Secondary Information Processing Methods While Estimating the Spatial Orientation of Objects

Abstract

The study is devoted to solving the scientific problem of ensuring unbiasedness and increasing the efficiency of assessing the spatial orientation of objects by applying new methods of secondary information processing in software and hardware components of computer systems. The paper describes a developed method for compensating for magnetic anomalies that affect magnetically sensitive sensors of the inclinometer rotation angles. It is based on recording the inclinometer readings and the angle of rotation of the drill pipe as it rotates in the mouth of well in a range of 360 degrees. This makes it possible to determine and further take into account the value of the magnetic deviation from the drill string in the readings of the inclinometer. A method is described for determining the parameters of a magnetic anomaly from an external stationary source of a constant magnetic field by using redundant information from the readings of inclinometery transducers in the mouth of well and at the point of assessment. This allows to expand the boundaries and scope of magnetometric transducers in difficult conditions. Methods for calculating the desired azimuth, as well as the parameters of the intensity vector of the magnetic anomaly are proposed. The errors of inclinometers based on sensor devices of various physical nature (fluxgates, gyroscopes, accelerometers), both rigidly fixed and with the use of gimbals pendulum suspensions, are considered. The factors influencing the bias of the estimation of the angles of the spatial orientation of the drilling tool, expressed through the Euler angles, are analyzed. The analysis took into account the effect of various reasons: deviations of the transducers' sensitivity axes from mutual orthogonality and the reference trihedron of the axes associated with the body; changes in the zero signal and transfer ratios under the influence of temperature; non-identical electrical parameters; inaccurate installation of the pendulum gimbal sensor frames in the tilt plane and along the vertical of the place. The permissible boundary values of each of the given errors have been determined. Consideration of these errors can significantly increase the unbiasedness of the assessment of the position of the object in difficult conditions. The practical significance of the results presented in the paper is the development of software and hardware components for assessing the spatial orientation of objects on the basis of the designed inclinometers capable of operating in difficult operating conditions and having a small diameter of the protective casing. Similar software and hardware components for assessing the spatial orientation of objects can be used: for the construction of underground communications; for the assembly of large-sized and remote objects; for static sounding of soils; for monitoring the state of building structure elements during operation.

Робота присвячена вирішенню наукової проблеми забезпечення незміщеності та підвищення ефективності оцінки просторової орієнтації об'єктів шляхом застосування нових методів вторинного перетворення інформації в програмноапаратних компонентах комп'ютерних систем. У роботі представлено метод компенсації магнітних аномалій, що впливають на чутливі до магнітного поля датчики кутів повороту інклінометра. Він ґрунтується на реєстрації показань інклінометра і кута повороту бурового інструменту при його обертанні в гирлі свердловини в діапазоні триста шістдесят градусів. Це дозволяє визначити і надалі враховувати значення магнітної девіації від бурової колони в показаннях інклінометра. Описано метод визначення параметрів магнітної аномалії від зовнішнього нерухомого джерела постійного магнітного поля за рахунок використання надлишкової інформації від показань інклінометричних перетворювачів в гирлі свердловини і в точці проведення оцінки. Це дозволяє розширити межі та область застосування магнітометричних перетворювачів в складних умовах. Запропоновано методи обчислення шуканого азимуту, а також – параметрів вектора напруженості магнітної аномалії. Розглянуто похибки інклінометрів на основі первинних перетворювачів різної фізичної природи (ферозондові, гіроскопи, акселерометрами), як з жорстко закріпленими, так і з використанням карданних маятникових підвісів. Проаналізовано чинники, що впливають на зміщеність оцінки кутів просторової орієнтації бурового інструменту, що виражені через кути Ейлера внаслідок різних причин: відхилення осей чутливості перетворювачів від взаємної ортогональності й опорного тригранника осей, пов'язаного з корпусом; зміни нульового сигналу і передавального коефіцієнта під впливом температури; неідентичності електричних параметрів; неточної установки маятникових карданних рамок датчика в площину нахилу і по вертикалі місця. Визначено допустимі граничні значення кожної з наведених похибок. Облік комплексу цих похибок дозволяє значно підвищити незміщеність оцінки параметрів просторового положення об'єкта в складних умовах. Практичне застосування представлених в роботі результатів дозволяє розробити і впровадити інклінометри, здатні працювати в складних експлуатаційних умовах, що мають малий діаметр охоронного кожуха. Подібні системи можуть використовуватися: для будівництва підземних комунікацій; для збирання великогабаритних і віддалених об'єктів; для статичного зондування ґрунтів; для моніторингу стану елементів фундаменту і будівельних конструкцій особливо відповідальних споруд (атомних, теплових станцій тощо.) в процесі експлуатації.

Работа посвящена решению научной проблемы обеспечения несмещенности и повышения эффективности оценки пространственной ориентации объектов путем применения новых методов вторичного преобразования информации в программно-аппаратных компонентах компьютерных систем. В работе описан разработанный метод компенсации магнитных аномалий, влияющих на магниточувствительные датчики углов поворота инклинометра. Он основывается на регистрации показаний инклинометра и угла поворота буровой трубы при ее вращении в устье скважины в диапазоне триста шестьдесят градусов. Это позволяет определить и в дальнейшем учитывать значение магнитной девиации от буровой колоны в показаниях инклинометра. Описан метод определения параметров магнитной аномалии от внешнего неподвижного источника постоянного магнитного поля за счет использования избыточной информации от показаний инклинометрических преобразователей в устье скважины и в точке проведения оценки. Это позволяет расширить границы и область применения магнитометрических преобразователей в сложных условиях. Предложены методы вычисления искомого азимута, а также – параметров вектора напряженности магнитной аномалии. Рассмотрены погрешности инклинометров на основе первичных преобразователей различной физической природы (феррозондовые, гироскопы, акселерометры), как жесткозакрепленные, так и с использованием карданных маятниковых подвесов. Проанализированы факторы, влияющие на смещенность оценки углов пространственной ориентации бурового инструмента, выраженных через углы Эйлера вследствие различных причин: отклонения осей чувствительности преобразователей от взаимной ортогональности и опорного трехгранника осей, связанного с корпусом; изменения нулевого сигнала и передаточных коэффициентов под воздействием температуры; неидентичности электрических параметров; неточной установки маятниковых карданных рамок датчика в плоскость наклона и по вертикали места. Определены допустимые граничные значения каждой из приведенных погрешностей. Учет комплекса этих погрешностей позволяет значительно повысить несмещенность оценки положения объекта в сложных условиях. Практическое применение представленных в работе результатов позволяет создать и внедрить инклинометры, способные работать в сложных эксплуатационных условиях, имеющие малый диаметр охранного кожуха. Подобные системы могут использоваться: для строительства подземных коммуникаций; для сборки крупногабаритных и удаленных объектов; для статического зондирования грунтов; для мониторинга состояния элементов фундамента и строительных конструкций особо ответственных сооружений (атомных, тепловых станций и т.д.) в процессе эксплуатации