CN107218942B - 小径管道缺陷定位装置及基于快速正交搜索算法的定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种小径管道缺陷定位装置及基于快速正交搜索算法的定位方法。采用捷联惯性导航算法计算管道测量装置运行的轨迹坐标信息。里程仪测量轴向速度，在管道内的非完整性约束为横向和纵向提供速度。跟踪模块能记录被检测管道沿线坐标位置已知的地表磁标记，提供离散位置。基于快速正交搜索算法的管道连接器检测结果为管道测量装置在直管道内提供方位角和俯仰角误差修正。Kalman滤波估计及数据离线平滑处理从正反两个方向利用这些测量信息并修正惯性导航系统的误差，实现小径管道轨迹和方向的精确测量。管道缺陷检测传感器实现管道缺陷的有效检测。将管道缺陷检测系统与管道定位系统进行时间同步操作实现被检测管道缺陷的精确定位。

Description

小径管道缺陷定位装置及基于快速正交搜索算法的定位方法
技术领域
本发明涉及的是一种管道测绘装置，本发明也涉及一种管道测绘方法。具体地说是一种基于快速正交搜索算法检测管道连接器的小径管道缺陷定位装置及其定位方法。
背景技术
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及经济损失是非常严重的，甚至管道爆炸造成的安全威胁更是难以估量。管道测量装置是在管道内实现管道缺陷检测及缺陷定位最有效的工具，已成为各类管道周期性检测的首选。此外，泥石流、山体滑坡等自然因素也会造成管道变型，采用管道测量装置可实现对被检测管道坐标的有效测量，且分析管道的位移或变型对管道潜在危险预测能提供很好的帮助，预防各类管道泄漏或爆炸等危险发生。
由MEMS惯性传感器构成的惯性辅助小径管道定位系统是实现管道缺陷定位及管道变型检测的核心组成部分。但是，由于小径管道定位系统采用的MEMS惯性测量单元精度普遍较低，惯性辅助管道定位系统的定位误差和方位角误差是随着被检测管道距离的增加而逐渐累积发散严重。通常情况下，管道测量装置四周安装的里程仪及其在管道内运动的非完整性约束能为惯性辅助管道定位系统提供连续三维速度误差修正。同时，沿被检测管道每隔一定距离且位置已知的地表标记可为惯性辅助管道定位系统提供离散三维位置误差修正。但是，小体积低精度MEMS构成的惯性辅助定位系统的方位角误差发散大，除了速度和位置误差修正外，还需要进行方位角误差修正。传统的方位角检测传感器在小径管道内受管道内径及管内环境等影响误差大，惯性辅助管道定位系统很难为管道开挖及维修提供足够的精度。在搜索相关资料时，2014年公布的《一种基于MEMS惯性测量单元的管道测绘及缺陷定位装置及其管道测绘及定位方法》中采用磁力计测量管道的方位。在钢质管道内运行的磁力计受管道材质的屏蔽效应，很难根据磁力计原理精确测量出管道的方位角。因此，在实际的管道检测中很难设计实现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能提高定位和定向精，实现对管道连接器的正确检测的小径管道缺陷定位装置。本发明的目的还在于提供一种利用小径管道缺陷定位装置的基于快速正交搜索算法的定位方法。
