基于惯性技术的地下管线测量系统及其测算方法技术方案

本发明专利技术为一种基于惯性技术的地下管线测量系统及其测算方法。基于惯性技术的地下管线测量系统包括管道测量单元和外部供电单元，所述的管道测量单元含四个部分：（１）陀螺仪，用于提供管道当前段航向角信息；（２）加速计，用于提供管道俯仰角信息；（３）光电编码器的里程计，用于测量管道长度；（４）高性能微处理器，带有高精度Ａ／Ｄ接口，负责采集各传感器信号并进行位置计算、数据融合，通过长距离通讯模块将出解算管道三维信息输出到ＰＣ机，以供进一步处理。本发明专利技术所获的优点是测得的各种姿态、航向和里程等信息均系自主测量得到，不受外界环境和管道材质影响，因此测量的地下管线信息具有精度高、自主性好的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及地下管道测量系统，特别是公开一种，应用于各种材质和埋深的地下管道的三维信息测量。
技术介绍
随着城市基础建设的不断推进，地下管线测量定位有着日益广泛的需求。工程中通常采用电磁管线定位仪、探地雷达等对地下管道进行测定。从原理上来说，这些常规的测量方法存在以下缺陷第一，可测量的管道埋深较浅，通常不超过5米，个别性能好的仪器也不超过10米。第二，测量精度易受电磁场和铁磁物体干扰，当测量现场附近存在强电磁干扰源如电力管道、大型工程设备时效果差。第三，每一种方法都只适用于某一类材质的管道测量，缺乏通用性。第四，依赖人工在被测管道上方作业，例如管道穿过公路时给作业带来危险，或当管道经过水面和建筑物时无法测量。鉴于以上原因，目前亟需一种自主、抗干扰、能够适用于各种管道的地下管道三维测量技术。惯性技术(Inertial Technology)是研究利用惯性传感器(陀螺仪、加速度计)进行导航与制导的一门学科。惯性导航是一种完全自主的载体定位技术。在惯性导航定位系统中，运用惯性技术和航道推算原理，用陀螺仪测量载体的转动，用加速度计测量载体的平移加速度，从而推算出载体的瞬时速度、位置和姿态。组成惯性导航的设备都安装在载体内，工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式定位系统。20世纪惯性技术突飞猛进，定位精度不断提高，使得其应用面不断拓展，现代各种航空、航天、航海运载体都是采用以惯性导航为中心的组合导航系统来完成导航、制导任务。随着近年来低成本、低功耗的微机械惯性器件兴起，惯性定位技术越来越多地被应用于各种小型民用设备中。
技术实现思路
本专利技术的目的是公开一种，运用惯性技术元器件和航道推算原理用于地下管线进行测量，本专利技术用于管径90mm以上的各种材质、埋深管道的自主、抗干扰测量。本专利技术是这样实现的一种基于惯性技术的地下管线测量系统，包括管道测量单元和外部供电单元，其特征在于所述的管道测量单元含四个部分 (1)陀螺仪，用于提供管道当前段航向角信息；(2)加速计，用于提供管道俯仰角信息；(3)光电编码器的里程计，用于测量管道长度；(4)高性能微处理器，带有高精度A/D接口，负责采集各传感器信号并进行位置计算、数据融合，通过长距离通讯模块将出解算管道三维信息输出到PC机，以供进一步处理。所述陀螺仪采用小型光纤陀螺或微机械陀螺。根据上述基于惯性技术的地下管线测量系统的测算方法(1)运用航迹推算原理综合航向角、姿态角和长度信息，进行管道三维信息记录，从原理上来说，将管道测量单元放入管道并使之沿管道运动，该运动轨迹可以完全表达管道的三维信息。航迹推算原理就是把轨迹分为若干段，每一段近似为直线，其三个正交方向的位移增量可以通过直线长度结合航向角、姿态角的三角函数关系计算得出。将每一段的唯一增量累积起来，就可以推算出完整的运动轨迹；这种航迹推算原理测算运动的方法是惯性导航定位系统中经常应用的方法，本专利技术不作详述。(2)采用加速度计和陀螺仪测量管道航向、姿态角该测量方法用加速度计直接敏感重力加速度测量姿态角，用陀螺仪测量航向角，与深度、位置和周围电磁场无关，从而能不受其它条件制约，理论上在任意深度上均能实现航向、姿态角自主测量；(3)采用光电编码器设计的里程计，用于采集长度信息，管道测量单元在管内运动时，其脚轮紧贴管壁滚动，由光电编码器将脚轮转过的圈数转换为脉冲计数，通过计算得到长度信息；(4)测量结果离线校正方法，即测量完成后利用全球定为系统GPS或光学测量手段获知管道入口、出口或中间特征点的位置信息，对管道三维信息进行修正、补充。