CN105066917A - 一种小型管道地理信息系统测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型管道地理信息系统测量装置及其测量方法。简易捷联惯性测量单元包括两个水平正交的加速度计和一个方位陀螺仪，两个水平正交的加速度计输出值用于计算纵摇角和横摇角，方位陀螺仪用于测量方位角；里程仪用于输出三维速度值；前置摄像头检测不同阀门连接管内头像，用于辨识管道内方向变化；侧扫声呐用于管道内径的测量、管道内缺陷的尺寸大小和管道的变形；数据处理单元对各传感器输出数据进行处理，保存在数据存储单元；跟踪模块用于与管道外控制单元进行通信，检测并记录通过地表地标的时间；本发明具有结构简单、测量精度高的优点。

Description

一种小型管道地理信息系统测量装置及其测量方法

技术领域

本发明属于管道地理信息系统测量领域，尤其涉及一种小型管道地理信息系统测量装置及其测量方法。

背景技术

管道是实现油气及其他资源远距离运输的最有效和快捷的手段。随着大量早期铺设的管道已达到或超过服役期，由管道泄漏带来的环境污染，安全威胁及经济损失是不可估量的。管道地理信息系统测量装置是在管道内实现管道缺陷检测及缺陷定位的最有效工具，成为了目前各类管道周期性检测的首选。除此之外，泥石流，山体滑坡等自然因素也会对已经铺设的管道进行位移及变形作用。采用管道地理信息系统测量装置实现对整个管道地理位置的有效测量，分析管道的位移和变形对于管道潜在的危险预测能提供很好的帮助，预防各类管道泄漏、爆炸等危险。

与此同时，随着天然气等资源已通过管道运输到各家各户，实现能源的清洁利用。而一旦有燃气的泄漏将会对人民生命安全带来很大威胁和财产造成巨大损失。因此，实现这类管道的有效测量，早期完成危险预测将具有重大意义。而此类管线铺设密集复杂，管道内径小等特点也为管道的有效测量带来了巨大的挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单的，一种小型管道地理信息系统测量装置。本发明的目的还包括提供一种测量精度高的，一种小型管道地理信息系统测量方法。

一种小型管道地理信息系统测量装置，包括壳体，还包括简易捷联惯性测量单元、里程仪、前置摄像头、数据处理单元、数据存储单元、跟踪模块、侧扫声呐和电源模块，

简易捷联惯性测量单元包括两个水平正交的加速度计和一个方位陀螺仪，两个水平正交的加速度计输出值用于计算纵摇角和横摇角，方位陀螺仪用于测量方位角；

里程仪用于输出三维速度值；

前置摄像头检测不同阀门连接管内头像，用于辨识管道内方向变化；

侧扫声呐用于管道内径的测量、管道内缺陷的尺寸大小和管道的变形；

数据处理单元对两个水平正交的加速度计、方位陀螺仪、里程仪、前置摄像头、侧扫声呐的输出数据进行处理，保存在数据存储单元；

跟踪模块用于与管道外控制单元进行通信，检测并记录通过地表地标的时间；

电源模块用于给简易捷联惯性测量单元、里程仪、前置摄像头、数据处理单元、数据存储单元、跟踪模块和侧扫声呐供电。

本发明一种小型管道地理信息系统测量装置，还可以包括：

1、电源模块、简易捷联惯性测量单元、数据处理单元、和数据存储单元由头到尾依次安装在壳体内，里程仪为两个，且分别安装在壳体两侧，侧扫声呐为两个且分别安装在壳体两侧，前置摄像头安装在壳体头部，跟踪模块安装在壳体尾部。一种小型管道地理信息系统测量方法，包括以下几个步骤，

步骤一：测量装置上电，完成初始化及静态条件下的导航初始对准过程；

步骤二：测量装置在管线中遍历一遍，各传感器进行数据采集，完成对管道缺陷的检测，数据处理单元完成对各传感器输出数据的处理，保存在数据存储单元；

步骤三：根据两个水平正交的加速度计、方位陀螺仪和里程仪输出的敏感数据完成导航解算，计算出姿态、速度和位置信息；

步骤四：采用kalman滤波实现对航向和位置进行修正，通过前置摄像头对管内头像的捕获数据，判断管道在拐弯处的头像特性和变化，确定拐弯角大小和弯曲半径，进而实现对航向的修正，通过跟踪模块检测并记录通过地表地标，进而实现对位置的修正；