本发明的小径管道缺陷定位装置包括数据存储单元A、数据处理单元B、MEMS捷联惯性测量单元C和电源模块D，还包括跟踪模块1、里程仪2、管道缺陷检测传感器3、塑料密封圈4及支撑轮5，数据存储单元A、数据处理单元B、MEMS捷联惯性测量单元C和电源模块D封闭成一个整体，MEMS捷联惯性测量单元C中的陀螺仪和加速度计测量管道测量装置在管道内运动的旋转角速度和线性加速度，里程仪2测量管道测量装置在管道内运动时的轴向速度，跟踪模块用于记录通过地表磁标记的时间和位置、并与地表跟踪设备连接实时监控管道测量装置的位置，管道缺陷检测传感器3根据检测管道缺陷类型和运输物质类型采用超声波传感器或漏磁检测传感器，数据存储单元A和数据处理单元B实现检测传感器数据和管道定位传感器数据的处理和存储，电源模块D保障整个系统的电力供应，塑料密封圈4及支撑轮5保证整个管道测量装置在其两端的压差下在管道内正常运行。
利用小径管道缺陷定位装置的基于快速正交搜索算法的定位方法为：
步骤一，在已知惯性导航初始条件的情况下由捷联惯性导航算法计算出管道测量装置在管道内运动的位置、速度和姿态角信息；
步骤二，采用Kalman滤波估计方法对惯性传感器误差和惯性导航系统输出误差进行估计，其中，采用快速正交搜索算法检测管道连接器结果为MEMS辅助管道检测定位系统在直管道段提供方位角和俯仰角误差估计和修正，同时结合管道测量装置在管道内由里程仪和非完整性约束提供的三维速度误差估计和修正，以及地表磁标记提供的离散三维位置误差估计和修正；
步骤三，采用离线数据平滑处理方法进一步实现惯性传感器误差估计补偿及MEMS导航系统的误差补偿。
所述采用快速正交搜索算法检测管道连接器具体包括：(1)当管道测量装置完成整个被检测管道的检测并回收到管道接收器后，从管道测量装置的数据存储单元中下载并保存管道检测数据和管道定位传感器数据；(2)由管道测量装置内加速度计在管道内的测量数据采用快速正交搜索算法进行建模处理，并提取出建模或测量信号对应的频域信号，得出建模或测量信号的时频特性曲线；同时，采用阈值的方法判断环形焊缝或法兰等对应的时间段，当建模或测量信号频域幅值大于设定阈值时，对应的时间段为环形焊缝或法兰，而当建模或测量信号频域幅值小于设定阈值时，对应的时间段即为直管道段；同时，管道测量装置内陀螺仪测量数据用来判断管道测量装置是否通过某段弯曲管道，将弯曲管道从整个被检测管道中分离出来；(3)将陀螺仪检测的弯管道段与加速度计检测出来的环形焊缝或法兰等进行合并，实现整个管道连接器的检测。
本发明针对所铺设的管道是由直管道段通过管道连接器(包括弯管道、环形焊缝和法兰等)连接而成的基本特性，首先采用基于快速正交搜索算法的管道连接器检测方法。然后，根据管道测量装置在直管道内具有方位角和俯仰角不变的特性，将管道连接器检测结果用于修正管道定位系统的方位角发散误差，提高管道检测定位系统的定位和定向精度。因此，此方法可实现的前提就是实现对管道连接器的正确检测。
本发明还具备这样一些特点：
1.基于快速正交搜索算法的管道连接器检测结果可为所铺设管道在开挖和维修时提供便利。常年埋藏在地下或水下的管道由于其管道连接器处大部分为焊接或螺丝等进行连接的，连接处与附近的泥土和水中的化学物质容易发生腐蚀，甚至破裂。因此，管道连接器成了管道泄漏的高危区域。此外，管道测量装置上搭载的管道检测传感器能有效的检测出直管道及管道连接器处的腐蚀及破裂状况，二者结合能增强管道连接器等处的缺陷检测可靠性。故此，基于快速正交搜索算法的管道连接器检测结果能为管道维修和开挖提供便利。
2.本发明中基于快速正交搜索算法的管道连接器检测结果是不依赖于任何额外的传感器的，只是采用了惯性辅助管道检测定位系统已装备的惯性传感器。因此，从系统硬件的角度不会有任何额外的附加成本。
