CN113175928A - 一种小口径钻探用旋转调制式惯性导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小口径钻探用旋转调制式惯性导航系统，所述惯导系统的核心器件为三个陀螺和三个加表；所述惯导系统包括结构件部分、惯性器件部分以及电路部分；所述惯性器件部分安装于所述结构件部分的旋转单元体结构中的四腔室旋转框架上，框架上依次设置有相互正交排列的Y轴光纤陀螺仪、X轴光纤陀螺仪和Z轴光纤陀螺仪，X轴加表、Y轴加表和Z轴加表正交安装在X轴光纤陀螺仪腔体底侧，结构紧凑；所述电路部分位于三处，分别是X轴光纤陀螺仪的上方、Z轴光纤陀螺仪的下方和旋转框架尾端；三个部分轴向排列呈细长圆柱体；本发明基于旋转调制技术构造单轴旋转式惯性导航系统，自主性强、动态性能好、性价比高，且不易受磁场影响，适用于长距离小口径的应用环境，尤其在复杂地质取芯、石油钻井控制、非开挖式城市管廊建设等方面具有巨大的应用价值。

Description

一种小口径钻探用旋转调制式惯性导航系统

技术领域

本发明涉及一种小口径钻探用旋转调制式惯性导航系统，尤其涉及一种由单轴旋转单元体构成的结构紧凑、高精度捷联式惯性导航系统，属于惯性导航技术领域。

背景技术

高海拔地区的地质条件复杂恶劣，隧道建设面临勘探难度大、易发生活动断裂、地应力高、高原高寒等问题，因此在使用盾构机等大型自动化设备进行挖掘之前，亟需对前方待挖岩况进行超前预报，探查前方岩石强度、可钻性、水文、不良地质区域状况及规模等情况，进而最大程度保证工程进度，并可降低事故的发生。在众多超前地质预报方法中，超前水平取芯钻探法具有预报结果准确直观、预报范围广、易分析判断等优势，是一种使用最可靠的超前地质预报方法，但目前尚缺乏可满足长距离小口径取芯探测需求的高精度定位定向技术。此外，在石油钻井控制、非开挖式城市管廊建设等方面也有类似的小口径钻探定位定向系统的需求。

高精度定位定向技术的关键是掌握钻具姿态信息和确定钻进轨迹。在钻探环境中，常规的导航手段失效，通常使用以下三种测量方式：(1)基于单独的倾斜角、方位角和工具面向角传感器测量，(2)基于加表和磁性传感器测量，(3)基于陀螺仪和加表测量。方式(1)虽然测量原理简单，但是只能在静止条件下测量，并且无法获得轨迹信息；方式(2)中的磁性传感器易受到磁场的干扰；方式(3)通过陀螺仪和加表组建惯性导航系统，具有完全自主、全天候、不受外部磁场干扰、无信号丢失等优点，因此该种测量方式具有重要的应用价值和巨大的工程意义。尽管目前已经出现了少量基于捷联式惯导的陀螺测斜仪或钻探导向系统的研究和尝试，但其在精度、尺寸、动态性能以及性价比等方面，还无法满足长距离钻探应用场景的需求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种小口径钻探用旋转调制式惯性导航系统，旨在根据实际工程环境特点，在圆柱形仪器舱中合理布局各传感器和电路板，并结合径向运动被约束的特点，设计单轴旋转机构，通过单轴旋转调制技术有效提高系统导航精度。

本发明提供一种小口径钻探用旋转调制式惯性导航系统，所述惯导系统的核心器件为三个陀螺和三个加表；所述惯导系统包括结构件部分、惯性器件部分以及电路部分；它们之间的位置连接关系是：惯性器件部分安装于结构件部分的旋转单元体结构中的四腔室旋转框架上，框架上依次设置有相互正交排列的Y轴光纤陀螺仪、X轴光纤陀螺仪和Z轴光纤陀螺仪，X轴加表、Y轴加表和Z轴加表正交安装在X轴光纤陀螺仪腔体底侧，结构紧凑；电路部分位于三处，分别是X轴光纤陀螺仪的上方、Z轴光纤陀螺仪的下方和旋转框架尾端；三个部分轴向排列呈细长圆柱体。

所述结构件部分包括单轴旋转单元体结构，该旋转单元体结构是：如图1所示，具有四个腔室的圆柱体构型，如图2所示，中心旋转部件自下而上分别为：力矩直流电机、上轴承、惯性器件旋转台体、下轴承、绝对式光电码盘。

