循环通过所述优先级表的一部分来重新测试所述故障的组合以找到所述可用的组合。
概念16.根据概念15所述的加速计布置，其中所述处理器被配置成响应于检测所述故障的组合已经变为可工作，将所述故障的组合置入服务。
概念17.根据概念12-16所述的加速计布置，其中所述处理器基于针对于感应轴的组合的一组三个输出的平方和来检测所述故障。
概念18.一种用于在将所述加速计暴露于机械震荡和振动环境的地下操作期间，确定地下工具沿三个正交轴的加速度的方法，所述方法包括：
支撑第一MEMS三轴加速计和第二MEMS三轴加速计以将第一三轴加速计的垂直感应轴布置成至少总体上正交于所述第二三轴加速计的垂直感应轴，每个三轴加速计包括一组三个正交布置的加速计感应轴，其包括一对面内感应轴和垂直感应轴，使得所述垂直感应轴在响应于所述机械震荡和振动环境时比所述面内感应轴经受更高的故障率；以及
用于基于来自于所述第一三轴加速计和第二三轴加速计之一或二者的感应轴输出的组合来确定沿所述三个正交轴的所述加速度。
概念19.一种加速计布置，用于在将所述加速计布置暴露于机械震荡和振动环境的地下操作期间，确定地下工具沿三个正交轴的加速度，所述加速计布置包括：
第一MEMS三轴加速计和第二MEMS三轴加速计，每个三轴加速计包括较弱感应轴，所述较弱感应轴比两个另外感应轴更易受所述机械震荡和振动环境的影响；
支撑结构，用于支持所述第一三轴加速计和第二三轴加速计，使得所述第一三轴加速计的所述较弱感应轴至少总体上垂直于所述第二三轴加速计的所述较弱感应轴；以及
处理器，用于基于来自于所述第一三轴加速计和第二三轴加速计之一或二者的感应轴输出的组合来确定沿所述三个正交轴的所述加速度而不使用第一三轴加速计和第二三轴加速计的每个的较弱感应轴。
概念20.一种用于在地下操作期间确定地下工具沿三个正交轴的加速度的加速计布置，所述加速计布置包括：
第一加速计套件和第二加速计套件，每个加速计套件包括一个或多个感应轴，使得所述第一加速计套件和所述第二加速计套件共同地提供用于感应沿所述三个正交轴的总计至少四个感应轴；
支撑结构，用于支撑所述第一加速计和第二加速计使得所述第一加速计套件的至少一个感应轴关于所述第二加速计套件的至少一个感应轴是冗余的；以及
处理器，其配置成从总数目的感应轴选择三个感应轴的组合，用于确定沿所述三个正交轴的所述加速度。
概念21.根据概念20所述的加速计布置，其中所述第一加速计套件和所述第二加速计套件的至少一个包括一个感应轴，其比所述加速计套件的另一个感应轴较弱在于其更易于受机械震荡和振动的影响，并且所述处理器选择所述组合而不需要使用较弱感应轴来确定所述加速度。
概念22.根据概念20或21所述的加速计布置，其中所述处理器被配置成基于优先级表来选择感应轴输出的所述组合。
概念23.根据概念22所述的加速计布置，其中所述第一加速计和所述第二加速计基于总数目的感应轴来提供一组感应轴组合，并且根据所述一组感应轴组合中的至少一些组合的可靠性来设置优先级表。
概念24.根据概念20-23所述的加速计布置，其中所述处理器被配置成检测所述组合中的一个或多个感应轴的故障，并且响应于此，选择所述感应轴的不同组合。
概念25.根据概念24所述的加速计布置，其中所述处理器基于针对于感应轴的组合的一组三个输出的平方和来检测所述故障。
概念26.一种加速计布置，用于在将所述加速计暴露于机械震荡和振动环境的地下操作期间，确定地下工具沿三个正交轴的加速度，所述加速计布置包括：
第一MEMS三轴加速计和第二MEMS三轴加速计；
支撑结构，用于支撑所述第一三轴加速计和第二三轴加速计，使得所述第一三轴加速计支撑在相对于支撑第二三轴加速计的第二平面形成至少近似于45度的角度的第一平面上；以及
处理器，其用于基于来自于第一三轴加速计和第二三轴加速计的感应轴输出的组合确定沿三个正交轴的加速度。

Claims (25)

1.一种加速计布置，配置成在将所述加速计布置暴露于机械震荡和振动环境的操作期间，确定沿三个正交轴的加速度，所述加速计布置包括：
第一MEMS三轴加速计和第二MEMS三轴加速计，每个三轴加速计包括一组三个正交布置的加速计感应轴，其包括一对面内感应轴和垂直感应轴，其中所述垂直感应轴响应于所述机械震荡和振动比所述面内感应轴具有更高的故障率；
支撑结构，配置成支撑所述第一三轴加速计和第二三轴加速计，使得所述第一三轴加速计的所述垂直感应轴至少总体上正交于所述第二三轴加速计的所述垂直感应轴；以及
处理器，配置成基于来自于所述第一三轴加速计和第二三轴加速计的感应轴输出的组合来确定沿所述三个正交轴的所述加速度，而不使用所述第一三轴加速计和第二三轴加速计的每个的所述垂直感应轴输出。
2.根据权利要求1所述的加速计布置，其支撑于发射机内。
3.根据权利要求2所述的加速计布置，其中所述发射机包括伸长轴，并且其中所述第一三轴加速计的一个感应轴和所述第二三轴加速计的另一感应轴至少总体上平行于所述伸长轴。
