Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОРИЕНТАЦИИ ОБЪЕКТА В ТОЧКЕ ОСТАНОВА
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОРИЕНТАЦИИ ОБЪЕКТА В ТОЧКЕ ОСТАНОВА

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОРИЕНТАЦИИ ОБЪЕКТА В ТОЧКЕ ОСТАНОВА

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: 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.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

   С помощью Яндекс:  

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2062872
Класс(ы) патента: E21B47/02
Номер заявки: 93004331/28
Дата подачи заявки: 29.01.1993
Дата публикации: 27.06.1996
Заявитель(и): Раменское приборостроительное конструкторское бюро
Автор(ы): Горбатенков Н.И.; Дремин А.М.; Жилинский А.В.; Федоров А.В.; Цепляев Н.А.
Патентообладатель(и): Раменское приборостроительное конструкторское бюро
Описание изобретения: 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 Ψz и Ψx определяют по формулам


где
g2= g2x+g2y+g2z (3)
p = ωx·gxy·gyz·gz (4)
gx, gx, gx значения ускорения силы тяжести по трем взаимно перпендикулярным осям X, У, Z;
ωx, ωy, ωz 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 νz оси Z определяется по известной формуле:

Краткий вывод формулы определения азимута оси Z, т.е. определения угла Ψz$, по информаций об ускорения силы тяжести, по информации об угловой скорости Земли следующий.
Пусть в трехмерной декартовой системе координат ζ, 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:
gx·x + gy·y + gz·z 0 (7)
Определяют проекции на эту плоскость, т.е. .
Из точки (ωx; ωy; ωz) 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):
gx·(ωx+K·gx)+gy·(ωy+K·gy)+gz·(ωz+K·gz) = 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 ωx=0, ωy=0; ωz=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 ax, ay, az, bx, by, bz равны:

Подставляя значения ax, ay, az, bx, by, bz 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 в системе координат X', Y', Z' будет иметь вид:

где
(gʹ)2= g2xʹ+ g2yʹ+g2zʹ (22)
P = g·ω+g·ω+g·ω (23)
При этом

Подставляют выражение (24) в формулы (21, 22, 23).
В результате имеют азимут Ψx, вычисленный в системе координат X, У, Z

где
g2= g2x+g2y+g2z
P = gx·ωx+gy·ωy+gz·ωz
Таким образом, определяется ориентация объекта в точно останова путем определения угла вертикали νz и двух углов азимута Ψz, Ψx.
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.
Формула изобретения: 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 Ψz и Ψx определяют по формулам


где g2=g2x+g2y+g2z;
P=ωx·gxy·gyz·gz;
gx, gy, gz значения ускорения силы тяжести Земли по трем взаимно перпендикулярным осям X, Y, Z;
ωx, ωy, ωz значения угловой скорости Земли по тем же осям X, Y, Z.