矿用测斜仪的全空间误差补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于测斜仪误差补偿技术领域，具体设及一种矿用测斜仪的全空间误差补 偿方法。
【背景技术】
[0002] 当前，我国已成为煤炭生产和消费第一大国，煤矿安全问题也越来越受到国家关 注。钻孔测斜仪在煤矿井下施工和瓦斯抽放方面的大面积应用，极大提高了瓦斯抽放效率， 降低了煤矿安全事故。矿用钻孔测斜仪通常采用=轴磁传感器来测量地球磁场大小W确定 钻孔方位，同时通过内置=轴加速度传感器解算钻孔倾角和工具面向角。然而，钻孔测斜仪 所处的测量环境恶劣，包含硬磁和软磁等各种干扰磁场；同时传感器在制造和安装的过程 中都会产生一定的误差，从而影响整个测量精度。因此，为了提高钻孔测斜仪的测量精度， 必须对钻孔测斜仪进行一定地误差补偿。
[0003] 目前，针对钻孔测斜仪的误差补偿方法较多。2003年，南京航空航天大学杨新勇， 黄圣国等人提出一种基于楠圆假设误差模型的补偿方法，方法简单、可行但仅能修正环境 误差。2003年，李希胜、王家蠢在论文《高精度电子罗盘的研制》中用最小二乘线性拟合的标 定方法，运种方法受数据量影响很大，数据量太大或太少都可能造成补偿效果较差。2003 年，海军工程大学胡海滨、林春生等人对模型中优化参数，构建了目标函数利用数学优化中 的共辆梯度的方法，得到较高的精度，但方法较为复杂，数据量较大。
[0004] 综上所述，尽管上述方法取得一定地补偿效果，但由于应用煤矿领域对象存在的 特殊性，上述误差补偿方法不能够完全适用于煤矿领域。矿用钻孔测斜仪通常是由测量内 管和安装外管两部分构成；由于安装外管质量重、体积大，标定时无法和测量内管一起标 定。现有误差补偿方法采用先标定测量内管，再装配到和钻杆相连接的外管中去测量钻孔 轨迹，测量内管和安装外管的具体安装情况受人为和机械加工影响，从而引入新的安装误 差，降低了测量精度。
【发明内容】
[000引有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种矿用测斜仪的全空间误差补偿方法。
[0006] 为达到上述目的，本发明的技术方案是运样实现的：
[0007] 本发明实施例提供一种矿用测斜仪的全空间误差补偿方法，该方法为:在全空间 内选择至少六个不同的测量点，根据采集到的所述测量点的=轴加速度和=轴磁传感器的 数值确定内管误差的修正系数，最后根据内管误差的修正系数重新解算钻孔的测量参数； 将测量内管装配到安装外管之中，在安装外管的两个相互垂直的平面内分别旋转一周，同 时采集不同角度的=轴磁传感器的数值，根据最小二乘法对采集不同角度的=轴磁传感器 的数值分别拟合两个平面，根据拟合获得的两个平面确定安装误差的两个角度，进而对钻 孔姿态进行解算。
[0008] 上述方案中，所述将测量内管在安装外管的两个相互垂直的平面内旋转一周，同 时采集不同角度的=轴磁传感器的数值，具体为:所述测量内管位于标定转台上；
[0009]将标定转台旋转至工具面向角a= 〇°时，依次旋转倾角0=15°、55°、-15°、-55°，方 位角依次旋转丫 =0°、90°、180°、270°，测量出S轴磁传感器的数值；
[0010] 将标定转台旋转至工具面向角a= -15°时，依次旋转倾角0=15°、55°、-15°、-55°， 方位角依次旋转丫 =0°、90°、180°、270°，测量出=轴磁传感器的数值；
[0011] 将标定转台旋转至工具面向角a= 15°时，依次旋转倾角0=15°、55°、-15°、-55°， 方位角依次旋转丫 =0°、90°、180°、270°，测量出=轴磁传感器的数值；
[0012] 将标定转台旋转至工具面向角a= 55°时，依次旋转倾角0=15°、55°、-15°、-55°， 方位角依次旋转丫 =0°、90°、180°、270°，测量出=轴磁传感器的数值；
