煤矿井下开孔定向仪寻北系统误差分析及补偿.pdf

工矿自动化 I n d us trya n d Min eAuto ma tio n 第45卷第8期 2019年8月 Vo l.45No .8 Aug.2019 文章编号1671-251X201908-0092-05DOI10. 13272/j. issn . 1671-251x. 2019030034 煤矿井下开孔定向仪寻北系统误差分析及补偿 燕斌12 ,程建远2,蔡远利1 ,李萍2 ,冯宏 （1.西安交通大学 电子与信息工程学院，陕西 西安710077； 2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077） 扫码移动阅读 摘要针对现有钻机开孔定位装备在测量精度、成本及操作性上不能满足实际需求的问题，设计了一种 将基于单轴光纤陀螺的寻北系统与基于微惯性测量单元的跟踪系统相结合的新型钻孔开孔定向仪。以四位 置寻北方法为例，介绍了寻北系统的基本原理，并从光纤陀螺的输出误差、安装误差、倾斜角误差、转位误差、 地球物理量误差等方面介绍了寻北系统的各种误差及来源。针对安装误差和倾斜角误差，建立了非线性加 速度误差补偿模型；针对光纤陀螺的随机漂移误差，采用卡尔曼滤波方法进行修正。实验结果表明，减小倾 斜角、光纤陀螺随机漂移误差、转动机构转位误差、安装误差均可有效提高开孔定向仪寻北精度，满足煤矿井 下钻探需求％ 关键词井下钻探；钻机开孔定向仪；寻北系统；单轴光纤陀螺；四位置寻北；误差补偿 中图分类号TD41 文献标志码A Error analysis and compensation of north-seeking system of drilingorientationdeviceinundergroundcoalmine YAN Bin1 2 , CHENG Jia n yua n2, CAI Yua n li1 , LI Pin g2 , FENG Ho n g 1. Sc ho o l o f Elec tro n ic s a n d I n fo rma tio n En gin eerin g, Xln Jia o to n g Un iversity, Xln 710077, Chin a; 2. CCTEG Xln Resea rc h I n stitute, Xln 710077, Chin a Abstract I n view o f pro blem tha t existin g d rillin g o rien ta tio n d evic e fo r d rillin g rig c a n n o t meet a c tua l d ema n d in termso fmea suremen ta c c ura c y,c o sta n d o pera bility,a d rilin go rien ta tio n d evic efo rd rilin grig wa sd esign ed whic hc o mbin esn o rth-seekin gsystemba sed o n sin gle-a xisfibero ptic gyro sc o pewithtra c kin g system ba sed o n mic ro -in ertia l mea suremen t un it. Ba sic prin c iple o f n o rth-seekin g system wa s in tro d uc ed ta kin gfo ur-po sitio n n o rth-seekin g metho d a s a n exa mple,a n d va rio us erro rs a n d theirres o urc es o fthe n o rth-seekin gsystem were in tro d uc ed fro m a spec ts o f o utput erro r o f fiber o ptic gyro sc o pe, in stal a tio n erro r, in c lin a tio n erro r, in versio n erro r a n d geo physic a l qua n tity erro r. A n o n lin ea r a c c elera tio n erro r c o mpen sa tio n mo d el wa s esta blished fo r in sta lla tio n erro r a n d in c lin a tio n erro r. Ka lma n filter metho d wa s used to