CN106772635A - 一种基于扫描交汇的地下电缆三维定位装置及定位方法 - Google Patents

一种基于扫描交汇的地下电缆三维定位装置及定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于扫描交汇的地下电缆三维定位装置及定位方法，装置包括两个磁场探测模块、GPS定位模块、气压测量模块、双轴倾角测量模块、电子罗盘和控制模块，上述各模块安装在探测平台上；利用该装置，首先通过磁场探测模块扫描地下电缆周边的空间磁场，根据磁场分布规律，获得磁场探测模块相对于地下电缆的定向角，通过交汇算法计算地下电缆相对于探测平台的坐标；其次通过各测量模块测得探测平台的经纬度坐标、海拔高度、空间姿态和方位角等数据，并通过坐标转换解算当前探测点地下电缆的经纬坐标和相对海拔，最后保存数据并三维显示；本发明用相对海拔来表征地下电缆的埋深数据，克服了地貌变化对测量的影响，测量精度准确，测量效率高。

Description

一种基于扫描交汇的地下电缆三维定位装置及定位方法
技术领域
本发明涉及电磁探测，尤其涉及一种基于磁场扫描探测和空间交汇算法的地下电缆三位定位装置，同时涉及利用该装置实现地下电缆定位的方法。
背景技术
文献《Detection and Location of Underground Cables Using MagneticField Measurements》中阐述了一种基于多线圈的电缆周围磁场分布测量模型和最小二乘拟合方法，该方法具有较高的磁场分辨率，但复杂磁场或多电缆条件下的拟合结果会存在较大偏差。国内的电缆探测仪通常由发射器和接收器构成，其中发射器在待探测电缆的接入点上输入特定频率的激励信号，在待探测电缆周围激励出磁场，磁力线透过管道和大地传到地面之上，在地面上用接收器检测磁场信号并进行选频放大，根据磁场而探测出地下电缆的位置。
电缆定位方法：(1)电磁线圈极值法，在磁场中移动线圈或转动线圈，根据磁场分布与感应输出之间的对应关系来进行电缆定位，一般采用极大值和极小值相结合的方法实现，应用过程中需反复移动探测线圈，参见文献：赵长亮，王宇.供电生产管理中地下电缆探测技术的运用.《中国电力教育》,2012(30):149-150。(2)矢量磁场探测法，通过3轴磁强计获得电缆周围任意两点的磁场矢量，构建垂直于矢量方向的平面，求解两平面的空间交叉线作为电缆定位结果；为了克服磁强计在各轴上的灵敏度差异，在实际应用中需手动调校传感器；当所取两点相对于电缆的周向分布角较小时，会产生较大的埋深误差；此外该方法的定位结果相对于装置本身，时效性较差，参见专利CN201310406924.7。(3)标记芯片定位，通过在电缆上预先布置若干具有标记功能的芯片，施工后再通过特定的设备识别芯片信息，同时通过GPS获取相关位置信息进行定位，该方法成本较高，不适用于早期埋入的电缆，缺少埋深信息，参见专利CN201220625640.8及CN201420187928.0。
综上所述，目前现有的地下电缆探测和定位技术均存在结构复杂、操作困难、适应性差等问题，因此随着传感技术和自动化技术的进步，开发新型地下电缆定位技术具有重要的研究意义。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种基于磁场扫描探测和空间交汇算法实现地下电缆三维定位的装置，同时提供了一种利于该装置对地下电缆三维定位的方法。
技术方案：本发明所述的一种基于扫描交汇的地下电缆三维定位装置，包括两个磁场探测模块、GPS定位模块、气压测量模块、双轴倾角测量模块、电子罗盘和控制模块；其中，两个磁场探测模块通过电机模块可旋转地安装于探测平台的等高位置；所述电机模块包括电机驱动器和步进电机；所述探测平台包括轮式或者履带式的移动机构。
所述两个磁场探测模块设于探测平台等高位置，GPS定位模块和气压测量模块位于两个磁场探测模块回转中心连线的垂直平分线位置，且GPS定位模块和气压测量模块到磁场探测模块回转中心的距离小于等于2cm。
所述磁场探测模块回转中心的连线与双轴倾角测量模块的横轴平行，磁场探测模块回转中心的连线与电子罗盘指北方向垂直。
所述步进电机两侧设有起始角限位开关和终止角限位开关，该起始角限位开关和终止角限位开关分别与电机驱动器相连。
利用上述装置实现地下电缆三维定位的方法，包括如下步骤：
(a)构建所述定位装置，行至探测点，通过电机模块驱动两个磁场探测模块对地下电缆周边的空间磁场进行扫描定向，根据磁场分布规律，获得两个磁场探测模块相对于地下电缆的定向角；
(b)由空间交汇算法计算出地下电缆相对于探测平台的相对坐标；
(c)通过GPS定位模块、气压测量模块、双轴倾角测量模块和电子罗盘分别测得探测平台的经纬度坐标、海拔高度、空间姿态和方位角；
(d)通过坐标转换算法，解算当前探测点地下电缆的经纬坐标和相对海拔；
(e)控制模块保存数据并对定位结果进行三维显示