3.本发明中基于快速正交搜索算法的小径管道检测定位装置和定位系统精度的提高是无需任何额外硬件成本的。管道连接器检测的实现不需要在管道测量装置中安装其他传感器，用于检测的信号是对管道检测定位用惯性传感器数据的再次利用。此外，管道检测中对管道缺陷的维护是在管道检测完成之后进行的，无需实时进行，故对管道检测数据的分析、管道连接器检测和管道定位系统计算管道地理坐标都是离线进行的，故不会对现有的管道检测及评估系统产生影响。
4.本发明中基于快速正交搜索算法的管道连接器检测方法适用于各类油、气、水、化学物质等运输用各种管径管道，所采用的管道测量装置外型为圆柱型或类鱼雷型。
附图说明
图1.小径管道缺陷定位装置示意图。
图2.快速正交搜索算法检测管道连接器原理图。
图3.基于快速正交搜索算法的小径管道缺陷定位系统流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细地描述，需要说明的是本发明中涉及的陀螺仪、加速度计和捷联惯性导航系统为典型惯性器件和导航定位系统，管道测量装置为典型和管道检测系统，故本发明不再对其原理进行详细描述。
结合图1，小径管道缺陷定位装置主要由数据存储单元A、数据处理单元B、MEMS捷联惯性测量单元C和电源模块D四大部分封闭而成。此外，为了实现管道缺陷定位装置在管道内的运动还包括跟踪模块1、里程仪2、管道缺陷检测传感器3、塑料密封圈4及支撑轮5。MEMS捷联惯性测量单元C中的陀螺仪和加速度计测量管道测量装置在管道内运动的旋转角速度和线性加速度，里程仪2测量管道测量装置在管道内运动时的轴向速度，跟踪模块用于记录通过地表磁标记的时间和位置，并与地表跟踪设备连接实时监控管道测量装置的大致位置。管道缺陷检测传感器3根据检测管道缺陷类型(腐蚀、裂纹、凹陷等)和运输物质类型(气体、液体等)采用超声波传感器或漏磁检测传感器。数据存储单元A和数据处理单元B实现检测传感器数据和管道定位传感器数据的简单处理和有效存储。电源模块D保障整个系统的电力供应，塑料密封圈4及支撑轮5保证整个管道测量装置在其两端的压差下在管道内正常运行。管道缺陷定位装置以MEMS捷联惯性测量单元为核心，采用惯性导航算法计算管道测量装置在管道内运行的轨迹。但由MEMS惯性导航系统计算的管道中心点轨迹及管道方向存在较大误差，需要进行误差补偿。管道测量装置尾部安装的里程仪用于测量其轴向的速度，而且管道测量装置在管道内横向和纵向的非完整性约束为这两个方向提供了速度修正。同时，管道测量装置尾部跟踪模块能记录被检测管道沿线坐标位置已知的地表磁标记，为其提供离散的位置修正。此外，由于管道测量装置在任意直管道内的方位角和俯仰角是不变的，其前提条件就是进行管道连接器(弯曲管道、环形焊缝和法兰等)的正确检测。
结合图2，快速正交搜索算法检测管道连接器具体包括：由管道测量装置内安装的三轴陀螺仪和三轴加速度计分别敏感管道测量装置在管道内运动时的旋转角速率和线性加速度。三轴陀螺仪测量的旋转角速率测量值用于判断管道测量装置是否通过弯曲管道。其中，静止状态下陀螺仪输出角速率的平方和作为阈值，当三轴陀螺仪任意轴测量的旋转角速率测量值大于阈值，则判定管道测量装置正通过弯曲管道段，否则判定管道测量装置正通过直管道段。同时，由加速度计在管道测量装置内随着管道运动的测量信号用于判断环形焊缝和法兰等管道连接器。采用快速正交搜索算法对加速度计测量信号进行建模处理，并提取出建模或测量信号对应的频域信号，得出建模或测量信号的时频特性曲线。同时，采用阈值的方法判断环形焊缝或法兰等对应的时间段，当建模或测量信号频率幅值大于预设的阈值时即管道测量装置正通过环形焊缝和法兰等管道连接器部位，否则管道测量装置正通过直管道段。最后，将由陀螺仪测量值检测的弯曲管道段与由加速度计测量值检测的环形焊缝和法兰等管道连接器结合，即可得到整个被检测管道中的管道连接器与时间的对应关系。
