【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于地下导航定位，具体涉及一种基于旋转永磁体磁信标的地下管道铺设系统的定位方法。
技术介绍
1、城市的高速发展对新一代城市基建技术提出了更高的要求。地下是当前人类生活与发展的重要环境之一，管道系统是地下领域的重要组成部分。地下管道的铺设是现代化城市发展规划的重要步骤，为提高地下管道铺设的速度且避免施工过程中对地表建筑的破坏，现在方法大多采用由盾构机构成的管道铺设系统对地下管道进行直接铺设，管道铺设系统的高精度导航定位是保障管道按照规划准确掘进和铺设的关键内容，也是地下管道铺设过程中不影响周围建筑且高效工作的重要保障。而现有的无线电定位技术不具备在管道、土壤等介质中连续传播的能力，因此无线电定位技术由于穿透能力的限制无法为地下管道铺设系统提供高精度的定位服务，无法满足地下管道铺设系统的使用需求。将高精度惯性测量单元作为地下管道铺设系统的定位系统时，高精度惯性测量单元由于存在累积误差，不能提供连续长时间的高精度定位服务且成本较高，采用高精度惯性测量单元工作几小时后需要停机标定，增加了管道铺设项目的复杂度，降低了管道铺设的效率。
2、综上所述，现有对地下管道铺设系统的定位方法存在定位精度低、复杂度高的问题，提出一种新的对地下管道铺设系统的定位方法是十分必要的。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是为解决现有对地下管道铺设系统的定位方法存在定位精度低、复杂度高的问题，而提出了一种基于旋转永磁体磁信标的地下管道铺设系统的定位方法。
2、本专利技术为解决上述技
3、一种基于旋转永磁体磁信标的地下管道铺设系统的定位方法，所述方法具体包括以下步骤：
4、步骤一、启动固定在金属管道内的旋转永磁体磁信标产生磁场信号，利用磁传感器在各个数据测量点位置处分别测量磁场强度矢量，并根据磁场强度矢量分别计算各数据测量点位置处的磁感应强度矢量模值；
5、建立由磁传感器与旋转永磁体磁信标的相对位置和磁感应强度矢量模值组成的稀疏指纹数据库；
6、步骤二、根据稀疏指纹数据库内的数据计算虚拟测量点，利用虚拟测量点对应的数据和稀疏指纹数据库内的数据共同组成最终的指纹数据库；
7、步骤三、按照磁传感器与旋转永磁体磁信标的相对距离大小，对指纹数据库内的数据测量点进行分组，得到各组数据测量点；
8、步骤四、地下直铺管道开始工作时，旋转永磁体磁信标按照预设的角速率转动并产生磁场信号，利用磁传感器在数据测量点处采集磁场信号；
9、根据磁传感器采集的磁场信号计算出数据测量点与磁信标之间相对距离的区间，再从步骤三中选择出位于计算出的区间内的分组；
10、步骤五、再根据步骤四选择出的分组内的数据测量点估计出地下管道铺设系统的位置。
11、进一步地，所述各个数据测量点位置处，磁传感器与旋转永磁体磁信标的相对位置采用全站仪测量，当磁传感器位于第n个数据测量点位置时，将磁传感器与旋转永磁体磁信标的相对位置记为
12、其中，是在第n个数据测量点位置时磁传感器与旋转永磁体磁信标之间的相对俯仰角，θn是在第n个数据测量点位置时磁传感器与旋转永磁体磁信标之间的相对偏航角，rn是在第n个数据测量点位置时磁传感器与旋转永磁体磁信标之间的相对距离。
13、进一步地，所述在各个数据测量点位置处，磁感应强度矢量模值向量为：
14、
15、其中，bn是在第n个数据测量点位置处测量的磁感应强度矢量模值向量；
16、
17、其中，是第n个数据测量点位置处l轴的磁感应强度矢量模值，是第n个数据测量点位置处，磁传感器测量的第t个周期l轴的磁感应强度矢量，t＝1,2,…,t，t是测量的周期个数，|·|代表取模值。
18、进一步地，所述磁感应强度矢量模值的计算方法为：
19、步骤一一、磁场入射金属管道内壁的角度和磁场强度分别为和h1，从金属管道内壁出射的角度和磁场强度分别为和h2，则h1、和h2的关系式为：
20、
21、其中，μ1是空气相对磁导率，μ2是管道材料相对磁导率，是磁传感器与磁场入射金属管道内壁位置之间的相对俯仰角，θ1是磁传感器与磁场入射金属管道内壁位置之间的相对偏航角，是磁传感器与磁场从金属管道内壁出射位置之间的相对俯仰角，θ2是磁传感器与磁场从金属管道内壁出射位置之间的相对偏航角；
22、则磁场强度h2和出射角为：
23、
24、磁场在金属管道中传播后，磁场入射金属管道外壁的角度和磁场强度分别为和h3，磁场从金属管道外壁传输至土壤中的出射角度和磁场强度分别为和h4，h3、和h4的关系式为：
25、
26、其中，是磁传感器与磁场入射金属管道外壁位置之间的相对俯仰角，θ3是磁传感器与磁场入射金属管道外壁位置之间的相对偏航角，是磁传感器与磁场从金属管道外壁出射位置之间的相对俯仰角，θ4是磁传感器与磁场从金属管道外壁出射位置之间的相对偏航角；
