基于实时惯性感测的增量轨迹估计系统技术方案

描述了一种用于对机具进行增量轨迹估计的系统。在操作期间，所述系统基于加速度计数据和陀螺仪数据来确定所述机具的每个静止时段的时间跨度。然后，基于所述时间跨度和陀螺仪数据来估计陀螺仪偏置。接着，基于所估计的陀螺仪偏置和陀螺仪数据，在每个时间步估计所述机具的姿态。而且，估计所述机具的行进距离。最后，基于所估计的姿态和行进距离估计所述机具的轨迹。有了该轨迹估计，可以使机具(例如，钻井平台、车辆等)基于所述轨迹估计来改变其方向。

Incremental trajectory estimation system based on real-time inertial measurement

A system for incremental trajectory estimation of machine tools is described. During operation, the system determines the time span of each stationary period of the machine based on accelerometer data and gyroscope data. Then, the gyroscope bias is estimated based on the time span and gyroscope data. Then, based on the estimated gyroscope bias and gyroscope data, the attitude of the machine is estimated at each time step. Furthermore, the travel distance of the said machine is estimated. Finally, the trajectory of the mechanism is estimated based on the estimated attitude and travel distance. With this trajectory estimation, the machine tool (e.g., drilling platform, vehicle, etc.) can change its direction based on the trajectory estimation.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于实时惯性感测的增量轨迹估计系统相关申请的交叉引用这是2016年11月29日提交的美国临时申请No.62/427,561的非临时专利申请，该临时申请的全部内容通过引用并入于此。
本专利技术总体上涉及轨迹估计，更具体地，涉及基于实时惯性感测的增量轨迹估计系统。
技术介绍
天然气和石油工业通常在很远的地下距离处引导井眼钻井设备。井眼钻井通常是通过“随钻测量”(MWD)过程来执行的，在该过程中，设备操作员使用多种传感器来估计钻井设备的位置和轨迹。例如，经常采用基于磁力计的轨迹估计，来基于磁力计读数估计井眼轨迹。使用磁力计来检测钻头(drill)附近的钻具的方位角。通过将磁力计与加速度计配对，操作员能够辨别地下钻头的井斜角和方位角，从而能够进行轨迹估计。然而，问题在于必须在所有传感器都处于静止状态(即，在测量模式下)时进行上述测量。因此，希望对已经在自主驾驶车辆、自机动飞机以及室内机器人移动等上使用的导航技术进行改编。在上述导航技术中，包括加速度计、陀螺仪以及磁力计的惯性传感器提供连续测量值，这些测量值被用于实时轨迹估计。使这些技术适用于井下钻井应用的问题是这些技术对偏置漂移极其敏感。井下环境非常“嘈杂”(即，振动、冲击、环境温度波动、磁干扰等)。结果，偏置漂移很难控制到可接受的下限。任何确定的或随机的偏置都会导致大的位置估计失控，因为其与时间的立方成比例。因此，持续地需要一种在各种配置和平台上实时(以及事后测量)操作的、快速且准确的轨迹估计系统。
技术实现思路
