CN103743378A - 一种管道检测器姿态检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种管道检测器姿态检测系统，包括陀螺仪、倾角传感器组合、信号处理器和安装结构，所述陀螺仪、倾角传感器组合和信号处理器均放置于安装结构上，其中，所述陀螺仪，用于测量检测器的角速度并传输给信号处理器；倾角传感器组合，用于测量检测器的重力加速度并传输给信号处理器；信号处理器包括检测器姿态检测装置，其包括姿态准备组合解算模块和检测器运行组合解算模块。本发明将陀螺信息、三个轴向重力信息进行融合，进而解算管道检测器的姿态信息，该系统体积小、功耗低、适应管道检测器各种轨迹需求，该检测方法无需和其他装置组合使用，可在长时间检测任务中保证姿态精度。

Description

一种管道检测器姿态检测系统

技术领域

本发明涉及一种管道检测器姿态检测系统，属于管道检测技术领域。

背景技术

管道检测器姿态检测装置为检测器提供管道缺陷的角位置信息，是管道缺陷检测不可缺少的检测信息。当前管道姿态检测系统主要有两种，一种是采用三轴陀螺和三轴加速度计组成惯性测量系统测量管道检测器的姿态信息，但此方系统体积大、功耗高，不利于管道检测器的任务需求；一种系统是采用三轴重力传感器组成的姿态检测系统，利用三个轴向的重力信息解算姿态，但此姿态检测系统在检测器接近垂直时角度失效，无法满足管道检测任务需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种管道检测器姿态检测系统。

本发明的技术解决方案：

一种管道检测器姿态检测系统，至少包括：陀螺仪、倾角传感器组合、信号处理器和安装结构，所述陀螺仪、倾角传感器组合和信号处理器均放置于安装结构上，其中，

所述陀螺仪，用于测量检测器的角速度并传输给信号处理器；

倾角传感器组合，用于测量检测器的重力加速度并传输给信号处理器；

信号处理器至少包括检测器姿态检测装置，其至少包括：

姿态准备组合解算模块，用于在姿态准备阶段，以陀螺解算的检测器周向角

为基准信息，修正倾角传感器解算的周向角

的误差，得到修正后的倾角传感器解算的周向角：

检测器运行组合解算模块，与所述姿态准备组合解算模块连接，用于在检测器运行阶段，接收所述姿态准备组合解算模块输出的倾角传感器解算的周向角

并以

为基准，实时估计陀螺的漂移误差ε，修正陀螺解算的周向角

得到修正后的检测器的周向角：t为采样间隔。

所述安装结构包括安装支架、屏蔽盖和屏蔽罩，所述安装支架放置于屏蔽罩内，屏蔽盖盖在屏蔽罩上，两者组成封闭的腔体；其中，

所述安装支架为圆柱腔体，其底面为安装平面板，其上有一豁口，圆柱腔体的圆柱面由安装垂面板和安装支撑柱面围成，所述安装垂面板为门框结构与所述安装平面板上的豁口构成正交安装结构；圆柱腔体内，所述安装支撑柱面内壁上有若干个突出的柱台，在所述安装平面板上每个所述柱台旁边有安装台面；所述屏蔽盖为腔式结构，其上有环形突面；屏蔽罩为腔式结构。

所述检测器姿态检测装置还包括倾角传感器解算单元，用于根据倾角传感器测量的检测器重力加速度信息解算检测器的周向角：

其中，g_y为Y轴重力加速度信息，g_z为Z轴重力加速度信息。

所述检测器姿态检测装置还包括陀螺解算单元，用于将陀螺测量的检测器角速度w_g积分解算检测器的周向角：

其中，

为t₀时刻陀螺解算的周向角。

所述姿态准备组合解算模块，包括倾角传感器解算误差计算单元和倾角传感器解算误差修正单元：其中，

所述倾角传感器解算误差计算单元与所述倾角传感器解算单元和陀螺解算单元连接，用于计算所述倾角传感器解算的周向角的误差：

其中，为检测器周向角，为估计的误差系数， $\left[\begin{array}{c}\hat{A}\\ \hat{B}\\ \hat{C}\end{array}\right]={\left(M^{T}M\right)}^{-1}{M}^{-1}F,$

