CN115993114A - 一种基于mems陀螺寻北仪的二位置平滑精准寻北方法 - Google Patents

一种基于mems陀螺寻北仪的二位置平滑精准寻北方法 Download PDF

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CN115993114A CN202111224508.6A CN202111224508A CN115993114A CN 115993114 A CN115993114 A CN 115993114A CN 202111224508 A CN202111224508 A CN 202111224508A CN 115993114 A CN115993114 A CN 115993114A
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杭义军
吕印新
贾文峰
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Abstract

本发明涉及测绘领域，尤其涉及一种基于MEMS陀螺寻北仪的二位置精准寻北方法，所述方法包括步骤:S1,将MEMS寻北仪在预设的初始零位静止设定采样时长，存储MEMS的两轴数据；将MEMS寻北仪从初始零位旋转到第二位置，继续采集并存储相关数据；S2.利用S1采集的数据，求解并存储一组航向角；S3.继续步骤S1和S2，求解另一组寻北结果；S4.重复步骤S3求解多组寻北结果，并做平滑处理得到最终寻北结果。采用本发明的寻北方法，可以在MEMS陀螺仪性能一定的情况下，提高寻北精度升，提升寻北仪对于复杂井下环境的适应性。

Description

一种基于MEMS陀螺寻北仪的二位置平滑精准寻北方法
技术领域
本发明涉及陀螺寻北仪的寻北方法，特别是一种MEMS陀螺寻北仪的二位置平滑精准寻北方法。
背景技术
定向技术有着广泛的应用领域，不仅在导弹、火箭和火炮的发射，飞机、坦克和舰船的航行都离不开方位基准，而且在地球物理探测、矿产资源开采、大地测量和隧道建设等民用领域也需要方位记住。定向技术的研究与产品开发，对国防现代化、国民经济发展具有重要意义。其中，矿产资源开采所用的随钻系统的钻井测斜仪就是定向技术的典型应用。由于陀螺仪应用于钻井测斜仪时，相对于磁通门方位传感器而言，不受磁场环境的影响，具备更高可靠性，是当前主要的井下测斜寻北仪。
目前基于MEMS陀螺仪的井下测斜寻北仪正逐步被国内外研究机构进行开发研究和应用。其相比于光纤陀螺和动力调谐陀螺而言，具备低成本、低功耗、小型化、高可靠以及抗冲击振动等优势，将成为未来随钻系统中的主流钻井测斜仪产品。虽然目前MEMS陀螺仪可通过阵列配置方式有效提升其测量精度，满足一定的寻北精度要求，但现有基于MEMS陀螺仪的多位置寻北精度仍受到MEMS陀螺仪性能制约。在MEMS陀螺仪自身测量精度固定情况下，为了满足更高精度的随钻系统寻北精度需求，本发明提出一种基于MEMS陀螺寻北仪的二位置平滑精准寻北方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对MEMS陀螺仪寻北精度与MEMS陀螺仪性能直接相关，在MEMS陀螺仪性能固定时，寻北精度无法有效提升的技术瓶颈问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种基于MEMS陀螺寻北仪的二位置平滑精准寻北方法，包括如下步骤：
S1.将MEMS惯性传感器寻北仪在预设的初始零位静止设定的采样时长，存储三轴MEMS陀螺的其中两轴数据和MEMS加速度计的其中两轴数据；利用自动旋转机构将MEMS陀螺寻北仪从初始零位旋转180度后到第二位置，继续静止采集预设时长的MEMS陀螺仪数据和MEMS加速度计数据，存储与预设零位相同的两轴数据；
S2.利用所述初始零位和所述第二位置的一段时长的两轴MEMS陀螺仪数据和MEMS加速度计数据，求解一组航向角，即寻北结果，并进行存储；
S3.继续所述步骤S1中初始零位静止的MEMS陀螺仪和MEMS加速度计预设固定采样时长的采集，并存储与所述步骤S1中陀螺仪和加速度计相同的两个轴的数据，然后继续旋转180度到第二位置后，采集预设时长的两轴陀螺仪数据和加速度计数据。再利用步骤S2求解另一组寻北结果；
S4.重复所述步骤S3求解多组寻北结果，对多组结果直利用所述初始零位和所述第二位置的一段时长的两轴MEMS陀螺仪数据和MEMS加速度计数据，求解一组航向角，即寻北结果，并进行存储接做平滑处理，得到最终寻北结果。
进一步地，所述步骤S1中，所述三轴MEMS陀螺和MEMS加速度计的其中两轴数据，其中选择的一个轴与寻北仪共轴，另一轴垂直于寻北仪轴向。所述的采集预设时长数据，该时长与MEMS陀螺仪采集频率相关。
进一步地，所述步骤S2中第一组寻北结果记为
