一种基于MIMU/里程轮/光电测速传感器组合的非开挖管道定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于MIMU/里程轮/光电测速传感器组合的非开挖管道定位方法。本发明专利技术利用光电测速传感器非接触式测速、不存在打滑的特点，将其与里程轮组合实现冗余测速的目的，并在此基础上利用基于最大相关熵M估计的联邦卡尔曼滤波算法实现对MIMU、里程轮以及光电测速传感器信息的有效数据融合，从而解决里程轮测速信息不稳定导致的管道定位性能下降问题。本发明专利技术有效降低里程轮打滑引起的定位误差。差。差。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MIMU/里程轮/光电测速传感器组合的非开挖管道定位方法


[0001]本专利技术属于地下管道地理位置信息测量领域，具体涉及一种基于MIMU/里程轮/光电测速传感器组合的非开挖管道定位方法。

技术介绍

[0002]地下管道是城市基础设施的重要组成部分，承担着城市里信息、能源、水暖资源流通和废物排弃等重要功能。由于城市化不断发展，地下管道数量日益增多，管道分布越来越复杂。这给地下管道使用维护以及城市地下工程开展带来了难度。因此，有必要针对城市地下管道建立精确的三维地图，以防止开挖和施工等工程对管道造成损坏。目前，常用的非破坏性管道定位技术，包括探地雷达定位法、多频率电磁定位法以及磁强计定位法都具有其局限性，其定位性能受限于管道材料、内容物、管道直径和深度以及上覆土壤的性质等各种因素。与上述方法不同，管道定位仪在管道内部运行过程中利用惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)采集其运行角速度与加速度信息，并通过捷联惯性解算实现对管道的有效定位。但是，由于低精度微机电系统惯性测量单元(Micro
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于MIMU/里程轮/光电测速传感器组合的非开挖管道定位方法，其特征在于：具体包括以下步骤：步骤1：利用全站仪测量管道起点的纬度经度λ0和高度h0；步骤2：将安装有MIMU、里程轮以及光电测速传感器的管道定位仪置于管道入口处启动，将步骤1中获得的纬度经度λ0和高度h0手工装订至管道定位仪数据处理器中并完成初始对准；步骤3：用牵引绳拉动管道定位仪穿过管道到达管道终点并反向拉回，获得管道定位仪沿管道正向运行过程中的传感器数据以及反向运行过程中的传感器数据，所述的传感器数据包括MIMU陀螺仪角速度输出MIMU加速度计比力输出f
b
，里程轮里程增量ΔS和光电测速传感器输出的位移增量ΔX；步骤4：利用步骤3中管道定位仪沿管道运行过程中获得的角速度信息和比力信息f
b
进行捷联惯性解算，获得捷联姿态矩阵捷联解算速度以及捷联解算位置步骤5：利用步骤3中管道定位仪沿管道运行过程中每个采样周期内获得的里程轮里程增量ΔS和光电测速传感器输出位移增量ΔX计算得到相应里程轮速度信息与光电测速传感器速度信息公式如下：其中，T
s
为采样周期；步骤6：将MIMU作为参考系统，基于步骤5中获得的里程轮速度信息与步骤4中获得的捷联解算速度信息与捷联姿态矩阵建立联邦滤波结构子滤波器1中的量测信息，公式如下：其中，V
DE
，V
DN
，V
DU
为里程轮速度信息在导航坐标系投影；步骤7：将MIMU作为参考系统，基于步骤5中获得的光电测速传感器速度信息与步骤4中获得的捷联解算速度信息与捷联姿态矩阵建立联邦滤波结构子滤波器2中的量测信息，公式如下：
其中，V
LE
，V
LN
，V
LU
为光电测速传感器速度信息在导航坐标系投影；步骤8：建立联邦滤波结构中子滤波器1和子滤波器2的状态方程和量测方程；步骤9：对联邦滤波结构中的子滤波器1与子滤波器2初始化；步骤10：在子滤波器1与子滤波器2中基于最大相关熵M估计抗差卡尔曼滤波进行迭代估计，得到子滤波器1与子滤波器2的状态向量估值与估计误差协方差矩阵；其中，第k步子滤波器1估计得到的状态向量估值为X
1，k
，估计误差协方差矩阵为P
1，k
，第k步子滤波器2估计得到的状态向量估值为X
2，k
，估计误差协方差矩阵为P
2，k
；步骤11：将步骤10获得的状态向量估值与估计误差协方差矩阵传递给主滤波器，采用融合复位模式在主滤波器中进行子滤波器数据融合，从而得到主滤波器状态向量估值与估计误差协方差矩阵；其中，第k步主滤波器状态向量估值X
g，k
与估计误差协方差矩阵P
g，k
，公式如下：步骤12：利用步骤11获得的主滤波器第k步状态向量估值X
g，k
与估计误差协方差矩阵P
g，k
重置子滤波器1中第k步状态向量估值X
1，k
、估计误差协方差矩阵P
1，k
以及系统噪声方差矩阵Q
1，k
，公式如下：同时，利用步骤11获得的主滤波器第k步状态向量估值X
g，k
与估计误差协方差矩阵P
g，k
重置子滤波器2中第k步状态向量估值X
2，k
、估计误差协方差矩阵P
2，k
以及系统噪声方差矩阵Q
2，k
，公式如下：其中，Q0为主滤波器系统噪声方差矩阵，可以根据经验取值；β
1，k
，β
2，k
分别为第k步子滤波器1与子滤波器2的信息分配因子，公式如下：其中，T1，T2分别为子滤波器1与子滤波器2故障报警门限值，可以根据经验取值；Λ
1，k
，Λ
2，k
分别为子滤波器1与子滤波器2第k步故障检测函数值大小；步骤13：重复步骤10至步骤12，直至将管道定位仪沿管道正向运行过程中获得的数据
全部处理完，利用步骤11中获得的所有主滤波器状态向量估值X
g
中第1、2、3维元素，即捷联惯性解算位置误差δP
E
，δP
N
，δP
U
反馈校正步骤4中获得的MIMU捷联解算位置信息，公式如下：将校正后的位置信息P
E
，P
N
，P
U
作为正向运行管道定位信息输出；步骤14：利用步骤3中管道定位仪沿管道反向运行过程中获得的角速度信息比力信息f
b
、每个采样周期内获得的里程轮里程增量ΔS和光电测速传感器输出位移增量ΔX，重复步骤4至步骤13，获得反向运行管道定位信息P
′
E
，P
′
N
，P
′
U
，并在此基础上与正向运行管道定位信息P
E
，P
N
，P
U
进行加权融合获得管道定位信息，公式如下：其中，L为管道长度；L
k
为融合位置点距离管道终点长度；为距离起点L
‑
L
k
长度的正向运行管道定位信息；为距离管道终点L
k
长度的反向运行管道定位信息。2.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：李倩，郭一捷，张强，奔粤阳，赵玉新，吴磊，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：