輕小型二位置光纖陀螺測斜儀慣性測量單元設計

高 爽，焦禹舜，林 鐵，孔慶鵬

（北京航空航天大學慣性技術重點實驗室，北京 100191）

0 引言

隨著油田勘探開發的不斷深入，對井眼軌跡的要求越來越精確，因此，對井斜數據的精度要求也越來越高［1］。傳統的測斜儀器的測量精度不夠，數據傳輸速率低，體積大，不能滿足油氣井測量儀器輕小型化的迫切需求［2］。

光纖陀螺（FOG）［3，4］輕型的固態結構使其具有可靠性高、壽命長、抗地磁干擾、能夠耐沖擊和振動、瞬時啟動、功耗低以及有很寬的動態范圍等優點。從原理上分析，光纖陀螺用于油井測斜幾乎可以克服現有測斜儀器的所有缺點，是十分適用于油井測斜儀的角度傳感器。光纖陀螺測斜儀是基于慣性導航技術的慣性測量單元（IMU），是一種不依賴任何外部設備，完全自主的實時而快速的測量儀器。其基本原理是根據牛頓提出的相對慣性空間的力學定律［5］，利用光纖陀螺、加速度計敏感儀器沿油井井眼運動過程中的角速度、加速度，通過導航計算機進行航位推算，得到油井井眼各位置的傾斜角、方位角、工具角和相應的深度增量等參數，用以描述油井井眼軌跡。

1 系統工作原理

系統IMU空間結構組成見圖1。

選擇地理坐標系（東北天）作為系統導航坐標系OXnYnZn，載體坐標系OXbYbZb與測斜系統固聯，用來描述載體相對于導航坐標系的姿態。導航坐標系經過3次歐拉轉動（先繞Zn軸，再繞Y1軸，最后繞Z2軸）可得載體坐標系，如圖2所示，其中，φ，θ，γ分別為儀器方位角、傾斜角和工具角。

圖1 IMU空間結構Fig 1 Space structure of IMU

系統由導航坐標系到載體坐標系的歐拉轉換矩陣可表示如公式（1）

圖2 坐標系角位置關系Fig 2 Relationship between angular position and coordinate

地球自轉角速度和地球重力加速度在地理系的分量為

其中，L為當地地理緯度，ωe為地球自轉角速度，g為當地重力加速度。

地球重力加速度向儀器坐標系投影得到儀器坐標系各個坐標軸的加速度分量為

在測量時，儀器相對地理系靜止，因此，陀螺敏感到的角速度即為地球自轉角速度在儀器坐標系上投影的分量。將地球自轉角速度向儀器坐標系上投影

由式（4）、式（5）推導可得出傾斜角、方位角和工具角的計算公式如下

2 系統整體方案設計

根據總體指標和成本要求進行總體方案設計。IMU主要由機械本體結構、兩軸一體光纖陀螺組件、加速度計組件、小型化加速度計信號采集電路及數據處理電路組成，原理框圖見圖3。光纖陀螺組件用于敏感空間角速度，石英撓性加速度計用于敏感加速度。測量數據處理電路實現數據采集、補償、通信等功能。

圖3 系統整體原理框圖Fig 3 Principle block diagram of overall system

2.1 系統硬件設計

2.1.1 光纖陀螺IMU設計

為了實現光纖陀螺IMU小型化、低成本和高精度，設計陀螺IMU時采用三軸一體化光纖陀螺技術［6］，即三軸陀螺共用1個光源、1個光電探測器和3套處理電路。與傳統光纖陀螺IMU相比，三軸一體化光纖陀螺IMU結構縮小60%，成本降低20%，功耗降低1倍［7］。上述技術特點非常適合本系統細長的圓柱體結構，借鑒上述技術，本系統采用二軸一體化光纖陀螺組合結構，見圖4。

圖4 兩軸一體化光纖陀螺組件結構Fig 4 Structure of two-axis integrated FOG component

2.1.2 加表采集電路

由于石英撓性加速度計輸出信號是模擬電流量，根據系統要求，必須設計高精度的加速度計信號采集電路，同時需要把模擬量轉換成易于讀取的數字量，其原理如圖5所示。

模擬電流信號通過跨阻將電流信號變為電壓信號，然后通過INA118儀表放大器進行放大濾波，再通過低失真的差分驅動器AD8138將單端電壓信號轉換成差分電壓信號，最終由V/F變換成頻率信號，并利用光電耦合器進行隔離，防止數模信號干擾。V/F變換采用 ADI公司的AD7742，最高工作頻率高達6.144 MHz，變換線性度好，在2.75 MHz滿刻度頻率時，最大非線性誤差為0.012%，滿足系統要求。

