基于虚拟仪器的姿态测量系统及测试方法

1.本发明涉及钻井技术领域，特别涉及基于虚拟仪器的姿态测量系统及测试方法。


背景技术：

2.在钻井工程中，旋转导向钻井系统能够根据井斜角、方位角对钻具进行实时控制。其中随钻测量(mwd)技术，能够实现井眼轨迹的连续、自动控制，以增强井中测量效果，提升钻井效率。
3.随着井中测量技术的不断改进，需要对现有的随钻姿态测量算法的准确性进行校验，以保持乃至提高测量精度。目前，国内外学者及石油企业都相继对钻具的姿态测量算法进行深入研究。研究中使用的数据主要为实况井下的传感器数据，或在实验室环境下使用霍尔姆斯线圈对屏蔽现场存在的电磁干扰进行模拟，以及使用振动台对传感器进行振动实验来获取数据。但以上数据获取方式都存在三大难题：一是数据采集和标注成本非常高昂；二是试验场地要求高；三是实际井下测量环境难以达到测试要求。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供了基于虚拟仪器的姿态测量系统及测试方法，用以解决现有技术中获取数据的方式存在成本高、场地要求高和环境要求高的问题。
5.一方面，本发明实施例提供了基于虚拟仪器的姿态测量系统，包括：
6.姿态显示与控制单元，用于生成用于控制虚拟仪器的传感器输入信号，并获取解算后的姿态参数，以及对姿态参数进行存储和显示；
7.仿真单元，用于在上位机设定的数据控制下，根据传感器输入信号进行仿真，获得虚拟仪器输出参数；
8.数据采集与解算单元，用于获取虚拟仪器输出参数并进行解算，获得姿态参数。
9.另一方面，本发明实施例还提供了基于虚拟仪器的姿态测试方法，包括：
10.生成用于控制虚拟仪器的传感器输入信号；
11.在上位机设定的数据控制下，根据传感器输入信号进行仿真，获得虚拟仪器输出参数；
12.获取虚拟仪器输出参数并进行解算，获得姿态参数；
13.对姿态参数进行存储和显示。
14.本发明中的基于虚拟仪器的姿态测量系统及测试方法，具有以下优点：
15.1、可以根据不同的地质情况，对不同型号的传感器输出数据进行仿真；
16.2、可以根据不同的控制模式，实现对传感器全姿态下的自动化测量；
17.3、系统完整性高，完成从虚拟传感器自动化控制、实时采集、姿态解算、数据存储到用户界面显示全过程，极大提高了测试效率，降低了测试成本。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明实施例提供的基于虚拟仪器的姿态测量系统的功能模块图；
20.图2为本发明实施例提供的姿态显示与控制单元的功能模块图；
21.图3为本发明实施例提供的仿真单元的功能模块图；
22.图4为本发明实施例提供的数据采集与解算单元的功能模块图。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.图1-4为本发明实施例提供的基于虚拟仪器的姿态测量系统的功能模块图。本发明实施例提供了基于虚拟仪器的姿态测量系统，包括：
25.姿态显示与控制单元1，用于生成用于控制虚拟仪器的传感器输入信号，并获取解算后的姿态参数，以及对姿态参数进行存储和显示；
26.仿真单元2，用于在上位机设定的数据控制下，根据传感器输入信号进行仿真，获得虚拟仪器输出参数；
27.数据采集与解算单元3，用于获取虚拟仪器输出参数并进行解算，获得姿态参数。
28.示例性地，上述的姿态参数包括井斜角、方位角、工具面角、转速和地层温度，虚拟仪器输出参数则包括三轴加速度计、三轴磁强计、陀螺仪和温度传感器输出的信号。
29.本发明实现了虚拟仪器参数的实时输出，通过自动化姿态测量方法，解决了传统钻具姿态测量测试环境测试成本高，耗时长等问题，并能够有效提高姿态校正算法测试效率。