Figure BDA0003311322810000031
的计算方法，包括：
S21.初始零位上MEMS陀螺仪存储的数据在载体坐标系中的投影为：
Figure BDA0003311322810000032
其中ωb(1)为MEMS陀螺仪在初始零位输出，上标b表示载体坐标系，存储的其中两轴数据分别记为
Figure BDA0003311322810000033
为地球自转角速度
Figure BDA0003311322810000034
在导航坐标系n的北向投影，
Figure BDA0003311322810000035
为地球自转角速度
Figure BDA0003311322810000036
在导航坐标系n的天向投影，εb为陀螺仪敏感的三轴零偏，K为刻度因子矩阵，
Figure BDA0003311322810000037
为初始零位导航坐标系n到载体坐标系b的姿态转移矩阵，其表达式如下所示：
Figure BDA0003311322810000041
则存储的两轴陀螺仪数据
Figure BDA0003311322810000042
展开式为：
Figure BDA0003311322810000043
同理可得初始零位MEMS加速度计中存储的两轴数据，记为
Figure BDA0003311322810000044
Figure BDA0003311322810000045
其表达式为：
Figure BDA0003311322810000046
其中g为重力加速度数值，
Figure BDA0003311322810000047
和
Figure BDA0003311322810000048
为加速度计两轴的零偏；
S22.从初始零位旋转180度后到第二位置上，MEMS陀螺仪在载体坐标系中进行投影后存储的两轴陀螺仪数据
Figure BDA0003311322810000049
展开式为：
Figure BDA00033113228100000410
同理第二位置上MEMS加速度计中存储的两轴数据，记为
Figure BDA00033113228100000411
Figure BDA00033113228100000412
其表达式为：
Figure BDA00033113228100000413
S23.利用式(4)和式(6)计算出两个位置处的横滚角γ和俯仰角θ；
S24.将式(3)与式(5)相减后可以得到下式：
Figure BDA00033113228100000414
利用式(7)可消除刻度系数因子K，并求解得到
Figure BDA00033113228100000415
将其记为第一组的寻北结果
Figure BDA0003311322810000051
进一步地，所述步骤S2中，利用所述初始零位和所述第二位置的一段时长的两轴MEMS陀螺仪数据，在空间中相当于采集了四个位置的角速率数据，能有效消除MEMS陀螺仪零偏、刻度因子误差对寻北结果的影响。
进一步地，所述步骤S2寻北结果的求解，与所述步骤S3旋转结构转动陀螺仪静置采集数据的过程时不间断连续执行。
进一步地，所述步骤S4中，多组寻北结果的误差呈白噪声形式，平滑处理为直接对多组结果进行求和平均，可得最终寻北结果
Figure BDA0003311322810000052
相对于单组寻北结果
Figure BDA0003311322810000053
能将寻北误差降低为
Figure BDA0003311322810000054
其中σ为单组寻北误差，N为寻北结果组数。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明在MEMS陀螺仪性能一定的情况下，可以通过本方法实现寻北精度的成倍提升，有效突破因MEMS陀螺仪性能而限制寻北精度的瓶颈问题，提升寻北仪对于复杂井下环境的适应性。
附图说明
参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。
图1为本发明的MEMS陀螺寻北仪的二位置平滑精准寻北方法流程图。
具体实施例
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
一种基于MEMS陀螺寻北仪的二位置精准寻北方法，所述方法包括如下步骤：
S1.将MEMS惯性传感器寻北仪在预设的初始零位静止设定的采样时长，存储三轴MEMS陀螺的其中两轴数据和MEMS加速度计的其中两轴数据；利用自动旋转机构将MEMS陀螺寻北仪从初始零位旋转180度后到第二位置，继续静止采集预设时长的MEMS陀螺仪数据和MEMS加速度计数据，存储与预设零位相同的两轴数据；
S2.利用所述初始零位和所述第二位置的一段时长的两轴MEMS陀螺仪数据和MEMS加速度计数据，求解一组航向角，即寻北结果，并进行存储；