[0013]将标定转台旋转至工具面向角a= -55°时，依次旋转倾角0=15°、55°、-15°、-55°， 方位角依次旋转丫 =0°、90°、180°、270°，测量出=轴磁传感器的数值。
[0014]上述方案中，所述内管误差系数包括传感器的零点误差和灵敏度误差。
[0015]上述方案中，所述根据最小二乘法对采集不同角度的=轴磁传感器的数值分别拟 合两个平面，具体为:根据最小二乘法对采集不同角度的=轴磁传感器的数值分别进行拟 合平面，空间平面方程的一般表达式为：
[0016]Ax+By+Cz+D= 0；
[0019]则有；
[0020] z = aox+aiy+a2；
[0021] 对于S轴磁传感器采集到的不同角度的n个点的数值，其中，n>3，（xi，yi，zi)i= 1，2…n，根据最小二乘法用运n个点拟合上述平面方程，则要使式
的值最小，要使Sp最小，应满足：
[0024]则有；
[0025]X2(aoXi+a巧i+a2-Zi)Xi=0
[0026] X 2(aoXi+a巧i+a2-zi)yi = 0;
[0027] X 2(aoXi+a巧i+a2-Zi) =0
[002引aoZ扣2+日1ZX巧i+a2Zyi=ZyiZi
[0029] ao Z X巧i+ai Z yi2+a2 Z Xi= Z Zi
[0030]aoZXi+aiZyi+a2n=ZZi [0031]得：
[003引由上式解出曰日、ai、曰2，可得拟合平面方程。
[0034]上述方案中，所述根据拟合获得的两个平面确定安装误差的两个角度，进而对钻 孔姿态进行解算，具体为：
[0035]在测量内管和安装外管不存在安装误差的情况下，由于=轴磁传感器Z轴始终与 平面成90°的夹角，故Z轴方向的磁场分量保持不变，所W用求平均值的方法计算出=轴磁 传感器输出数值的理论平面方程，即：
[0037]所W由拟合平面和理论平面计算出安装误差角，设拟合平面的法向量为(bi，b2, 63)，理论平面的法向量为佔，。2，。3)，可得两个平面的夹角：
[0039]同理计算出另外一平面的夹角0，因此，安装误差角度的模型可W写成如下：
[0041 ]式中X，Y，Z分别为=轴磁传感器输出分量，Xo，Yo，Zo为=轴磁传感器输出原始值， 根据拟合获得的两个平面确定的安装误差的角度，结合=轴加速度传感器Gx、Gy、Gz和=轴 磁传感器输出Bx、化、Bz，进而对钻孔姿态进行解算。
[004引与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0046]本发明只在现有钻孔测斜仪外管上加工两个互相正交的平面，有效解决了现有矿 用测斜仪测量内管构成的坐标系与安装外管载体坐标系不正交使得测量结果较差的问题， 即标定了质量和体积较小的内管，又有效补偿安装过程中的安装误差，能快速、有效补偿全 空间钻孔测斜系统误差。
【附图说明】
[0047]图1为本发明实施例提供一种矿用测斜仪的全空间误差补偿方法的流程图；
[0048]图2为本发明实施例提供一种矿用测斜仪的全空间误差补偿方法的安装外管的结 构示意图。
【具体实施方式】
[0049]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0050]本发明实施例提供一种矿用测斜仪的全空间误差补偿方法，如图1所示，该方法 为:在全空间内选择至少六个不同的测量点，根据采集到的所述测量点的=轴加速度和= 轴磁传感器的数值确定内管误差的修正系数，最后根据内管误差的修正系数重新解算钻孔 的测量参数;将测量内管装配到安装外管之中，在安装外管的两个相互垂直的平面内分别 旋转一周，如图2所示，同时采集不同角度的=轴磁传感器的数值，根据最小二乘法对采集 不同角度的=轴磁传感器的数值分别进行拟合平面，空间平面方程的一般表达式为：
[0054]则有：
[0055] z = aox+aiy+a2；
[0056]对于S轴磁传感器采集到的不同角度的n个点(n>3)的数值，（xi，yi，zi)i=l，2---n，根据最小二乘法用运n个点拟合上述平面方程，则要使式& = ；￡(%馬+幻1巧+馬-马)2 的值最小，要