c o rrec t ra n d o m d rift erro r o f fiber o ptic gyro sc o pe. The experimen ta l results sho w tha t the red uc -io n o f in c lin a io n a n gle, ra n d o m d rif-erro r o f fiber o p-ic gyro sc o pe, mec ha n ism ro -a -io n erro r a n d in s-al a io n erro r c a n e fec ively impro ve n o r-h-seekin ga c c ura c y o f d ril in g o rien -a io n d evic ea n d mee d rillin g requiremen ts o f un d ergro un d c o a l min e. Keywordsun d ergro un d d rilin g;d rilin g o rien ta tio n d evic efo rd rilin grig;n o rth-seekin gsystem; sin gle-a xisfibero ptic gyro sc o pe;fo ur-po sitio n n o rth-seekin g;erro rc o mpen sa tio n 收稿日期收稿日期2019-03-12；修回日期修回日期 2019-07-06；责任编辑责任编辑胡娴。 基金项目基金项目中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金项目（2015XAYZD15,2016XAYZD04 作者简介作者简介燕斌（1979 ），男，四川渠县人，畐［J研究员，博士，研究方向为地球探测与信息技术,E-ma ilya n bin c c tegxia n . c o m。 引用格式引用格式燕斌，程建远,蔡远利，等煤矿井下幵孔定向仪寻北系统误差分析及补偿工矿自动化畐019畐5“）9296. YAN Bin, CHENG Jia n yua n, CAI Yua n li, et a l. Erro r a n a lysis a n d c o mpen sa tio n o f n o rth-seekin g system o f d rillin g o rien ta tio n d evic e in un d ergro un d c o a l min e,-. I n d ustry a n d Min e Auto ma tio n ,2019,45 8 92-96. 2019 8 燕斌等煤矿井下开孔定向仪寻北系统误差分析及补偿 ・93・ 0引言引言 煤炭是我国重要的基础能源之一，伴随着开采 深度和难度的逐渐增加，煤矿的安全开采越来越重 要。瓦斯和水害是煤矿开采、治理过程中最主要的 灾害，而钻探工艺是治理、探测煤矿中瓦斯和水害的 主要手段之一⑴3-。是否按照预先设计的轨迹到达 探测目的靶点是钻探工艺成功与否的主要判据。针 对钻探工艺中钻孔轨迹的测量装备应运而生且发展 较为迅速M，然而，一直以来针对钻机开孔定位装 备的研究和应用较少。近年来，许多学者和单位都 对钻机开孔定位装备进行了研究,但在测量精度、成 本及操作性上仍不能满足实际需求民10-。因此，本 文设计了一种新型钻孔开孔定向仪方案，该方案将 基于单轴光纤陀螺的寻北系统与基于微惯性测量单 兀Min ia ture I n ertia l Mea suremen t Un it，MI MU 的跟踪系统相结合，既能满足实际工程精度需求，又 能降低生产成本,操作使用方便。 于 轴光纤陀螺 北 钻孔开孔定向 仪方案的重要组成部分，为整个方案提供方位基准， 其寻北精度决定了方案的整体精度。因此，本文重 点介绍寻北系统的原理、误差分析及补偿。在实际 使用中，光纤陀螺传感器自身的误差和安装误差、倾 斜角误差、控制精度等都会在很大程度上影响寻北 系统精度，必须进行误差分析及补偿。本文从光纤 陀螺的输出误差、安装误差、倾斜角误差、转位误差、 地球物理量误差等方面分析了寻北系统的各种误差 及来源。针对系统中的安装误差和倾斜角误差，建 立了非线性加速度误差补偿模型；采用卡尔曼滤波 的数据处理方法减小光纤陀螺的随机漂移误差；完 成了不同条件下系统寻北精度的对比实验。 1钻机开孔钻机开孔定向仪总体方案及设计目标方案及设计目标 钻机开孔定向仪总体方案如图1所示。方位角 与地理真北方向夹角和倾斜角是钻机开孔定位的 2个关键参数。