S3.继续所述步骤S1中初始零位静止的MEMS陀螺仪和MEMS加速度计预设固定采样时长的采集，并存储与所述步骤S1中陀螺仪和加速度计相同的两个轴的数据，然后继续旋转180度到第二位置后，采集预设时长的两轴陀螺仪数据和加速度计数据。再利用步骤S2求解另一组寻北结果；
S4.重复所述步骤S3求解多组寻北结果，对多组结果直利用所述初始零位和所述第二位置的一段时长的两轴MEMS陀螺仪数据和MEMS加速度计数据，求解一组航向角，即寻北结果，并进行存储接做平滑处理，得到最终寻北结果。
进一步地，所述步骤S1中，所述三轴MEMS陀螺和MEMS加速度计的其中两轴数据，其中选择的一个轴与寻北仪共轴，另一轴垂直于寻北仪轴向。所述的采集预设时长数据，该时长与MEMS陀螺仪采集频率相关。
进一步地，所述步骤S2中第一组寻北结果记为
Figure BDA0003311322810000071
的计算方法，包括：
S21.初始零位上MEMS陀螺仪存储的数据在载体坐标系中的投影为：
Figure BDA0003311322810000072
其中ωb(1)为MEMS陀螺仪在初始零位输出，上标b表示载体坐标系，存储的其中两轴数据分别记为
Figure BDA0003311322810000073
为地球自转角速度
Figure BDA0003311322810000074
在导航坐标系n的北向投影，
Figure BDA0003311322810000075
为地球自转角速度
Figure BDA0003311322810000076
在导航坐标系n的天向投影，εb为陀螺仪敏感的三轴零偏，K为刻度因子矩阵，
Figure BDA0003311322810000077
为初始零位导航坐标系n到载体坐标系b的姿态转移矩阵，其表达式如下所示：
Figure BDA0003311322810000081
则存储的两轴陀螺仪数据
Figure BDA0003311322810000082
展开式为：
Figure BDA0003311322810000083
同理可得初始零位MEMS加速度计中存储的两轴数据，记为
Figure BDA0003311322810000084
Figure BDA0003311322810000085
其表达式为：
Figure BDA0003311322810000086
其中g为重力加速度数值，
Figure BDA0003311322810000087
和
Figure BDA0003311322810000088
为加速度计两轴的零偏；
S22.从初始零位旋转180度后到第二位置上，MEMS陀螺仪在载体坐标系中进行投影后存储的两轴陀螺仪数据
Figure BDA0003311322810000089
展开式为：
Figure BDA00033113228100000810
同理第二位置上MEMS加速度计中存储的两轴数据，记为
Figure BDA00033113228100000811
Figure BDA00033113228100000812
其表达式为：
Figure BDA00033113228100000813
S23.利用式(4)和式(6)计算出两个位置处的横滚角γ和俯仰角θ；
S24.将式(3)与式(5)相减后可以得到下式：
Figure BDA00033113228100000814
利用式(7)可消除刻度系数因子K，并求解得到
Figure BDA00033113228100000815
将其记为第一组的寻北结果
Figure BDA0003311322810000091
进一步地，所述步骤S2中，利用所述初始零位和所述第二位置的一段时长的两轴MEMS陀螺仪数据，在空间中相当于采集了四个位置的角速率数据，能有效消除MEMS陀螺仪零偏、刻度因子误差对寻北结果的影响。
进一步地，所述步骤S2寻北结果的求解，与所述步骤S3旋转结构转动陀螺仪静置采集数据的过程时不间断连续执行。
进一步地，所述步骤S4中，多组寻北结果的误差呈白噪声形式，平滑处理为直接对多组结果进行求和平均，可得最终寻北结果
Figure BDA0003311322810000092
相对于单组寻北结果
Figure BDA0003311322810000093
能将寻北误差降低为
Figure BDA0003311322810000094
其中σ为单组寻北误差，N为寻北结果组数。
综上所述，本发明在MEMS陀螺仪性能一定的情况下，可以通过本方法实现寻北精度的成倍提升，有效突破因MEMS陀螺仪性能而限制寻北精度的瓶颈问题，提升寻北仪对于复杂井下环境的适应性。
通过说明书和附图，本发明给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，基于本发明精神，还可作其他的转换。尽管上述发明提出了现有的较佳实施例，然而，这些内容并不作为局限。
对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。

