小径管道缺陷定位装置及基于快速正交搜索算法的定位方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供的是一种小径管道缺陷定位装置及基于快速正交搜索算法的定位方法。采用捷联惯性导航算法计算管道测量装置运行的轨迹坐标信息。里程仪测量轴向速度，在管道内的非完整性约束为横向和纵向提供速度。跟踪模块能记录被检测管道沿线坐标位置已知的地表磁标记，提供离散位置。基于快速正交搜索算法的管道连接器检测结果为管道测量装置在直管道内提供方位角和俯仰角误差修正。Kalman滤波估计及数据离线平滑处理从正反两个方向利用这些测量信息并修正惯性导航系统的误差，实现小径管道轨迹和方向的精确测量。管道缺陷检测传感器实现管道缺陷的有效检测。将管道缺陷检测系统与管道定位系统进行时间同步操作实现被检测管道缺陷的精确定位。

Small diameter pipeline defect positioning device and positioning method based on fast orthogonal search algorithm

The invention provides a defect locating device for a small-diameter pipeline and a positioning method based on a fast orthogonal search algorithm. Strapdown inertial navigation algorithm is used to calculate the trajectory coordinate information of pipeline measurement device. The odometer measures the axial velocity, and the nonholonomic constraints in the pipe provide lateral and vertical velocity. The tracking module can record the surface magnetic mark known along the coordinate position of the detected pipeline and provide the discrete position. The results of the pipeline connector detection based on the fast orthogonal search algorithm provide the azimuth and elevation error correction for the pipeline measuring device in the straight pipe. Kalman filtering estimation and data off-line smoothing processing, using these measurement information from two directions, and correcting the error of inertial navigation system, to achieve accurate measurement of path and direction of small diameter pipeline. Pipeline defect detection sensor to detect pipeline defects effectively. The pipeline defect detection system and the pipeline positioning system are operated synchronously in time to realize the accurate positioning of the detected pipeline defects.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种管道测绘装置，本专利技术也涉及一种管道测绘方法。具体地说是一种基于快速正交搜索算法检测管道连接器的小径管道缺陷定位装置及其定位方法。
技术介绍