由于低成本微机电Mic ro -Elec tro - Mec ha n ic a l System，MEMS陀螺测量精度较彳，无 法寻北，所以，寻北系统首先采用高精度单轴光纤陀 螺进行寻北操作，得到倾斜角、方位角的初始基准- 对于方位角测量而言，由于周围充满了铁磁性材料 干扰，应用于钻孔轨迹姿态测量的基于磁性传感器 的惯性测量方法无法使用，所以，在初始姿态值的基 础上，采用三轴MEMS陀螺和三轴MEMS加速度 计组合进行姿态动态跟踪。 钻探施工时，钻机到达指定钻场，根据设计的方 位角和倾斜角，操作人员粗略预定钻机的方位和倾 1 单轴光纤陀螺；2三轴MEMS加速度计；3旋转平台 4 机械转动机构；5 光电编码器；6电动机驱动器。 图1钻机开孔定向仪总体方案 Fig.1 Overals c hemeo fd rilin go rien ta tio n d evic efo r d rilin grig 斜角，然后将定向仪放置在钻场附近的水平处，进行 寻北操作；寻北完成后，将定向仪放置在钻机导轨 处，显示当前钻机姿态信息倾斜角和方位角，再调 整钻机姿态，直至钻机达到设计角度。 根据实际使用情况，本文中定向仪设计目标如 下方位角范围为0〜360,倾斜角范围为0〜90， 寻北精度为1. 5,寻北时间为300 s ,方位角漂移为 1. 5/10 min。 2寻北系统工作原理寻北系统工作原理 与多位置方案、连续旋转方案、二位置方案相比 较，四位置寻北方案因具有结构简单、实现方便、精 度较好、寻北速度快等优点而得到了广泛应用。因 此，本文采用四位置寻北方案,0-。若光纤陀螺的参 考轴与地理真北方向的夹角为A,当地纬度为卩，则 光纤陀螺的输出是地球自转角速度在参考轴方 向上的分量 0 Kec o s /c o s A 9 1 式中％。为光纤陀螺零偏为光纤陀螺的刻度因 子;％e为地球自转角速度；为光纤陀螺漂移。 寻北仪绕转动机构逆时针转动0 , 90 , 180 , 270,分别得到寻北第14位置的光纤陀螺的输出 1 4，则 A a rc ta n 2 2 1 3 3寻北系统系统误差分析 从式1可看出，光纤陀螺的输出误差主要包括 零偏和漂移,其中漂移包括常值漂移和随机漂移，一 般由常值分量、周期分量和白噪声组成。采用四位 置 北方案 0 180，90 270， 相对 2 个 置相差180,对称位置消除了光纤陀螺零偏和常值 漂移的影响。因此，光纤陀螺的随机漂移是影响寻 北系统精度的主要因素。 在理想情况下，寻北系统的4个位置严格按照 90间隔进行转位，然而在实际寻北过程中，寻北系 94 工矿自动化2019 45 统的4个位置并不能严格按照90。间隔进行转位。 因此，转位精度也是影响寻北系统精度的因素之一。 在旋转平台倾斜状态下，利用MEMS加速度传 感器测量重力场的分量，进而解算出倾斜角大小。 由于传感器本身的灵敏度、精度的影响，倾斜角测量 值也存在一定误差，从而在一定程度上影响寻北 精度。 光纤陀螺和加速度传感器安装和调试过程中存 在的误差也是寻北系统精度的影响因素之一。此 外，由于地球表面各点的重力加速度和纬度不同，采 在允许范围内。 4误差补偿模型 4. 1 旋转平台倾斜状态下的误差补偿 寻北系统包含高精度的机械转动机构，光纤陀 螺垂直安装于旋转平台上，在理想状况下，旋转平台 应平行于水平面,此时可利用式（1）和式（2）计算光 纤陀螺的参考轴与地理真北方向的夹角A。然而实 际的旋转平台不可能完全平行于水平面，在倾斜平 台下，用式（2）解算方位角会产生较大误差。因此， 用近似值输入，也会对寻北系统精度产生一定影响。必须进行倾斜状态下的误差补偿。在旋转平台倾斜 在一定 ， 对于 过倾斜 北 统，陀螺漂移对寻北精度的影响最大，转位和安装误 差的影响大于倾斜角误差，地球物理量误差影响最 小,11-。因此，本文仅对倾斜角误差、安装误差和光 纤陀螺的随机漂移误差进行补偿。在设计寻北系统 时，需要根据系统要求的性能指标，合理进行硬件选 型、设计与安装，建立相应的误差模型，将误差控制 状态下进行四位置补偿后寻北解算公式为,12 C a rc sin. a rc ta n 3 槡 “ d d c o s 4 e sin sin * /c o s * 5 c ta n //sin * sin c o s * 6 / 2KNsin sin *c o s a 2Kncos sin a KMsin c o s * 2Kmcos *c o s a 2Ksin * 7 式中C为旋转平台倾斜状态下的方位角；（为横滚 角；*为倾斜角；％N为地球自转角速度沿子午线方 向 平分 ％，a-i，1』分别为g，），X轴加速度传感器 的理论值Ml,仇，b3为加速度传感器的零偏；S”4， s”5 , s ”6, s”7（1,2,3）为加速度非线性误差系数。 