本专利技术的有益效果是本专利技术测得的各种姿态、航向和里程等信息均系自主测量得到，不受外界环境和管道材质影响，因此测量的地下管线信息具有精度高、自主性好的特点。附图说明图1是本专利技术系统工作方框图；图2是本专利技术系统运行方式示意图。具体实施例方式根据附图1和图2，管道测量单元由钢缆牵引在管道内运动，用于探测管道的三维信息。该单元包含四个部分(1)陀螺仪，用于提供管道当前段航向角信息； (2)加速度计，提供管道当前段俯仰角信息；(3)光电编码器的里程计，用于测量管道长度；(4)高性能微处理器，带有高精度A/D接口，负责采集各传感器信号并进行位置计算、数据融合，通过长距离通讯模块(RS485等)将出解算管道三维信息(X、Y、Z)输出到PC机，以供进一步处理。采用硬铝材料加工的外壳，尺寸小巧，具有良好的抗冲击和防水性能，可屏蔽电磁干扰，确保内部传感器和电路正常工作。外部供电单元提供直流稳压电源，负责管道测量单元的电源供给。管道测量单元通过电缆与外部供电单元和地面计算机相连，将测得的数据发送至地面计算机进行显示、存储。系统运行方式(1)硬件连接分别将管道测量单元的电缆和钢缆正确连接，打开系统电源。(2)管道三维信息测量使管道测量单元沿管道运动，由它对管道各位置的航向、姿态角和长度信息进行测量，直至走完管道全程。(3)离线校正利用全球定位系统GPS或光学测量方法测量管道入口和出口位置信息，对管道三维信息进行修正、补充；修正补充的方法也是测量作业惯用的现有技术，本专利技术不作详述。权利要求1.一种基于惯性技术的地下管线测量系统，包括管道测量单元和外部供电单元，其特征在于所述的管道测量单元含四个部分(1)陀螺仪，用于提供管道当前段航向角信息；(2)加速计，用于提供管道俯仰角信息；(3)光电编码器的里程计，用于测量管道长度；(4)高性能微处理器，带有高精度A/D接口，负责采集各传感器信号并进行位置计算、数据融合，通过长距离通讯模块将出解算管道三维信息输出到PC机，以供进一步处理。2.根据权利要求1所述的基于惯性技术的地下管线测量系统，其特征在于所述陀螺仪采用小型光纤陀螺或微机械陀螺。3.根据权利要求1或2所述基于惯性技术的地下管线测量系统的测算方法(1)运用航迹推算原理综合航向角、姿态角和长度信息，进行管道三维信息记录，从原理上来说，将管道测量单元放入管道并使之沿管道运动，该运动轨迹可以完全表达管道的三维信息；航迹推算原理就是把轨迹分为若干段，每一段近似为直线，其三个正交方向的位移增量可以通过直线长度结合航向角、姿态角的三角函数关系计算得出。将每一段的唯一增量累积起来，就可以推算出完整的运动轨迹；(2)采用加速度计和陀螺仪测量管道航向、姿态角该测量方法用加速度计直接敏感重力加速度测量姿态角，用陀螺仪测量航向角，与深度、位置和周围电磁场无关，从而能不受其它条件制约，理论上在任意深度上均能实现航向、姿态角自主测量；(3)采用光电编码器设计的里程计，用于采集长度信息，管道测量单元在管内运动时，其脚轮紧贴管壁滚动，由光电编码器将脚轮转过的圈数转换为脉冲计数，通过计算得到长度信息；(4)测量结果离线校正方法，即测量完成后利用全球定为系统GPS或光学测量手段获知管道入口、出口或中间特征点的位置信息，对管道三维信息进行修正、补充。全文摘要本专利技术为一种。基于惯性技术的地下管线测量系统包括管道测量单元和外部供电单元，所述的管道测量单元含四个部分(1)陀螺仪，用于提供管道当前段航向角信息；(2)加速计，用于提供管道俯仰角信息；(3)光电编码器的里程计，用于测量管道长度；(4)高性能微处理器，带有高精度A/D接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于惯性技术的地下管线测量系统，包括管道测量单元和外部供电单元，其特征在于：所述的管道测量单元含四个部分：（１）陀螺仪，用于提供管道当前段航向角信息；（２）加速计，用于提供管道俯仰角信息；（３）光电编码器的里程计 ，用于测量管道长度；（４）高性能微处理器，带有高精度Ａ／Ｄ接口，负责采集各传感器信号并进行位置计算、数据融合，通过长距离通讯模块将出解算管道三维信息输出到ＰＣ机，以供进一步处理。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宋华，李大海，张军香，李旭辉，王晓航，
申请(专利权)人：上海非开挖信息工程技术有限公司，北京航空航天大学，上海市信息管线有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]