本公开提供了一种用于对机具进行增量轨迹估计的系统。在各种实施方式中，所述系统包括一个或更多个处理器以及存储器。所述存储器例如是编码有可执行指令的非暂时性计算机可读介质。在执行所述指令时，所述一个或更多个处理器执行几个操作，例如：基于加速度计数据和陀螺仪数据来确定所述机具的每个静止时段的时间跨度；基于所述时间跨度和陀螺仪数据来估计陀螺仪偏置；基于所估计的陀螺仪偏置、加速度计数据和陀螺仪数据来估计每个时间步的姿态；估计所述机具在每个时间步的行进距离；以及基于所估计的姿态和行进距离来估计所述机具的第一轨迹。然后，所述系统可以使所述机具(例如，钻井平台或钻头、车辆等)基于轨迹估计来改变方向性移动。例如，可以使所述机具转向以描画新的轨迹。在另一方面，在估计每个时间步的姿态的操作中，所述姿态还基于估计磁力计读数与测量磁力计读数之差的最小化。在又一方面，所述系统基于惯性导航方案(INS)来估计所述机具的第二轨迹。在另一方面，利用权重参数组合所估计的第一和第二轨迹以生成加权组合轨迹。在又一方面，基于所述加权组合轨迹的卡尔曼(Kalman)滤波来生成优化轨迹估计。在另一方面，通过对初始行进距离估计和行进距离测量值进行加权来优化所估计的每个时间步的行进距离。在又一方面，所述行进距离是基于速度随时间的分布确定的。在又一方面，所述行进距离是利用作为时间的函数的两个站之间的正弦波近似而计算出的。最后，本专利技术还包括一种计算机程序产品和计算机实现方法。所述计算机程序产品包括存储在非暂时性计算机可读介质上的计算机可读指令，该计算机可读指令可通过具有一个或更多个处理器的计算机执行，使得在执行所述指令时，所述一个或更多个处理器执行本文列出的操作。另选地，所述计算机实现方法包括使计算机执行这种指令并且执行所得操作的行为。附图说明根据下面结合参照附图对本专利技术各个方面的详细描述，本专利技术的目的、特征以及优点将变清楚，其中：图1是示出根据本专利技术各个实施方式的系统的组件的框图；图2是具体实施本专利技术的一个方面的计算机程序产品的例示图；图3是例示根据本专利技术各个实施方式的用于增量轨迹估计的处理的流程图；图4A是往返期间加速度计读数的例示图；图4B是往返期间陀螺仪读数的例示图；图5A是描绘所计算出的作为时间的函数的方位角的图表；图5B是描绘所计算出的作为时间的函数的井斜角和工具面角的图表；图6是描绘针对整个往返的每个时间步的估计距离的图表；图7A是描绘利用根据本公开的过程和现有技术过程计算出的轨迹(二维)的比较的标绘图；图7B是描绘利用根据本公开的过程和现有技术过程计算出的轨迹(三维)的比较的标绘图；图8是例示根据本公开的系统的、利用磁力计读数实现的示例实施方式的流程图；图9是例示根据本专利技术的采用了带卡尔曼滤波的惯性导航方案的各个实施方式的处理的流程图；以及图10是例示根据本专利技术各个实施方式的处理的流程图。具体实施方式本专利技术总体上涉及轨迹估计，更具体地，涉及基于实时惯性感测来进行增量轨迹估计的系统。以下的说明旨在使本领域普通技术人员能够制造和使用本专利技术并将其导入到特定应用的背景中。对于本领域技术人员来说显然可以有各种改动以及不同应用场合中的多种用途，并且这里限定的总体构思可以应用于很宽的范围。因此，本专利技术不应限于所呈现的方面，而是涵盖与本文所公开的构思和新颖特征相一致的最广范围。在下面的详细说明中，阐述了许多具体细节，以使得能够更加深刻地理解本专利技术。然而，本领域技术人员应当明白，本专利技术可以在不必受限于这些具体细节的情况下来实施。在其它情况下，公知结构和装置按框图形式而不是按细节示出，以免妨碍对本专利技术的理解。也请读者留意与本说明书同时提交的所有文件和文档，这些文件和文档与本说明书一起开放给公众以供查阅，所有这些文件和文档的内容通过引用并入于此。本说明书中公开的所有特征(包括任何所附权利要求、摘要，以及附图)可以由用于相同、等同或相似目的的替代特征来代替，除非另有明确说明。因此，除非另有明确说明，所公开的每个特征仅仅是一系列等同或相似特征中的一个例子。而且，权利要求中没有明确陈述“用于执行指定功能的装置”或“用于执行特定功能的步骤”的任何部件不应被解释为如在35U.S.C.112节第6款中指定的“装置”或“步骤”条款。特别地，在本文的权利要求中使用“…的步骤”或“……的动作”不应触发35U.S.C.112第6款的规定。在详细说明本专利技术之前，首先提供了引用参考文献的列表。接下来，提供了对本专利技术各个主要方面的说明。随后，向读者进行介绍，使得能够对本专利技术有个总体上的理解。最后，提供本专利技术各个实施方式的具体细节，以使得能够理解具体的方面。(1)引入的参考文献列表贯穿本申请引用以下参考文献。为了清楚和方便起见，这些参考文献在此被列为读者的中心资源。下列参考文献通过引用并入于此，就像在此完全陈述的一样。这些参考文献通过参照如下对应文献参考号而在本申请中加以引用，如下：1.“FusionofsensordatainSiemenscarnavigationsystem”,D.Obradovicetal.,IEEETran.VehicularTech.,Vol.56,43,(2007)。