一种小径管道缺陷检测定位用惯性传感器选型方法技术

本发明专利技术提供的是一种小径管道缺陷检测定位用惯性传感器选型方法。管道检测前根据被检测管道的管内径大小、管内传输物质、管内压力及流速等不同来选择既成本低，又满足管道检测定位精度需求的惯性传感器，是决定管道检测任务能否完成的关键所在。一方面，被检测管道内径大小决定了所采用的惯性传感器体积大小，从而也粗略确定了惯性传感器的精度。另一方面，管内传输物质、管内压力及流速等决定了管道测量装置在管道内横滚运动的大小。本发明专利技术通过管道测量装置在管道内的横滚运动对管道缺陷检测定位用惯性传感器各个轴误差源的影响进行分析，最终确定适合小径管道缺陷检测定位用的惯性传感器。

An inertial sensor selection method for defect detection and location of small diameter pipeline

The invention provides a type of inertial sensor selection method for small diameter pipeline defect detection and positioning. According to the detection of pipeline inspection before the pipe diameter, pipe material, pipe transmission pressure and flow rate of different choice of both low cost and meet the precision demand of inertial sensor for pipeline detection, is the key to decide the pipeline inspection tasks could be completed. On the one hand, the size of the inner diameter of the detected pipeline determines the size of the inertial sensor used, so that the accuracy of the inertial sensor is also roughly determined. On the other hand, the material in the pipe, the pressure in the pipe and the velocity of flow determine the magnitude of the roll motion of the pipeline measuring device in the pipeline. The present invention through the pipeline measurement device in pipe rolling motion analysis of pipeline defect detection positioning effect of each axis inertial sensor errors, and ultimately determine the inertial sensor for small diameter pipeline defect detection for positioning.

