测井探管三维实时姿态检测系统及其检测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种测井探管三维实时姿态检测系统，包括传感器组：用于采集所述测井探管的原始方位角和倾角信息，包括三轴电子罗盘和三轴加速度传感器，该三轴电子罗盘的三个轴与三轴加速度传感器的三个轴同轴连接；以及微处理器：通过I2C总线与所述传感器组相连，内嵌有数据融合定位解算算法，用于对所述传感器组采集的原始方位角和倾角信息进行实时解算，得到测井探管的实施姿态信息。同时，本发明专利技术还提供了相应的检测方法，通过本发明专利技术，可以在减少后续数据处理工作量的同时，有效提高检测的精度，具有很高的实用价值。

【技术实现步骤摘要】
测井探管三维实时姿态检测系统的检测方法
本专利技术涉及一种钻井中测井探管的姿态信息检测技术，具体地说，是涉及一种测井探管三维实时姿态检测系统的检测方法。
技术介绍
在地震测井中，井下探管的姿态信息是很重要的参数之一，尤其是方位角信息，此处所指的方位角是指检波器水平的一个分量与人工震源产生方向的夹角。目前，常用的方位角检测方法是对检波器接收到的信号能量的强弱进行计算(即能量法)，进而估计出方位角信息。但是，这种方法并不能实时地得到方位角信息，需要对采集到信号经过复杂的运算之后才能得到其估计值，不仅精确度较低，而且延迟性严重，并不能满足实际需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种测井探管三维实时姿态检测系统的检测方法，解决现有技术存在的无法对井下探管的姿态信息进行实时检测且精确度不高的问题。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：测井探管三维实时姿态检测系统的检测方法，所述的检测系统包括：传感器组：用于采集所述测井探管的原始方位角和倾角信息，包括三轴电子罗盘、三轴加速度传感器和用于对所述三轴电子罗盘和三轴加速度传感器进行动态补偿的三轴陀螺仪，所述三轴电子罗盘的三个轴与三轴加速度传感器的三个轴同轴连接；所述三轴陀螺仪三个轴与所述三轴电子罗盘的三个轴同轴连接；以及，微处理器：与所述传感器组相连，内嵌有数据融合定位解算算法，用于对所述传感器组采集的原始方位角和倾角信息进行实时解算，得到测井探管的实施姿态信息；所述的检测方法则包括以下步骤：(1)测井探管处于倾斜状态时，选用大地坐标系作为测井探管实时姿态信息检测时的参考坐标系；(2)将三轴电子罗盘、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪连接，组成传感器组，并按照测井探管的三分量检波器的设置方式设置传感器组的三维坐标轴；(3)将传感器组与微处理器通过I2C总线连接；(4)利用三轴电子罗盘和三轴加速度传感器测得测井探管的原始姿态信息，然后由微处理器利用数据融合定位解算算法对该原始姿态信息进行数据融合与解算，并通过三轴陀螺仪对其进行动态补偿，得到最终的测井探管姿态信息；该步骤中，所述的测井探管姿态信息包括方位角ψ、俯仰角和翻滚角θ，三者的计算过程如下：(a)将测井探管的最终位置看作是从大地坐标通过一系列的旋转得到，每一次的旋转相当于一次坐标变换，沿不同轴向的旋转矩阵依次是：通过以下的旋转次序，将地球重力的作用折算到三轴加速度传感器的三个轴上，即：得到俯仰角和翻滚角θ的计算公式分别为：式中，Ax，Ay，Az为三轴加速度传感器三个轴的输出；(b)计算出俯仰角和翻滚角θ后，再由俯仰角和翻滚角θ按照下列公式计算方位角ψ：HY＝Hycosθ+Hzsinθ；ψ＝tan-1(Hy/Hx)；式中，Hx、Hy、Hz为地磁x轴分量、地磁y轴分量、地磁z轴分量。优选地，所述微处理器为32位基于Cotex-M4内核的ARM处理器STM32F407VGT6；所述三轴电子罗盘为MEMS磁阻传感器HMC5883L；所述三轴加速传感器为MEMS加速度传感器BMA020；所述三轴陀螺仪为MEMS陀螺仪MPU3050。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术利用三轴电子罗盘和三轴加速度传感器按照测井探管的三分量检波器的设置方式进行定向，以构成检测探管姿态信息的基础设备，并通过三轴电子罗盘和三轴加速度传感器测得初始的方位角信息和倾角信息，然后利用三轴陀螺仪对其进行动态补偿，以提高检测的精确度，最后再利用微处理器对测得的方位角信息和倾角信息进行数据融合与解算处理，整个过程全自动化处理，无需人工操作，并在采集数据之后立刻传输给微处理器进行处理，几乎可以实现同步得出结果，有效地解决了现有技术检测精度低、难以实现实时获取探管姿态信息的问题。本专利技术所提供的测井探管三维实时姿态检测系统，不仅检测装置十分简单，大大减小了后续数据处理的工作量，提高了数据处理速度，还有效提高了检测精度，提高了地震测井的勘探效率，实现了在检测的同时实时“看到”井下探管姿态的目的。附图说明图1为本专利技术中测井探管三维实时姿态检测系统的设置示意图。图2为本专利技术中测井探管水平状态下姿态信息的计算示意图。图3为本专利技术中测井探管倾斜状态下姿态信息的计算示意图。图4为本专利技术中数据融合与解算框图。图5为本专利技术中数据融合定位解算算法的简易框图。图6为本专利技术中数据融合定位解算算法得到的方位角的效果图。图7为本专利技术中方位角测量方法的示意图。具体实施方式下面结合附图说明和实施例对本专利技术作进一步说明，本专利技术的方式包括但不仅限于以下实施例。实施例如图1所示，本专利技术公开的测井探管三维实时姿态检测系统，主要由传感器组和微处理器通过I2C总线连接构成。其中，传感器组由三轴电子罗盘、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪构成，所述三轴电子罗盘可以有效感知地磁大小，并根据地磁大小来测出传感器敏感轴的方位指向，但当三轴电子罗盘倾斜或者受到地磁外强磁场干扰时，会影响其测量精度，造成测量结果的不准确，其在本技术中主要用于采集测井探管的方位角信息。所述三轴加速度传感器用于测量测井探管的倾角，加速度传感器可以测量加速度的大小；当没有外界加速度时，测量的对象为地球的重力加速度在其各个轴向上的分量，通过各个分量的大小即可测出传感器组的相对于水平面的倾斜角度，而通过该倾斜角度，又可以对三轴电子罗盘做相应的倾斜补偿，以提高三轴电子罗盘的测量精度。而所述三轴陀螺仪则用于对所述三轴电子罗盘和三轴加速度传感器进行动态补偿，三轴陀螺仪可以测量其各个轴向的角速度，通过该角速度，实时地对三轴电子罗盘和三轴加速度传感器进行补偿，以进一步提高测井探管姿态信息的检测精度。整个传感器组主要用于完成测井探管姿态信息的采集，而微处理器则用于对传感器组采集的信息进行处理，以达到快速完成数据处理、实时获取测井探管的三维姿态信息的目的。所述微处理器选用32位基于Cotex-M4内核的ARM处理器STM32F407VGT6，内嵌数据融合定位解算算法，通过该算法，微处理器可以将传感器组采集得到的原始信息进行融合、解算，最终得到需要的测井探管三维姿态信息。需要注意的是，在安装传感器组时，应将三轴电子罗盘、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪的三个轴分别按照相同的方向定位，具体地说，三轴电子罗盘的X轴、三轴加速度传感器的X轴和三轴陀螺仪的X轴方向应相同；三轴电子罗盘的Y轴、三轴加速度传感器的Y轴和三轴陀螺仪的Y轴方向应相同；三轴电子罗盘的Z轴、三轴加速度传感器的Z轴和三轴陀螺仪的Z轴方向应相同。同时，整个传感器组的三个轴向应与测井探管的三分量检波器的三个轴向也保持相同。下面具体说明测井探管的姿态信息检测过程。如图2～图7所示，首先对下列符号进行定义：方位角Ψ：从地磁北方向顺时针转到传感器组X轴向的角度，范围为0到360°。倾角包括俯仰角和翻滚角θ，其中：俯仰角传感器组X轴正向与其在水平方面上投影的夹角，向上仰为正，向下俯为负；翻滚角θ：传感器组Y轴正向与其在水平面上投影的夹角，右转为正，左转为负；考虑到测井探管的三分量检波器一般情况下为Z轴朝下，变化不大且在倾斜角度过大时对三轴电子罗盘的倾斜补偿效果不好，因此，设定俯仰角和翻滚角的范围为±60°。在安装传感器组时，应保持三轴电子罗盘、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪的同轴向连接，即：三轴电子罗盘、本文档来自技高网...

