姿態數據校正方法和裝置與流程

2023-05-16 12:59:11

本申請涉及精密測量儀器技術領域，特別涉及一種姿態數據校正方法和裝置。

背景技術：

精確姿態測量是石油勘探和航行器導航、制導與控制的基礎，在國內外爭奪越來越激烈的石油勘探和國防軍事領域有著非常重要的地位。通常測量得到的姿態數據均存在各類系統誤差，從而需要進行校正，以提高測量精度。

現有技術中，通常採用單軸最大值的方法對測量得到的姿態數據進行校正。具體地，以採用3個軸向安裝、相互正交的加速度計實現鑽井軌跡測量為例，通常在其中一個軸的加速度計為最大輸出值、其它兩個軸的加速度計為最小輸出值的情況下，計算得到校正數據。如此，對於測量得到的姿態數據，可以使用所述校正數據進行校正。

在實現本申請過程中，發明人發現現有技術中至少存在如下問題：

上述現有技術中，校正後的姿態數據，通常除本軸(指計算校正數據過程中具有最大輸出值的軸)的誤差較小外，其它軸的誤差均較大。因此，上述現有技術中的校正方法，校正精度較低，導致校正後的姿態數據誤差較大。

技術實現要素：

本申請實施例的目的是提供一種姿態數據校正方法和裝置，以提高姿態數據的校正精度，減小校正後姿態數據的誤差。

為實現上述目的，本申請實施例提供一種姿態數據校正方法，包括：提供有校正數據集合；其中，所述校正數據集合包括至少一個校正數據；每個校正數據對應有井斜角區間；確定指定姿態數據對應的指定井斜角；從所述校正數據集合中獲取所述指定井斜角對應的校正數據，作為指定校正數據；其中，所述指定井斜角隸屬於所述指定校正數據在所述校正數據集合對應的井斜角區間；使用所述指定校正數據，對所述指定姿態數據進行校正。

為實現上述目的，本申請實施例提供一種姿態數據校正裝置，包括：確定單元，用於確定指定姿態數據對應的指定井斜角；獲取單元，用於從所述校正數據集合中獲取所述指定井斜角對應的校正數據，作為指定校正數據；其中，所述指定井斜角隸屬於所述指定校正數據在所述校正數據集合對應的井斜角區間；校正單元，用於使用所述指定校正數據，對所述指定姿態數據進行校正。

由以上本申請實施例提供的技術方案可見，本申請實施例可以確定指定姿態數據對應的指定井斜角；可以從校正數據集合中獲取所述指定井斜角對應的校正數據，作為指定校正數據；可以使用所述指定校正數據，對所述指定姿態數據進行校正。與現有技術相比，所述指定校正數據可以是通過至少3個工具面角對應的測量姿態數據和理論姿態數據計算得到；並且，所述至少3個工具面角可以具有適當的角度間隔，使得所述指定校正數據可以具有均衡的校正精度。因此，在本實施例中，在使用所述指定校正數據，對所述指定姿態數據進行校正後，可以減小校正後的指定姿態數據的誤差，從而可以提高校正精度。

附圖說明

為了更清楚地說明本申請實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請中記載的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本申請實施例一種姿態數據校正方法的流程圖；

圖2為本申請實施例一種校正數據計算方法的流程圖；

圖3a為採用現有技術對井斜角進行校正後的誤差分布示意圖；

圖3b為採用現有技術對工具面角進行校正後的誤差分布示意圖；

圖4a為採用本申請實施例對井斜角進行校正後的誤差分布示意圖；

圖4b為採用本申請實施例對工具面角進行校正後的誤差分布示意圖；

圖5為本申請實施例一種姿態數據校正裝置的功能結構示意圖。

具體實施方式

下面將結合本申請實施例中的附圖，對本申請實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本申請中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬於本申請保護的範圍。

本申請實施例提供一種姿態數據校正方法。請參閱圖1。所述姿態數據校正方法可以包括如下步驟。

步驟s11：確定指定姿態數據對應的指定井斜角。

在本實施例中，所述指定姿態數據可以為通過測量得到的姿態數據。

在本實施例中，井斜角通常是指井中某點的中軸線與地球鉛垂線之間的夾角，其範圍通常為0°～180°，井斜角可以用來指示井眼軌跡的斜度。所述指定井斜角可以為所述指定姿態數據對應的井斜角。