30.在一种可能的实施例中，姿态显示与控制单元包括：控制模块1-1，用于生成传感器输入信号并将其发送给虚拟仪器；通讯模块1-2，用于获取姿态参数；存储模块1-3，用于存储姿态参数；显示模块1-4，用于显示姿态参数。
31.示例性地，控制模块由matlab程序与c#程序进行结合得到，其使用动态链接库的方式实现对matlab程序进行调用。姿态显示与控制单元1还用于获取用户选择的控制模式，控制模式包括手动控制和自动控制，当用户选择手动控制时，姿态显示与控制单元1还获取用户输入的初始参数，当用户选择自动控制时，姿态显示与控制单元1还获取用户输入的变化步长。控制模块1-1根据初始参数生成传感器输入信号，或当用户选择自动控制时根据变化步长生成传感器输入信号。
32.在用户选择手动模式后，控制模块1-1每次只输出一组初始参数，而当用户选择自动模式后，控制模块1-1根据用户输入的变化步长进行初始参数的增加。控制模块1-1中存在定时器，定时器控制matlab程序输出当前姿态的角度，并对所有的初始参数进行轮询输
出直至完成。其中井斜角的输出范围在0-180
°
，方位角的输出范围在0-360
°
，工具面角的输出范围在0-360
°
，转速的输出范围在0-360rpm(revolutions per minute，转/分钟)。手动控制模式，用户只需输入温度、转速及初始参数，自动控制模式除了初始参数之外还需输入步进角度以及姿态转换时间，即按照姿态转换时间。
33.通讯模块1-2具有usb(universal serial bus，通用串行总线)接口，其通过usb接口与转换模块相连，转换模块用于将usb接口转换为rs485接口，通过该rs485接口可以与数据数据采集与解算单元3连接。
34.存储模块1-3将通讯模块1-2接收的姿态参数储存在excel表格文件中，存储模块1-3能够记录姿态参数的设定值与采集值，并求其差值后按照时间先后顺序储存到excel表格文件中。
35.显示模块1-4的显示模式有两种，包括静态测量结果和动态测量结果，其中静态测量结果只用于显示井斜角、方位角、传感器参数、当地重力加速度值、当地磁场强度值以及磁倾角，动态测量结果则还需显示工具面角和转速。
36.在一种可能的实施例中，仿真单元2包括：传感器仿真模块2-1，用于在上位机设定的数据控制下，根据传感器输入信号，模拟真实钻具在井下钻进过程中虚拟仪器的输出信号；信号输出设备2-2，用于将输出信号转换为模拟量的电压信号；信号调理板2-3，用于将虚拟加速度计及陀螺仪的电压信号转换为电流信号，该电流信号结合磁强计的电压信号作为虚拟仪器输出参数。
37.示例性地，传感器仿真模块2-1通过仿真平台模拟虚拟仪器在井下的实时输出信号。根据控制模块1-1选择的控制模式即手动控制或自动控制，传感器仿真模块2-1接收运行一次或多次的命令，根据输入的初始参数，作为程序运行的初始参数，并对其进行仿真模拟与误差数据添加，其中误差包括机械校正误差数据、温度校正误差数据和振动误差数据。
38.信号输出设备2-2将传感器仿真模块2-1发送的三轴加速度计、三轴磁强计、陀螺仪输出的数据以及转速和温度数字量信号转换成模拟量电压信号。具体来说信号输出设备2-2采用4个ni usb-6001数据采集卡。
39.信号调理板2-3将信号输出设备2-2输出的三轴加速度计和陀螺仪输出的电压信号转换成电流信号，以更加接近真实加速度计和陀螺仪的输出信号特性。电压信号转电流信号的调理电路一共有四路，每一路信号的调理原理相同，选用ada4000作为运算放大芯片，其供电电压为
±
13v，其中电容进行供电电压的去耦和滤波。输入信号的电压值与1k电阻两端电压相等，所以输出的信号电流值等于输入电压/1k。所以电压信号经过调理后，可输出相应的电流值，从而达到设计要求。