结合图3，在图1的小径管道缺陷定位装置示意图和图2的快速正交搜索算法检测管道连接器原理图基础上，采用Kalman滤波估计技术和数据平滑处理技术实现对小径管道缺陷检测定位系统的定位和定向精度需求。整个系统的运行流程如下：
步骤1，在管道测量装置完成整个被检测管道的检测任务后，从存储器中读取管道定位传感器的数据，进入步骤2；
步骤2，由MEMS惯性测量单元测量的管道测量装置在管道内运动的数据推导出管道测量装置的旋转角速度和线性加速度值。结合管道测量装置进行检测的初始条件，采用捷联惯性导航算法可以计算出管道测量装置在管道内运动的姿态、速度和位置信息，进入步骤3；
步骤3，根据图2中采用快速正交搜索算法，分析管道测量装置的旋转角速度和线性加速度值，可得出管道测量装置在管道内运行时间与不同时刻所对应的管道连接器的关系，为直管道段方位角和俯仰角误差修正做准备，进入步骤4；
步骤4，由捷联惯性导航算法计算出来的速度与管道测量装置尾部里程仪测量的轴向速度和管道测量装置在管道内横向和纵向的非完整性约束提供的零速作差得出速度误差。同时，由捷联惯性导航算法计算出来的位置与地表磁标记提供的离散位置做差得出位置误差。此外，根据基于快速正交搜索算法检测管道连接器的结果，可由捷联惯性导航算法在每个直管道段计算出来的方位角和俯仰角与对应直管道首次计算出的方位角和俯仰角作差得出直管道段方位角和俯仰误差。进入步骤5；
步骤5，以步骤4中得出的被检测管道在不同位置的捷联惯性导航系统误差为观测量，采用Kalman滤波估计技术，估计并补偿惯性传感器误差和捷联惯性导航系统误差，并存储相应的系统预测和更新状态变量，以及对应的预测和更新协方差阵，用于数据平滑处理，进入步骤6；
步骤6，在步骤5的基础上，以保存的状态变量和协方差阵为基础，通过反向的方式采用数据平滑处理技术再次对惯性传感器误差和捷联惯性导航系统误差进行估计和补偿，再次提高整个惯性辅助管道检测定位系统的定位和定向精度，以达到小径管道检测定位系统的定位和定向精度需求，进入步骤7；
步骤7，将数据平滑处理后的被检测管道坐标信息与由管道检测传感器检测并分析出的被检测管道缺陷分析结果进行时间同步操作，得出管道缺陷与位置的关系，进入步骤8；
步骤8，根据管道缺陷与位置的关系，结合其他管道维护相关信息，生成管道检测维修报告，指导现场管道缺陷开挖和维修。
本发明的特点为：管道缺陷定位装置以MEMS捷联惯性测量单元为核心，采用捷联惯性导航算法计算管道测量装置在管道内运行的轨迹坐标信息。但由MEMS惯性导航系统计算的管道位置及管道方位会存在较大误差，需要进行误差估计及补偿。管道测量装置尾部安装的里程仪测量其轴向速度，而其在管道内的非完整性约束为横向和纵向提供速度。同时，跟踪模块能记录被检测管道沿线坐标位置已知的地表磁标记，提供离散位置。更重要的是，基于快速正交搜索算法的管道连接器(弯管道、环形焊缝和法兰等)检测结果可为管道测量装置在直管道内提供方位角和俯仰角误差修正。Kalman滤波估计技术及数据离线平滑处理技术能从正反两个方向利用这些测量信息并修正惯性导航系统的误差，实现小径管道轨迹和方向的精确测量。此外，安装在管道测量装置周围的管道缺陷检测传感器可实现管道缺陷(腐蚀、裂纹、凹陷等)的有效检测。最后，将管道缺陷检测系统与管道定位系统进行时间同步操作，即可实现被检测管道缺陷的精确定位。本发明还包括以下特点：