所述惯性器件部分包括三个陀螺和三个加表，该三个陀螺是：单轴闭环光纤陀螺仪，陀螺的光路部分与电路部分合为一体；该三个加表是：石英挠性加表。在以结构件部分的旋转框架的轴线为y轴建立的右手笛卡尔直角坐标系xyz下，所述惯性器件旋转台体依次设置Y轴陀螺安装腔位、X轴陀螺安装腔位、Z轴陀螺安装腔位，最中间的腔位设有矩形分隔板，隔成两个腔室：其中的一个腔室设置安装有X轴陀螺，其正上方通过螺钉安装数据预处理电路板，另一个腔室设置X轴加表、Y轴加表和Z轴加表正交固定排列；所述Z轴陀螺安装腔位设置Z轴陀螺，所述Z轴陀螺底部通过螺钉固定二次电源板和I/F板。

所述电路部分一共由6块电路板组成，包括结构件部分的框架中X轴光纤陀螺仪正侧放置的数据预处理电路板、Z轴光纤陀螺仪底侧放置的二次电源板和I/F板，光电码盘右侧的电机控制板、导航解算板和通讯接口板，各电路板之间的连接关系原理框图如图3所示。该数据预处理电路板是：完成IMU信息的同步采集并发送给导航解算板，以及对电源进行监测。该二次电源板是：将电池输入的28V转换为系统所需的±15V、±5V供电电压。该I/F转换板是：实现电流-频率的转换，将加速度计的模拟量转换为数字量。该电机控制板是：将码盘转角信号发送给预处理板，执行旋转控制指令，完成单轴旋转调制的控制。该导航解算板是：实现陀螺仪加表标定参数补偿、初始对准和惯性导航解算的功能。该通讯接口板是：实现存储原始数据、对外发送惯导解算结果、接收并传达上位机指令的功能。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明选用光纤陀螺仪和石英挠性加表，设计了沿轴向旋转调制的机械编排，系统结构紧凑、布局合理，可满足钻探应用中的小口径工作空间要求。

2、本发明采用旋转调制技术，在使用同等精度惯性器件的条件下可大大提高惯性导航系统的导航定位精度和姿态精度，具有极高的性价比。

附图说明

图1为本发明的旋转单元体框架等轴测图；

图2为本发明的旋转单元体结构图；

图3为本发明的各电路板间连接关系原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施例作进一步详细描述。

本发明提供一种小口径钻探用旋转调制式惯性导航系统，采用三个陀螺和三个加表通过单轴旋转单元体进行调制；它包括结构件部分、惯性器件部分以及电路部分；它们之间的位置连接关系是：惯性器件部分安装于结构件部分的旋转单元体结构中的四腔室旋转框架上，框架上依次设置有相互正交排列的Y轴光纤陀螺仪、X轴光纤陀螺仪和Z轴光纤陀螺仪，X轴加表、Y轴加表和Z轴加表正交安装在X轴光纤陀螺仪腔体底侧，结构紧凑；电路部分位于三处，分别是X轴光纤陀螺仪的上方、Z轴光纤陀螺仪的下方和旋转框架尾端；三个部分轴向排列呈细长圆柱体。

所述结构件部分包括单轴旋转单元体结构。

该旋转单元体结构是：如图1所示，具有四个腔室的圆柱体构型，如图2所示，中心旋转部件自下而上分别为：力矩直流电机、上轴承、惯性器件旋转台体、下轴承、绝对式光电码盘。力矩直流电机定子固定于上轴承安装板上端，上下轴承分别镶嵌于上下轴承安装板中，轴系上的惯性器件旋转台体位于上下轴承安装板中间，绝对式光电码盘固联于下轴承安装板外侧的轴系端面。

所述惯性器件部分包括三个陀螺和三个加表，该三个陀螺是：单轴闭环光纤陀螺仪，陀螺的光路部分与电路部分合为一体；该三个加表是：石英挠性加表。在以结构件部分的旋转框架的轴线为y轴建立的右手笛卡尔直角坐标系xyz下，所述惯性器件旋转台体依次设置Y轴陀螺安装腔位、X轴陀螺安装腔位、Z轴陀螺安装腔位，最中间的腔位设有矩形分隔板，隔成两个腔室：其中的一个腔室设置安装有X轴陀螺，其正上方通过螺钉安装数据预处理电路板，另一个腔室设置X轴加表、Y轴加表和Z轴加表正交固定排列；所述Z轴陀螺安装腔位设置Z轴陀螺，所述Z轴陀螺底部通过螺钉固定二次电源板和I/F板。

