СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОРИЕНТАЦИИ ОБЪЕКТА В ТОЧКЕ ОСТАНОВА Российский патент 1996 года по МПК E21B47/02 

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано для определения ориентации объекта в точке останова.

Этот способ может быть применен при определении ориентаций бура в точке останова с последующим определением направления смещения "ножей" бура и принудительным смещением в заданном направлении "ножей" бура дня корректировки направления бурения, а также в навигации с целью определения предстартовой угловой ориентации летательного аппарата.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ определения ориентации прямой пинии, имеющей произвольное пространственное положение. Прямой линией может быть касательная к траектории скважины в точна останова и совпадающая с ней (с касательной) ось Z гироскопического инклинометра (1).

Известный способ определения ориентации прямой линии, т.е. способ определения углов вертикали и азимута прямой линии, включает следующие последовательные операции:
горизонтирование трехстепенного гироскопа, определение угла между осью (ось Z) инклинометра и вектором кинетического момента трехстепенного гироскопа, т.е. определение угла азимута, и преобразование этого угла в электрический сигнал посредством индукционного датчика;
определение угла между осью (ось Z) игклинометра и маятником, т.е. определение угла вертикали, и преобразование этого угла в электрический сигнал.

Устройство для реализации способа содержит устройство определения вертикали места на базе маятника со съемом угла от индукционного датчикам, устройство определения азимута скважины на базе трехстепенного гироскопа с системой гидростабилизирования со съемом угла от индукционного датчика.

Недостатком известного способа на базе этого устройства является невозможность определения полной ориентации объекта (бура) в точке останова.

Этот недостаток устраняется тем, что азимуты двух осей объекта ψ_z и ψ_x определяют по формулам


где
g²= g2x

+g2y+g2z (3)
p = ω_x•g_x+ω_y•g_y+ω_z•g_z (4)
g_x, g_x, g_x значения ускорения силы тяжести по трем взаимно перпендикулярным осям X, У, Z;
ω_x, ω_y, ω_z значения угловой скорости Земли по трем взаимно перпендикулярным осям X, У, Z.

Способ основан на определении ориентации объекта по следующим трем углам:
определение угла вертикали одной из осей (например, оси );
определение азимута этой же оси, т.е. определение угла между проекцией этой оси на плоскость горизонта и проекцией вектора угловой скорости Земли на плоскость горизонта;
определение азимута другой оси объекта (например, оси X).

Таким образом, в качестве метода ориентации объекта выбран метод определения угла вертикали одной из осей, определения азимута этой же оси и определение азимута другой оси.

На чертеже дано пояснение угла вертикали и угла азимута осей.

Способ осуществляется посредством измерителя ускорения и измерителя угловой скорости (либо измерителя напряженности магнитного поля), жестко связанных с объектом.

В качестве измерителя ускорения может быть использована триада акслерометров, измеряющих ускорение по трем взаимно перпендикулярным осям.

В качестве измерителя угловой скорости могут быть использованы два двухкоординатных гироскопических датчика угловой скорости (ДУС), измеряющих угловую скорость по трем взаимно перпендикулярным осям, например, первый ДУС измеряет угловую скорость по осям X и У, второй ДУС до оси Z
В качестве измерителя напряженности магнитного поля может быть использована триада магнитометров, измеряющих напряженность магнитного поля по трем взаимно перпендикулярным осям.

Подвижная система координат X, У, Z выбрана таким образом, что ось Z совпадает с продольной осью инклинометра (совпадает с направлением бурений), положение оси X произвольное, ось Y перпендикулярна Х и Z).

В местной системе координат X, Y, Z посредством трех акселерометров и двух двухкоординатных гироскопичкских ДУС измеряют значения

Угол вертикали ν_z оси Z определяется по известной формуле:

Краткий вывод формулы определения азимута оси Z, т.е. определения угла ψ_z$, по информаций об ускорения силы тяжести, по информации об угловой скорости Земли следующий.

Пусть в трехмерной декартовой системе координат ξ, η, Φ заданы два вектора:
а) , где вектор ускорения свободного падения (вектор силы тяжести);
б) вектор угловой скорости Земли.

И пусть имеется вектор (направление оси Z инклинометра, направление бурения в данной точке скважины) с произвольной ориентацией.