为倾角传感器解算的检测器周向角

和陀螺解算的检测器周向角

的差值；

倾角传感器解算误差修正单元与所述倾角传感器解算单元和所述倾角传感器解算误差计算单元连接，用于修正倾角传感器解算的检测器周向角误差。

所述检测器运行组合解算模块包括陀螺解算误差计算单元和陀螺解算误差修正单元，其中，

陀螺解算误差计算单元与所述陀螺解算单元和倾角传感器解算误差修正单元连接，用于计算陀螺的漂移误差ε：漂移误差ε的估计方程为：其中，

为倾角传感器解算周向角和陀螺解算周向角

的差值，ε为陀螺的漂移误差；

陀螺解算误差修正单元与陀螺解算单元和陀螺解算误差计算单元连接，用于修正陀螺解算的检测器周向角误差，得到管道检测器经修正后的周向角

其中，

为陀螺测量值解算的周向角；ε为陀螺漂移误差，t为采样间隔。

所述信号处理器还包括接口通讯模块，其包括倾角传感器通讯单元和陀螺通讯单元，其中所述倾角传感器通讯单元与倾角传感器连接用于将传感器测量的检测器重力加速度信息传输给倾角传感器解算单元；陀螺通讯单元和陀螺连接，用于将陀螺测量的检测器角速度信息传输给倾陀螺解算单元。

所述信号处理器还包括电源信号处理模块，用于对电源信号进行转换和滤波。

所述倾角传感器组合包括垂向传感器和水平传感器，其中，所述垂向传感器用于测量检测器X轴方向重力加速度信息，所述水平传感器用于测量Y轴和Z轴重力加速度信息。

所述倾角传感器通讯单元包括水平传感器通讯模块和垂向传感器通讯模块，分别与水平倾角传感器和垂向倾角传感器连接，所述垂向传感器通讯模块接收检测器X轴方向重力加速度信息，所述水平传感器通讯模块接收Y轴和Z轴重力加速度信息。

本发明与现有技术相比的有益效果：

本发明利用单轴陀螺和三轴重力传感器信息，将陀螺信息、三个轴向重力信息进行融合，进而解算管道检测器的姿态信息。首先对倾角传感器角度误差进行修正，在后续检测工作中，以修正后的倾角传感器角度为参考，修正陀螺随时间漂移的误差，使信息互用，达到姿态角实时修正的目的。本发明与现有技术相比具有系统体积小、功耗低、安装灵活、成本低，适应管道检测器各种轨迹需求，该检测系统无需和其他装置组合使用，可在长时间检测任务中保证姿态精度。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明安装结构三维示意图；

图2是本发明安装支架正面三维结构示意图；

图3是本发明屏蔽盖正面三维结构示意图；

图4是本发明屏蔽罩正面三维结构示意图；

图5是本发明屏蔽罩反面三维结构示意图；

图6为本发明一种管道检测器姿态检测系统结构框图；

图7为本发明检测器姿态检测装置结构框图；

图8为本发明地理坐标系示意图；

图9为本发明地理坐标系向载体坐标系转化示意图。

附图标记说明：

1.安装支架，2.屏蔽盖，3.屏蔽罩，4.安装平面板，5.安装垂面板，6.安装支撑柱面，7.安装台面，8.柱台，9.传感器放置口、10.电路板安装孔、11.豁口、12.垂面板通孔、13.陀螺安装孔、14.屏蔽盖安装孔、15.检测器安装孔、16.屏蔽罩安装孔、17.安装支架连接孔、18.屏蔽盖与检测器安装孔、19.第一连接器安装孔、20.第二连接器安装孔。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。

在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

下面参照附图对本发明的实施例进行说明。

一种管道检测器姿态检测系统，如图6所示，包括：陀螺仪、倾角传感器组合、信号处理器、安装结构，所述陀螺仪、倾角传感器组合和信号处理器均放置于安装结构上。

其中，陀螺仪通过接口通讯模块将测量的管道检测器周向旋转角速度信息传输给检测器姿态检测装置，进行检测器姿态角解算；

倾角传感器组合包括水平倾角传感器和垂向倾角传感器，用于构成正交的三维倾角传感器组合，其中，所述垂向传感器用于测量检测器X轴方向重力加速度信息，所述水平传感器用于测量Y轴和Z轴重力加速度信息。

