CN108415055B - 一种液体管道内移动物体定位标记器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液体管道内移动物体定位标记器，采用超声波为测量介质，结合GPS或北斗在初始阶段的定位授时功能，辅以高精度定时晶振为定时技术手段，整个装置采用分体式结构设计，包括超声波发射模块和地面定位标记模块，超声波发射模块随着移动物体在地下液体管道内一起运动的过程中会不断的以一定时间间隔发射超声波脉冲信号，地面定位标记模块接收超声波发射模块发送的超声波脉冲信号，并计算地下液体管道内移动物体的位置信息，实现地下液体管道内复杂环境下的移动物体的定位测距，本发明可实现地下液体管道或类似复杂环境、有较强电磁屏蔽的工作现场移动物体的定位测距功能，具有较强的实用性和通用性。
Description
技术领域
本发明属于定位测距技术领域，涉及一种针对长距离、地埋式输运液体介质管道内的移动物体定位标记装置，具体是一种液体管道内移动物体定位标记器。
背景技术
城市管网是城市建设的重要基础设施，自来水管网和石油管网等液体管道作为城市管网的重要组成部分，是维系城市与区域经济社会功能的基础性工程设施，是整个城市动力系统重要构成，对保证城市经济稳定发展和人民生活水平提高具有举足轻重作用。然而我国城市管网多数置于地下，不利于人工检查和维护。在城市地下管网的日常运行管理中，需要借助于管道内移动检测器或示踪装置对地下管道进行状态检测。由于这些仪器或装置工作于地下管道内部，且沿着管道移动，地面上的工作人员无法获知其在管道内的具体位置，因此需要一种地面定位标记装置对管道内部的移动器件进行定位。
电磁法是用于定位测距的典型技术方法。如专利CN03823688.5公开了一种利用各定位器设备辨别各电磁信号的特征实现测量在各电磁信号近场范围内各定位器设备到各信标设备之间距离的技术方法。专利CN02805834.8利用发射装置向其与测量对象之间存在的传播媒质发射电磁波，位于发射装置与测量对象之间的检测装置检测形成于传播媒质中的驻波信号，从而计算检测装置和测量对象之间的距离。专利CN200810057960.6公开的方法为利用多个固定节点以相同发射功率发送无线信号，移动节点接收固定节点发送的所述无线信号，根据移动节点接收到的固定节点发出的无线信号的信号强度，按照电磁波传播的弗里斯(Friis)公式，计算得出固定节点与移动节点之间的距离。上述基于电磁波的定位测距方法能很好解决相关实际问题，然而位于地下的管道具有很强的电磁屏蔽效应，电磁信号传输的能量非常微弱，因而电磁法并不适合在地下管道中应用。
超声波因其具有良好的定向特性也经常被用作定位测距的技术载体。如专利CN94227406.7、CN98242237.7和CN02270240.7等所描述的，经典的利用超声波进行测距定位的技术原理是装置仪器发射超声波信号，并接收反射回来的超声波信号，根据接收与发射超声波信号的时间差来计算距离。然而，对于反射面积很小的物体来说，很难捕捉到其反射回来的超声波信号。专利CN200610024717.5、CN201710627893.6和CN201710417932.X等利用射频信号、红外线等辅助手段在测量装置与被测对象之间进行时间同步，并结合超声波信号的收发处理来计算测量装置与被测对象之间的距离，这样可以很好的回避了反射超声波信号难以捕捉的问题。然而，工作于地下管道内部的各种器件、仪器和装置，体积比较小且不规则，其有效的超声波反射面积很小，另外，由于管道被埋于地下数米，加上管道自身的屏蔽作用，射频信号和红外线等技术也无法应用，所以上述技术很难满足地下管道内移动物件定位测距以及标记的应用需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液体管道内移动物体定位标记器，利用超声波较强的穿透特性，采用超声波为测量介质，结合GPS或北斗在初始阶段的定位授时功能，以高精度定时晶振为地下管道内运行过程中的定时技术手段，实现地下管道复杂环境下的内部物体器件的定位测距。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种液体管道内移动物体定位标记器，包括超声波发射模块和地面定位标记模块；
所述超声波发射模块安装在地下液体管道内部的移动物件上，随着移动物体在地下液体管道内一起运动的过程中以一定时间间隔不断的发射超声波脉冲信号；
所述地面定位标记模块安装在地下液体管道上方的地表面，接收超声波发射模块发射的超声波脉冲信号，并计算地下液体管道内的移动物件的位置信息；
所述地面定位标记模块通信连接通信卫星和上位机，通过通信卫星进行地理位置信息获取和时间授时，通过上位机对移动物件的位置信息进行显示分析。
进一步地，所述超声波发射模块包括前端电源、前端微处理器以及与前端微处理器连接的前端信号放大器、前端高精度晶振、前端时间同步接口、前端存储单元，所述前端信号放大器连接超声波发射换能器；
所述前端电源为超声波发射模块上所有电子元器件提供稳定直流工作电源；
所述前端高精度晶振为前端微处理器提供内部定时计时所需的基准时钟；
所述前端微处理器实现40KHZ脉冲电信号的产生、利用前端高精度晶振进行内部定时、与地面定位标记模块进行时间同步功能；