随着大量早期铺设的管道已达到或超过服役期，由管道泄漏带来的环境污染及经济损失是非常严重的，甚至管道爆炸造成的安全威胁更是难以估量。管道测量装置是在管道内实现管道缺陷检测及缺陷定位最有效的工具，已成为各类管道周期性检测的首选。此外，泥石流、山体滑坡等自然因素也会造成管道变型，采用管道测量装置可实现对被检测管道坐标的有效测量，且分析管道的位移或变型对管道潜在危险预测能提供很好的帮助，预防各类管道泄漏或爆炸等危险发生。由MEMS惯性传感器构成的惯性辅助小径管道定位系统是实现管道缺陷定位及管道变型检测的核心组成部分。但是，由于小径管道定位系统采用的MEMS惯性测量单元精度普遍较低，惯性辅助管道定位系统的定位误差和方位角误差是随着被检测管道距离的增加而逐渐累积发散严重。通常情况下，管道测量装置四周安装的里程仪及其在管道内运动的非完整性约束能为惯性辅助管道定位系统提供连续三维速度误差修正。同时，沿被检测管道每隔一定距离且位置已知的地表标记可为惯性辅助管道定位系统提供离散三维位置误差修正。但是，小体积低精度MEMS构成的惯性辅助定位系统的方位角误差发散大，除了速度和位置误差修正外，还需要进行方位角误差修正。传统的方位角检测传感器在小径管道内受管道内径及管内环境等影响误差大，惯性辅助管道定位系统很难为管道开挖及维修提供足够的精度。在搜索相关资料时，2014年公布的《一种基于MEMS惯性测量单元的管道测绘及缺陷定位装置及其管道测绘及定位方法》中采用磁力计测量管道的方位。在钢质管道内运行的磁力计受管道材质的屏蔽效应，很难根据磁力计原理精确测量出管道的方位角。因此，在实际的管道检测中很难设计实现。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能提高定位和定向精，实现对管道连接器的正确检测的小径管道缺陷定位装置。本专利技术的目的还在于提供一种利用小径管道缺陷定位装置的基于快速正交搜索算法的定位方法。本专利技术的小径管道缺陷定位装置包括数据存储单元A、数据处理单元B、MEMS捷联惯性测量单元C和电源模块D，还包括跟踪模块1、里程仪2、管道缺陷检测传感器3、塑料密封圈4及支撑轮5，数据存储单元A、数据处理单元B、MEMS捷联惯性测量单元C和电源模块D封闭成一个整体，MEMS捷联惯性测量单元C中的陀螺仪和加速度计测量管道测量装置在管道内运动的旋转角速度和线性加速度，里程仪2测量管道测量装置在管道内运动时的轴向速度，跟踪模块用于记录通过地表磁标记的时间和位置、并与地表跟踪设备连接实时监控管道测量装置的位置，管道缺陷检测传感器3根据检测管道缺陷类型和运输物质类型采用超声波传感器或漏磁检测传感器，数据存储单元A和数据处理单元B实现检测传感器数据和管道定位传感器数据的处理和存储，电源模块D保障整个系统的电力供应，塑料密封圈4及支撑轮5保证整个管道测量装置在其两端的压差下在管道内正常运行。利用小径管道缺陷定位装置的基于快速正交搜索算法的定位方法为：步骤一，在已知惯性导航初始条件的情况下由捷联惯性导航算法计算出管道测量装置在管道内运动的位置、速度和姿态角信息；步骤二，采用Kalman滤波估计方法对惯性传感器误差和惯性导航系统输出误差进行估计，其中，采用快速正交搜索算法检测管道连接器结果为MEMS辅助管道检测定位系统在直管道段提供方位角和俯仰角误差估计和修正，同时结合管道测量装置在管道内由里程仪和非完整性约束提供的三维速度误差估计和修正，以及地表磁标记提供的离散三维位置误差估计和修正；步骤三，采用离线数据平滑处理方法进一步实现惯性传感器误差估计补偿及MEMS导航系统的误差补偿。所述采用快速正交搜索算法检测管道连接器具体包括：(1)当管道测量装置完成整个被检测管道的检测并回收到管道接收器后，从管道测量装置的数据存储单元中下载并保存管道检测数据和管道定位传感器数据；(2)由管道测量装置内加速度计在管道内的测量数据采用快速正交搜索算法进行建模处理，并提取出建模或测量信号对应的频域信号，得出建模或测量信号的时频特性曲线；同时，采用阈值的方法判断环形焊缝或法兰等对应的时间段，当建模或测量信号频域幅值大于设定阈值时，对应的时间段为环形焊缝或法兰，而当建模或测量信号频域幅值小于设定阈值时，对应的时间段即为直管道段；同时，管道测量装置内陀螺仪测量数据用来判断管道测量装置是否通过某段弯曲管道，将弯曲管道从整个被检测管道中分离出来；(3)将陀螺仪检测的弯管道段与加速度计检测出来的环形焊缝或法兰等进行合并，实现整个管道连接器的检测。本专利技术针对所铺设的管道是由直管道段通过管道连接器(包括弯管道、环形焊缝和法兰等)连接而成的基本特性，首先采用基于快速正交搜索算法的管道连接器检测方法。然后，根据管道测量装置在直管道内具有方位角和俯仰角不变的特性，将管道连接器检测结果用于修正管道定位系统的方位角发散误差，提高管道检测定位系统的定位和定向精度。因此，此方法可实现的前提就是实现对管道连接器的正确检测。本专利技术还具备这样一些特点：1.基于快速正交搜索算法的管道连接器检测结果可为所铺设管道在开挖和维修时提供便利。