为了保证求解出的系数在全空间范围内有足够 表1十二位置实验翻滚顺序 Ta ble1 The,equen c eo f12-po ,itio n experimen t 位置 - 重力场坐标轴指向 GX 1 天东北 2 天西南 3 地东南 4 地西北 5 西天北 6 东天南 7 西地南 8 东地北 9 东北天 10 西南天 11 东南地 12 西北地 4. 3 光纤陀螺随机漂移误差补偿 采用卡尔曼（Ka lma n）滤波方法进行随机漂移 误差修正。Ka lma n滤波方法是一种时域滤波分析 方法，其基本思想采用信号与噪声的状态空间模 型，利用前一段时间的估计值和现时刻的观测值来 更新状态变量的估计，求出现在时刻的估计值。传 统Ka lma n滤波器的状态空间模型由残差信号AR 模型获得，而不是真实信号。本文采用真实信号和 残差信号作为状态量，组成状态空间向量。状态模 型建立以后，Ka lma n滤波器可通过以下公式循环 迭代得至I」。 精 采 二 置 对 速 进行标定 k/k1 “h，H1 H19 十二位置实验翻滚顺序见表1 p t/t1 “k，t1Pti“i“t，h1 412t1 H1 10 2019 8 燕斌等煤矿井下开孔定向仪寻北系统误差分析及补偿 ・95・ Mh Pk/k-1 CHkPk/k-1Hj 9Rk1 11 Ph MkHkPk/k-1 MkHkT T 9MkRkMH 12 Xk Xk/k1 9 Mh QZk Hk X k/k1 13 式中Xkk-1为第k-1步状态向量最优估计值； 血,k-1为第k-1步至第k步系统转移矩阵；Xk-1为 根据第k-1步最优估计得到的第k步状态方程预 测值PkPk/k-1为估计均方误差矩阵的预测值;匕-1为 系统估计均方误差矩阵 k-1为系统噪声驱动矩阵; 2-1为系统噪声序列方差矩阵；m为滤波增益矩 阵;Hk为观测矩阵；乙为量测值 5寻北实验寻北实验 5. 1 倾斜角误差补偿前后寻北精度对比 设定初始位置与真北方向的夹角为45,在不 同倾斜角下，旋转平台倾斜状态下补偿前后的寻北 结果见表2 o 表2不同倾斜角下的寻北结果 Ta ble2 Res ultso fn o rth-s eekin gun d er d iferen tin c lin a tio n s 补偿前 补偿后 倾斜角 横滚角 --------------------------------------------------- 寻北精度 误差 寻北精度 误差 0045. 110. 11 00544. 79 0.2144.88 0. 12 0145. 29 0.2945.18 0. 18 02 45.310.3145.210.21 05 0 45.220.2245.14 0. 14 10 44.720.2844.84 0. 16 20 45.330.3345.250.25 11 45.360.3645.250.25 2245.42 0.42 45.310. 31 从表2可以看出，在同样的条件下，倾斜角和横 滚角都对四位置寻北精度造成了较大影响。倾斜角 越大，寻北精度越低。经过补偿后，寻北精度都得到 了明显改善。因此，在实际寻北过程中，应尽量减小 倾斜 ， 同 进行 差 o 5. 2 安装误差和倾斜角误差补偿前后寻北精度 比 依据4. 2节中的误差补偿模型，安装误差和倾 斜角误差补偿前后的寻北精度对比如图2所示。从 图 2 以 ， 前 北 精 在 093 ， 后寻北精度在0. 2左右，补偿后的寻北精度比补偿 前有所改善。因此，建立误差模型并标定加速度传 感器有利于提高寻北精度。 。 超變氓陆 o .io111----1------1----111-----1 123456789 寻北次数 图2安装误差和倾斜角误差补偿前后寻北精度对比 Fig.2 Co mpa riso n o fn o rth-seekin ga c c ura c ybefo rea n d a fterc o mpen sa tio n o fin stala tio n erro ra n d in c lin a tio n erro r 5.3不同精度光纤陀螺寻北精度对比 采用零偏稳定性分别为0. 1/h和0. 3/h的闭 环光纤陀螺A和B进行寻北精度对比实验,结果如 图3所示。从图3可以看出，光纤陀螺的精度对寻 北精度有较大影响，光纤陀螺精度越高，寻北精度越 高。同时可以看出，光纤陀螺A和光纤陀螺B的输 出经过Ka lma n滤波后，随机噪声有效降低，寻北精 度提高。 0.35 0.30 0 0.25 墨 0.20 不 0.15 0.101 -o -未滤波，光纤陀螺A -未滤波，光纤陀螺B -*-■ Ka lma n滤波后，光纤陀螺A。 只、 Ka lma n滤波后，光纤陀螺B/ \ ,亠、 / ----f 寻北次数 图3不同精度的光纤陀螺寻北精度对比 Fig. 3 Co mpa riso n o f n o rth-seekin g a c c ura c y o f fiber o ptic gyro sc o pe with d ifferen t prec isio n 5. 