在本實施例中，通常地，以採用3個軸向安裝、相互正交的加速度計實現鑽井軌跡測量為例，在北西天onws地理坐標系中建立井下導航鑽井工具儀器坐標系，即，建立oxyz坐標系。將地球重力加速度g向儀器坐標系上投影，可得如下式(1)所示的理論姿態數據g1。

上式(1)中，gx為理論姿態數據g1在oxyz坐標系下x方向的分量，gy為理論姿態數據g1在oxyz坐標系下y方向的分量，gz為理論姿態數據g1在oxyz坐標系下z方向的分量；i為理論姿態數據g1對應的井斜角，t為理論姿態數據g1對應的工具面角。其中，所述工具面角可以為造斜工具下到井下後，工具面所在的角度。

如此，基於上式(1)的內容，通常可以通過如下公式(2)計算得到指定井斜角。

上式(2)中，i1為指定姿態數據b1對應的井斜角，即為指定井斜角；bz為指定姿態數據b1在oxyz坐標系下z方向的分量；g為地球重力加速度。

步驟s12：從校正數據集合中獲取所述指定井斜角對應的校正數據，作為指定校正數據。

在本實施例中，所述校正數據集合中可以包括至少一個校正數據，每個校正數據可以對應有井斜角區間。

例如，所述校正數據集集合可以包括3組校正數據cm_1、cm_2和cm_3。其中，校正數據cm_1對應的井斜角區間可以為[0-60°)，校正數據cm_2對應的井斜角區間可以為[60°-120°)，校正數據cm_3對應的井斜角區間可以為[120°-180°)。

在本實施例中，可以將所述指定井斜角，與所述校正數據集集合中各個校正數據對應的井斜角區間進行匹配；可以將匹配的井斜角區間對應的校正數據作為指定校正數據。從而，所述指定井斜角可以隸屬於所述指定校正數據在所述校正數據集合對應的井斜角區間。

例如，所述指定井斜角可以為90°。所述校正數據集集合可以包括3組校正數據cm_1、cm_2和cm_3。其中，校正數據cm_1對應的井斜角區間可以為[0°-60°)，校正數據cm_2對應的井斜角區間可以為[60°-120°)，校正數據cm_3對應的井斜角區間可以為[120°-180°)。那麼，可以將指定井斜角90°，與所述校正數據集集合中各個校正數據對應的井斜角區間進行匹配，得到匹配的井斜角區間[60°-120°)；可以將匹配井斜角區間[60°-120°)對應的校正數據cm_2作為指定校正數據。

步驟s13：使用所述指定校正數據，對所述指定姿態數據進行校正。

在本實施例中，可以通過公式d＝c1×b1，對所述指定姿態數據進行校正。其中，d為校正後的指定姿態數據；c1為所述指定校正數據；b1為所述指定姿態數據。

具體地，所述校正後的指定姿態數據可以表示為矩陣其中，dx為校正後的指定姿態數據在oxyz坐標系下x方向的分量，dy為校正後的指定姿態數據在oxyz坐標系下y方向的分量，dz為校正後的指定姿態數據在oxyz坐標系下z方向的分量。

所述指定校正數據可以表示為矩陣

所述指定姿態數據可以表示為矩陣其中，bx為指定姿態數據在oxyz坐標系下x方向的分量，by為指定姿態數據在oxyz坐標系下y方向的分量，bz為指定姿態數據在oxyz坐標系下z方向的分量。

那麼，公式d＝c1×b1可以表示為公式

在一個實施方式中，請參閱圖2。所述校正數據集合中的校正數據可以通過如下步驟得到。

步驟s21：將目標井斜角劃分為至少一個井斜角區間。

在本實施方式中，所述目標井斜角可以為井中某點的中軸線與地球鉛垂線之間的夾角。例如，所述目標井斜角可以為180°。

在本實施方式中，可以根據實際需要，將所述目標井斜角劃分為至少一個井斜角區間。例如，可以根據校正後姿態數據的精度，將所述目標井斜角劃分為2、3或5個井斜角區間。具體地，例如，所述目標井斜角的大小可以為180°，那麼，可以將所述目標井斜角劃分為5個井斜角區間，即，劃分為[0°-40°)、[40°-60°)、[60°-90°)、[90°-150°)、[150°-180°)。