40.在本发明的实施例中，仿真单元运行在windows7平台上，编程软件采用matlab，matlab能够处理复杂的数值运算并进行实时控制，其提供了数据采集工具箱(daq)，能够连接计算机与数据采集卡，实现数据的模拟输入和输出。
41.在一种可能的实施例中，数据采集与解算单元3包括：信号调理模块3-1，用于对信号输出设备2-2和信号调理板2-3输出的电压信号和电流信号进行放大、滤波和模数转换处理；dsp(digital signal processing，数字信号处理)模块3-2，用于对信号调理模块3-1输出的信号进行解算，获得姿态参数。
42.示例性地，信号调理模块3-1对信号输出设备2-2以及信号调理板2-3发送出的三
轴加速度计、三轴磁强计以及陀螺仪输出的信号进行信号放大、滤波及信号的模数转换。其工作原理是对三轴加速度计和陀螺仪的四路信号分别采用了原理相同的电路进行滤波，四个过滤器均采用多反馈拓扑结构，传感器输出信号经过严格的过滤之后，可以以最大程度地减少冲击和振动对测量的影响。
43.dsp模块3-2对信号调理模块3-1处理后的信号进行处理与解算，并将解算后的姿态参数通过传送至通讯模块1-2，由姿态显示与控制单元1进行显示。具体地，dsp模块3-2选取的型号是tms320f28335。
44.本发明还提供了基于虚拟仪器的姿态测试方法，该方法包括：
45.s200、生成用于控制虚拟仪器的传感器输入信号；
46.s210、在上位机设定的数据控制下，根据传感器输入信号进行仿真，获得虚拟仪器输出参数；
47.s220、获取虚拟仪器输出参数并进行解算，获得姿态参数；
48.s230、对姿态参数进行存储和显示。
49.示例性地，在开始之前，需要进行准备工作：在通讯设置界面对端口配置进行设置，波特率、停止位、数据位、校验位，usb识别到的端口需与设置的相同，打开该端口，如果设置的端口与识别的端口配置不同，则无法打开该端口。
50.s200具体包括：
51.s201、在姿态测量界面模块输入初始参数，包括井斜角、方位角、工具面角、转速，并选择控制模式以及测量模式。在姿态测量界面中，分为两种测量模式，自动测量和手动测量。其中自动测量模式可设置姿态的起始角度、设置姿态自动化测量时步进的度数，以及姿态角度改变的时间范围。自动测量模式下有两种测量数据，一是静态数据，二是动态数据。静态数据指的是在系统上电后，系统经过初始化后，采集到的当前最初的姿态数据，需要在每个角度都重新地断电上电。动态数据是指不需要对系统进行重复的断电上电操作，而是一直不断地进行数据测量。手动测量模式要设置需要测量或校验的初始参数。手动测量模式也可对两种测量数据进行测量；
52.s202、控制模块1-1根据设置的时间长度和步进度数，使用动态链接库的方式实现对虚拟仪器进行控制，并定时对姿态进行输出。
53.s210具体包括：
54.s211、传感器仿真模块2-1接收控制模块1-1发送的初始井斜角、方位角、工具面角、转速及温度；
55.s212、传感器仿真模块2-1对接收到的参数进行仿真处理，得到仿真信号。仿真信号包括三轴加速度计的电流信号、三轴磁强计的电压信号、陀螺仪的电压信号、温度电压信号。在仿真处理过程中，传感器仿真模块2-1对初始参数进行姿态反解，并添加机械误差模型、温度误差模型以及振动误差模型，得到虚拟仪器的输出信号；
56.s213、信号输出设备2-2接收传感器仿真模块2-1发送的虚拟仪器的输出信号，进行数字量到模拟量的转换，输出相应的电压信号；
57.s214、信号调理板2-3接收电压信号并将其转换成电流信号。
58.s220具体包括：
59.s221、信号调理模块3-1对电流信号及电压信号进行处理；
60.s222、dsp模块3-2接收信号调理模块3-1输出的信号，并对其进行解算，得到姿态参数。姿态参数包括井斜角、方位角、工具面角、转速、磁场强度、重力加速度及磁倾角。