1、采用管道测量装置内安装的MEMS惯性传感器在管道内检测运动时的数据，通过快速正交搜索算法对管道连接器处对应的MEMS惯性传感器奇异信号进行检测实现的。
2、管道连接器检测结果，可为所铺设管道段连接处等易腐蚀、易破裂部位的开挖和维修提供便利。
3、管道连接器检测结果，为低精度惯性辅助小径管道检测定位系统在直管道段提供方位角和俯仰角误差修正，利于提高整个管道检测定位系统的定位和定向精度。
4、小径管道缺陷定位装置和定位方法的实现，既不要求增加任何成本，也不要求对原有的管道测量装置的硬件系统有任何改动。

Claims (2)

1.一种利用小径管道缺陷定位装置的基于快速正交搜索算法的定位方法，所述的小径管道缺陷定位装置包括数据存储单元（A）、数据处理单元（B）、MEMS捷联惯性测量单元（C）和电源模块（D），其特征是：还包括跟踪模块（1）、里程仪（2）、管道缺陷检测传感器（3）、塑料密封圈（4）及支撑轮（5），数据存储单元（A）、数据处理单元（B）、MEMS捷联惯性测量单元（C）和电源模块（D）封闭成一个整体，MEMS捷联惯性测量单元（C）中的陀螺仪和加速度计测量管道测量装置在管道内运动的旋转角速度和线性加速度，里程仪（2）测量管道测量装置在管道内运动时的轴向速度，跟踪模块用于记录通过地表磁标记的时间和位置、并与地表跟踪设备连接实时监控管道测量装置的位置，管道缺陷检测传感器（3）根据检测管道缺陷类型和运输物质类型采用超声波传感器或漏磁检测传感器，数据存储单元（A）和数据处理单元（B）实现检测传感器数据和管道定位传感器数据的处理和存储，电源模块（D）保障整个系统的电力供应，塑料密封圈（4）及支撑轮（5）保证整个管道测量装置在其两端的压差下在管道内正常运行；
所述的基于快速正交搜索算法的定位方法包括：
步骤一，在已知惯性导航初始条件的情况下由捷联惯性导航算法计算出管道测量装置在管道内运动的位置、速度和姿态角信息；
步骤二，采用Kalman滤波估计方法对惯性传感器误差和惯性导航系统输出误差进行估计，其中，采用快速正交搜索算法检测管道连接器结果为MEMS辅助管道检测定位系统在直管道段提供方位角和俯仰角误差估计和修正，同时结合管道测量装置在管道内由里程仪和非完整性约束提供的三维速度误差估计和修正，以及地表磁标记提供的离散三维位置误差估计和修正；
步骤三，采用离线数据平滑处理方法进一步实现惯性传感器误差估计补偿及MEMS导航系统的误差补偿。
2.根据权利要求1所述的利用小径管道缺陷定位装置的基于快速正交搜索算法的定位方法，其特征是：所述采用快速正交搜索算法检测管道连接器具体包括：（1）当管道测量装置完成整个被检测管道的检测并回收到管道接收器后，从管道测量装置的数据存储单元中下载并保存管道检测数据和管道定位传感器数据；（2）由管道测量装置内加速度计在管道内的测量数据采用快速正交搜索算法进行建模处理，并提取出建模或测量信号对应的频域信号，得出建模或测量信号的时频特性曲线；同时，采用阈值的方法判断环形焊缝或法兰对应的时间段，当建模或测量信号频域幅值大于设定阈值时，对应的时间段为环形焊缝或法兰，而当建模或测量信号频域幅值小于设定阈值时，对应的时间段即为直管道段；同时，管道测量装置内陀螺仪测量数据用来判断管道测量装置是否通过某段弯曲管道，将弯曲管道从整个被检测管道中分离出来；（3）将陀螺仪检测的弯管道段与加速度计检测出来的环形焊缝或法兰进行合并，实现整个管道连接器的检测。
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