常年埋藏在地下或水下的管道由于其管道连接器处大部分为焊接或螺丝等进行连接的，连接处与附近的泥土和水中的化学物质容易发生腐蚀，甚至破裂。因此，管道连接器成了管道泄漏的高危区域。此外，管道测量装置上搭载的管道检测传感器能有效的检测出直管道及管道连接器处的腐蚀及破裂状况，二者结合能增强管道连接器等处的缺陷检测可靠性。故此，基于快速正交搜索算法的管道连接器检测结果能为管道维修和开挖提供便利。2.本专利技术中基于快速正交搜索算法的管道连接器检测结果是不依赖于任何额外的传感器的，只是采用了惯性辅助管道检测定位系统已装备的惯性传感器。因此，从系统硬件的角度不会有任何额外的附加成本。3.本专利技术中基于快速正交搜索算法的小径管道检测定位装置和定位系统精度的提高是无需任何额外硬件成本的。管道连接器检测的实现不需要在管道测量装置中安装其他传感器，用于检测的信号是对管道检测定位用惯性传感器数据的再次利用。此外，管道检测中对管道缺陷的维护是在管道检测完成之后进行的，无需实时进行，故对管道检测数据的分析、管道连接器检测和管道定位系统计算管道地理坐标都是离线进行的，故不会对现有的管道检测及评估系统产生影响。4.本专利技术中基于快速正交搜索算法的管道连接器检测方法适用于各类油、气、水、化学物质等运输用各种管径管道，所采用的管道测量装置外型为圆柱型或类鱼雷型。附图说明图1.小径管道缺陷定位装置示意图。图2.快速正交搜索算法检测管道连接器原理图。图3.基于快速正交搜索算法的小径管道缺陷定位系统流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做详细地描述，需要说明的是本专利技术中涉及的陀螺仪、加速度计和捷联惯性导航系统为典型惯性器件和导航定位系统，管道测量装置为典型和管道检测系统，故本专利技术不再对其原理进行详细描述。结合图1，小径管道缺陷定位装置主要由数据存储单元A、数据处理单元B、MEMS捷联惯性测量单元C和电源模块D四大部分封闭而成。此外，为了实现管道缺陷定位装置在管道内的运动还本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种小径管道缺陷定位装置，包括数据存储单元(A)、数据处理单元(B)、MEMS捷联惯性测量单元(C)和电源模块(D)，其特征是：还包括跟踪模块(1)、里程仪(2)、管道缺陷检测传感器(3)、塑料密封圈(4)及支撑轮(5)，数据存储单元(A)、数据处理单元(B)、MEMS捷联惯性测量单元(C)和电源模块(D)封闭成一个整体，MEMS捷联惯性测量单元(C)中的陀螺仪和加速度计测量管道测量装置在管道内运动的旋转角速度和线性加速度，里程仪(2)测量管道测量装置在管道内运动时的轴向速度，跟踪模块用于记录通过地表磁标记的时间和位置、并与地表跟踪设备连接实时监控管道测量装置的位置，管道缺陷检测传感器(3)根据检测管道缺陷类型和运输物质类型采用超声波传感器或漏磁检测传感器，数据存储单元(A)和数据处理单元(B)实现检测传感器数据和管道定位传感器数据的处理和存储，电源模块(D)保障整个系统的电力供应，塑料密封圈(4)及支撑轮(5)保证整个管道测量装置在其两端的压差下在管道内正常运行。

【技术特征摘要】
1.一种小径管道缺陷定位装置，包括数据存储单元(A)、数据处理单元(B)、MEMS捷联惯性测量单元(C)和电源模块(D)，其特征是：还包括跟踪模块(1)、里程仪(2)、管道缺陷检测传感器(3)、塑料密封圈(4)及支撑轮(5)，数据存储单元(A)、数据处理单元(B)、MEMS捷联惯性测量单元(C)和电源模块(D)封闭成一个整体，MEMS捷联惯性测量单元(C)中的陀螺仪和加速度计测量管道测量装置在管道内运动的旋转角速度和线性加速度，里程仪(2)测量管道测量装置在管道内运动时的轴向速度，跟踪模块用于记录通过地表磁标记的时间和位置、并与地表跟踪设备连接实时监控管道测量装置的位置，管道缺陷检测传感器(3)根据检测管道缺陷类型和运输物质类型采用超声波传感器或漏磁检测传感器，数据存储单元(A)和数据处理单元(B)实现检测传感器数据和管道定位传感器数据的处理和存储，电源模块(D)保障整个系统的电力供应，塑料密封圈(4)及支撑轮(5)保证整个管道测量装置在其两端的压差下在管道内正常运行。2.一种利用权利要求1所述小径管道缺陷定位装置的基于快速正交搜索算法的定位方法，其特征是：步骤一，在已知惯性导航初始条件的情况下由捷联惯性导航算法计算出管道测量装置在管道内运动的位置、速度和姿态角信息；步骤二，采用Kalman滤波估计方法对惯性传感器误差和惯性导航系统输出误差进...

【专利技术属性】
技术研发人员：管练武，曾建辉，高延滨，孙云龙，何昆鹏，李抒桐，张帆，宋昱寰，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23