61.s230具体包括：
62.s231、通讯模块1-2通过rs485接口接收dsp模块3-2解算的姿态参数；
63.s232、存储模块1-3实时储存通讯模块1-2接收到的姿态参数，并且按照测试时间先后顺序生成excel表格文件；
64.s233、显示模块1-4接收姿态参数后实时显示在用户界面中，根据所选测量模式的不同，显示不同的测量及解算参数。
65.在s212中，包括以下的仿真步骤：
66.s2120、传感器仿真模块2-1接收控制模块1-1发送的初始井斜角、方位角、工具面角、转速及温度；
67.s2121、根据欧拉旋转和坐标变换原理，实现姿态参数与虚拟仪器输出参数之间的转换，计算公式如下：
68.加速度信号：
[0069][0070]
磁强信号：
[0071][0072]
其中，i、a、t分别为井斜角、方位角和工具面角，单位为角度；g
x
、gy、gz为三轴加速度计值，单位为ma；b
x
、by、bz为三轴磁强计值，单位为v；b
t
为当地磁场强度，单位为nt；σ为当地磁场倾角，单位为角度；g为当地重力加速度，单位为m/s2。
[0073]
s2122、根据建立的机械误差模型，添加至s2121所解算出的三轴加速度计以及三轴磁强计数据上。传感器的机械误差模型中的机械误差校正矩阵可通过12组姿态数据获取，其计算公式为：
[0074][0075]
式中：t
x
、ty、tz为姿态信号理论值；v
x
、vy、vz为测量信号；bias为零点漂移。
[0076]
s2123、在s2122的基础上添加传感器温度误差数据，温度误差模型为根据传感器用户手册获取的8组不同温度下的数据进行三阶多项式曲线拟合，获取拟合公式以及偏置公式，结合得出温度校正矩阵，其计算公式为：
[0077]
sf(t)＝sf0 sf1·
(t-25) sf2·
(t-25)2 sf3·
(t-25)3[0078]
bias(t)＝bias0 bias1·
(t-25) bias2·
(t-25)2 bias
·
(t-25)3[0079]
式中：sf0、sf1、sf2、sf3为不同温度下的温度拟合矩阵的拟合系数；bias0、bias1、
bias2、bias3为不同温度下的偏置拟合矩阵的拟合系数。
[0080]
则温度误差计算公式为：
[0081]
h(t)＝sf(t)
·
(v-bias(t))
[0082]
式中：h(t)为传感器校正值；sf(t)为传感器温度拟合矩阵；v为传感器测量值；bias(t)为偏置拟合矩阵。
[0083]
s2124、在s2123的基础上，添加随机振动误差数据。振动误差模型分为轴向振动以及侧向振动，其中轴向振动为传感器在x轴所受到的冲击信号；侧向振动为传感器在y、z轴方向受到的轴向振动，其计算公式为：
[0084][0085]
式中：lat_y为y轴振动混叠值；lat_z为z轴振动混叠值；lat_yy为y轴单向振动值；lat_zz为z轴单向振动值。
[0086]
s2125、将s2124所得出的数据存储到excel表格文件中。
[0087]
s2126、matlab daq创建ni数据采集卡设备对象，并添加采集通道及串口通讯。
[0088]
s2127、输出虚拟传感器的数字量信号。