4 转动机构闭环控制对寻北精度的影响 在标准旋转平台倾斜角为0。,横滚角为0。,方 位角为45上，转动机构闭环控制对寻北精度的影 响如图4所示。可以看出，在电动机闭环控制的情 况下，转位角度精度更高，从而寻北精度也更高。 o .io11----1-----1-----1-----1----111 123456789 寻北次数 图4转动机构闭环控制对寻北精度的影响 Fig.4 n fluen c eo fc lo s ed -lo o pc o n tro lo fro ta tin g mec ha n ism o n n o rth-seekin g a c c ura c y 0.40「 -O-非闭环控制 八T□闭环控制 0.35 卜 0.30 卜 / z\ 0.25 匸/ - \ □ n /\ 0.20 0.15 匸 96 . 工矿自动化 2019 45 6结论结论 1 介绍了钻机开孔定向仪寻北系统的基本原 理，以四位置寻北方法为例，从光纤陀螺的输出误 差、倾斜角误差、安装误差、转位误差、地球物理量等 方面分析了寻北系统的各种误差及来源。 2 建立了误差补偿模型并通过实验进行验 证，结果表明，要想提高钻机开孔定向仪的寻北精 度，必须从倾斜角大小、光纤陀螺输出、转位误差、安 装误差等因素综合考虑，合理控制误差大才、。 参考文献参考文献References 1 -王岚.钻孔测斜技术发展现状及展望[C-//安全高效 煤矿地质保障技术及应用一一中国地质学会、中国煤 炭学会煤田地质专业委员会、中国煤炭工业劳动保护 科学技术学会水害防治专业委员会学术年会文集.北 京煤炭工业出版社，2007. [2-向军文定向钻进控制预测技术[J-地质与勘探， 2010,466 1231126. XI ANGJun wen .Pred ic tio n tec hn o lo gyfo rd irec tio n a l d rillin g c o n tro l [ J -. Geo lo gy a n d Explo ra tio n， 2010,466 1231126. 3 -石智军，董书宁，姚宁平，等煤矿井下近水平随钻测 量定向钻进技术与装备[J-煤炭科学技术， 2013，4131-6 SHI Zhijun , DONG Shun in g，YAO Nin gpin g，et a l. Tec hn o lo gy a n d equipmen t o f ho rizo n ta l mea surin g d irec tio n a l d rillin g in un d ergro un d c o a l min e[J-. Co a l Sc ien c ea n d Tec hn o lo gy，2013，4131-69 [4-张典荣，李静，张佳，等.新型多用钻孔测斜仪的研制 及应用[J-西安科技大学学报，2018, 38 2 224-229 ZHANG Dia n ro n g， LI Jin g， ZHANG Jia， et a l Develo pmen t a n d a pplic a tio n o f n ew type multi-usa ge bo reho le in c lin o mlter[J-. Jo urn a l o f Xia n Un iversity o fSc ien c ea n d Tec hn o lo gy，2018，382224-229 [5 -燕斌.MEMS加速度传感器在矿用随钻轨迹测量系 统中的误差校正[J-.煤田地质与勘探，2017,45 4 14414 8 YAN Bin Erro r c o rrec tio n o f MEMS a c c elera tio n sen s o rused fo rtra jec to ry mea suremen twhiled rilin g system [J-. Co a l Geo lo gy Explo ra tio n，2017，45 4144-148 [6-李泉新矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置研发及应用 [J-.煤田地质与勘探 2018,466193197. LI Qua n xin Develo pmen t a n d a pplic a tio n o f min e mud pulse wireless MWD d evic e[J-. Co a l Geo lo gy Explo ra tio n 2018 466193-197 [7 -康厚清.煤矿井下电磁无线随钻测量信号滤波研究 [J-.