动力调谐陀螺测斜仪的标定补偿方法及标定补偿模型

摘要

本发明涉及一种动力调谐陀螺测斜仪的标定补偿方法及标定补偿模型，该方法包括：1）建立标定补偿模型；2）判断三个加速计所形成的坐标系XYZ与动力调谐陀螺和机械骨架的轴向所形成的坐标系X'Y'Z'是否存在非正交角度，若是，则进行步骤3）；若否，则退出标定补偿过程；3）测量三个加速计所形成的坐标系XYZ与动力调谐陀螺和机械骨架的轴向所形成的坐标系X'Y'Z'之间的非正交角度；4）将非正交角度补偿至标定补偿模型中；5）利用标定补偿模型采用四位置标定法获取与加速度相关的漂移系数。本发明提供了一种可简化标定方法、降低机械加工精度以及提高陀螺测斜仪精度的动力调谐陀螺测斜仪的标定补偿方法及标定补偿模型。

说明书

技术领域

本发明涉及一种动力调谐陀螺测斜仪的标定补偿方法及标定补偿模型。

背景技术

动力调谐陀螺是一种双自由度的陀螺仪，由于其精度、体积和可靠性广泛 应用与石油测井行业，但在实际应用中，动力调谐陀螺存在静态偏移误差、随 机偏移误差和温度偏移误差，静态偏移误差和温度偏移误差是石油测井行业高 温高压作业主要的误差来源，选择合理的补偿方法和补偿模型，可以简化标定 流程，降低仪器加工难度，提高仪器测量精度。

目前动力调谐陀螺测斜仪的静态偏移系数的求解有多种方法，传统的八位 置标定方法、十位置标定方法、最优八位置标定方法和二十四位置标定方法。 这些方法对机械加工精度有很高要求，而且整个标定过程运算繁琐，标定周期 长，给测斜仪高温标定带来诸多不便。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可简化标定 方法、降低机械加工精度以及提高陀螺测斜仪精度的动力调谐陀螺测斜仪的标 定补偿方法及标定补偿模型。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种动力调谐陀螺测斜仪的标定 补偿方法，其特殊之处在于：所述动力调谐陀螺测斜仪的标定补偿方法包括以 下步骤：

1）建立标定补偿模型；所述标定补偿模型包括三个加速计、一个两轴的动 力调谐陀螺以及机械骨架；所述两轴的动力调谐陀螺以及三个加速计依次设置 在机械骨架上；所述三个加速计相互正交设置在机械骨架上；所述三个加速计 形成坐标系XYZ；所述动力调谐陀螺和机械骨架的轴向形成坐标系X'Y'Z'；

2）判断三个加速计所形成的坐标系XYZ与动力调谐陀螺和机械骨架的轴向 所形成的坐标系X'Y'Z'是否存在非正交角度，若是，则进行步骤3）；若否，则 退出标定补偿过程；

3）测量三个加速计所形成的坐标系XYZ与动力调谐陀螺和机械骨架的轴向 所形成的坐标系X'Y'Z'之间的非正交角度；

4）将步骤3）所得到的非正交角度补偿至步骤1）所形成的标定补偿模型中；

5）利用步骤4）所形成的标定补偿模型采用四位置标定法获取与加速度相 关的漂移系数。

上述步骤3）的具体实现方式是：

3.1）使三个加速计所形成的坐标系XYZ中的Z轴与机械骨架的轴向保持同 轴；

3.2）利用加速度计测量并计算加速计X轴和Y轴两个坐标系与动力调谐陀螺 的X’轴和Y’轴两个坐标系的非正交角度α；其计算公式是：

$\left(\begin{array}{c}{X}^{\prime }\\ Y^{\prime }\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \alpha & \sin \alpha \\ -\sin \alpha & \cos \alpha \end{array}\right)\left(\begin{array}{c}X\\ Y\end{array}\right).$