步驟s22：針對每個井斜角區間，確定該井斜角區間的代表井斜角，以及該代表井斜角對應的至少3個工具面角。

在本實施方式中，針對每個井斜角區間，可以從該井斜角區間內選取一個井斜角作為該井斜角區間的代表井斜角。具體地，可以從該井斜角區間任意選取一個井斜角作為代表井斜角。當然，也可以根據測量精度的需要，基於經驗或算法從該井斜角區間內選取一個井斜角作為代表井斜角。例如，對於井斜角區間[0°-40°)，可以選取5°作為代表井斜角。

在本實施方式中，可以通過公式確定該代表井斜角對應的至少3個工具面角；其中，t為工具面角；k為0、1、2、3中的至少3個；如此，針對該代表井斜角，通過選取特殊的工具面角，具體地，通過選取具有適當角度間隔的至少3個工具面角，能夠使得通過這些特殊工具面角計算得到的校正數據具有均衡的誤差量，從而，使得計算得到的校正數據具有均衡的校正精度，進而，在使用計算得到的校正數據對某一姿態數據進行校正後，可以減小校正後的該姿態數據的誤差。

例如，對於井斜角區間[0°-40°)，可以選取5°作為代表井斜角。如此，取k值分別為0、1和2。那麼，可以得到3個工具面角，具體對應分別為45°、135°和225°。當然，也可以取k值分別為1、2和3，從而，可以得到3個工具面角，具體對應分別為130°、230°和300°。

步驟s23：針對所述至少一個工具面角中的每個工具面角，測量該工具面角對應的姿態數據，作為一個測量姿態數據；計算該工具面角對應的姿態數據，作為一個理論姿態數據。

在本實施方式中，以採用3個軸向安裝、相互正交的加速度計實現鑽井軌跡測量為例，在北西天onws地理坐標系中建立井下導航鑽井工具儀器坐標系，即，建立oxyz坐標系。如此，針對所述至少一個工具面角中的每個工具面角，可以獲取位於x軸的加速度計的輸出值，作為該工具面角對應的測量姿態數據，在oxyz坐標系下x方向的分量；可以獲取位於y軸的加速度計的輸出值，作為該工具面角對應的測量姿態數據，在oxyz坐標系下y方向的分量；可以獲取位於z軸的加速度計的輸出值，作為該工具面角對應的測量姿態數據，在oxyz坐標系下z方向的分量。

在本實施例中，針對所述至少一個工具面角中的每個工具面角，可以通過前述公式(1)計算該工具面角對應的理論姿態數據。其中，前述公式(1)中，gx可以為該工具面角對應的理論姿態數據g1，在oxyz坐標系下x方向的分量；gy可以為該工具面角對應的理論姿態數據g1，在oxyz坐標系下y方向的分量；gz可以為該工具面角對應的理論姿態數據g1，在oxyz坐標系下z方向的分量；i可以為代表井斜角，t可以為該工具面角。

例如，所述代表井斜角可以為5°。所述至少一個工具面角分別可以為45°、135°和225°。

針對所述至少一個工具面角中的每個工具面角，可以測量該工具面角對應的姿態數據，作為一個測量姿態數據。從而，可以形成測量姿態數據矩陣其中，0.1453、0.1584、2.8106可以分別為在代表井斜角為5°的情況下，工具面角45°對應的測量姿態數據在oxyz坐標系下x方向的分量、y方向的分量和z方向的分量；0.1493、-0.1589、2.8098可以分別為在代表井斜角為5°的情況下，工具面角135°對應的測量姿態數據在oxyz坐標系下x方向的分量、y方向的分量和z方向的分量；-0.1924、-0.1868、2.8081可以分別為在代表井斜角為5°的情況下，工具面角225°對應的測量姿態數據在oxyz坐標系下x方向的分量、y方向的分量和z方向的分量。

針對所述至少一個工具面角中的每個工具面角，可以計算該工具面角對應的姿態數據，作為一個理論姿態數據。從而，可以形成理論姿態數據矩陣其中，0.6163、-0.6163、9.9619可以分別為在代表井斜角為5°的情況下，工具面角45°對應的理論姿態數據在oxyz坐標系下x方向的分量、y方向的分量和z方向的分量；0.6163、0.6163、9.9619可以分別為在代表井斜角為5°的情況下，工具面角135°對應的理論姿態數據在oxyz坐標系下x方向的分量、y方向的分量和z方向的分量；-0.6163、0.6163、9.9619可以分別為在代表井斜角為5°的情況下，工具面角225°對應的理論姿態數據在oxyz坐標系下x方向的分量、y方向的分量和z方向的分量。

