CN107228662B - 一种基于管道连接器的小径管道定位装置及定位方法 - Google Patents

一种基于管道连接器的小径管道定位装置及定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于管道测绘领域，具体涉及了一种基于管道连接器检测的小径管道缺陷定位装置及其定位方法。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；管道测量装置尾部安装的里程仪测量其轴向速度；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；管道连接器检测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运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。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。

Description

一种基于管道连接器的小径管道定位装置及定位方法
技术领域
本发明涉及一种基于管道连接器检测的小径管道缺陷定位装置及其定位方法，属于管道测绘领域。
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(微机电系统，也叫作微电子机械系统)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(定位)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。
本发明针对所铺设的管道是由直管道段由管道连接器(弯管道、环形焊缝和法兰等)连接而成的基本特性。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，可用于修正管道定位系统的方位角发散误差，从而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。
目前在核心期刊与专利查询中均未发现与此发明类似的装置和方法介绍。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，进而提供一种基于管道连接器的小径管道定位装置及定位方法。
本发明的技术方案：
一种基于管道连接器的小径管道定位装置包括数据存储单元、数据处理单元、MEMS捷联惯性测量单元、电源模块、跟踪模块、里程仪、管道缺陷定位检测传感器、塑料密封圈和支撑轮，所述的数据处理单元前端与MEMS捷联惯性测量单元相连，数据处理单元后端与数据存储单元相连，MEMS捷联惯性测量单元的前端连接有电源模块，所述的跟踪模块安装在数据存储单元后端，里程仪安装在数据存储单元外，所述的管道缺陷定位检测传感器安装在数据处理单元外，所述的数据存储单元和MEMS捷联惯性测量单元的外侧均安装有塑料密封圈，所述的支撑轮安装在电源模块的外侧。
优选的：管道缺陷检测传感器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。
优选的：所述的数据存储单元、数据处理单元、MEMS捷联惯性测量单元和电源模块的外型为圆柱型或类鱼雷型。
一种基于管道连接器的小径管道定位方法包括以下步骤：
步骤一、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；
步骤二、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；
步骤三、采用复连续小波变换的方法，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；
步骤四、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，根据管道连接器检测结果，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。
步骤五、以步骤四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；
步骤六、在步骤五的基础上，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；
步骤七、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；
步骤八、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。
优选的：所述的管道连接器的检测是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，通过复连续小波变换方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。
优选的：所述的步骤三中的复连续小波变换的方法包括：
第一步、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；
第二步、通过三轴陀螺仪测量的旋转角速率测量值判断管道测量装置是否通过弯曲管道；
第三步、由三轴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；
第四步、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，得到整个被检测管道中的管道连接器与时间的对应关系。
本发明具有以下有益效果：
1、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。这样，管道连接器检测结果能为管道维修和开挖时提供便利。
2、本发明中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、本发明中基于复连续小波变换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、本发明中的管道连接器检测适用于各类油、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是小径管道缺陷定位装置示意图；
图2是复连续小波变换检测管道连接器原理图；
图3是基于管道连接器检测的小径管道缺陷定位系统流程图；
图中1-数据存储单元，2-数据处理单元，3-MEMS捷联惯性测量单元，4-电源模块，5-跟踪模块，6-里程仪，7-管道缺陷定位检测传感器，8-塑料密封圈，9-支撑轮。
具体实施方式
一种基于管道连接器的小径管道定位装置主要由数据存储单元1，数据处理单元2，MEMS捷联惯性测量单元3和电源模块4四大部分封闭而成。此外，为了实现管道缺陷定位装置在管道内的运动，装置还由跟踪模块5，里程仪6，管道缺陷检测传感器7，塑料密封圈8及支撑轮9等部分构成。MEMS捷联惯性测量单元3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6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监控管道测量装置的大致位置。管道缺陷检测传感器7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1和数据处理单元2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4保障整个系统的电力供应，塑料密封圈8及支撑轮9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。
管道连接器的检测是这样实现的。首先，当管道测量装置完成整个被检测管道的检测并回到管道接收器后，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。接下来，由管道测量装置内加速度计在管道内的测量数据采用小波工具中的复连续小波变换进行分析，得出对应的小波变换系数的极大模值。并采用阈值的方法判断环形焊缝或法兰等对应的时间段，当小波变换系数的极大模值大于设定阈值时，对应的时间段为环形焊缝或法兰，而当小波变换系数的极大模值小于设定阈值时，对应的时间段即为直管道段。与此同时，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。最后，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，实现整个管道检测中管道连接器的有效检测。管道连接器检测结果不仅为MEMS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，还能为管道连接器等处易腐蚀和破裂部位在开挖和维修时提供便利。
基于管道连接器检测的小径管道缺陷定位方法是这样实现的。首先，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的位置、速度和姿态角信息。但由于捷联惯性导航算法是一种积分算法，系统定位和定向的误差不仅和惯性传感器本身误差有关，还随着管道检测距离的增大而变大。因此，需要对惯性传感器误差和惯性导航系统输出误差进行估计和修正。接下来，采用Kalman滤波估计技术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，采用管道连接器检测结果为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。最后，根据管道检测定位及维修的非实时特性，采用离线数据平滑处理技术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，解决小体积MEMS惯性导航系统在小径管道缺陷定位和定向难的问题。
结合附图对本发明做详细地描述，需要说明的是该方法中涉及的陀螺仪、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的管道检测系统，故本发明不再对其原理进行详细描述：
图1所示，小径管道缺陷定位装置示意图。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主要由数据存储单元1，数据处理单元2，MEMS捷联惯性测量单元3和电源模块4四大部分封闭而成。此外，为了实现管道缺陷定位装置在管道内的运动，装置包括跟踪模块5，里程仪6，管道缺陷检测传感器7，塑料密封圈8及支撑轮9。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。
如图2所示，复连续小波变换检测管道连接器原理图。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。采用复连续小波变换将加速度计测量信号进行变换得到其时频特性曲线，并提取出其小波系数的极大模值，当极大模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。
如图3所示，基于管道连接器检测的小径管道缺陷定位系统流程图。在图1的小径管道缺陷定位装置示意图和图2的复连续小波变换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中采用复连续小波变换的方法，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，根据管道连接器检测结果，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。
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于管道连接器的小径管道定位方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、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；
步骤二、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；
步骤三、采用复连续小波变换的方法，得出管道测量装置在管道内运行时管道连接器与时间的对应关系，具体为：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感测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管道连接器，采用复连续小波变换将加速度计测量信号进行变换得到其时频特性曲线，并提取出其小波系数的极大模值，当极大模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管道连接器结合，得到整个被检测管道中的管道连接器与时间的对应关系；
步骤四、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，根据管道连接器检测结果，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角；
步骤五、以步骤四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；
步骤六、在步骤五的基础上，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；
步骤七、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；
步骤八、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。
2.根据权利要求1所述的一种基于管道连接器的小径管道定位方法，其特征在于：所述步骤四中，管道连接器的检测是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，通过复连续小波变换方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。
3.根据权利要求1所述的一种基于管道连接器的小径管道定位方法，其特征在于：所述的步骤三中的复连续小波变换的方法包括：
步骤一、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；
步骤二、通过三轴陀螺仪测量的旋转角速率测量值判断管道测量装置是否通过弯曲管道；
步骤三、由三轴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管道连接器；
步骤四、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管道连接器结合，得到整个被检测管道中的管道连接器与时间的对应关系。
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