上述步骤5）的具体实现方式是：

5.1）根据下列公式确定与加速度相关的漂移系数B_xx,B_xy,B_yx,B_yy；

其中：

——动力调谐陀螺测量的角速度测量值；

ω_x,ω_y——陀螺绕其输入轴的旋转速率；

a_x,a_y——分别沿x、y方向的加速度（加入了α补偿角后的重力加速度值）；

B_fx,B_fy——对加速度不敏感的零偏系数；

B_xx,B_xy,B_yx,B_yy——与加速度成比例的漂移系数；

5.2）采用四位置标定法计算与加速度相关的漂移系数。

上述步骤5.2）中四位置标定法包括：

第一位置：动力调谐陀螺的X测量轴指向“天”，动力调谐陀螺的Y测量轴指 向“西”，动力调谐陀螺的Z测量轴指向“南”；

第二位置：动力调谐陀螺的X测量轴指向“地”，动力调谐陀螺的Y测量轴指 向“东”，动力调谐陀螺的Z测量轴指向“南”；

第三位置：动力调谐陀螺的X测量轴指向“北”，动力调谐陀螺的Y测量轴指 向“天”，动力调谐陀螺的Z测量轴指向“东”；

第四位置：动力调谐陀螺的X测量轴指向“南”，动力调谐陀螺的Y测量轴指 向“地”，动力调谐陀螺的Z测量轴指向“东”；

测量得到的第一位置的数据减去第二位置的数据，同时通过第三位置的数 据与第四位置的数据计算得出与加速度成比例的漂移系数B_xx,B_xy,B_yx,B_yy。

一种用于如上所述的动力调谐陀螺测斜仪的标定补偿方法的标定补偿模 型，其特殊之处在于：所述标定补偿模型包括三个加速计、一个两轴的动力调 谐陀螺以及机械骨架；所述两轴的动力调谐陀螺以及三个加速计依次设置在机 械骨架上；所述三个加速计相互正交设置在机械骨架上。

上述标定补偿模型还包括三轴转台；所述机械骨架置于三轴转台上。

上述标定补偿模型还包括分别与加速计以及动力调谐陀螺相连的数据采集 计算机。

本发明的优点是：

本发明提供了一种动力调谐陀螺测斜仪的标定补偿方法及标定补偿模型， 该方法采用的结构是捷联式机械编排，包括一个双轴动力调谐式挠性陀螺和三 个石英挠性加速度计，安装在机械骨架上，组成惯性测量组件。本发明用于挠 性陀螺测斜仪的标定，利用加速度计测量陀螺X轴和Y轴与加速计X轴和Y轴两个 坐标系的不正交角度，运用坐标变换方程将这个角度准确补偿到加速度计模型 中，这样保证加速计坐标系和陀螺坐标系相互正交；测斜仪标定过程中采用两 两间隔180°的四位置标定，直接消去零偏，计算出加速计相关的各个补偿参数， 与传统的标定补偿算法相比，尤其是与传统的八位置标定以及二十四位置标定 等标定方法相比减少了标定位置，方便了仪器的高温标定和验证。降低了测斜 仪机械加工要求精度，减少了标定工作量，节省了成本，减少了标定位置，降 低了运算时间，减少了仪器标定所需时间。本发明能够在机械加工精度较差、 保证精度、省时省力的前提下计算动力调谐陀螺的静态偏移系数。

附图说明

图1是本发明所采用的标定方法中陀螺坐标系和加速度计坐标系位置示意 图；

图2是本发明所采用的标定补偿模型的结构示意图；

1-动力调谐陀螺；2-Y轴加速计；3-X轴加速计；4-Z轴加速计。

具体实施方式

本发明提供了一种动力调谐陀螺测斜仪的标定补偿方法，该动力调谐陀螺 测斜仪的标定补偿方法包括以下步骤：

1）参见图2，建立标定补偿模型；标定补偿模型包括三个加速计、一个两 轴的动力调谐陀螺以及机械骨架；两轴的动力调谐陀螺以及三个加速计依次设 置在机械骨架上；三个加速计相互正交设置在机械骨架上；三个加速计形成坐 标系XYZ；动力调谐陀螺和机械骨架的轴向形成坐标系X'Y'Z'，参见图1所示；

