隨鉆測量用微小型慣性測量單元設計

程世超， 高 爽， 林 鐵， 徐美寶， 郝 澄

(北京航空航天大學 慣性技術(shù)重點實驗室，北京 100191)

隨鉆測量用微小型慣性測量單元設計

程世超， 高 爽， 林 鐵， 徐美寶， 郝 澄

(北京航空航天大學 慣性技術(shù)重點實驗室，北京 100191)

為滿足隨鉆測量儀器在小口徑油井、高頻振動、強沖擊等環(huán)境中的應用需求，使用光纖陀螺與石英撓性加速度計作為傳感器組件，設計加速度計信號采樣電路，小型化導航計算模塊采用SOPC+SDRAM+FLASH，完成傳感器信號采集、誤差補償、導航解算以及與上位機通信等功能。慣性測量單元(IMU)集成了電源模塊、傳感器組件和導航計算機，最終制作成φ38 mm的隨鉆測量儀器。實驗結(jié)果表明：當井斜角不小于5°時，樣機能夠達到系統(tǒng)姿態(tài)解算精度要求(井斜角誤差小于±0.2°，方位角誤差小于±2°，工具面角誤差小于±0.2°)。

隨鉆測量； 慣性測量單元； SOPC導航計算機； 小型化

0 引 言

定向鉆井是指沿著預先設定好的軌跡將鉆頭導向地下目標地點[1]，隨鉆測量(measurement-while-drelling,MWD)技術(shù)是實現(xiàn)定向鉆井的關(guān)鍵。隨著油田勘探開發(fā)的深入，井眼孔徑越來越小，對井眼軌跡的要求越來越精確，傳統(tǒng)的測斜儀器測量精度不夠，體積較大，不能滿足油氣井測量儀器小型化的迫切需求[2]?；诠饫w陀螺(FOG)[3,4]和加速度計的隨鉆測量儀器抗地磁干擾、全自主、壽命長、耐沖擊和振動，有很寬的動態(tài)范圍，利用光纖慣性導航系統(tǒng)實現(xiàn)隨鉆測量是重要的解決方案。GyroData公司第三代陀螺產(chǎn)品GWD70，自主尋北、抗振性強、不受磁干擾，可近鉆頭測量，儀器尺寸φ48 mm。Scientific Drilling第三代測斜儀器使用三軸陀螺和三軸加速度計，儀器尺寸φ50 mm。北京三孚萊石油科技有限公司φ48 mm的測斜儀FOG—101以光纖陀螺和加速度計為主要傳感器；重慶天箭傳感器有限公司生產(chǎn)的DCX—1動調(diào)陀螺測斜儀，儀器尺寸φ45 mm，缺點是使用壽命短。

本文針對隨鉆測量儀器的需求，以三軸光纖陀螺和三軸加速度計作為傳感器部件，設計小型化加速度計信號采集電路和導航計算機，制作成微小型慣性測量單元(IMU)。

1 總體方案設計

慣性測量單元主要由電源模塊、三軸光纖陀螺組件、三軸石英撓性加速度計組件及其信號采集電路以及SOPC導航計算機等組成。光纖陀螺輸出標準的RS—232信號，加速度計信號輸出的模擬電流信號經(jīng)過精密采集電路變?yōu)閿?shù)字脈沖信號，然后進入導航計算機，導航解算結(jié)果通過標準RS—422或RS—232串口傳至上位機，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件設計

本系統(tǒng)選用的傳感器由北航光電所自主設計的光纖陀螺和石英撓性加速度計組成。光纖陀螺測量沿載體三個軸相對于慣性空間的角速率，零偏穩(wěn)定性不大于0.2°/h，動態(tài)范圍±100°/s；加速度計測量三個軸向的比力信息，零偏穩(wěn)定性小于40 μgn。

慣性測量單元的電源模塊輸入為48VDC，提供4路輸出。陀螺組件需要±5 V供電，加速度計需要±15 V供電，加速度計信號采集電路需要±5 V。電源輸出紋波小于30 mV，工作溫度為-40～120 ℃。

設計高精度加速度計信號采集電路，把模擬量變成易于讀取的數(shù)字量，信號采集電路原理圖如圖2所示。

圖2 加速度計信號采集電路原理圖

模擬電流信號經(jīng)過精密采樣電阻器變?yōu)槟M電壓信號，然后通過INA118儀表放大器進行放大濾波。通過低失真的差分驅(qū)動器AD8138將單端電壓信號轉(zhuǎn)換成差分電壓信號；A/D轉(zhuǎn)換芯片選用AD7742，經(jīng)過V/F變換成頻率信號[5]。

導航計算機選擇基于SOPC的設計方案，該方案運算能力較強、體積小。FPGA采用Altera公司的EP3C25U256C6，該芯片豐富的I/O口可以滿足組合導航系統(tǒng)的需求，支持Nios II軟核處理器，通過添加浮點運算指令以硬件的方式進行浮點運算[6]。Nios II系列32位RISC嵌入式處理器具有200DMIPS的性能，工作主頻最高可以達到120 MHz[7]。本設計大約占用60 %的邏輯資源，導航板尺寸達到225 mm(長)×29 mm(寬)。導航計算機原理框圖如圖3所示。