倾角传感器组合与接口通讯模块相连，将测量的管道检测器重力加速度信息传输给检测器姿态检测装置，进行检测器姿态角解算。

所述信号处理器至少包括检测器姿态检测装置、接口通讯模块和电源信号处理模块。

其中，检测器姿态检测装置，如图7所示，包括姿态准备组合解算模块、检测器运行组合解算模块、倾角传感器解算单元和陀螺解算单元。所述姿态准备组合解算模块包括倾角传感器解算误差计算单元和倾角传感器解算修正单元，检测器运行组合解算模块包括陀螺解算误差计算单元和陀螺解算误差修正单元。

其中，所述姿态准备组合解算单元，用于在姿态准备阶段，以陀螺解算的检测器周向角

为基准信息，修正倾角传感器解算的周向角

的误差

得到修正后的倾角传感器角度补偿输出

倾角传感器解算误差计算单元，与倾角传感器解算单元和陀螺解算单元连接，用于根据公式(2)计算所述倾角传感器解算的周向角的误差

选取若干个陀螺解算的检测器周向角作为参考信息，基于倾角传感器误差模型式(2)进行曲线拟和。曲线拟和矩阵为：

$\left[\begin{array}{c}\hat{A}\\ \hat{B}\\ \hat{C}\end{array}\right]={\left(M^{T}M\right)}^{-1}{M}^{-1}F,$ 其中，

其中，

为估计的误差系数，

为倾角传感器解算周向角和陀螺解算周向角的差值。

本实施例中12个测试点，为式(14)即

其中，

为倾角传感器解算周向角和陀螺解算周向角的差值。

本实施例中选择12个测试点，则曲线拟和矩阵为：

倾角传感器解算误差修正单元与所述倾角传感器解算单元和所述倾角传感器解算误差计算单元连接，用于修正倾角传感器解算的检测器周向角误差。

则倾角传感器解算的周向角经补偿输出为：

倾角传感器角度补偿输出为式(16)：

其中，

倾角传感器角度补偿后输出，为倾角传感器角度测量输出，

倾角传感器角度测量值与真实值之间的差值。

所述检测器运行组合解算单元，与所述姿态准备组合解算单元连接，用于在检测器运行阶段，接收所述姿态准备组合解算单元输出的补偿后的

并以为基准，实时估计陀螺的漂移误差ε，修正陀螺信息解算的周向角

得到修正后的检测器的周向角

t为采样间隔。

所述陀螺解算误差计算单元，与陀螺解算单元和姿态准备解算单元连接，用于计算陀螺的漂移误差ε。根据陀螺误差模型，采用Kalman(卡尔曼)滤波器实时估计陀螺漂移，进而修正陀螺误差，保证载体全程运行轨迹下误差在可控范围内。Kalman滤波器模型选取周向角误差(倾角传感器解算的周向角与陀螺解算的周向角之差)和陀螺漂移误差为状态变量，选取姿态角误差作为观测量。

状态方程与观测方程为式(5)和(6)。按照Kalman滤波的递推方程进行递推估计。由递推方程估计出

由式(7)计算出组合后的检测器周向角

状态方程为：

即：

其中， $A=\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ 0& 0\end{array}\right],$

此处的

姿态准备阶段经修正后的倾角传感器角度补偿后输出。

观测方程为：

其中，H=[1 0]；此处的

为姿态准备阶段经修正后的倾角传感器角度补偿后输出。ε为陀螺漂移误差。

陀螺解算误差修正单元与陀螺解算单元和陀螺解算误差计算单元连接，用于修正陀螺解算的检测器周向角误差，得到管道检测器的周向角

检测器周向角经补偿输出为：

其中，

为陀螺测量值解算的周向角；ε为陀螺漂移误差；t为采样间隔。

倾角传感器解算单元，与通讯接口模块连接，用于接收倾角传感器测量的检测器重力加速度信息，根据倾角传感器测量的重力加速度信息解算检测器的周向角

其中，g_y为Y轴重力加速度信息，g_z为Z轴重力加速度信息。倾角传感器解算单元将解算的检测器的周向角

倾角传感器解算误差计算单元。

陀螺解算单元，与通讯接口模块连接，用于接收陀螺测量的检测器角速度w_g，利用公式(12)将陀螺测量的检测器角速度w_g积分解算为检测器的周向角

传输给倾角传感器解算误差计算单元和陀螺解算误差计算单元。

其中，

为t0时刻陀螺解算的周向角，w_g为陀螺测量的检测器角速率值。

检测器姿态检测单元采用TMS320F28335处理器进行数据信号处理，采用MAX803对电平进行转换，采用A103-29.4912MHz为处理器提供时钟，采用电感及电容对电源和地进行滤波处理。

