MEMS陀螺井下寻北系统分段融合研究
新兴的MEMS陀螺是一类构造简易的惯性陀螺，它具有造价低、体积小、抗高冲击振动等优势。惯性寻北陀螺可以全天候不受外界限制完成自主寻北，并且可以做到快速、高效、高精度、连续工作。基于MEMS陀螺的优点，MEMS 陀螺仪非常适合用于井下寻北系统当中。本文阐述了MEMS陀螺井下寻北系统分段融合研究，下文将从改进二位置寻北，MEMS陀螺井下融合寻北方案和寻北值确定进行介绍。
改进二位置寻北
静态二位置寻北方案一般是选取 0°、180°两个位置作为寻北的初始和结束位
置，经过多次重复性实验，采集到陀螺输出角速度，结合当地纬度，求得最终的寻北角度。实验每隔 10°采用一次二位置法，采集完转台一周 360°，共36组数据，每组数据取平均后，测量的解算值如下图1所示。
图1 陀螺仪0~360°二位置输出拟合曲线
由图1可以看出输出拟合曲线是余弦曲线，但实验采集数据及角度尚少，实验结果缺少确切性，进行重复性实验，并且采集的角度扩展为0~660°，从0°开始每隔10°进行一次二位置法进行数据采集，数据结果如图2所示。图像走势为余弦曲线，且数据分布有明显差别，在余弦曲线波峰和波谷的地方，数据点分布比较零散，与曲线贴合程度低，而在曲线斜率最高的地方，数据点贴合曲线更为明显。
图2 陀螺仪0~660°二位置输出拟合曲线
结合图3方位与陀螺输出幅值关系图可以得出，角度在90°、270°位置采用二位置寻北时，数据贴合性更好，说明在东—西向检测到北向夹角更容易也更精确。因此本文采取90°、270°取代0°、180°作为二位置寻北的陀螺输出采集位置。
图3 方位与陀螺输出幅值关系
MEMS陀螺井下融合寻北
MEMS 陀螺仪用于井下寻北系统时，面临复杂的环境，随钻头钻进会有多变的姿态角，因此解算北向夹角也变得复杂许多。本节在上一节改进二位置寻北方案的基础上提出根据输出数据信息进行控制转动获取姿态角的方法，求得与北向的夹角。具体的流程图如图4所示。
MEMS 陀螺仪通过RS232数据接口传输到电脑上位机端。如图4所示，二位置寻北得到初始北向角之后，进行下一步随钻钻进。得到寻北指令后，随钻工作停止，对MEMS陀螺仪输出的姿态角进行采集，传输到上位机，通过姿态角信息控制井下寻北系统的旋转，将横滚角和俯仰角调节为0，此刻的航向角即为敏感轴与磁北方向的夹角，结合真北与磁偏角的关系，便得到真北方向。
此方案可以通过采集姿态角信息实时获取MEMS陀螺仪与真北方向的夹角。
图4 融合寻北流程图
寻北值确定
融合寻北方案首先对MEMS陀螺仪进行改进的二位置寻北，寻北结束后，得到初始北向的位置，记录此时的航向角θ，初始的姿态状态为(0,0,θ)，如图5(a)所示。当钻头钻进时，陀螺仪的姿态角发生变化，通过转台对横滚角、俯仰角进行调控，如图5(b)所示。
如图5(b)所示，钻头钻进时，系统接收到姿态仪的姿态角信息，需要对横滚角γ’和俯仰角β’大小进行判断，并通过旋转控制系统进行旋转，使其转为0，此时输出航向角的数据是敏感轴与磁北方向的夹角，需要根据磁北与真北方向之间的关系求得敏感轴与真北方向的夹角，需要结合本地磁偏角求出真北角，求解如下：
θ’=Φ-∆φ
上式中，θ’钻头与真北方向夹角，∆φ为当地磁偏角，Φ为钻头与磁北夹角。
图5 初始与钻进姿态角变化
结论
本章对MEMS陀螺仪井下寻北系统的寻北方案进行了研究，在二位置寻北方案的基础上，提出了选择90°、270°作为起始位置的改进二位置寻北方案。随着MEMS陀螺的不断进步，MEMS寻北陀螺可以做到自主寻北，例如ER-MG2-200，它的动态测量范围是200°/s，可以在-40℃~+85℃的环境下工作，其零偏不稳定性为0.02°/hr，而角速度随机游走为0.005°/√hr。
希望通过本文您可以对MEMS陀螺的寻北方案有所了解，期待与您对专业问题进行讨论。
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ericco741@163.com
我是主要负责imu产品的一名外贸专员
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