圖5 加表采集電路Fig 5 Acquisition circuit of accelerometers

2.1.3 DSC+FPGA的雙 CPU 結構

常見的構建導航計算機的方案有單CPU、雙CPU系統結構。單CPU體系結構由DSP、ARM或者PowerPC等單CPU為核心部件［8］。雙處理器系統以采用DSP+單片機和DSP+通用處理器這2種組合模式比較常見［9］。

隨鉆測斜應用中對導航參數的精度要求不嚴格，經過調研采用了微芯公司的 16位處理器［10］系列dsPIC30F6014A數字信號控制器，其作為嵌入式處理器常用于工業控制、CAN總線［11，12］。而作為核心處理器應用在測斜儀器上是一種全新的應用設計，不僅降低了成本，而且為研制輕小型化測斜儀提供了可能。

處理器采用改進的哈佛架構，具有獨立的程序和數據存儲器總線［13］。內部有144 kB片上閃存程序空間，8 kB片上數據RAM，4 kB非易失性數據EEPROM，省去外部擴展存儲器芯片，進一步減小了硬件尺寸;工作速度最高可達30MIPS，滿足100ms的系統解算周期;2個UART，2個SPI，1個I2C總線和2個CAN總線，大量豐富的外設為系統內部通信以及系統與上位機的通信提供較多選擇。

FPGA 選用 Altera公司暴風3代 EP3C10U256［14］，其作為導航計算機的接口電路完成對加速度計、陀螺、溫度信號的采集，并對數據進行預處理，然后將完整的IMU數據打包通過RS—232接口發給DSC進行導航解算。

導航計算機硬件電路板尺寸達到了99 mm×26 mm（長×寬），很好地安裝在內徑為Φ35 mm測斜儀器中，本方案相比其他慣導系統上的導航計算機在成本、尺寸、功耗上都具有明顯優勢。對導航系統在隨鉆測斜領域的微小型化的推廣應用具有實際意義。

2.2 系統軟件設計

本文采用VC++6.0設計了光纖陀螺IMU上位機測試顯控系統軟件，實現傳感器數據顯示、上電狀態監測等功能，實現對IMU各項性能參數半實物仿真驗證。

導航系統軟件主要分為2部分:導航解算和IMU數據采集。分別固化在DSC和FPGA中。FPGA將采集的數據打包，通過串口向 DSC每100 ms發送一幀數據，DSC在100 ms內導航解算一次并將導航結果發送給上位機。導航計算機與上位機協同工作，共同完成油井測斜。

系統工作時，先采集第一個位置的數據，然后電機帶動轉位機構旋轉180°，采集第二個位置的數據，最后再旋轉回初始位置，進行數據采集，相差180°的數據相減，就能抵消陀螺和加速度計的常值漂移。

系統軟件流程圖如圖6所示。

圖6 系統軟件流程圖Fig 6 Flow chart of system software

3 試驗結果與分析

利用三軸轉臺對系統進行標定，標定完成后，對系統進行長時間靜態穩定性測試;最后對系統進行轉臺轉位模擬驗證，確定儀器測量精度。

3.1 靜態重復性試驗

試驗過程描述:將系統置于轉臺之上，測定前預熱30 min，然后進行3組60 min靜態長時間測試，測試結果見表1。

表1 常溫靜態穩定性測試Tab 1 Static test of stability at normal temperature

試驗結果表明:兩軸的光纖陀螺數據零偏穩定性均在0.2°/h以內，加速度計數據零偏穩定性均在200 μgn之內，以上均滿足測斜系統進行導航解算的指標要求。

3.2 轉臺轉位試驗

光纖陀螺IMU通過夾具安裝在高精度三自由度轉臺上，模擬自尋北光纖陀螺測斜儀定點測量工作狀態，以轉臺轉位模擬光纖陀螺測斜儀機械轉位，進行井斜角和方位角在規定測量范圍內的精度測量。

調整轉臺使傾斜角分別為 3°，30°，60°，在每一個傾斜角下分別對應著4個方位角，并記錄相應狀態下，系統輸出的傾斜角、方位角、工具面角，記錄結果如表2～表4。

表2 傾斜角3°Tab 2 Inclination angle is 3°

表3 傾斜角30°Tab 3 Inclination angle is 30°

表4 傾斜角60°Tab 4 Inclination angle is 60°

測量結果表明:輕小型二位置光纖陀螺測斜儀IMU井下三大參數的測量精度均滿足油井測斜的精度要求。

4 結論

試驗結果表明:基于DSC+FPGA的雙CPU導航計算機方案在光纖陀螺測斜儀上是可行的，微小型導航計算機軟硬件的實現將為同類井下測量儀器電路小型化提供相應解決思路。

在上述3種井斜角下系統測量的井斜角精度優于±0.2°，方位角精度優于 ±2°，工具面精度優于 ±0.5°。其成本、尺寸、功耗上都具有明顯優勢，以上設計均很好滿足了油氣井工作環境溫度較高，測量儀器內徑窄小等特殊應用條件，達到了更具有實用意義的輕小型化。

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