CN207649620U - 一种用于定位移动设备轨迹的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的一种用于定位移动设备轨迹的装置，包括井下系统和井上系统，井下系统和井上系统之间通过串行通讯连接，井下系统包括主控模块、电源模块、传感器模块和存储模块，井上系统主要通过PC机读取惯性数据为采集井下惯性数据所设计的井下系统及处理采集数据、绘制轨迹的井上系统。本实用新型能够直观展示移动设备的运动轨迹及位置信息，定位装置成本较低，可推广性强，能较好实现绘制移动设备的连续性运动轨迹的要求，对勘探、开采作业有重大的应用价值。

Description

一种用于定位移动设备轨迹的装置

技术领域

本实用新型涉及井下勘探设备领域，具体涉及一种用于定位移动设备轨迹的装置。

背景技术

在我国，石油、煤及天然气的勘探及开采的井下作业过程中，能够清楚了解到井下设备在地下的精确轨迹位置，对节约作业成本和提高作业效率意义重大。国内外井下轨迹获取方式有以下两种：(1)光电传感器判断距离，该技术通过安装在油井管道壁的磁通门和光电传感器，获取井下设备沿管道运动的距离，但该方式无法获取设备明确的轨迹信息；(2)可视化技术，该技术通过安装在钻头及油井管道壁上的传感器，采集作业井段的影像信息及物理信号，传输至地面平台，分析采集信息，构建油井作业井段模型，在模型中观测井下设备位置及运动轨迹情况，该技术成本较高，且受井下环境因素制约，如可视化设备工作易受深井段高温高压等环境因素干扰，导致可视化设备工作不正常，对判断井下设备轨迹信息产生影响；同时，不同油井的井下环境有一定差异，该技术需要获取井下物理信号(如γ射线等)，不同油井的物理信号强度大小不同，会对井下设备位置产生错误判断。

因此，针对生产作业需求，结合现有技术手段，研制一种能够精确测量井下设备运动轨迹，适应复杂井下环境，且成本较低的油田井下设备运动轨迹绘制及定位装置是石油钻井作业迫切的需求。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种用于定位移动设备轨迹的装置，解决了现有技术无法获得井下设备相对准确的运动轨迹信息、通用性较差及造价高等问题。

本实用新型所采用的技术方案是，一种用于定位移动设备轨迹的装置，包括井下系统A和井上系统B，井下系统A和井上系统B之间通过串行通讯模块连接；井下系统A包括分别与主控模块相连的传感器模块和存储模块，通过电源模块为主控模块、传感器模块和存储模块供电；

井上系统B通过PC机读取惯性数据并获取移动设备的轨迹。

本实用新型的其他特点还在于，

PC机包含数据读取模块和轨迹绘制模块。

主控模块采用高速、耐高温的单片机作为主芯片。

电源模块用9V的电池为主控模块、传感器模块和存储模块供电。

传感器模块为微机电传感器，由三轴加速度传感器与三轴陀螺仪组成。

本实用新型的有益效果是：

(1)绘制移动运动过程的轨迹，直观显示运动设备的轨迹信息，明确井下设备准确位置；

(2)不需要其他设备的辅助，可适用于复杂井况；

(3)成本较低，可推广性强；

(4)有效解决非连续性下井过程带来的测量误差。

附图说明

图1是本实用新型的一种用于定位移动设备轨迹的装置结构示意图。

图中，1.主控模块，2.电源模块，3.传感器模块，4.存储模块，5.串行通讯，6.数据读取模块，7.PC机，8.轨迹绘制模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型的一种用于定位移动设备轨迹的装置结构示意图见图1，由井下系统A及井上系统B两部分构成，分别完成数据采集功能及轨迹绘制功能。

井下系统A的结构包括：分别与主控模块1相连的传感器模块3和存储模块4，通过电源模块2为主控模块1、传感器模块3和存储模块4供电。主控模块1采用高速、耐高温单片机作为井下系统A的主控芯片，该芯片运算速度快且能承受井下高温高压环境；电源模块2采用9V电池供电，耐高温DC-DC电源转换器将9V电压转换后向主控模块1及传感器模块3、存储模块4提供稳定供电电源；传感器模块3为微机电传感器，主要由三轴加速度传感器与三轴陀螺仪组成，三轴加速度传感器实时采集运动过程中的加速度数据，三轴陀螺仪实时采集运动过程的角速度数据；存储模块4选取耐高温的存储芯片，单片存储空间256KB。