步骤五：根据侧扫声呐采集的信息计算出管道缺陷信息，实现管道变形辨识，确定缺陷位置信息。

本发明一种小型管道地理信息系统测量方法，还可以包括：

1、通过导航解算计算出的姿态、速度和位置信息为，

测量装置的纵摇角为：

$p={\sin }^{-1}\left(\frac{f_y-a_{od}}{g}\right)$

正交安装的两个加速度计的输出值分别为f_x和f_y，与陀螺仪输出的旋转角速度为w_z，a_od是由里程仪速度v_od求导推导出的前向加速度，g是重力加速度；

测量装置横摇角为：

$r=-{\sin }^{-1}\left(\frac{f_x+v_{od}{w}_z}{g\cos p}\right)$

其中，v_od是里程仪输出的速度，

方位角为：

其中，w^ie是地球自转角速率，是纬度，v_e是东向速度，R_N是子午曲率半径，h是高度值；

根据姿态角和里程仪输出的速度可以得到测量装置在三个方向的速度为：

$v=\left[\begin{array}{c}{v}_e\\ v_n\\ v_u\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{v}_{od}\sin A\cos p\\ v_{od}\cos A\cos p\\ v_{od}\sin p\end{array}\right]$

得到三维位置：纬度精度λ和高度h

$\stackrel{\·}{\mathrm{\λ}}=\frac{v_e}{(R+h)cos\mathrm{\φ}}.$

$\stackrel{\·}{h}=v_u$

有益效果：

本发明是针对小型管道地理信息系统实现精确的测量，对实现精确测量的捷联惯导系统从体积和成本角度进行了有效改进。

本发明通过对管道测量装置在管道内运动时的姿态修正和位置修正，提高整个测量装置的精度。不仅结合了传统的Kalman滤波算法进行前向滤波，同时考虑到数据处理的非实时性要求，采用了先进的平滑技术来提高整个系统的测量精度。

本发明不仅能实现小型管道地理信息系统的精确测量，还能在原有大管径管道地理信息系统测量装置的基础上，降低测量装置核心部分的结构复杂性，大大降低了整个测量装置的成本。

本发明的实现能广泛应用于各类油、气、水、化学物质等运输的小型管道地理信息系统的建立，将大大提高此类管道的运行安全，为管道的完整性管理提供有利保障。

附图说明

图1小型管道地理信息系统测量装置结构示意图。

图2简易捷联惯性导航系统示意图。

图3小型管道地理信息系统测量装置实现流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

一种小型管道地理信息系统测量装置。它包括简易捷联惯性测量单元，里程仪，前置摄像头，数据处理单元，数据存储单元，跟踪模块，侧扫声呐和电源模块等。简易捷联惯性测量单元由两个水平正交的加速度计和一个方位陀螺仪组成。两个水平正交的加速度计用于测量管道地理信息系统测量装置在管道内位置的纵摇角和横摇角，方位陀螺仪测量装置在管道内的方位角速率变化。里程仪用于测量装置在管道内运行的速度，并结合简易捷联惯性测量单元实现对管道的三维位置和方向的精确测量。同时，前置摄像头用于管道内拐弯角方向的辨识，用于修正管道方向变化。跟踪模块用于实现对管道内管道地理信息系统测量装置的跟踪和固定间隔与地表地标的通信，实现地理位置修正。侧扫声呐用于测量管道的内径，管道内缺陷的尺寸大小和管道的变形。数据处理单元实现对各部分测量传感器的数据简易处理，并存储在数据存储单元中。电源模块实现对整个小型管道地理信息系统测量装置在管道内运行时的能量供应。

本发明是在原有大管径管道地理信息系统测量装置的有效改进，不仅能实现小型管道地理信息系统精确测量的需求，还能有效降低测量装置的成本。能广泛应用于各类小内径管道地理信息系统的有效测量，实现管道完整性的有效管理。