【技术实现步骤摘要】
一种小径管道缺陷检测定位用惯性传感器选型方法
本专利技术涉及的是一种小径管道缺陷检测定位方法，特别是一种小径管道缺陷检测定位用中惯性传感器的选型方法。
技术介绍
城市地下管道是实现城市居民用水、燃气及城市污水、废物排放的主要通道。在部分老城区，很多管道都已经达到或超过了设计寿命，亟需检测维修以期延长其安全运行周期。与此同时，随着城市地铁建设和城市规划的进行，城市地下管道的分布情况为地铁等建设规划提供极大便利。与长距离运输管道相比，城市地下管道具有内径小、距离短、地表建筑密集等特点，使得传统的管道外检测设备和大口径管道内检测设备无法完成对城市地下管道的有效检测。然而，近年来因城市燃气泄漏、油管爆炸等造成的人民财产受损，甚至生命安全受到威胁的事件时有发生。因此，根据被检测管道的铺设状况设计合理的管道检测装置并完成管道的检测和维修任务成了当前的重要任务。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。此外，由管道连接器管道检测结果可为小体积低精度MEMS构成的惯性辅助定位系统在直管道进行方位角和俯仰角误差修正。最终，采用Kalman滤波估计技术和数据离线平滑处理技术在正反两个方向实现对惯性传感器误差和惯性导航系统误差的估计和补偿。在采用管道测量装置进行管道检测前，需要根据被检测管道的管内径大小、管内传输物质、管内压力及流速等不同选择既成本低又能满足管道检测定位精度需求的惯性传感器。目前，市场上可用的惯性传感器精度和其体积成正比例关系，而管道检测用惯性传感器精度必然受到管道内径的限制。与此同时，由于管道测量装置的横滚运动也会对惯性测量单元各个轴的误差源产生不同的影响。因此，根据不同的管道检测需求，合理制定相关的检测方案并制定和设计有效的管道检测装置成为了实施管道检测任务前的一项重要工作。其中，为管道检测装置选择合理有效的管道缺陷检测定位用惯性传感器成为了此项工作中的重中之重。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够确定适合小径管道缺陷检测定位用的惯性传感器的小径管道缺陷检测定位用惯性传感器选型方法。本专利技术的目的是这样实现的：步骤1，获取被检测管道的分布信息和内径大小；步骤2，根据被检测管道的内径和可供选择的惯性传感器或惯性测量单元，粗略确定惯性传感器体积和精度范围；步骤3，获取被检测管道管内传输物质、管内压力和流速，确定所涉及的管道测量装置在管道内运行的轴向速度范围以及管道测量装置在管道内横滚运动的角速率范围；步骤4，根据管道测量装置在管道内的横滚运动角速度范围，对管道检测用惯性测量单元中各个轴主要误差源进行分析；步骤5，根据步骤4的分析结果，确定管道测量装置横滚运动对惯性测量单元各个轴误差源的影响程度，进而对不同轴惯性传感器的最终决定做出判断；步骤6，根据管道测量装置设计预算、惯性传感器安装以及最终的精度指标，确定管道检测用惯性传感器各个轴精度指标，完成对小径管道缺陷检测定位用惯性传感器定型。本专利技术还可以包括：1、所述主要误差源包括陀螺仪零偏、陀螺仪刻度系数误差、加速度计零偏和加速度计刻度系数误差。2、所述对管道检测用惯性测量单元中各个轴主要误差源进行分析具体包括：(1)陀螺仪零偏误差：X轴和Z轴陀螺仪零偏因管道测量装置在管道内的横滚运动调制成正弦或余弦形式，在整数圈的时间内积分为零，消除了X轴和Z轴陀螺仪零偏误差对捷联惯性导航系统的影响；Y轴陀螺仪零偏误差不因管道测量装置的横滚运动得到有效地调制，在长时间的管道检测定位任务中，X轴和Z轴陀螺仪漂移引起的定位误差随着管道测量装置在管道内的横滚运动而降低，Y轴陀螺漂移引起的导航误差作为管道检测定位中的误差源；(2)陀螺仪刻度系数误差：在Oxnynzn系东向，X轴和Z轴陀螺仪刻度系数误差受到二倍横滚角速率的正弦调制作用和受到正弦旋转角速率的平方项调制作用，降低这两个轴向上陀螺仪刻度系数误差对管道惯性定位系统误差的影响；对Y轴陀螺仪刻度系数误差引起的等效陀螺仪零偏误差与横滚运动的旋转角速率成正比，随管道测量装置旋转角速率越大，由Y轴刻度系数误差引起的等效陀螺仪漂移误差越大；系北向，X轴和Z轴陀螺仪刻度系数误差引起的等效陀螺仪漂移误差受到二倍横滚角速率的正弦调制作用和正弦旋转角速率的平方项调制作用，能抑制由这两个方向陀螺仪刻度系数误差引起的管道惯性定位系统误差；Y轴陀螺仪刻度系数误差呈现与刻度系数误差成正比的误差传播规律；在天向方向，X轴和Z轴陀螺仪刻度系数误差受到正弦旋转角速率的平方项调制作用，抑制了由此引起的等效陀螺漂移和导航定位误差；Y轴陀螺仪刻度系数误差引起的等效陀螺漂移误差与管道测量装置横滚旋转的角速度成正比例关系；(3)加速度计零偏误差：X轴和Z轴加速度计零偏误差因为管道测量装置在管道内的横滚运动被调制成正弦形式，在整数圈旋转的时间内因为正弦效应平均为零，即消除了X轴和Z轴加速度计零偏误差对管道惯性定位系统的影响；Y轴加速度计零偏误差不因横滚运动得到有效调制，仍然按照原来的误差特性进行传播，为管道检测定位中的误差源；(4)加速度计刻度系数误差：在Oxnynzn系东向方向，X轴和Z轴加速度计刻度系数误差受到二倍横滚角速率的正弦调制作用和正弦旋转角速率的平方项调制作用，削弱了这两个轴向加速度计刻度系数误差对管道惯性定位系统定位误差的影响；Y轴加速度计刻度系数误差带来的等效加速度计误差与管道测量装置横滚运动的旋转角速率成正比；系北向，X轴和Z轴加速度计刻度系数误差引起的等效加速度计零偏误差受到二倍横滚角速率的正弦调制作用和正弦旋转角速率的平方项调制作用，能抑制由这两个方向加速度计刻度系数误差引起的管道惯性定位系统定位误差；在管道测量装置横滚运动下，Y轴加速度计刻度系数引起的管道测量装置定位误差呈现与刻度系数误差成正比的误差传播规律；在天向方向，X轴和Z轴加速度计刻度系数误差受到正弦旋转角速率的平方项调制作用，抑制了由此引起的等效加速度计零偏误差和管道惯性定位系统定位误差；Y轴加速度计刻度系数误差带来的等效加速度计零偏误差与管道测量装置横滚旋转角速度成正比。本专利技术提出了一种小径管道缺陷检测定位用惯性传感器选型方法。本专利技术所涉及的小径管道缺陷检测定位用惯性传感器是基于目前常用的圆柱型管道缺陷定位装置的。此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，装置还包括跟踪模块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。MEMS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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种小径管道缺陷检测定位用惯性传感器选型方法，其特征是包括如下步骤：步骤1，获取被检测管道的分布信息和内径大小；步骤2，根据被检测管道的内径和可供选择的惯性传感器或惯性测量单元，粗略确定惯性传感器体积和精度范围；步骤3，获取被检测管道管内传输物质、管内压力和流速，确定所涉及的管道测量装置在管道内运行的轴向速度范围以及管道测量装置在管道内横滚运动的角速率范围；步骤4，根据管道测量装置在管道内的横滚运动角速度范围，对管道检测用惯性测量单元中各个轴主要误差源进行分析；步骤5，根据步骤4的分析结果，确定管道测量装置横滚运动对惯性测量单元各个轴误差源的影响程度，进而对不同轴惯性传感器的最终决定做出判断；步骤6，根据管道测量装置设计预算、惯性传感器安装以及最终的精度指标，确定管道检测用惯性传感器各个轴精度指标，完成对小径管道缺陷检测定位用惯性传感器定型。