井上系统B主要通过PC机7读取惯性数据，实现运动轨迹的算法绘制井下设备的运动轨迹。包含数据读取分析模块6和轨迹绘制模块8。

井下系统A通过串行通讯5与井上系统B连接。

井下系统A工作时，主控模块1通过I2C方式读取传感器模块3采集的惯性数据，惯性数据采样周期为50ms，数据大小为12字节。主控模块1读取的惯性数据通过SPI方式存储至存储模块4。存储模块4设计存储时间24小时，单片存储芯片理论可存储137s惯性数据，采用316片存储芯片共同使用，满足井下系统A的工作要求，井上系统B工作时，数据读取分析模块6读取井下设备运动过程的惯性数据，将传感器读取的有符号的整型数据转换为加速度数值及角速度数值，并提供给轨迹绘制模块8使用。轨迹绘制模块8实现运动轨迹绘制功能。

具体的操作方式如下，

矿井下作业时，移动设备沿矿井井口下送在油井套管内运动，矿井套管每节长度为9米，设备下送过程中，在单节套管内运动的最长时间为2分钟，最短时间为20秒。因矿井下作业工艺要求，设备沿套管下送过程中在两节套管之间会停留一段时间后继续下送，最短停留时间为2小时，最长为12小时，本发明针对矿井下作业特点，采用自动识别运动状态方式实现轨迹连续化绘制。由于作业中暂停操作均在套管节间发生，移动设备在套管内运动的时间最短为20s，单次采样时间为50ms，设置计数次数400次。当计数次数到达400次后，装置进入停止判断模式，主控芯片将对读取的加速度数据进行比较，若采样加速度值与上一采样点的加速度数据偏差小于0.2g(0.2g为加速度计测量的漂移值)时，可认为进入停止状态。此时，主控芯片只采集但不存储传感器采样数据；到采样值偏差大于0.3g时，可认为停止状态结束，设备重新开始下送，主控芯片继续存储采样数据。

井上系统B通过PC机7的数据读取分析模块6读取移动设备运动过程中井下系统A存储的惯性数据，将传感器读取的有符号整型数据转换为加速度数值及角速度数值，并提供给轨迹绘制模块8使用，轨迹绘制模块8实现运动轨迹绘制功能。数据读取分析模块6首先进行运动轨迹角度计算，即将采集到的角速度数据加以积分，分别求出井下设备绕X、Y、Z三轴旋转的角度，再通过滤波处理求出移动设备的运动轨迹角度的真实值分别为θ、γ、其次，将运动坐标系下的加速度值转换为惯性坐标系下的加速度值；然后，进行数据滤波，由于传感器自身精度原因及外界条件干扰，测量值会叠加无规则的波动，即为噪声误差，轨迹绘制过程须尽可能的将噪声减小，避免对后续计算产生影响；接着，分别对三个坐标轴的加速度两次积分后，得到移动设备沿惯性坐标轴运动的位移坐标；最后将上一步骤中计算出的所有位移点在三维坐标系中依次连接，即可得到移动设备的运动轨迹。

Claims (5)

1.一种用于定位移动设备轨迹的装置，其特征在于，包括井下系统A和井上系统B，井下系统A和井上系统B之间通过串行通讯模块(5)连接；所述井下系统A包括分别与主控模块(1)相连的传感器模块(3)和存储模块(4)，通过电源模块(2)为所述主控模块(1)、传感器模块(3)和存储模块(4)供电；

所述井上系统B通过PC机(7)读取惯性数据并获取移动设备的轨迹。

2.如权利要求1所述的一种用于定位移动设备轨迹的装置，其特征在于，所述PC机(7)包含数据读取分析模块(6)和轨迹绘制模块(8)。

3.如权利要求1所述的一种用于定位移动设备轨迹的装置，其特征在于，所述主控模块(1)采用单片机作为主芯片。

4.如权利要求1所述的一种用于定位移动设备轨迹的装置，其特征在于，所述电源模块(2)采用9V的电池，通过电源转换器将9V电压转换后分别为主控模块(1)、传感器模块(3)和存储模块(4)供电。

5.如权利要求1所述的一种用于定位移动设备轨迹的装置，其特征在于，传感器模块(3)为微机电传感器，由三轴加速度传感器与三轴陀螺仪组成。