圖3 導航計算機原理框圖

1)頻率設置

選用TI公司36.864 MHz有源晶振，添加一個PLL，外部時鐘2倍頻得到兩路73.728 MHz。其中一路作為邏輯模塊、Nios II處理器的時鐘信號，另一路添加-70°相移，作為SDRAM的時鐘信號。

2)存儲器

導航計算機的存儲部分采用FLASH+SDRAM的方案。FLASH選擇EPCS16I8，通過Nios II IDE的Flash Programmer將配置數(shù)據(jù)文件(.sof)和用戶程序(.elf)寫入EPCS中。SDRAM選擇Micron公司的MT48LC4M16，有64 MB存儲空間，作為程序運行存儲器。

3)地址分配

Nios II處理器有32位地址線，可以尋址2GB的地址空間，提供映射為存儲器的I/O訪問。根據(jù)功能需求添加FLASH,SDRAM,I/O，使用通用外設IP核連接外設和Ava-lon總線，Avalon總線傳送地址、數(shù)據(jù)、控制信號，連接CPU和外設。

EPCS占用的地址范圍為0x00000000～0x000007FF，CPU從EPCS的起始地址啟動或復位，引導復制程序(boot copier)把用戶程序從EPCS復制到SDRAM中[8]。SDRAM占用的地址范圍為0x01000000～0x017FFFFF，程序從SDRAM中執(zhí)行，程序運行過程中的變量值也存儲在SDRAM中。Nios II處理器系統(tǒng)的I/O與FPGA的邏輯模塊相連，在CPU和邏輯模塊之間傳遞數(shù)據(jù)和控制信號，起始地址為0x00001800，每個PIO內(nèi)核分配16byte地址空間。

3 軟件設計

3.1 FPGA邏輯模塊設計

FPGA邏輯模塊需要完成的任務包括：傳感器數(shù)據(jù)采集、緩存、編號，發(fā)送中斷信號給CPU，收發(fā)數(shù)據(jù)，與Nios II CPU通信，與上位機通信。包括以下功能模塊：

1)串口讀數(shù)模塊：陀螺數(shù)據(jù)通過RS—422發(fā)送給FPGA，波特率115200；上位機指令通過RS—232發(fā)送給FPGA，波特率38400，8 bit數(shù)據(jù)位，1 bit校驗位。讀數(shù)模塊把一幀串口數(shù)據(jù)合成32 bit陀螺數(shù)據(jù)和16 bit溫度數(shù)據(jù)，送入數(shù)據(jù)打包模塊。

2)脈沖計數(shù)模塊：對加速度計輸出的脈沖信號進行計數(shù)，每路脈沖數(shù)用24 bit寄存器存儲；對加速度計溫度信號進行脈沖計數(shù)，每路數(shù)據(jù)的脈沖數(shù)用16 bit的寄存器存儲；然后送入數(shù)據(jù)打包模塊。

3)數(shù)據(jù)打包模塊：以每10 ms一個的脈沖信號上升沿作為觸發(fā)信號，數(shù)據(jù)打包模塊讀入陀螺、加速度計、溫度數(shù)據(jù)。按順序分解為8 bit數(shù)據(jù)，存入寄存器中，并對32個8 bit寄存器進行編號。

4)模式選擇模塊：系統(tǒng)有三種工作模式，包括：讀取傳感器數(shù)據(jù)、讀取上位機指令和發(fā)送導航結(jié)果。Nios II處理器系統(tǒng)添加了3個I/O，I/O的電平信號作為模式選擇模塊和總線傳輸模塊的輸入。

5)總線傳送模塊：用于控制數(shù)據(jù)在CPU和模塊間有序傳送，例如:當系統(tǒng)處于讀取傳感器數(shù)據(jù)的模式時，總線模塊中傳感器數(shù)據(jù)控制信號有效，而其它兩種模式控制信號無效。

6)串口發(fā)送模塊：在發(fā)送導航結(jié)果的工作模式下，串口發(fā)送模塊將35個8 bit并行數(shù)據(jù)拼接為串行數(shù)據(jù)，通過RS—232發(fā)送給上位機。

3.2 Nios II軟核處理器程序設計

Nios II軟核處理器程序任務可分為5個部分：“初始化任務”、“傳感器數(shù)據(jù)采集”、“上位機指令采集”、“導航解算”和“與上位機串口通信”。為了保證程序正確有序地運行，采用中斷的工作方式完成數(shù)據(jù)和指令采集任務。Nios II處理器支持32個外部硬件中斷int0～int31，其中int0優(yōu)先級最高。Nios II處理器系統(tǒng)中添加了2個邊沿觸發(fā)的PIO，分別與傳感器數(shù)據(jù)中斷(int2)信號線和上位機指令中斷(int3)信號線相連， JTAG_UART,EPCS_controller內(nèi)核的中斷分別為int0,int1。Nios II主程序的工作流程如圖4所示。