本发明的小型管道地理信息系统测量装置主要实现对小型管道的裂纹及变形等缺陷进行有效测量，同时对这些缺陷实现精确的定位，并建立基于整个管道地理位置和方向的地理信息系统。主要采用安装在管道测量装置中心的简易捷联惯性测量单元和测量装置尾部四周的里程仪来实现整个管道地理位置和方向的精确测量。同时采用测量装置前置摄像头实现对管道方向变化的捕获修正检测系统的方位变化。而且，采用装置尾部无线跟踪模块实现与管道外控制单元有效通信，并检测和记录通过地表地标的时间，用于位置有效修正。管道的内径测量，及管道内缺陷的尺寸大小和管道的变形采用侧扫声呐确定。将保存在数据存储单元中的数据进行离线处理，结合先进的滤波和平滑处理技术最终实现对小型管道地理信息系统测量装置的各项功能指标。

简易捷联惯性测量单元与里程仪是这样实现对管道测量装置的三维姿态，速度和位置的有效测量的。首先，水平正交安装的两个加速度计输出值用于计算测量装置的纵摇角和横摇角，与水平面垂直安装的陀螺仪敏感测量装置的方位角变化，计算测量装置的方位角。同时，尾部四周安装的里程仪推导的速度结合姿态角(纵摇角，横摇角和方位角)计算出测量装置的三维速度值。最后，通过三维速度推导出三维位置变化值，得到测量装置的三维位置。

管道测量装置前置摄像头是这样判断管道内的拐弯角的。通常情况下，管道是通过阀门连接器进行拐弯的，有直角，T型和三通三种类型的阀门连接器。而当管道测量装置快接近管道拐弯时，通过前置摄像头检测不同的阀门连接器管内头像，进而判断前面拐弯是直角，T型，还是三通。进而当管道测量装置拐弯时进行拐弯角的有效修正。

无线跟踪模块是这样实现对管道测量装置有效跟踪和记录通过地表地标时间来进行位置修正的。无线跟踪模块能实时发射和接收透过各类障碍物的超低频电磁波，地表接收模块通过接收信号能大致判断管道测量装置的运动状况。与此同时，当管道测量装置通过有固定地理位置(GPS预先提供)的地表地标时，跟踪模块能有效接收地标发射的信号，进而记录管道测量装置通过时间，进而运用地表地标位置实现管道测量装置的位置修正。

侧扫声呐是这样实现对管道的内径测量，及管道内缺陷的尺寸大小和管道的变型确定的。侧扫声呐通过发射和接收管道内壁的信号，通过记录信号发射和接收的时间差来判断声呐与管道内壁的距离，进而实现对管道内径的测量。同时，通过判断不同方向信号时间差的差异来判断管道的变形和缺陷。

下面结合附图对本发明做详细地描述，需要说明的是该系统所使用的陀螺仪、加速度计、侧扫声呐、前置摄像头、里程仪及电源均为典型器件和电路连接，故不再对其原理图进行描述：

图1所示，一种小型管道地理信息系统测量装置结构示意图。包括跟踪模块1、里程仪2、侧扫声纳3、塑料密封圈4、支撑轮5、摄像头6、电源7、数据存储单元A、数据处理单元B、简易捷联惯性测量单元C。

摄像头装于装置的头部，装置主体部分由头至尾依次为电源、简易捷联惯性测量单元、数据处理单元和数据存储单元，跟踪模块装于装置尾部。支撑轮、塑料密封圈、侧扫声纳、里程仪均装于装置两侧。本测量装置主要实现对小型管道的裂纹及变形等缺陷进行有效测量，同时对这些缺陷实现精确的定位，并建立基于整个管道地理位置和方向的地理信息系统。主要采用安装在管道测量装置中心的简易捷联惯性测量单元和测量装置尾部四周的里程仪来实现整个管道地理位置和方向的精确测量。同时采用测量装置前置摄像头实现对管道方向变化的捕获修正检测系统的方位变化。而且，采用装置尾部无线跟踪模块实现与管道外控制单元有效通信，并检测和记录通过地表地标的时间，用于位置有效修正。管道的内径测量，及管道内缺陷的尺寸大小和管道的变形采用侧扫声呐确定。将保存在数据存储单元中的数据进行离线处理，结合先进的滤波和平滑处理技术最终实现对小型管道地理信息系统测量装置的各项功能要求。