2.“LowcostthreedimensionalnavigationsolutionforRISS/GPSintegrationusingmixtureparticlefilter”,JacquesGeorgy,etal.,IEEETran.VehicularTech.,Vol.59,599,(2010)。3.“Introductiontowellborepositioning”,Uni.oftheHighlands&Isl本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于对机具进行增量轨迹估计的系统，所述系统包括：一个或更多个处理器以及存储器，所述存储器是编码有可执行指令的非暂时性计算机可读介质，使得在执行所述指令时，所述一个或更多个处理器执行以下操作：基于加速度计数据和陀螺仪数据来确定所述机具的每个静止时段的时间跨度；基于所述时间跨度和陀螺仪数据来估计陀螺仪偏置；基于所估计的陀螺仪偏置、加速度计数据和陀螺仪数据来估计每个时间步的姿态；估计所述机具在每个时间步的行进距离；以及基于所估计的姿态和行进距离来估计所述机具的第一轨迹。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.11.29 US 62/427,5611.一种用于对机具进行增量轨迹估计的系统，所述系统包括：一个或更多个处理器以及存储器，所述存储器是编码有可执行指令的非暂时性计算机可读介质，使得在执行所述指令时，所述一个或更多个处理器执行以下操作：基于加速度计数据和陀螺仪数据来确定所述机具的每个静止时段的时间跨度；基于所述时间跨度和陀螺仪数据来估计陀螺仪偏置；基于所估计的陀螺仪偏置、加速度计数据和陀螺仪数据来估计每个时间步的姿态；估计所述机具在每个时间步的行进距离；以及基于所估计的姿态和行进距离来估计所述机具的第一轨迹。2.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括基于所述轨迹估计使所述机具改变方向的操作。3.根据权利要求2所述的系统，其中，在估计每个时间步的姿态的操作中，所述姿态还基于估计磁力计读数与测量磁力计读数之差的最小化。4.根据权利要求3所述的系统，所述系统还包括估计所述机具的第二轨迹的操作。5.根据权利要求4所述的系统，所述系统还包括利用权重参数将所估计的第一轨迹和第二轨迹组合来生成加权组合轨迹的操作。6.根据权利要求5所述的系统，所述系统还包括基于所述加权组合轨迹的卡尔曼滤波来生成优化轨迹估计的操作。7.根据权利要求6所述的系统，所述系统还包括通过对初始行进距离估计和行进距离测量值进行加权来优化所估计的每个时间步的行进距离的操作。8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述机具选自由钻井平台和车辆构成的组。9.根据权利要求1所述的系统，其中，在估计所述行进距离的操作中，所述行进距离是基于速度随时间的分布确定的。10.根据权利要求1所述的系统，其中，在估计所述行进距离的操作中，所述行进距离是利用作为时间的函数的、两个站之间的正弦波近似而计算出的。11.一种用于对机具进行增量轨迹估计的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括：编码有可执行指令的非暂时性计算机可读介质，使得当通过一个或更多个处理器执行所述指令时，所述一个或更多个处理器执行以下操作：基于加速度计数据和陀螺仪数据来确定所述机具的每个静止时段的时间跨度；基于所述时间跨度和陀螺仪数据来估计陀螺仪偏置；基于所估计的陀螺仪偏置、加速度计数据和陀螺仪数据来估计每个时间步的姿态；估计所述机具在每个时间步的行进距离；以及基于所估计的姿态和行进距离来估计所述机具的第一轨迹。12.根据权利要求11所述的计算机程序产品，所述计算机程序产品还包括基于所述轨迹估计使所述机具改变方向的操作。13.根据权利要求12所述的计算机程序产品，其中，在估计每个时间步的姿态的操作中，所述姿态还基于估计磁力计读数与测量磁力计读数之差的最小化。14.根据权利要求13所述的计算机程序产品，所述计算机程序产品还包括估计所述机具的第二轨迹的操作。15.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：王槊秦，L·D·索伦森，H·阮，D·张，R·佩拉亚，
申请(专利权)人：赫尔实验室有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US