测斜仪中捷联惯性导航算法的研究与改进

发布时间：2023-04-22 22:26

　　钻孔测斜仪是一种利用陀螺仪、磁通门等惯性测量单元对钻孔的角度和深度等参数进行测量的仪器,被广泛应用在石油开采、地质勘探中。钻孔测斜仪中位置和姿态算法的解算精度直接决定了钻孔测斜仪所测量的方位角、井斜角、工具面角和钻孔轨迹的准确性。因此,本文将捷联惯性导航算法作为钻孔测斜仪的位置和姿态算法,以此来解决传统的基于陀螺仪和磁通门原理的钻孔测斜仪对工作环境要求高,测量效率低的问题。本文的主要内容就是将捷联惯导算法作为钻孔测斜仪的位置和姿态算法进行研究,并对捷联惯导算法进行模拟实验。首先,本文研究了传统的捷联惯性导航算法。详述了传统导航算法中的姿态、速度和位置解算算法。重点对传统导航算法中不同的姿态解算算法进行了分析与比较。设计了钻孔测斜仪的自对准方法,以此求出钻孔测斜仪初始时刻的姿态和位置信息,开始导航算法的迭代过程。通过对传统的捷联惯导算法进行仿真模拟,证明基于传统捷联惯导算法的钻孔测斜仪能够正常工作。但随着仿真时间的增长,会出现由于累积误差和姿态变化过快所导致的姿态发散问题。而姿态发散问题将会影响速度和位置的解算精度,导致钻孔测斜仪无法完成测量工作。然后,本文提出将基于对偶四元数原理的捷联...

【文章页数】：81 页

【学位级别】：硕士

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中文摘要
Abstract
第一章 引言
    1.1 课题的研究背景和意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 传统捷联惯导算法的发展现状
        1.2.2 对偶四元数捷联惯导算法的发展现状
    1.3 课题研究内容与结构安排
第二章 捷联惯性导航算法的研究
    2.1 捷联惯导算法的理论基础
        2.1.1 姿态角和常用导航坐标系的定义
        2.1.2 导航坐标系之间的姿态变换矩阵
        2.1.3 姿态角和姿态变换矩阵
        2.1.4 捷联惯导算法解算原理
    2.2 捷联惯导算法的姿态解算
        2.2.1 欧拉角法
        2.2.2 九参数法
        2.2.3 四元数算法
        2.2.4 等效旋转矢量算法
    2.3 捷联惯导算法的速度解算
        2.3.1 比力方程
        2.3.2 速度更新方程
    2.4 捷联惯导算法的位置解算
    2.5 钻孔测斜仪的自对准研究
    2.6 仿真实验
    2.7 本章小结
第三章 基于对偶四元数原理的捷联惯导算法的优化
    3.1 对偶四元数捷联惯导算法的理论基础
        3.1.1 对偶数
        3.1.2 旋量
        3.1.3 对偶四元数
        3.1.4 螺旋矢量
    3.2 对偶四元数微分方程及求解
        3.2.1 对偶四元数的微分方程
        3.2.2 对偶四元数微分方程的求解
    3.3 螺旋矢量算法的优化设计
        3.3.1 对偶四元数与螺旋矢量的关系
        3.3.2 螺旋矢量微分方程的求解
        3.3.3 螺旋矢量优化算法
    3.4 对偶四元数捷联惯导算法的解算流程
        3.4.1 推力速度矢量的求解
        3.4.2 引力速度矢量的求解
        3.4.3 位置矢量的求解
    3.5 钻孔测斜仪位姿信息的求取
        3.5.1 钻孔测斜仪的姿态求取
        3.5.2 钻孔测斜仪的速度求取
    3.6 本章小结
第四章 对偶四元数捷联惯导算法的分析与实验
    4.1 螺旋矢量优化算法的分析
        4.1.1 螺旋矢量微分方程
        4.1.2 典型的螺旋运动
        4.1.3 螺旋矢量优化算法与圆锥、划船运动
    4.2 对偶四元数捷联惯导算法的误差分析
        4.2.1 姿态误差分析
        4.2.2 速度误差分析
    4.3 实验验证
        4.3.1 仿真实验
        4.3.2 模拟实验
    4.4 本章小结
总结与展望
参考文献
致谢
个人简历、在学期间的研究成果及发表学术论文



本文编号：3798516