图2给出了简易捷联惯性测量单元示意图。用陀螺仪和加速度计完成对测量装置实时高分辨率的姿态测量。在水平面OXY中，正交安装的两个加速度计的输出值分别为f_x和f_y，与其垂直安装的陀螺仪敏感旋转角速度为w_z，则可以计算出检测装置的纵摇角为：

$p={\sin }^{-1}\left(\frac{f_y-a_{od}}{g}\right)---\left(1\right)$

其中，a_od是由里程仪速度v_od求导推导出的前向加速度，g是当地重力加速度

同时，测量装置横摇角可计算为：

$r=-{\sin }^{-1}\left(\frac{f_x+v_{od}{w}_z}{g\cos p}\right)---\left(2\right)$

其中，v_od是里程仪推导的速度。

而且，方位角可计算为：

其中，w^ie是地球自转角速率，是当地纬度，v_e是东向速度，R_N是子午曲率半径，h是高度值。

根据姿态角和里程仪输出的速度可以得到检测装置在三个方向的速度为：

$v=\left[\begin{array}{c}{v}_e\\ v_n\\ v_u\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{v}_{od}\sin A\cos p\\ v_{od}\cos A\cos p\\ v_{od}\sin p\end{array}\right]---\left(4\right)$

最后，三维的位置(纬度精度λ和高度h)

$\stackrel{\·}{h}=v_u$

通过上述推导计算，可以得出检测装置在管道内运行任意位置的姿态，速度和位置。

图3所示，给出了整个小型管道地理信息系统测量装置实现流程图。在图1和图2的系统硬件组成基础上，先进的滤波技术和数据平滑技术是实现整个测量装置完成精确测量的必备条件。整个系统运行的流程如下：

步骤1，系统上电完成初始化及静态条件下的导航初始对准过程，为实时导航提供初始基准，进入步骤2；

步骤2，将整个小型管道地理信息系统测量装置在管线中遍历一遍，完成对缺陷的有效检测，数据处理单元完成对数据的简单处理，并保存好各类传感器的数据，进入步骤3；

步骤3，简易捷联惯导系统完成导航解算过程。结合陀螺仪、加速度计和里程仪输出的敏感数据，根据图2所述的推导过程计算出所需要的姿态，速度和位置信息，并进入步骤4；

步骤4，采用kalman滤波实现对航向和位置的有效修正。前置摄像头通过对管内头像的捕获，判断管道在拐弯处的头像特性和变化，确定拐弯角大小和弯曲半径，从而实现对方向的有效修正。同时，无线跟踪模块能够敏感出管道外部的地标，从而可以实现间歇性的对位置信息进行修正。最终，提高系统姿态，速度和位置的输出精度，进入步骤5；

步骤5，平滑数据处理技术的使用。作为一种离线处理方式，平滑技术能从最后的时刻往前进行推导，估计出系统的误差。同时，结合前向的kalman滤波技术，可以提高整个系统的精度达95％。进入步骤6；

步骤6，结合侧扫声呐计算出的管道缺陷信息，实现小型管道的变形辨识，以及缺陷位置信息在管道中的显示。进入步骤7；

步骤7，通过数据处理，生成最终含有管道缺陷和位置的检测报告。

本发明一种小型管道地理信息系统测量装置。所述装置由简易捷联惯性测量单元，里程仪，前置摄像头，数据处理单元，数据存储单元，跟踪模块，侧扫声呐和电源模块组成。简易捷联惯性测量单元，主要由两个水平正交的加速度计和一个方位陀螺仪组成，和里程仪一起实现管道测量装置的姿态，速度和位置的精确测量。简易捷联惯性测量单元缩小了整个装置的体积，实现对小型管道地理信息系统的测量。与原有捷联惯性测量单元相比，减少了两个陀螺仪和一个加速度计，大大降低了捷联惯性测量单元部分的成本。采用前置摄像头实现管道内方向变化的辨识，用于修正简易捷联惯性导航系统的航向。采用装置尾部无线跟踪模块实现与管道外控制单元有效通信，并检测和记录通过地表地标的时间，用于位置有效修正。侧扫声呐用于管道的内径测量，及管道内缺陷的尺寸大小和管道的变形确定。数据处理单元实现多传感器数据的简易处理，并保存在数据存储单元中，降低对数据存储单元容量的需求。