4.根据权利要求2所述的加速计布置，其中所述第一三轴加速计和所述第二三轴加速计的至少一个面内感应轴被布置成感应所述发射机的俯仰角方位。
5.根据权利要求2所述的加速计布置，其中所述第一三轴加速计和第二三轴加速计之一的一对面内感应轴被支撑，以用于检测所述发射机的翻滚角方位。
6.根据权利要求1所述的加速计布置，其中所述支撑结构包括支撑所述第一三轴加速计的第一印刷电路板和支撑所述第二三轴加速计的第二印刷电路板。
7.根据权利要求6所述的加速计布置，其中所述第二印刷电路板由至少总体上与其正交的第一印刷电路板所支撑。
8.根据权利要求1所述的加速计布置，其中所述处理器被配置成检测所述组合中的一个或多个检测轴的故障，并且响应于此，循环通过优先级表，以从所述第一三轴加速计和第二三轴加速计的一组感应轴组合中找到感应轴的可用组合。
9.根据权利要求8所述的加速计布置，其中所述第一三轴加速计和所述第二三轴加速计提供一组感应轴组合，并且根据所述一组感应轴组合中的至少一些组合的可靠性来设置所述优先级表。
10.根据权利要求8所述的加速计布置，其中所述处理器被配置成循环通过优先级表多次。
11.根据权利要求10所述的加速计布置，其中所述处理器被配置成响应于循环通过所述优先级表所述多次而没有识别可用组合时发布警告。
12.根据权利要求8所述的加速计布置，其中感应轴输出的上述组合被标识为故障的组合，并且作为循环通过所述优先级表的一部分来重新测试所述故障的组合以找到所述可用组合。
13.根据权利要求12所述的加速计布置，其中所述处理器被配置成响应于检测所述故障的组合已经变为可工作，将所述故障的组合置入服务。
14.根据权利要求1所述的加速计布置，其中所述加速度是地下工具的加速度，并且其中所述操作是地下操作。
15.一种用于在将加速计布置暴露于机械震荡和振动环境期间，确定沿三个正交轴的加速度的方法，所述方法包括：
支撑第一MEMS三轴加速计和第二MEMS三轴加速计以将第一三轴加速计的垂直感应轴布置成至少总体上正交于所述第二三轴加速计的垂直感应轴，每个三轴加速计包括一组三个正交布置的加速计感应轴，包括一对面内感应轴和垂直感应轴，其中所述垂直感应轴在响应于所述机械震荡和振动环境时比所述面内感应轴具有更高的故障率；以及
基于来自于所述第一三轴加速计和第二三轴加速计的感应轴输出的组合来确定沿所述三个正交轴的所述加速度，而不使用所述第一三轴加速计和第二三轴加速计的每个的所述垂直感应轴输出。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述加速度是地下工具的加速度，并且其中所述操作是地下操作。
17.一种加速计布置，配置成在将所述加速计布置暴露于机械震荡和振动环境的操作期间，确定沿三个正交轴的加速度，所述加速计布置包括：
第一MEMS三轴加速计和第二MEMS三轴加速计，每个三轴加速计包括一组三个正交布置的加速计感应轴，包括一对面内感应轴和垂直感应轴，使得每个垂直感应轴响应于机械震荡和振动比所述面内感应轴经受更高的故障率，并且所述第一MEMS三轴加速计和所述第二MEMS三轴加速计由所述第一MEMS三轴加速计的垂直感应轴支撑，所述第一MEMS三轴加速计的所述垂直感应轴至少总体上正交于所述第二MEMS三轴加速计的所述垂直感应轴；以及
处理器，配置成基于来自于所述第一三轴加速计和第二三轴加速计的感应轴输出的组合来确定沿地下工具的所述三个正交轴的所述加速度而不使用第一三轴加速计和第二三轴加速计的每个的垂直感应轴输出。
18.根据权利要求17所述的加速计布置，其中所述加速度是地下工具的加速度，并且其中所述操作是地下操作。
19.根据权利要求18所述的加速计布置，其支撑于由所述地下工具所携带的发射机内。
20.根据权利要求19所述的加速计布置，其中所述发射机限定伸长轴，并且其中所述第一三轴加速计的一个感应轴和所述第二三轴加速计的另一感应轴至少总体上平行于所述伸长轴。
21.根据权利要求20所述的加速计布置，其中所述第一MEMS三轴加速计和第二MEMS三轴加速计中之一的所述垂直感应轴至少总体上平行于所述伸长轴。
22.根据权利要求18所述的加速计布置，其中所述第一MEMS三轴加速计和第二MEMS三轴加速计的至少一个面内感应轴被布置成感应所述发射机的俯仰角方位。
23.根据权利要求18所述的加速计布置，其中所述第一三轴加速计和第二三轴加速计中之一的一对面内感应轴被支撑，以用于检测所述发射机的翻滚角方位。
24.根据权利要求18所述的加速计布置，其中所述发射机包括支撑所述第一三轴加速计的第一印刷电路板和支撑所述第二三轴加速计的第二印刷电路板。
25.根据权利要求24所述的加速计布置，其中所述第二印刷电路板由至少总体上与其正交的所述第一印刷电路板所支撑。
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