基于重力四元数的陀螺漂移估计与补偿

发布时间：2020-10-28 06:53

　　 为提高钻探中的钻具姿态测量精度,提出一种基于重力四元数的MEMS惯性随钻姿态测量方法。采用MEMS惯性器件构建钻具姿态测量系统,把加速度计数据解算的姿态四元数作为观测四元数,陀螺仪数据解算的姿态四元数作为误差四元数;然后将陀螺仪漂移融入误差四元数,建立重力四元数估计陀螺仪误差四元数的模型,采用最小二乘法估计陀螺仪三轴漂移,进而补偿陀螺仪姿态四元数;通过补偿后的姿态四元数解算出钻具姿态。最后设计了转台、振动台实验和钻进模拟实验,实验结果表明,姿态四元数补偿后的井斜角和工具面角漂移由平均10°/h减小到约0.2°/h,方位角误差由平均12°/h减小到约0.46°/h,实现了加速度计补偿陀螺的三轴漂移,表明该方法能够有效提高钻具的姿态测量精度。
【部分图文】：

传 感 技 术 学 报www．chinatransducers．com 第 30 卷统所采集，MIMU 传感器技术参数如下: ①陀螺仪: 噪声密度槡0．005 ° / s / Hz ，偏差稳定性 18 ° / hr; ②加速度计: 噪声密度 400 μgn槡/ Hz ，偏差稳定性 60 μgn。为验证算法的钻进过程的动态性能，将该系统固定在双轴转台上，将转台倾斜角设为 44 °，如图 3 所示，在转台转速为 400 °/s 时采集加速度、角速度数据，采集时间 3 600 s。将采集的数据采用前文方法实时估计并补偿陀螺漂移，补偿前后解算的姿态角误差对比曲线如图 4 所示。较小，导致重力四元数观测陀螺方位轴漂移能力降低，致使方位角误差补偿能力略有降低。3．2 振动台实验为验证算法在钻进振动情况下估计并补偿陀螺漂移性能，设计了振动台实验，将设计的蓝牙 MIMU以倾斜角45°固定于振动台，如图5 所示，采集3 600 sMIMU 信号，用本文方法实时估计并补偿陀螺漂移，陀螺漂移补偿前后姿态解算误差随时间变化情况如图 6 所示。1190

传感技术学报www．chinatransducers．com第30卷统所采集，MIMU传感器技术参数如下:①陀螺仪:噪声密度槡0．005°/s/Hz，偏差稳定性18°/hr;②加速度计:噪声密度400μgn槡/Hz，偏差稳定性60μgn。为验证算法的钻进过程的动态性能，将该系统固定在双轴转台上，将转台倾斜角设为44°，如图3所示，在转台转速为400°/s时采集加速度、角速度数据，采集时间3600s。将采集的数据采用前文方法实时估计并补偿陀螺漂移，补偿前后解算的姿态角误差对比曲线如图4所示。图3MIMU转台实验图4转台实验陀螺仪漂移补偿前后姿态角误差观察图4可知，陀螺仪在较短时间内漂移累积误差较小，长时间工作累计误差较大，且工作时间越长，累计误差越大，因此需要对陀螺漂移进行估计与补偿。经过1h的姿态解算，加速度计连续补偿陀螺漂移，井斜角误差由9．35°/h减小到0．17°/h;工具面角误差由9．35°/h减小到0．19°/h;方位角误差由9．96°/h减小到0．28°/h，显著减小了因陀螺漂移造成的姿态解算误差，可见算法实现了加速度计对陀螺仪的三轴漂移估计与补偿。同时，实验发现当倾斜角小于3°或接近90°时，方位角变化引起的重力四元数变化较小，导致重力四元数观测陀螺方位轴漂移能力降低，致使方位角误差补偿能力略有降低。3．2振动台实验为验证算法在钻进振动情况下估计并补偿陀螺漂移性能，设计了振动台实验，将设计的蓝牙MIMU以倾斜角45°固定于振动台，如图5所示，采集3600sMIMU信号，用本文方法实时估计并补偿陀螺漂移，陀螺漂移补偿前后姿态解算误差随时间变化情况如图6所示。图5MIMU振动台实验观察图6发现，加速度计补偿陀螺漂移前后井斜角误差由11．14°/h减小到0．24°/h;工具面角误差由10．09°/h减小到0．42°/h;方位角?

传感技术学报www．chinatransducers．com第30卷统所采集，MIMU传感器技术参数如下:①陀螺仪:噪声密度槡0．005°/s/Hz，偏差稳定性18°/hr;②加速度计:噪声密度400μgn槡/Hz，偏差稳定性60μgn。为验证算法的钻进过程的动态性能，将该系统固定在双轴转台上，将转台倾斜角设为44°，如图3所示，在转台转速为400°/s时采集加速度、角速度数据，采集时间3600s。将采集的数据采用前文方法实时估计并补偿陀螺漂移，补偿前后解算的姿态角误差对比曲线如图4所示。图3MIMU转台实验图4转台实验陀螺仪漂移补偿前后姿态角误差观察图4可知，陀螺仪在较短时间内漂移累积误差较小，长时间工作累计误差较大，且工作时间越长，累计误差越大，因此需要对陀螺漂移进行估计与补偿。经过1h的姿态解算，加速度计连续补偿陀螺漂移，井斜角误差由9．35°/h减小到0．17°/h;工具面角误差由9．35°/h减小到0．19°/h;方位角误差由9．96°/h减小到0．28°/h，显著减小了因陀螺漂移造成的姿态解算误差，可见算法实现了加速度计对陀螺仪的三轴漂移估计与补偿。同时，实验发现当倾斜角小于3°或接近90°时，方位角变化引起的重力四元数变化较小，导致重力四元数观测陀螺方位轴漂移能力降低，致使方位角误差补偿能力略有降低。3．2振动台实验为验证算法在钻进振动情况下估计并补偿陀螺漂移性能，设计了振动台实验，将设计的蓝牙MIMU以倾斜角45°固定于振动台，如图5所示，采集3600sMIMU信号，用本文方法实时估计并补偿陀螺漂移，陀螺漂移补偿前后姿态解算误差随时间变化情况如图6所示。图5MIMU振动台实验观察图6发现，加速度计补偿陀螺漂移前后井斜角误差由11．14°/h减小到0．24°/h;工具面角误差由10．09°/h减小到0．42°/h;方位角?
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2 肖尚彬;;四元数在多体力学中的应用[J];西安理工大学学报;1992年04期

本文编号：2859750