С вектором n связана местная система координат (X, Y, Z) такая, что ось 2 направлена по вектору , положение оси X произвольно, ось Y перпендикулярна X и Z.

В местной системе координат измерены проекции векторов:


Требуется определить угол ψ между проекциями и на плоскость горизонта векторов и .

Угол j и есть искомый азимут скважины.

Все построения ведут в местной системе координат (О, X, Y, Z).

Уравнение плоскости горизонта, проходящей через начало координат (0;0;0) и перпендикулярной , будет иметь вид:
g_x•x + g_y•y + g_z•z 0 (7)
Определяют проекции на эту плоскость, т.е. .

Из точки (ω_x; ω_y; ω_z) проводят прямую, перпендикулярную плоскости горизонта, параллельную вектору тяжести , выраженную уравнением (8):

Откуда

Находят точку пересечения этой прямой (9) с плоскостью горизонта, подставив значения X, Y, Z (9) в уравнение плоскости горизонта (7):
g_x•(ω_x+K•g_x)+g_y•(ω_y+K•g_y)+g_z•(ω_z+K•g_z) = 0 (10)
Откуда:

Подставляют (11) в уравнение прямой (9):

И так проекция на плоскость горизонта, т.е. будет иметь выражение (13):

Проекция вектора на плоскость горизонта, т.е. определяется аналогично (13) подстановкой ω_x=0, ω_y=0; ω_z=1.

Таким образом, имеем два вектора и , которые являются проекциями векторов и на плоскость горизонта.

Требуется определить угол азимута, т.е. угол между векторами и .

Воспользуемся формулами для двух векторов и .

Скалярное произведение равно:

Модуль векторного произведения равен:


Объединяя выражения (15) и (16), получают (17):

Применительно к икнлинометру a_x, a_y, a_z, b_x, b_y, b_z равны:

Подставляя значения a_x, a_y, a_z, b_x, b_y, b_z в выражение (17) и упростив его, получают формулу (1) определения азимута оси Z инклинометра (бура).

Определяют угол азимута оси X инклинометра (бура), т.е. определяют угол ψ.

Заменяют систему координат X, У, Z на систему координат X', Y', Z' такую, что ось Z' совпадает с осью X, ось Y' совпадает с Z, ось X' совпадает Y. В новой местной системе координат (X', Y', Z') измерены значения


Формула определения азимута ψ_z′ в системе координат X', Y', Z' будет иметь вид:

где
(g′)²= g2x′

+ g2y′+g2z′ (22)
P = g_x′•ω_x′+g_y′•ω_y′+g_z′•ω_z′ (23)
При этом

Подставляют выражение (24) в формулы (21, 22, 23).

В результате имеют азимут ψ_x, вычисленный в системе координат X, У, Z

где
g²= g2x

+g2y+g2z
P = g_x•ω_x+g_y•ω_y+g_z•ω_z
Таким образом, определяется ориентация объекта в точно останова путем определения угла вертикали ν_z и двух углов азимута ψ_z, ψ_x.

Таким образом, способ определения ориентации объекта в точке останова посредством измерения ускорения силы тяжести по трем взаимно перпендикулярным осям и измерения угловой скорости земли по тем же осям (или измерения напряженности магнитного поля Земли по тем же осям) является средством для определения ориентации объекта, имеющего произвольное угловое положение.

Использование: в гироскопическом приборостроении. Сущность изобретения: в качестве пространственной ориентации объекта выбрано определение следующих углов: угла вертикали одной из координатных осей объекта, угла азимута этой же оси, угла азимута другой оси. Способ осуществляется посредством трехкоординатного измерителя ускорения и трехкоординатного измерителя угловой скорости, жестко связанных с объектом. 1 ил.

Способ определения ориентации объекта в точке останова, включающий измерение ускорения силы тяжести Земли по трем взаимно перпендикулярным осям X, Y, Z, измерение угловой скорости Земли по тем же осям X, Y, Z и вычисление углов ориентации, отличающийся тем, что азимуты двух осей объекта ψ_z и ψ_x определяют по формулам


где g²=g2x

+g2y+g2z;
P=ω_x•g_x+ω_y•g_y+ω_z•g_z;
g_x, g_y, g_z значения ускорения силы тяжести Земли по трем взаимно перпендикулярным осям X, Y, Z;
ω_x, ω_y, ω_z значения угловой скорости Земли по тем же осям X, Y, Z.