【技术特征摘要】
1.一种小径管道缺陷检测定位用惯性传感器选型方法，其特征是包括如下步骤：步骤1，获取被检测管道的分布信息和内径大小；步骤2，根据被检测管道的内径和可供选择的惯性传感器或惯性测量单元，粗略确定惯性传感器体积和精度范围；步骤3，获取被检测管道管内传输物质、管内压力和流速，确定所涉及的管道测量装置在管道内运行的轴向速度范围以及管道测量装置在管道内横滚运动的角速率范围；步骤4，根据管道测量装置在管道内的横滚运动角速度范围，对管道检测用惯性测量单元中各个轴主要误差源进行分析；步骤5，根据步骤4的分析结果，确定管道测量装置横滚运动对惯性测量单元各个轴误差源的影响程度，进而对不同轴惯性传感器的最终决定做出判断；步骤6，根据管道测量装置设计预算、惯性传感器安装以及最终的精度指标，确定管道检测用惯性传感器各个轴精度指标，完成对小径管道缺陷检测定位用惯性传感器定型。2.根据权利要求1所述的小径管道缺陷检测定位用惯性传感器选型方法，其特征是：所述主要误差源包括陀螺仪零偏、陀螺仪刻度系数误差、加速度计零偏和加速度计刻度系数误差。3.根据权利要求1或2所述的小径管道缺陷检测定位用惯性传感器选型方法，其特征是：所述对管道检测用惯性测量单元中各个轴主要误差源进行分析具体包括：(1)陀螺仪零偏误差：X轴和Z轴陀螺仪零偏因管道测量装置在管道内的横滚运动调制成正弦或余弦形式，在整数圈的时间内积分为零，消除了X轴和Z轴陀螺仪零偏误差对捷联惯性导航系统的影响；Y轴陀螺仪零偏误差不因管道测量装置的横滚运动得到有效地调制，在长时间的管道检测定位任务中，X轴和Z轴陀螺仪漂移引起的定位误差随着管道测量装置在管道内的横滚运动而降低，Y轴陀螺漂移引起的导航误差作为管道检测定位中的误差源；(2)陀螺仪刻度系数误差：在Oxnynzn系东向，X轴和Z轴陀螺仪刻度系数误差受到二倍横滚角速率的正弦调制作用和受到正弦旋转角速率的平方项调制作用，降低这两个轴向上陀螺仪刻度系数误差对管道惯性定位系统误差的影响；对Y轴陀螺仪刻度系数误差引起的等效陀螺仪零偏误差与横滚运动的旋转...

【专利技术属性】
技术研发人员：管练武，高延滨，曾建辉，孙云龙，何昆鹏，陈兴邦，陈强强，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