Claims (4)

1.一种小型管道地理信息系统测量装置，包括壳体，其特征在于：还包括简易捷联惯性测量单元、里程仪、前置摄像头、数据处理单元、数据存储单元、跟踪模块、侧扫声呐和电源模块，

简易捷联惯性测量单元包括两个水平正交的加速度计和一个方位陀螺仪，两个水平正交的加速度计输出值用于计算纵摇角和横摇角，方位陀螺仪用于测量方位角；

里程仪用于输出三维速度值；

前置摄像头检测不同阀门连接管内头像，用于辨识管道内方向变化；

侧扫声呐用于管道内径的测量、管道内缺陷的尺寸大小和管道的变形；

数据处理单元对两个水平正交的加速度计、方位陀螺仪、里程仪、前置摄像头、侧扫声呐的输出数据进行处理，保存在数据存储单元；

跟踪模块用于与管道外控制单元进行通信，检测并记录通过地表地标的时间；

电源模块用于给简易捷联惯性测量单元、里程仪、前置摄像头、数据处理单元、数据存储单元、跟踪模块和侧扫声呐供电。

2.根据权利要求1所述的一种小型管道地理信息系统测量装置，其特征在于：所述的电源模块、简易捷联惯性测量单元、数据处理单元、和数据存储单元由头到尾依次安装在壳体内，里程仪为两个，且分别安装在壳体两侧，侧扫声呐为两个且分别安装在壳体两侧，前置摄像头安装在壳体头部，跟踪模块安装在壳体尾部。

3.基于权利要求1所述的一种小型管道地理信息系统测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下几个步骤，

步骤一：测量装置上电，完成初始化及静态条件下的导航初始对准过程；

步骤二：测量装置在管线中遍历一遍，各传感器进行数据采集，完成对管道缺陷的检测，数据处理单元完成对各传感器输出数据的处理，保存在数据存储单元；

步骤三：根据两个水平正交的加速度计、方位陀螺仪和里程仪输出的敏感数据完成导航解算，计算出姿态、速度和位置信息；

步骤四：采用kalman滤波实现对航向和位置进行修正，通过前置摄像头对管内头像的捕获数据，判断管道在拐弯处的头像特性和变化，确定拐弯角大小和弯曲半径，进而实现对航向的修正，通过跟踪模块检测并记录通过地表地标，进而实现对位置的修正；

步骤五：根据侧扫声呐采集的信息计算出管道缺陷信息，实现管道变形辨识，确定缺陷位置信息。

4.根据权利要求3所述的一种小型管道地理信息系统测量方法，其特征在于：所述的通过导航解算计算出的姿态、速度和位置信息为，

测量装置的纵摇角为：

$p={\sin }^{-1}\left(\frac{f_y-a_{od}}{g}\right)$

正交安装的两个加速度计的输出值分别为f_x和f_y，与陀螺仪输出的旋转角速度为w_z，a_od是由里程仪速度v_od求导推导出的前向加速度，g是重力加速度；

测量装置横摇角为：

$r=-{\sin }^{-1}\left(\frac{f_x+v_{od}{w}_z}{g\cos p}\right)$

其中，v_od是里程仪输出的速度，

方位角为：

其中，w^ie是地球自转角速率，是纬度，v_e是东向速度，R_N是子午曲率半径，h是高度值；

根据姿态角和里程仪输出的速度可以得到测量装置在三个方向的速度为：

$v=\left[\begin{array}{c}{v}_e\\ v_n\\ v_u\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{v}_{od}\sin A\cos p\\ v_{od}\cos A\cos p\\ v_{od}\sin p\end{array}\right]$

得到三维位置：纬度精度λ和高度h

$\stackrel{\·}{\mathrm{\λ}}=\frac{v_e}{(R+h)cos\mathrm{\φ}}.$

$\stackrel{\·}{h}=v_u$