【技术保护点】
测井探管三维实时姿态检测系统，其特征在于，包括传感器组：用于采集所述测井探管的原始方位角和倾角信息，包括三轴电子罗盘和三轴加速度传感器，该三轴电子罗盘的三个轴与三轴加速度传感器的三个轴同轴连接；以及，微处理器：通过I2C总线与所述传感器组相连，内嵌有数据融合定位解算算法，用于对所述传感器组采集的原始方位角和倾角信息进行实时解算，得到测井探管的实施姿态信息。

【技术特征摘要】
1.测井探管三维实时姿态检测系统的检测方法，其特征在于，所述的检测系统包括：传感器组：用于采集所述测井探管的原始方位角和倾角信息，包括三轴电子罗盘、三轴加速度传感器和用于对所述三轴电子罗盘和三轴加速度传感器进行动态补偿的三轴陀螺仪，所述三轴电子罗盘的三个轴与三轴加速度传感器的三个轴同轴连接；所述三轴陀螺仪三个轴与所述三轴电子罗盘的三个轴同轴连接；以及，微处理器：与所述传感器组相连，内嵌有数据融合定位解算算法，用于对所述传感器组采集的原始方位角和倾角信息进行实时解算，得到测井探管的实施姿态信息；所述的检测方法则包括以下步骤：(1)测井探管处于倾斜状态时，选用大地坐标系作为测井探管实时姿态信息检测时的参考坐标系；(2)将三轴电子罗盘、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪连接，组成传感器组，并按照测井探管的三分量检波器的设置方式设置传感器组的三维坐标轴；(3)将传感器组与微处理器通过I2C总线连接；(4)利用三轴电子罗盘和三轴加速度传感器测得测井探管的原始姿态信息，然后由微处理器利用数据融合定位解算算法对该原始姿态信息进行数据融合与解算，并通过三轴陀螺仪对其进行动态补偿，得到最终的测井探管姿态信息；该步骤中，所述的测井探管姿态信息包括方位角ψ、俯仰角和翻滚角θ，三者的计算过程如下：(a)将测井探管的最终位置看作是从大地坐标通过一系列的旋转得到，每一次的旋转相当于一次坐标变换，沿不同轴向的旋转矩阵依次是：

【专利技术属性】
技术研发人员：李怀良，庹先国，沈统，刘勇，蒋鑫，阳林锋，毛小波，贺春艳，
申请(专利权)人：西南科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51