所述接口通讯模块，包括倾角传感器通讯子模块和陀螺通讯子模块，其中所述倾角传感器通讯子模块与倾角传感器连接，用于将倾角传感器测量的检测器重力加速度信息传输给倾角传感器解算单元。所述传感器通讯单元包括水平传感器通讯子模块和垂向传感器通讯子模块，所述垂向传感器通讯子模块接收检测器X轴方向重力加速度信息g_x，所述水平传感器通讯子模块接收Y轴和Z轴重力加速度信息g_y和g_z。

倾角传感器测量数据通讯模块采用SPI接口将三轴传感器组合测量的与重力加速度成比例关系的数字量传输给检测器姿态检测装置。

陀螺通讯单元和陀螺连接，用于将陀螺测量的检测器角速度信息传输给倾陀螺解算单元。陀螺通讯单元采用MAX490接口芯片，完成RS422通讯，将陀螺仪测量的管道检测器周向旋转角速度信息传输给检测器姿态检测装置。

本发明还包括滤波处理模块和异常处理模块。其中，滤波处理模块与接口通讯模块连接，用于将倾角传感器组合和陀螺仪测量的检测器姿态角信号滤波去噪。异常处理模块与检测器姿态检测装置和滤波处理模块连接，用于处理系统的异常信号。此为本领域惯用手段，此处不再赘述。

本发明还可以包括外部接口通讯模块，采用MAX3232接口芯片，完成RS232通讯，用于将系统获得的检测器周向角和倾角对外通讯。

所述电源信号处理模块，与陀螺仪、接口通讯单元、倾角传感器组合相连接用于完成电源信号转换及滤波。系统输入24v电压，经过BEI15将24V转换成+5V和□5V，提供陀螺仪的模拟电源。系统输入5V电压，经过TPS62404转换成1.5V和3.3V，提供处理器电源。采用电感及电容对转换前后的电源进行滤波处理。另外采用HCPL-354对+5V和□5V电源进行开关控制。

如图1所示，安装结构包括安装支架1、屏蔽盖2和屏蔽罩3，所述安装支架1放置于屏蔽罩3内，屏蔽盖2盖在屏蔽罩3上，两者组成封闭的腔体。屏蔽盖2和屏蔽罩3材料选用1J79型铁镍软磁合金，用于屏蔽外界强磁场。其中，

如图2所示，所述安装支架1为圆柱腔体，其底面为安装平面板4，其上有一豁口11，用于放置倾角传感器。

圆柱腔体的圆柱面由安装垂面板5和安装支撑柱面6围成，所述安装垂面板5为门框结构，其框内为传感器放置口9，用于放置垂向传感器，所述安装垂面板5与所述安装平面板4上的豁口11构成正交安装结构；所述安装垂面板5边框上有若干个垂向电路板安装孔12，本实施例中为4个均匀分布的通孔，用于安装垂向电路板。垂向电路板为垂向传感器通讯子模块，垂向传感器放置于垂向电路板上，垂向传感器卡在传感器放置口9内。所述安装支撑柱面6的立柱面上有若干个屏蔽盖安装孔14，用于安装屏蔽盖2，本实施例中为4个均匀分布的螺纹孔。在安装支撑柱面6的侧壁柱面上有若干个屏蔽罩安装孔16，用于安装屏蔽罩。本实施例中为均匀分布的3个椭圆形通孔。

圆柱腔体内，所述安装支撑柱面6内壁上有若干个突出的柱台8，本实施例中为4个且沿圆柱面内壁均匀分布。在所述柱台8有检测器安装孔15，用于将管道检测器通过检测器安装孔15固定。

在所述安装平面板4上靠近每个所述柱台8旁有安装台面7。本实施例中为每个所述柱台8旁边有1个所述安装台面7。所述安装台面7上有电路板安装孔10，用于固定水平电路板。