步驟s24：基於測量姿態數據和理論姿態數據，計算該井斜角區間對應的校正數據。

在本實施方式中，基於測量姿態數據和理論姿態數據，可以通過公式c2＝b2×g2-1，計算該井斜角區間對應的校正數據。其中，c2為該井斜角區間對應的校正數據，具體可以為一個校正矩陣；b2可以為測量姿態矩陣，具體可以包括所述至少一個工具面角中各個工具面角對應的測量姿態數據；g2為理論姿態矩陣，具體可以包括所述至少一個工具面角中各個工具面角對應的理論姿態數據。

例如，繼續沿用上例，所述代表井斜角可以為5°，所述代表井斜角5°對應的井斜角區間可以為[0°-40°)。所述至少一個工具面角分別可以為45°、135°和225°。所述測量姿態矩陣所述理論姿態數據矩陣

那麼，通過公式c2＝b2×g2-1，可以計算得到井斜角區間[0°-40°)對應的校正數據

在本實施例中，可以確定指定姿態數據對應的指定井斜角；可以從校正數據集合中獲取所述指定井斜角對應的校正數據，作為指定校正數據；可以使用所述指定校正數據，對所述指定姿態數據進行校正。與現有技術相比，所述指定校正數據可以是通過至少一個工具面角對應的測量姿態數據和理論姿態數據計算得到；並且，所述至少一個工具面角可以具有適當的角度間隔，使得所述指定校正數據可以具有均衡的校正精度。因此，在本實施例中，在使用所述指定校正數據，對所述指定姿態數據進行校正後，可以減小校正後的指定姿態數據的誤差，從而可以提高校正精度。

本實施例的方法，在任意姿態位置均可以提高原始測量數據的校正精度，從而獲得高精度的姿態數據，並可以拓展應用於石油深海深層勘探、機器人、飛彈、飛機、艦艇、水下等載體姿態數據測量中。

圖3a為井斜角為5°時，採用現有技術對該井斜角進行校正後的誤差分布示意圖。橫坐標為工具面角，縱坐標為井斜角的校正誤差。由圖3a可知，在井斜角為5°時，採用現有技術對該井斜角進行校正後的誤差範圍為-0.222°～+0.039°。

圖3b為在井斜角為5°時，採用現有技術對工具面角進行校正後的誤差分布示意圖。橫坐標為工具面角，縱坐標為工具面角的校正誤差。由圖3b可知，在井斜角為5°時，採用現有技術對工具面角進行校正後的誤差範圍為-1.524°～+1.68°。

圖4a為井斜角為5°時，採用本實施例對該井斜角進行校正後的誤差分布示意圖。橫坐標為工具面角，縱坐標為井斜角的校正誤差。由圖4a可知，在井斜角為5°時，採用本實施例對該井斜角進行校正後的誤差範圍為-0.01°～+0.007°。

圖4b為在井斜角為5°時，採用本實施例對工具面角進行校正後的誤差分布示意圖。橫坐標為工具面角，縱坐標為工具面角的校正誤差。由圖4b可知，在井斜角為5°時，採用本實施例對工具面角進行校正後的誤差範圍為-0.168°～+0.066°。

對比圖3a和圖4a、圖3b和圖4b可知，本實施例可以有效地消除周期性系統誤差；可以將井斜角校正精度提高22.2～5.7倍，將工具面角校正精度提高9.1～25.5倍。

請參閱圖5。本申請實施例還提供一種姿態數據校正裝置。所述姿態數據校正裝置可以包括確定單元51、獲取單元52和校正單元53。其中，

確定單元51，用於確定指定姿態數據對應的指定井斜角；

獲取單元52，用於從所述校正數據集合中獲取所述指定井斜角對應的校正數據，作為指定校正數據；其中，所述指定井斜角隸屬於所述指定校正數據在所述校正數據集合對應的井斜角區間；