27、则和h4为：
28、
29、其中，μ3是土壤材料相对磁导率；
30、步骤一二、将等效为将磁传感器与磁场穿透空气抵达金属管道内壁的位置之间的相对距离r1等效为磁传感器与磁场穿透金属管道材料到达内壁出射位置之间的相对距离r2，则
31、
32、其中，
33、设金属管道的厚度为h，磁场穿透金属管道材料到达金属管道外壁位置时，磁场强度h3表示为：
34、
35、其中，m代表旋转永磁体磁信标等效磁矩，代表相对方位的函数；
36、将相对距离r2等效为磁传感器与磁场穿透金属管道材料到达土壤入射位置之间的相对距离r3，两者之间的关系为：
37、
38、其中，
39、则测量点处的磁场强度矢量hp为：
40、
41、其中，d代表磁场由金属管道外壁入射至土壤时，外壁出射位置与数据测量点之间的高度差；
42、数据测量点处的磁感应强度矢量的模值bp为：
43、
44、进一步地，所述步骤二的具体过程为：
45、步骤二一、选取近邻的四个数据测量点作为一个组，将组内的四个数据测量点记为rpa+i,b+j，i＝0,1，j＝0,1，根据磁感应强度矢量模值，分别计算未考虑磁场跨介质传播的情况下，组内每个数据测量点处磁传感器与旋转永磁体磁信标的相对位置
46、将组内每个数据测量点处，磁传感器与旋转永磁体磁信标相对位置的真实值记为并计算相对位置真实值与相对位置计算值的偏差值
47、
48、步骤二二、对偏差值和相对位置真实值进行多项式拟合，得到拟合结果；
49、步骤二三、对于位置处于由四个数据测量点组成的正方形区域内的某个虚拟测量点，根据该虚拟测量点与旋转永磁体磁信标的真实相对位置和步骤二二本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于旋转永磁体磁信标的地下管道铺设系统的定位方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于旋转永磁体磁信标的地下管道铺设系统的定位方法，其特征在于，所述各个数据测量点位置处，磁传感器与旋转永磁体磁信标的相对位置采用全站仪测量，当磁传感器位于第n个数据测量点位置时，将磁传感器与旋转永磁体磁信标的相对位置记为
3.根据权利要求2所述的基于旋转永磁体磁信标的地下管道铺设系统的定位方法，其特征在于，所述在各个数据测量点位置处，磁感应强度矢量模值向量为：
4.根据权利要求3所述的基于旋转永磁体磁信标的地下管道铺设系统的定位方法，其特征在于，所述磁感应强度矢量模值的计算方法为：
5.根据权利要求4所述的基于旋转永磁体磁信标的地下管道铺设系统的定位方法，其特征在于，所述步骤二的具体过程为：
6.根据权利要求5所述的基于旋转永磁体磁信标的地下管道铺设系统的定位方法，其特征在于，所述未考虑磁场跨介质传播的情况下，数据测量点处磁传感器与旋转永磁体磁信标的相对位置的计算方法为：
7.根据权利要求6所
8.根据权利要求7所述的基于旋转永磁体磁信标的地下管道铺设系统的定位方法，其特征在于，所述根据磁传感器采集的磁场信号计算出数据测量点与磁信标之间相对距离的区间，再从步骤三中选择出位于计算出的区间内的分组；具体为：
9.根据权利要求8所述的基于旋转永磁体磁信标的地下管道铺设系统的定位方法，其特征在于，所述步骤五的具体过程为：
10.根据权利要求9所述的基于旋转永磁体磁信标的地下管道铺设系统的定位方法，其特征在于，所述步骤五二的具体过程为：
...【技术特征摘要】
1.基于旋转永磁体磁信标的地下管道铺设系统的定位方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于旋转永磁体磁信标的地下管道铺设系统的定位方法，其特征在于，所述各个数据测量点位置处，磁传感器与旋转永磁体磁信标的相对位置采用全站仪测量，当磁传感器位于第n个数据测量点位置时，将磁传感器与旋转永磁体磁信标的相对位置记为
3.根据权利要求2所述的基于旋转永磁体磁信标的地下管道铺设系统的定位方法，其特征在于，所述在各个数据测量点位置处，磁感应强度矢量模值向量为：
4.根据权利要求3所述的基于旋转永磁体磁信标的地下管道铺设系统的定位方法，其特征在于，所述磁感应强度矢量模值的计算方法为：
5.根据权利要求4所述的基于旋转永磁体磁信标的地下管道铺设系统的定位方法，其特征在于，所述步骤二的具体过程为：
6....
【专利技术属性】
技术研发人员：李清华，李新年，王常虹，王振桓，于谦玺，沈奥，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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