工矿自动化，2019,4514044. KANG Ho uqin g Resea rc h o n filterin g o f elec tro ma gn etic mea suremen t whiled rilin gs ign a lin un d ergro un d c o a l min e [ J -. I n d ustry a n d Min e Auto ma tio n 2019 451 40-44 [8 -田炎鑫，吴银成，曾伟，等.基于超声波原理的开孔参数 标定系统研究[J-工矿自动化,2014,4038689. TI AN Ya n xinWU Yin c hen g ZENG Weieta l Stud y o fc a libra tio n system o fbo reho leo pen in gpa ra meters ba sed o n ultra so n ic prin c iple[J- I n d ustrya n d Min e Auto ma tio n 2014 40386-89 [9 -林铁，林恒，高爽，等光纤陀螺测斜仪数据采集及传 输单元设计与实现[J-测井技术,2009, 33 4 402-4059 LI N TieLI N Hen gGAO Shua n geta l.Des ign a n d implemen ta tio n o fd a ta a c quisitio n a n d tra n s missio n fo r fiber o ptic gyro sc o pes in c lin o meter [J-.Wel Lo ggin g Tec hn o lo gy 2009 334 402-405. [0-燕斌，程建远,蔡远利，等基于MEMS陀螺的矿用新 型钻机开孔定向仪研制[J-煤田地质与勘探,018, 466187-1929 YAN BinCHENG Jia n yua nCAI Yua n liet a l9 Develo pmen t o f a n ew type o f d rilin g o rien ta tio n d evic e ba sed o n MEMS gyro sc o pe[J-. Co a l Geo lo gy Explo ra tio n 2018 466187-1929 [11- 段苛苛.基于光纤陀螺的寻北系统关键技术研究 [D-.北京匕京交通大学2014. [2-吕振，刘丹，李春光基于捷联惯性导航的井下人员精 定 [J- 煤炭学 2009 34 81149-1152 LYU ZhenLI U Da nLI Chun gua n g The prec ise po sitio n in gsystem o fthe min epers o n n elin c o a lpit ba sed o n stra pd o wn in ertia ln a viga tio n[J- Jo urn a lo f Chin a Co a l So c iety,2009,348 1491152. [13-江浩，燕斌.基于PNI磁感式传感器的钻孔测斜仪的 研制[J-煤田地质与勘探，2016,44432-135. JI ANG Ha oYAN Bin 9Bo reho lein c lin o meterba sed o n PNI ma gn etic in d uc tio n sen s o r]J-. Co a l Geo lo gy Explo ra tio n,2016,444 132-135. [14-李静，张萌.高精度倾角传感器SCA100T在测斜仪中 的应用仪器仪表用户2008,15155-56. LI Jin gZHANG Men g The a pplic a tio n o f high a c c ura c y in c lin a tio n a n gle sen so r SCA100T in o mn i-d irec tio n a l in c lin o meter [ J - Elec tro n ic I n strumen ta tio n Custo mer,2008,151 55-56. [15-余小平，廣先国，王洪辉.基于SOC的高精度倾角测 量系统的设计[J-.电子设计工程，2010,1812 34-37 YU Xia o pin g, TUO Xia n guo, WANG Ho n ghui. Design o f high-a c c ura c y tilt a n gle mea suremen t system ba sed o n SOC [J - Elec tro n ic Design En gin eerin g,2010,1812 34-37.