圖4 Nios II主程序工作流程圖

每次上電或復位時首先執(zhí)行初始化任務，完成經(jīng)、緯、高度的初始值設定和中斷初始化，初始化任務在程序中只執(zhí)行一次。

加速度計信號和陀螺信號分別經(jīng)過脈沖計數(shù)模塊和串口讀數(shù)模塊緩存在RAM中。在10 ms脈沖信號的下降沿觸發(fā)CPU的int2，CPU清除int2，并順序執(zhí)行導航解算任務。FPGA接收到一幀完整的上位機指令，產(chǎn)生一個脈沖信號觸發(fā)int3，int3響應函數(shù)完成更新經(jīng)、緯、高度數(shù)據(jù)。

導航解算任務是整個程序的核心，該任務主要完成原始數(shù)據(jù)變換、誤差補償和導航解算，求出載體的姿態(tài)、速度和位置等信息。導航解算流程如圖5所示。

圖5 導航解算流程圖

4 實驗結(jié)果和分析

將隨鉆測量儀器置于三軸轉(zhuǎn)臺上，測試儀器解算的姿態(tài)角精度。儀器首先進行初始對準，井斜角、方位角、工具面角真值分別為30°,0°,0°，測試5組，每組測試時間10 min，其中1組曲線如圖6所示。

圖6 初始對準誤差曲線圖

5組初始對準得到的姿態(tài)角結(jié)果如表1所示。

表1 初始對準姿態(tài)角

根據(jù)圖6和表1可以得出結(jié)論：初始對準得到的井斜角和工具面角與真值相比誤差在±0.2°以內(nèi)，方位角誤差在±2°以內(nèi)。

完成初始對準后，儀器進行動姿態(tài)連續(xù)測量實驗。當井斜角真值分別為3°,10°,30°,60°,70°時，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺內(nèi)框和外框，改變工具面角和方位角，連續(xù)測量各個姿態(tài)角。導航解算得到的姿態(tài)角結(jié)果如表2所示。

當井斜角大于或等于5°時，在連續(xù)測量過程中井斜角和工具面角誤差變化范圍在0.4°以內(nèi)，方位角誤差變化范圍在1.2°以內(nèi)。當井斜角小于5°時，井斜、方位和工具面角的誤差范圍均有所擴大。根據(jù)系統(tǒng)選用的陀螺和加速度計精度，解算出的姿態(tài)角誤差在合理范圍內(nèi)，能夠滿足系統(tǒng)指標。

5 結(jié) 論

本文針對小井眼油氣井對隨鉆測量儀器小型化的需求，在三軸光纖陀螺和三軸加速度計的基礎上設計了慣性測量單元。介紹了慣性測量單元的硬件組成，和基于SOPC的小型化導航計算機軟硬件實現(xiàn)方法。將慣性測量單元制作成φ38 mm的隨鉆測量儀器，利用轉(zhuǎn)臺作為基準進行姿態(tài)實驗。實驗結(jié)果表明：當井斜角不小于5°時，儀器初始對準的井斜角、工具面角誤差范圍在±0.2°以內(nèi)，方位角誤差范圍在±2°以內(nèi)；動姿態(tài)連續(xù)測量過程中，井斜角、工具面角變化范圍在0.4°以內(nèi)，方位角變化范圍在1.2°以內(nèi)，能夠滿足精度要求。

表2 連續(xù)測量姿態(tài)角

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Design of miniaturized inertial measurement unit used for

measurement-while-drilling CHENG Shi-chao, GAO Shuang, LIN Tie, XU Mei-bao, HAO Cheng

(Key Laboratory on Inertial Science and Technology,Beihang University,Beijing 100191,China)

In order to meet application needs of measurement-while-drilling(MWD)device in some environment like small-bore oil well， high-frequency vibration and intense impact,using fiber-optic gyroscope(FOG)and quartz flexibility accelerometer as sensor unit,design accelerometer signal sampling circuit, and miniaturization navigation calculating module includes system on programmable chip(SOPC)，SDRAM and FLASH,complete functions such as signal collecting of sensors，error compensation，navigation calculating and communicating with upper PC.Inertial measurement unit(IMU) consists of power module，sensor unit and navigation computer，then fabricate MWD device which isφ38 mm.The result shows that when the angle of inclination is bigger than 5°,the model machine can meet the needs of precision of attitude resolving (error of inclination and tool face angle error are less than ±0.2°，and error of azimuth is less than ±2°).

measurement-while-drilling(MWD)； IMU； SOPC navigation computer； miniaturization

2014—09—03

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0095—04

TE 927

A

1000—9787(2015)04—0095—04

程世超(1990-)，男，山東臨清人，碩士研究生，主要從事慣性導航系統(tǒng)的研究。