所述安装平面板4上围绕圆心有若干个陀螺安装孔13，用于将陀螺固定在安装架外。

所述屏蔽盖2为腔式结构，如图3所示，其上有环形突面；圆心位置有第一连接器安装孔19，用于安装与管道检测器其他分系统通讯的连接器。沿圆周均匀分布若干个安装支架连接孔17，用于和安装支架的连接。在所述安装支架连接孔17旁有屏蔽盖与检测器安装孔18，用于与安装支架固定，并用于管道检测器的安装。

所述屏蔽罩3为圆柱腔式结构，如图4和图5所示，所述屏蔽罩3底面有第二连接器安装孔20，用于安装与里程仪连接的连接器。侧面边缘有若干个安装支架与屏蔽罩的连接孔，用于安装支架与屏蔽罩的连接。本实施例中为3个通孔。

利用该安装结构能够满足检测器对姿态检测系统的使用需求，便于装配、简单轻便、安装灵活、小巧实用，成本低。

下面介绍利用该系统检测检测器的姿态角其工作流程如下：

1.坐标系定义

1)如图8所示，地理坐标系中心点为检测器载体中心，N、E、D分别为北-东-地坐标系。

2)在地理坐标系N-E-D坐标系中建立载体坐标系X-Y-Z。载体坐标系与地理坐标系的关系如图1所示。姿态检测系统坐标系中心点为载体中心，OX轴沿纵轴向前，OY轴在姿态旋转横截平面内指向右方，OZ轴在姿态旋转横截平面内指向下方，X、Y、Z遵循右手定则。

2.角度定义，在上述参考坐标系定义下，定义在参考坐标系下的角度。

检测器的周向角，姿态旋转横截面内Z轴与时针为6点钟方向的夹角(即Y轴与水平面的夹角)，值域(0°，360°)，极性定义为顺时针为正。

θ：检测器的倾角，载体x轴与水平面间的夹角，值域(-90°，+90°)，极性定义为抬头为正，低头为负。

检测器的周向角和检测器的倾角统称为检测器的姿态角，检测器的周向角

是组合解算的主要参数。

3.误差模型建立，根据陀螺及倾角传感器误差特性分析，分别建立它们的误差模型，即对陀螺测量的检测器姿态角的误差

和倾角传感器测量的检测器姿态角的误差

建立误差模型。陀螺的误差模型为公式(1)，为组合解算提供依据。

其中，

为陀螺测量的检测器周向角与检测器的周向角真实值之差；ε为陀螺漂移误差。

倾角传感器解算的周向角常值误差

模型为公式(2)，在组合解算前对此常值误差进行估计。

其中，为倾角传感器测量的检测器周向角与检测器周向角真实值之差；

为检测器的周向角；A，B，C为误差系数。

步骤一、利用倾角传感器测量的重力加速度信息解算检测器的周向角

根据导航学中的欧拉定理，载体在空间中的姿态可用载体坐标系相对于地理坐标系有限次的转动来表示，每次转动的角度即为方位角、倾角和面向角。这样，起始时地理坐标系与载体坐标系重合(N与X轴、E与Y轴、D与Z轴相对应)，随后载体绕D轴旋转α角，绕E轴旋转θ角，绕N轴旋转角，就得到载体当前的坐标系。旋转过程如图9所示。根据欧拉定理，地理坐标系与载体坐标系的转换可用以下公式表示：

则由上式可得出解算角度与传感器测量值关系：

$\mathrm{\θ}=\arcsin \frac{g_x}{g}---\left(10\right)$

其中，

g_x为X轴重力加速度信息。

其中，g_y为Y轴重力加速度信息，g_z为Z轴重力加速度信息。

检测器的倾角θ在下面步骤中不参加计算，但随

和

信号流转，最后和检测器周向角

一同输出。

步骤二：陀螺信息解算检测器周向角

利用陀螺测量的检测器角速度w_g信息积分获取检测器周向角

其中，为t0时刻陀螺解算的周向角，w_g为陀螺角速率测量值。

步骤三，姿态准备组合解算修正。

在姿态检测准备阶段(简称“姿态准备”，指系统通电后，姿态检测器正常工作前)对倾角传感器解算的检测器周向角

常值误差进行校正。

因为在系统通电后，姿态检测装置正常工作前的短时间内由陀螺解算的检测器周向角

误差很小，可以其作为参考值修正由倾角传感器解算的检测器周向角误差。倾角传感器解算的周向角误差是符合式(3)的变化规律，并且误差修正后不随时间变化，因此在姿态准备阶段估计式(3)的误差系数并对其修正。不同系统中，姿态准备时间不同，本实施例中姿态准备时间为t=10秒。