该三个陀螺是：单轴闭环光纤陀螺仪，陀螺的光路部分与电路部分合为一体，选择中航捷锐(北京)光电技术有限公司的型号为XB1100的单轴陀螺，尺寸为70mm*70mm*32mm，零偏稳定性为0.015°/hr。

该三个加表是：石英挠性加表，选择航天科工惯性技术有限公司的GJN-06A-I型号的单轴石英挠性加表，精度为5mg。

所述电路部分一共由6块电路板组成，包括结构件部分的框架中X轴光纤陀螺仪正侧放置的数据预处理电路板、Z轴光纤陀螺仪底侧放置的二次电源板和I/F板，光电码盘右侧的电机控制板、导航解算板和通讯接口板，各电路板之间的连接关系原理框图如图3所示。该数据预处理电路板是：完成IMU信息的同步采集并发送给导航解算板，以及对电源进行监测。该二次电源板是：将电池输入的28V转换为系统所需的±15V、±5V供电电压。该I/F转换板是：实现电流-频率的转换，将加速度计的模拟量转换为数字量。该电机控制板是：将码盘转角信号发送给预处理板，执行旋转控制指令，完成单轴旋转调制的控制。该导航解算板是：实现陀螺仪加表标定参数补偿、初始对准和惯性导航解算的功能。该通讯接口板是：实现存储原始数据、对外发送惯导解算结果、接收并传达上位机指令的功能。

本发明实施例中，惯性测量单元IMU由三只相互正交安置的光纤陀螺仪和三只加表组成，实时解算机载计算机采用DSP芯片和FPGA芯片相互配合，完成IMU测量数据读取、数据预处理和导航计算，包括惯性传感器的误差补偿、初始对准、校正等，利用光纤陀螺仪和加表等敏感器件测得的相对惯性空间的角运动和线运动参数，通过航迹推算等算法进行轨迹测量和姿态描述。本发明选用中等精度的小体积惯性器件，设计了沿轴向旋转调制的机械编排，系统结构紧凑，适用于钻探的小口径工作空间；另一方面，采用单轴旋转调制技术，通过系统途径有效提高导航精度，实现高精度的钻探定位定向目标，且大大提高了性价比。

本发明未公开的内容为本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种小口径钻探用旋转调制式惯性导航系统，其特征在于：它的核心器件为三个陀螺和三个加表；它包括结构件部分(1)、惯性器件部分(2)以及电路部分(3)；惯性器件部分安装于结构件部分的旋转单元体结构中的四腔室旋转框架上，框架上依次设置有相互正交排列的Y轴光纤陀螺仪、X轴光纤陀螺仪和Z轴光纤陀螺仪，X轴加表、Y轴加表和Z轴加表正交安装在X轴光纤陀螺仪腔体底侧，结构紧凑；电路部分位于三处，分别是X轴光纤陀螺仪的上方、Z轴光纤陀螺仪的下方和旋转框架尾端；三个部分轴向排列呈细长圆柱体；

所述结构件部分(1)，包括单轴旋转单元体结构，该旋转单元体结构是：具有四个腔室的圆柱体构型，旋转部件自左而右分别为：力矩直流电机、上轴承、惯性器件旋转台体、下轴承、绝对式光电码盘；

所述惯性器件部分(2)，包括三个陀螺和三个加表，在以结构件部分的旋转框架的轴线为y轴建立的右手笛卡尔直角坐标系xyz下，所述惯性器件旋转台体上依次固定设置相互正交排列的Y轴光纤陀螺仪、X轴光纤陀螺仪和Z轴光纤陀螺仪，X轴加表、Y轴加表和Z轴加表正交安装在X轴光纤陀螺仪底侧的腔室；

所述电路部分(3)，一共由6块电路板组成，包括结构件部分的框架中X轴光纤陀螺仪正侧放置的数据预处理电路板、Z轴光纤陀螺仪底侧放置的二次电源板和I/F板，光电码盘右侧的电机控制板、导航解算板和通讯接口板；其中数据预处理电路板完成IMU信息的同步采集并发送给导航解算板，以及对电源进行监测；二次电源板是将电池输入的28V转换为系统所需的±15V、±5V供电电压；I/F转换板实现电流-频率的转换，将加速度计的模拟量转换为数字量；电机控制板将码盘转角信号发送给预处理板，执行旋转控制指令，完成单轴旋转调制的控制；导航解算板实现陀螺仪加表标定参数补偿、初始对准和惯性导航解算的功能；通讯接口板实现存储原始数据、对外发送惯导解算结果、接收并传达上位机指令的功能。

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