工作原理：本发明通过探测平台支撑可旋转的两个磁场探测模块，对地下电缆周边的空间磁场进行扫描定向，获得两个磁场探测模块相对于地下电缆的定向角，由空间交汇算法计算出地下电缆相对于探测平台的相对坐标；通过GPS定位模块、气压测量模块、双轴倾角测量模块和电子罗盘测量出探测平台的经纬度坐标、海拔高度、空间姿态和方位角，通过坐标转换，解算当前探测点地下电缆的经纬坐标和相对海拔，保存数据和三维显示。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：1、通过气压测量模块进行海拔高度的测量，克服了GPS在海拔高度方向上定位精度低的缺陷；2、在电缆的有效磁场范围内，根据电缆的大致走向放置探测平台，即可自动扫描探测出当前探测点的电缆经纬坐标和相对海拔，测量效率高；3、根据磁场探测模块对电缆磁场的扫描定向角可知探测平台相对于地下电缆的相对偏移方向和偏移量，预测下一探测点的方位，可对磁场范围进行有效预测；4、长期时效性，用相对海拔来表征地下电缆的埋深数据，克服地貌变化所致的影响。
附图说明
图1为本发明的定位装置结构示意图；
图2为扫描交汇模型示意图；
图3为本发明的三维定位流程框图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。
如图1所示，一种基于扫描交汇的地下电缆三维定位装置，包括两个磁场探测模块1、GPS定位模块2、气压测量模块3、双轴倾角测量模块4、电子罗盘5和控制模块6；其中控制模块6为计算机，上述各模块均安装在探测平台9之上。
底座902与轮式的移动机构901构成了探测平台9的基本框架，其中，底座902采用平板；平板两侧对称布设两个立柱903，所述立柱903垂直于平板；磁场探测模块1由探测线圈及其信号处理装置构成，通过电机模块安装于立柱903上的等高位置，电机模块包括第一电机驱动器701、第一步进电机702，以及第二电机驱动器801、第二步进电机802，分别控制两个磁场探测模块1的旋转。
沿着磁场探测器1回转中心的连线，在两个立柱903之间架设平行于平板上表面的横梁904，在横梁904的中心点上分别安装GPS模块2、气压测量模块3、双轴倾角测量模块4和电子罗盘5，为了保证测量精度，GPS模块2、气压测量模块3至磁场探测模块1回转中心连线的距离小于等于2cm；其中，双轴倾角测量模块4工作面的横轴平行于横梁904，双轴倾角测量模块4的工作面平行于平板的上表面；电子罗盘5的指北轴垂直于横梁904，电子罗盘5的工作面平行于平板902的上表面。在第一步进电机702左侧安装第一起始角限位开关10，右侧安装第一终止角限位开关11；在第二步进电机802右侧安装第二起始角限位开关12，左侧安装第二终止角限位开关13。
磁场探测模块1、GPS模块2、气压测量模块3、双轴倾角测量模块4、电子罗盘5、和电机驱动器分别通过串行通信电缆与计算机相连；第一步进电机702连接于第一电机驱动器701的输出端口，第一起始角限位开关10和第一终止角限位开关11连接于第一电机驱动器701的开关量输入端口；第二步进电机802连接于第二电机驱动器801的输出端口，第二起始角限位开关12和第二终止角限位开关13连接于第二电机驱动器801的开关量输入端口；
如图2所示为本发明的扫描交汇模型示意图，其中，X、Y轴为水平面的两个轴；A、B为磁场探测模块布置点，二者之间的距离固定为L，GPS定位模块和气压测量模块均布置于AB连线的中点O；双轴倾角测量模块通过其方向相互垂直的两个测量轴测得模块自身相对于水平面的夹角，本发明中将该两个相互垂直的方向定义为横轴和纵轴，横轴和纵轴决定了双轴倾角测量模块的工作面。双轴倾角测量模块的横轴与A、B连线平行，故双轴倾角模块横轴的测量结果即是AB连线与水平面上X轴的夹角。由于图1所述实施例中，双轴倾角测量模块的工作面与平板平行，故双轴倾角模块横轴的测量结果即是AB与水平面的夹角。
A点的磁场探测模块可在A点绕平行于OC的轴做平面旋转扫描，B点的磁场探测模块可在B点绕平行于OC的轴做平面旋转扫描，扫描角度范围为探测平台法线左右90度，即在ABOD平面内，A点的磁场探测模块扫描范围为从AO顺时针到AO的反向延长线，B点的磁场探测模块扫描范围为从BO逆时针到BO反向延长线。磁场探测模块的扫描由步进电机驱动，步距角0.9度；
根据地下电缆的大致走向，调整探测平台的方位，应避免AB线与地下电缆共面；
对应于地下电缆的E点，其中A点探测线圈的定向角为α，B点探测线圈的定向角为β，根据空间几何关系可求解出E点在探测平台所决定的空间坐标系OBCD下的三维坐标，E点在BOD平面内，距离BOC平面的距离为E点距离COD平面的距离为
根据双轴倾角测量模块，测量OBCD系的OB轴与水平面之间的交角rx、OC轴与水平面之间的夹角ry，进行坐标转换，求解E点在水平坐标系XOY下的投影坐标和Z向埋深；根据电子罗盘所测OY轴与地理北向N之间的夹角，进行坐标旋转，求解E点在GPS经纬坐标下的二维偏移量；根据GPS定位模块所测探测平台中心点的经纬坐标和上述偏移量，给出地下电缆上E点的经纬坐标；根据高度气压计的测量结果和OXYZ坐标系下的Z向埋深，给出地下电缆上E点的海拔高度数据。
工作流程：如图3所示，计算机控制第一电机驱动器701和第二电机驱动器801按照一定步距角进行磁场扫描，步距角的累积计数与探测线圈101、探测线圈102的定向角之间存在线性对应关系；正向扫描由起始角限位开关开始，向终止角限位开关方向旋转，到达终止角限位开关后逆向扫描，磁场探测模块停止于起始角限位开关；扫描过程中同步记录两个磁场探测模块所测得的磁场强度数据，由计算机根据磁场强度分别判定正向扫描和逆向扫描过程中极小值所对应的磁场探测模块的方位角，取平均值后记录；方位角探测完成后，分别采集GPS定位模块2、气压测量模块3、双轴倾角测量模块4和电子罗盘5的数据，得到探测平台的经纬坐标、海拔高度、空间姿态和方位角，通过坐标转换算法，计算出地下电缆在该探测点的二维经纬坐标和相对海拔。