Claims (6)

1.一种基于MEMS陀螺寻北仪的二位置精准寻北方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1.将MEMS惯性传感器寻北仪在预设的初始零位静止设定采样时长，存储三轴MEMS陀螺的其中两轴数据和MEMS加速度计的其中两轴数据；利用自动旋转机构将MEMS陀螺寻北仪从初始零位旋转180度后到第二位置，继续静止采集预设时长的MEMS陀螺仪数据和MEMS加速度计数据，存储与预设零位相同的两轴数据；
S2.利用所述初始零位和所述第二位置的一段时长的两轴MEMS陀螺仪数据和MEMS加速度计数据，求解一组航向角，即寻北结果，并进行存储；
S3.继续所述步骤S1中初始零位静止的MEMS陀螺仪和MEMS加速度计预设固定采样时长的采集，并存储与所述步骤S1中陀螺仪和加速度计相同的两个轴的数据，然后继续旋转180度到第二位置后，采集预设时长的两轴陀螺仪数据和加速度计数据，再利用步骤S2求解另一组寻北结果；
S4.重复所述步骤S3求解多组寻北结果，对多组结果直利用所述初始零位和所述第二位置的一段时长的两轴MEMS陀螺仪数据和MEMS加速度计数据，求解一组航向角，即寻北结果，并进行存储接做平滑处理，得到最终寻北结果。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS陀螺寻北仪的二位置精准寻北方法，所述步骤S1中，所述三轴MEMS陀螺和MEMS加速度计的其中两轴数据，其中选择的一个轴与寻北仪共轴，另一轴垂直于寻北仪轴向。所述的采集预设时长数据，该时长与MEMS陀螺仪采集频率相关。
3.根据权利要求1所述的基于MEMS惯性传感器寻北仪的二位置精准寻北方法，其特征在于：所述步骤S2中第一组寻北结果记为
Figure FDA00033113228000000213
Figure FDA00033113228000000214
的计算方法，包括：
S21.初始零位上MEMS陀螺仪存储的数据在载体坐标系中的投影为：
Figure FDA0003311322800000021
其中ωb(1)为MEMS陀螺仪在初始零位输出，上标b表示载体坐标系，存储的其中两轴数据分别记为
Figure FDA0003311322800000022
Figure FDA0003311322800000023
为地球自转角速度
Figure FDA0003311322800000024
在导航坐标系n的北向投影，
Figure FDA0003311322800000025
为地球自转角速度
Figure FDA0003311322800000026
在导航坐标系n的天向投影，εb为陀螺仪敏感的三轴零偏，K为刻度因子矩阵，
Figure FDA0003311322800000027
为初始零位导航坐标系n到载体坐标系b的姿态转移矩阵，其表达式如下所示：
Figure FDA0003311322800000028
则存储的两轴陀螺仪数据
Figure FDA0003311322800000029
展开式为：
Figure FDA00033113228000000210
同理可得初始零位MEMS加速度计中存储的两轴数据，记为
Figure FDA00033113228000000211
Figure FDA00033113228000000212
其表达式为：
Figure FDA0003311322800000031
其中g为重力加速度数值，
Figure FDA0003311322800000032
和
Figure FDA0003311322800000033
为加速度计两轴的零偏
S22.从初始零位旋转180度后到第二位置上，MEMS陀螺仪在载体坐标系中进行投影后存储的两轴陀螺仪数据
Figure FDA0003311322800000034
展开式为：
Figure FDA0003311322800000035
同理第二位置上MEMS加速度计中存储的两轴数据，记为
Figure FDA0003311322800000036
Figure FDA0003311322800000037
其表达式为：
Figure FDA0003311322800000038
S23.利用式(4)和式(6)计算出两个位置处的横滚角γ和俯仰角θ；
S24.将式(3)与式(5)相减后可以得到下式：
Figure FDA0003311322800000039
利用式(7)可消除刻度系数因子K，并求解得到
Figure FDA00033113228000000310
将其记为第一组的寻北结果
Figure FDA00033113228000000311
4.根据权利要求1所述的基于MEMS陀螺寻北仪的二位置精准寻北方法，其特征在于：所述步骤S2中，利用所述初始零位和所述第二位置的一段时长的两轴MEMS陀螺仪数据，在空间中相当于采集了四个位置的角速率数据，能有效消除MEMS陀螺仪零偏、刻度因子误差对寻北结果的影响。
5.根据权利要求1所述的基于MEMS陀螺寻北仪的二位置精准寻北方法，其特征在于：所述步骤S2寻北结果的求解，与所述步骤S3旋转结构转动陀螺仪静置采集数据的过程时不间断连续执行。
6.根据权利要求1所述的基于MEMS陀螺寻北仪的二位置精准寻北方法，其特征在于：所述步骤S4中，多组寻北结果的误差呈白噪声形式，平滑处理为直接对多组结果进行求和平均，可得最终寻北结果
Figure FDA0003311322800000041
相对于单组寻北结果
Figure FDA0003311322800000042
能将寻北误差降低为
Figure FDA0003311322800000043
其中σ为单组寻北误差，N为寻北结果组数。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2024003894A1 (en) * 2022-06-29 2024-01-04 Israel Aerospace Industries Ltd. Improved system, method and computer program product for north-finding

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WO2024003894A1 (en) * 2022-06-29 2024-01-04 Israel Aerospace Industries Ltd. Improved system, method and computer program product for north-finding

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