2）由于机械加工存在误差，圆轴型的陀螺坐标系（X'Y'Z'）和加速计坐标 系（XYZ）无法保证完全正交，两个坐标轴有微小的角度，因此，为了测量精 确，本发明还需判断三个加速计所形成的坐标系XYZ与动力调谐陀螺和机械骨 架的轴向所形成的坐标系X'Y'Z'是否存在非正交角度，若是，则进行步骤3）； 若否，则退出标定补偿过程；

3）测量三个加速计所形成的坐标系XYZ与动力调谐陀螺和机械骨架的轴向 所形成的坐标系X'Y'Z'之间的非正交角度：

3.1）使三个加速计所形成的坐标系XYZ中的Z轴与机械骨架的轴向保持同 轴；

3.2）利用加速度计测量并计算加速计X轴和Y轴两个坐标系与动力调谐陀螺 的X’轴和Y’轴两个坐标系的非正交角度α；两个坐标系之间的转换方程如 下：陀螺X轴敏感轴指向正北，井斜角调整到90°，调整三轴转台，使X轴加速计 输出为零，此时可准确测量加速计坐标系和陀螺坐标系之间的夹角α。其计算 公式是：

$\left(\begin{array}{c}{X}^{\prime }\\ Y^{\prime }\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \alpha & \sin \alpha \\ -\sin \alpha & \cos \alpha \end{array}\right)\left(\begin{array}{c}X\\ Y\end{array}\right).$

4）将步骤3）所得到的非正交角度补偿至步骤1）所形成的标定补偿模型中；

5）根据陀螺仪漂移与载体加速度之间的关系，可以把陀螺仪有规律的，系 统性的漂移分为与加速度无关的漂移，与加速度成比例的漂移，与加速度平方 成比例的漂移。利用步骤4）所形成的标定补偿模型采用四位置标定法获取与加 速度相关的漂移系数：

5.1）根据下列公式确定与加速度相关的漂移系数B_xx,B_xy,B_yx,B_yy；

其中：

——动力调谐陀螺测量的角速度测量值；

ω_x,ω_y——陀螺绕其输入轴的旋转速率；

a_x,a_y——分别沿x、y方向的加速度（加入了α补偿角后的重力加速度值）；

B_fx,B_fy——对加速度不敏感的零偏系数；

B_xx,B_xy,B_yx,B_yy——与加速度成比例的漂移系数；

5.2）采用四位置标定法计算与加速度相关的漂移系数。

四位置标定法包括：

第一位置：动力调谐陀螺的X测量轴指向“天”，动力调谐陀螺的Y测量轴指 向“西”，动力调谐陀螺的Z测量轴指向“南”；

第二位置：动力调谐陀螺的X测量轴指向“地”，动力调谐陀螺的Y测量轴指 向“东”，动力调谐陀螺的Z测量轴指向“南”；

第三位置：动力调谐陀螺的X测量轴指向“北”，动力调谐陀螺的Y测量轴指 向“天”，动力调谐陀螺的Z测量轴指向“东”；

第四位置：动力调谐陀螺的X测量轴指向“南”，动力调谐陀螺的Y测量轴指 向“地”，动力调谐陀螺的Z测量轴指向“东”；

测量得到的第一位置的数据减去第二位置的数据，则B_fx,B_fy消去，同时通过 第三位置的数据与第四位置的数据计算得出与加速度成比例的漂移系数 B_xx,B_xy,B_yx,B_yy。；该数据是X、Y轴陀螺和X、Y、Z加速度计在当前位置的测量值。

参见图2，本发明还提供了一种标定补偿模型，该标定补偿模型包括三个加 速计（Y轴加速计2、X轴加速计3以及Z轴加速计4）、一个两轴的动力调谐陀螺1 以及机械骨架；两轴的动力调谐陀螺1以及三个加速计（Y轴加速计2、X轴加速 计3以及Z轴加速计4）依次设置在机械骨架上；三个加速计（Y轴加速计2、X轴 加速计3以及Z轴加速计4）相互正交设置在机械骨架上。

标定补偿模型还包括三轴转台（图中未标识）；机械骨架置于三轴转台上。

标定补偿模型还包括分别与加速计以及动力调谐陀螺相连的数据采集计算 机（图中未标识）。数据采集计算机可以是各种常用的能够采集数据的计算存储 设备。