Claims (10)

1.一种基于扫描交汇的地下电缆三维定位装置，其特征在于：所述装置包括两个磁场探测模块(1)、GPS定位模块(2)、气压测量模块(3)、双轴倾角测量模块(4)、电子罗盘(5)和控制模块(6)，上述各模块安装在探测平台(9)上；其中，磁场探测模块(1)通过电机模块可旋转地安装于探测平台(9)上。
2.根据权利要求1所述的基于扫描交汇的地下电缆三维定位装置，其特征在于：所述两个磁场探测模块(1)设于探测平台(9)上的等高位置。
3.根据权利要求1所述的基于扫描交汇的地下电缆三维定位装置，其特征在于：所述GPS定位模块(2)和气压测量模块(3)位于两个磁场探测模块(1)回转中心连线的垂直平分线位置。
4.根据权利要求3所述的基于扫描交汇的地下电缆三维定位装置，其特征在于：所述GPS定位模块(2)和气压测量模块(3)到磁场探测模块(1)回转中心的距离小于等于2cm。
5.根据权利要求1所述的基于扫描交汇的地下电缆三维定位装置，其特征在于：所述磁场探测模块(1)回转中心的连线与双轴倾角测量模块(4)的横轴平行。
6.根据权利要求1所述的基于扫描交汇的地下电缆三维定位装置，其特征在于：所述磁场探测模块(1)回转中心的连线与电子罗盘(5)指北方向垂直。
7.根据权利要求1所述的基于扫描交汇的地下电缆三维定位装置，其特征在于：所述电机模块包括电机驱动器和步进电机。
8.根据权利要求7所述的基于扫描交汇的地下电缆三维定位装置，其特征在于：所述步进电机两侧设有起始角限位开关和终止角限位开关。
9.根据权利要求1所述的基于扫描交汇的地下电缆三维定位装置，其特征在于：所述探测平台(9)包括轮式或者履带式的移动机构(901)。
10.一种利用权利要求1所述的定位装置实现地下电缆三维定位的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)构建所述定位装置，行至探测点，通过电机模块驱动两个磁场探测模块(1)对地下电缆周边的空间磁场进行扫描定向，根据磁场分布规律，获得两个磁场探测模块(1)相对于地下电缆的定向角；
(b)由空间交汇算法计算出地下电缆相对于探测平台(9)的相对坐标；
(c)通过GPS定位模块(2)、气压测量模块(3)、双轴倾角测量模块(4)和电子罗盘(5)分别测得探测平台(9)的经纬度坐标、海拔高度、空间姿态和方位角；
(d)通过坐标转换算法，解算当前探测点地下电缆的经纬坐标和相对海拔；
(e)控制模块(6)保存数据并对定位结果进行三维显示。
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