校正單元53，用於使用所述指定校正數據，對所述指定姿態數據進行校正。

在20世紀90年代，對於一個技術的改進可以很明顯地區分是硬體上的改進(例如，對二極體、電晶體、開關等電路結構的改進)還是軟體上的改進(對於方法流程的改進)。然而，隨著技術的發展，當今的很多方法流程的改進已經可以視為硬體電路結構的直接改進。設計人員幾乎都通過將改進的方法流程編程到硬體電路中來得到相應的硬體電路結構。因此，不能說一個方法流程的改進就不能用硬體實體模塊來實現。例如，可編程邏輯器件(programmablelogicdevice,pld)(例如現場可編程門陣列(fieldprogrammablegatearray，fpga))就是這樣一種集成電路，其邏輯功能由用戶對器件編程來確定。由設計人員自行編程來把一個數字系統「集成」在一片pld上，而不需要請晶片製造廠商來設計和製作專用的集成電路晶片2。而且，如今，取代手工地製作集成電路晶片，這種編程也多半改用「邏輯編譯器(logiccompiler)」軟體來實現，它與程序開發撰寫時所用的軟體編譯器相類似，而要編譯之前的原始代碼也得用特定的程式語言來撰寫，此稱之為硬體描述語言(hardwaredescriptionlanguage，hdl)，而hdl也並非僅有一種，而是有許多種，如abel(advancedbooleanexpressionlanguage)、ahdl(alterahardwaredescriptionlanguage)、confluence、cupl(cornelluniversityprogramminglanguage)、hdcal、jhdl(javahardwaredescriptionlanguage)、lava、lola、myhdl、palasm、rhdl(rubyhardwaredescriptionlanguage)等，目前最普遍使用的是vhdl(very-high-speedintegratedcircuithardwaredescriptionlanguage)與verilog2。本領域技術人員也應該清楚，只需要將方法流程用上述幾種硬體描述語言稍作邏輯編程並編程到集成電路中，就可以很容易得到實現該邏輯方法流程的硬體電路。

上述實施例闡明的系統、裝置、模塊或單元，具體可以由計算機晶片或實體實現，或者由具有某種功能的產品來實現。

上述實施例闡明的系統、裝置、模塊或單元，具體可以由計算機晶片或實體實現，或者由具有某種功能的產品來實現。一種典型的實現設備為計算機。具體的，計算機例如可以為個人計算機、膝上型計算機、蜂窩電話、相機電話、智慧型電話、個人數字助理、媒體播放器、導航設備、電子郵件設備、遊戲控制臺、平板計算機、可穿戴設備或者這些設備中的任何設備的組合。

通過以上的實施方式的描述可知，本領域的技術人員可以清楚地了解到本申請可藉助軟體加必需的通用硬體平臺的方式來實現。基於這樣的理解，本申請的技術方案本質上或者說對現有技術做出貢獻的部分可以以軟體產品的形式體現出來，該計算機軟體產品可以存儲在存儲介質中，如rom/ram、磁碟、光碟等，包括若干指令用以使得一臺計算機設備(可以是個人計算機，伺服器，或者網絡設備等)執行本申請各個實施例或者實施例的某些部分所述的方法。

本說明書中的各個實施例均採用遞進的方式描述，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。尤其，對於系統實施例而言，由於其基本相似於方法實施例，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法實施例的部分說明即可。

本申請可用於眾多通用或專用的計算機系統環境或配置中。例如：個人計算機、伺服器計算機、手持設備或可攜式設備、平板型設備、多處理器系統、基於微處理器的系統、置頂盒、可編程的消費電子設備、網絡pc、小型計算機、大型計算機、包括以上任何系統或設備的分布式計算環境等等。

本申請可以在由計算機執行的計算機可執行指令的一般上下文中描述，例如程序模塊。一般地，程序模塊包括執行特定任務或實現特定抽象數據類型的例程、程序、對象、組件、數據結構等等。也可以在分布式計算環境中實踐本申請，在這些分布式計算環境中，由通過通信網絡而被連接的遠程處理設備來執行任務。在分布式計算環境中，程序模塊可以位於包括存儲設備在內的本地和遠程計算機存儲介質中。

雖然通過實施例描繪了本申請，本領域普通技術人員知道，本申請有許多變形和變化而不脫離本申請的精神，希望所附的權利要求包括這些變形和變化而不脫離本申請的精神。