根据陀螺及倾角传感器误差模型式(1)和式(2)，进行解算准备。解算准备以陀螺解算的周向角

为基准信息，修正倾角传感器解算的周向角

的误差。选取若干个陀螺解算的检测器周向角作为参考信息，基于倾角传感器误差模型式(2)进行曲线拟和。曲线拟和矩阵为：

$\left[\begin{array}{c}\hat{A}\\ \hat{B}\\ \hat{C}\end{array}\right]={\left(M^{T}M\right)}^{-1}{M}^{-1}F,$ 其中，

为估计的误差系数，

为倾角传感器解算周向角和陀螺解算周向角的差值。

则倾角传感器解算的周向角经补偿输出为：

倾角传感器角度补偿输出为式(16)：

其中，

倾角传感器角度补偿后输出；

为倾角传感器角度测量输出；

倾角传感器角度测量值与真实值之间的差值。

本实施例中12个测试点，为式(14)即

其中，

为倾角传感器解算周向角和陀螺解算周向角的差值。

本实施例中选择12个测试点，则曲线拟和矩阵为：

步骤四，检测器运行解算修正。

姿态准备好后，检测器开始正常运行，根据倾角传感器误差特性，其解算的周向角

经修正后不随时间漂移。因此以经修正后的倾角传感器解算的周向角输出

作为参考值，实时估计陀螺的漂移误差，修正陀螺信息解算的周向角

进而输出修正后的周向角

根据陀螺误差模型，采用Kalman(卡尔曼)滤波器实时估计陀螺漂移，进而修正陀螺误差，保证载体全程运行轨迹下误差在可控范围内。Kalman滤波器模型选取周向角误差(倾角传感器解算的周向角与陀螺解算的周向角之差)和陀螺漂移误差为状态变量，选取姿态角误差作为观测量。

状态方程与观测方程为式(5)和(6)。按照Kalman滤波的递推方程进行递推估计。由递推方程估计出

由式(7)计算出组合后的检测器周向角

状态方程为：

即：

其中， $A=\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ 0& 0\end{array}\right],$

此处的

姿态准备阶段经修正后的倾角传感器角度补偿后输出。

观测方程为：

其中，H=[1 0]；

此处的

为姿态准备阶段经修正后的倾角传感器角度补偿后输出。ε为陀螺漂移误差。

检测器周向角经补偿输出为：

其中，

为陀螺测量值解算的周向角；ε为陀螺漂移误差；t为采样间隔。

本发明的实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种管道检测器姿态检测系统，其特征在于，至少包括：陀螺仪、倾角传感器组合、信号处理器和安装结构，所述陀螺仪、倾角传感器组合和信号处理器均放置于安装结构上，其中，

所述陀螺仪，用于测量检测器的角速度并传输给信号处理器；

倾角传感器组合，用于测量检测器的重力加速度并传输给信号处理器；

信号处理器至少包括检测器姿态检测装置，其至少包括：

姿态准备组合解算模块，用于在姿态准备阶段，以陀螺解算的检测器周向角

为基准信息，修正倾角传感器解算的周向角

的误差，得到修正后的倾角传感器解算的周向角：

检测器运行组合解算模块，与所述姿态准备组合解算模块连接，用于在检测器运行阶段，接收所述姿态准备组合解算模块输出的倾角传感器解算的周向角

并以

为基准，实时估计陀螺的漂移误差ε，修正陀螺解算的周向角

得到修正后的检测器的周向角：

t为采样间隔。

2.根据权利要求1所述的一种管道检测器姿态检测系统，其特征在于所述安装结构包括安装支架(1)、屏蔽盖(2)和屏蔽罩(3)，所述安装支架(1)放置于屏蔽罩(3)内，屏蔽盖(2)盖在屏蔽罩(3)上，两者组成封闭的腔体；其中，