[0089]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0090]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.基于虚拟仪器的姿态测量系统，其特征在于，包括：姿态显示与控制单元(1)，用于生成用于控制虚拟仪器的传感器输入信号，并获取解算后的姿态参数，以及对所述姿态参数进行存储和显示；仿真单元(2)，用于在上位机设定的数据控制下，根据所述传感器输入信号进行仿真，获得虚拟仪器输出参数；数据采集与解算单元(3)，用于获取所述虚拟仪器输出参数并进行解算，获得所述姿态参数。2.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的姿态测量系统，其特征在于，所述姿态显示与控制单元(1)包括：控制模块(1-1)，用于生成所述传感器输入信号；通讯模块(1-2)，用于获取所述姿态参数；存储模块(1-3)，用于存储所述姿态参数；显示模块(1-4)，用于显示所述姿态参数。3.根据权利要求2所述的基于虚拟仪器的姿态测量系统，其特征在于，所述姿态显示与控制单元(1)还用于获取用户选择的控制模式，所述控制模式包括手动控制和自动控制，当用户选择手动控制时，所述姿态显示与控制单元(1)还获取用户输入的初始参数，当用户选择自动控制时，所述姿态显示与控制单元(1)还获取用户输入的变化步长；所述控制模块(1-1)根据所述初始参数生成所述传感器输入信号，或当用户选择自动控制时根据所述变化步长生成所述传感器输入信号。4.根据权利要求2所述的基于虚拟仪器的姿态测量系统，其特征在于，所述仿真单元(2)包括：传感器仿真模块(2-1)，用于在上位机设定的数据控制下，根据所述传感器输入信号，模拟真实钻具在井下钻进过程中虚拟仪器的输出信号；信号输出设备(2-2)，用于将所述输出信号转换为模拟量的电压信号；信号调理板(2-3)，用于将虚拟加速度计及陀螺仪的电压信号转换为电流信号，该电流信号结合磁强计的电压信号作为所述虚拟仪器输出参数。5.根据权利要求4所述的基于虚拟仪器的姿态测量系统，其特征在于，所述输出信号包括：三轴加速度计、三轴磁强计、陀螺仪输出的数据以及转速和温度数字量信号，所述信号输出设备(2-2)将三轴加速度计、三轴磁强计、陀螺仪输出的数据以及转速和温度数字量信号转换为模拟量的电压信号。6.根据权利要求4所述的基于虚拟仪器的姿态测量系统，其特征在于，所述传感器仿真模块(2-1)在所述传感器输入信号中添加机械校正误差数据、温度校正误差数据和振动误差数据，形成钻具在井下钻进过程中虚拟仪器的输出信号。7.根据权利要求4所述的基于虚拟仪器的姿态测量系统，其特征在于，所述数据采集与解算单元(3)包括：信号调理模块(3-1)，用于对所述信号输出设备(2-2)和信号调理板(2-3)输出的电压信号和电流信号进行放大、滤波和模数转换处理；dsp模块(3-2)，用于对所述信号调理模块(3-1)输出的信号进行解算，获得所述姿态参数。
8.应用于权利要求1-7任一项所述的基于虚拟仪器的姿态测量系统的测试方法，其特征在于，包括：生成用于控制虚拟仪器的传感器输入信号；在上位机设定的数据控制下，根据所述传感器输入信号进行仿真，获得虚拟仪器输出参数；获取所述虚拟仪器输出参数并进行解算，获得姿态参数；对所述姿态参数进行存储和显示。

技术总结
本发明公开了基于虚拟仪器的姿态测量系统及测试方法，系统包括：姿态显示与控制单元，用于生成用于控制虚拟仪器的传感器输入信号，并获取解算后的姿态参数，以及对姿态参数进行存储和显示；仿真单元，用于在上位机设定的数据控制下，根据传感器输入信号进行仿真，获得虚拟仪器输出参数；数据采集与解算单元，用于获取虚拟仪器输出参数并进行解算，获得姿态参数。本发明实现了虚拟仪器参数的实时输出，通过自动化姿态测量方法，解决了旋转导向钻井系统中，姿态测量系统测试成本高，耗时长等问题，并能够有效提高姿态校正算法测试效率。并能够有效提高姿态校正算法测试效率。并能够有效提高姿态校正算法测试效率。


技术研发人员：李飞 李灵芝 雷戈
受保护的技术使用者：西安石油大学
技术研发日：2022.02.21
技术公布日：2022/5/25