所述安装支架(1)为圆柱腔体，其底面为安装平面板(4)，其上有一豁口(11)，圆柱腔体的圆柱面由安装垂面板(5)和安装支撑柱面(6)围成，所述安装垂面板(5)为门框结构与所述安装平面板(4)上的豁口(11)构成正交安装结构；圆柱腔体内，所述安装支撑柱面(6)内壁上有若干个突出的柱台(8)，在所述安装平面板(4)上每个所述柱台(8)旁边有安装台面(7)；所述屏蔽盖(2)为腔式结构，其上有环形突面；屏蔽罩为腔式结构。

3.根据权利要求1所述的一种管道检测器姿态检测系统，其特征在于所述检测器姿态检测装置还包括倾角传感器解算单元，用于根据倾角传感器测量的检测器重力加速度信息解算检测器的周向角：

其中，g_y为Y轴重力加速度信息，g_z为Z轴重力加速度信息。

4.根据权利要求1所述的一种管道检测器姿态检测系统，其特征在于所述检测器姿态检测装置还包括陀螺解算单元，用于将陀螺测量的检测器角速度w_g积分解算检测器的周向角：

其中，

为t₀时刻陀螺解算的周向角。

5.根据权利要求1所述的一种管道检测器姿态检测系统，其特征在于所述姿态准备组合解算模块，包括倾角传感器解算误差计算单元和倾角传感器解算误差修正单元：其中，

所述倾角传感器解算误差计算单元与所述倾角传感器解算单元和陀螺解算单元连接，用于计算所述倾角传感器解算的周向角

的误差：

其中，为检测器周向角，

为估计的误差系数， $\left[\begin{array}{c}\hat{A}\\ \hat{B}\\ \hat{C}\end{array}\right]={\left(M^{T}M\right)}^{-1}{M}^{-1}F,$

为倾角传感器解算的检测器周向角和陀螺解算的检测器周向角

的差值；

倾角传感器解算误差修正单元与所述倾角传感器解算单元和所述倾角传感器解算误差计算单元连接，用于修正倾角传感器解算的检测器周向角误差。

6.根据权利要求1所述的一种管道检测器姿态检测系统，其特征在于所述检测器运行组合解算模块包括陀螺解算误差计算单元和陀螺解算误差修正单元，其中，

陀螺解算误差计算单元与所述陀螺解算单元和倾角传感器解算误差修正单元连接，用于计算陀螺的漂移误差ε：漂移误差ε的估计方程为：

其中，

为倾角传感器解算周向角和陀螺解算周向角的差值，ε为陀螺的漂移误差；

陀螺解算误差修正单元与陀螺解算单元和陀螺解算误差计算单元连接，用于修正陀螺解算的检测器周向角误差，得到管道检测器经修正后的周向角

其中，

为陀螺测量值解算的周向角；ε为陀螺漂移误差，t为采样间隔。

7.根据权利要求1所述的一种管道检测器姿态检测系统，其特征在于所述信号处理器还包括接口通讯模块，其包括倾角传感器通讯单元和陀螺通讯单元，其中所述倾角传感器通讯单元与倾角传感器连接用于将传感器测量的检测器重力加速度信息传输给倾角传感器解算单元；陀螺通讯单元和陀螺连接，用于将陀螺测量的检测器角速度信息传输给倾陀螺解算单元。

8.根据权利要求1所述的一种管道检测器姿态检测系统，其特征在于所述信号处理器还包括电源信号处理模块，用于对电源信号进行转换和滤波。

9.根据权利要求1所述的一种管道检测器姿态检测系统，其特征在于所述倾角传感器组合包括垂向传感器和水平传感器，其中，所述垂向传感器用于测量检测器X轴方向重力加速度信息，所述水平传感器用于测量Y轴和Z轴重力加速度信息。

10.根据权利要求7所述的一种管道检测器姿态检测系统，其特征在于所述倾角传感器通讯单元包括水平传感器通讯模块和垂向传感器通讯模块，分别与水平倾角传感器和垂向倾角传感器连接，所述垂向传感器通讯模块接收检测器X轴方向重力加速度信息，所述水平传感器通讯模块接收Y轴和Z轴重力加速度信息。

Images