所述前端信号放大器对前端微处理器输出的脉冲电信号进行放大。
所述前端时间同步接口提供一种通信接口方式与地面定位标记模块进行时间同步。
所述超声波发射换能器把前端信号放大器放大后的40KHZ脉冲电信号转换为超声波脉冲信号。
所述前端存储单元用以存储前端微处理器输出的原始脉冲电信号以便离线分析。
进一步地，所述地面定位标记模块包括终端电源、终端微处理器以及与终端微处理器连接的高速ADC芯片、GPS/北斗定位授时器、终端高精度晶振、终端时间同步接口、数据通信接口、终端存储单元，所述高速ADC芯片通过终端信号放大器连接超声波接收器；
所述终端电源输出稳定直流电压为地面定位标记模块上所有电子元器件提供工作电源；
所述超声波接收器用于接收超声波发射模块发射的超声波脉冲信号，并转换成脉冲电信号；
所述终端信号放大器对超声波接收器转换输出的脉冲电信号进行放大；
所述高速ADC芯片用以采集超声波接收器所感应到的超声波脉冲信号；
所述GPS/北斗定位授时器为终端微处理器提供地理位置与时间授时；
所述终端微处理器利用GPS/北斗定位授时器获取经纬度和时间信息、利用终端高精度晶振进行内部定时、与超声波发射模块进行时间同步、读取高速ADC芯片的转换数据、计算地下液体管道内移动物体的位置信息；
所述终端高精度晶振用来对终端微处理器提供内部定时基准时钟；
所述终端时间同步接口提供一种通信接口方式与超声波发射模块进行时间同步；
所述数据通信接口把终端微处理器计算出的移动物体位置信息发送到上位机进行显示分析；
所述终端存储单元实现对接收到的超声波脉冲信号的原始数据进行保存，为离线分析提供数据。
本发明的有益效果：本发明提供的液体管道内移动物体定位标记器，采用超声波为测量介质，结合GPS或北斗在初始阶段的定位授时功能，辅以高精度定时晶振为定时技术手段，采用分体式结构设计，整个装置包括超声波发射模块和地面定位标记模块，超声波发射模块随着移动物体在地下液体管道内一起运动的过程中会不断的以一定时间间隔发射超声波脉冲信号，地面定位标记模块接收超声波发射模块发送的超声波脉冲信号，并计算地下液体管道内移动物体的位置信息，实现地下液体管道内复杂环境下的移动物体的定位测距，本发明可实现地下液体管道或类似复杂环境、有较强电磁屏蔽的工作现场移动物体的定位测距功能，具有较强的实用性和通用性。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
图1是本发明的系统结构示意图。
图2是本发明超声波发射模块的硬件示意图。
图3是本发明超声波发射模块的软件示意图。
图4是本发明地面定位标记模块的硬件示意图。
图5是本发明地面定位标记模块的软件示意图。
图6是本发明的工作方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种液体管道内移动物体定位标记器，包括超声波发射模块501和地面定位标记模块502，超声波发射模块501安装在地下液体管道503内部的移动物件504上，随着移动物体504在地下液体管道503内一起运动的过程中以一定时间间隔不断的发射超声波脉冲信号，地面定位标记模块502安装在地下液体管道503上方的地表面，接收超声波发射模块501发射的超声波脉冲信号，并计算地下液体管道503内的移动物件504与其之间的距离，输出移动物件504的位置信息，地面定位标记模块502通信连接通信卫星505和上位机506，通过通信卫星505进行地理位置信息获取和时间授时，通过上位机506对移动物件504的位置信息进行显示分析。
如图2所示，超声波发射模块501包括前端电源101、前端微处理器103以及与前端微处理器103连接的前端信号放大器104、前端高精度晶振102、前端时间同步接口105、前端存储单元107，前端信号放大器104连接超声波发射换能器106。
前端电源101为超声波发射模块501上所有电子元器件提供稳定直流工作电源。前端高精度晶振102为前端微处理器103提供内部定时计时所需的基准时钟。前端微处理器103是超声波发射模块501的核心部件，实现40KHZ脉冲电信号的产生、利用高精度晶振进行内部定时、与地面定位标记模块502进行时间同步功能。前端信号放大器104对前端微处理器103输出的脉冲电信号进行放大。前端时间同步接口105提供一种通信接口方式与地面定位标记模块502进行时间同步。超声波发射换能器106把前端信号放大器104放大后的40KHZ脉冲电信号转换为超声波脉冲信号。前端存储单元107用以存储前端微处理器103输出的原始脉冲电信号以便离线分析。
如图3所示，超声波发射模块501还包括前端上电初始化软件201、前端时间同步软件202、前端时间计时软件203、超声波发射软件204、前端数据存储软件205以及前端日志记录软件206。
其中，前端上电初始化软件201用于初始化前端微处理器103的一些功能寄存器等运行环境。前端时间同步软件202通过前端时间同步接口105从地面定位标记模块502获取时间信息。前端时间计时软件203利用前端高精度晶振102实现系统内部定时计时。超声波发射软件204利用前端微处理器103内部的PWM控制器输出40KHZ的脉冲电信号，并通过前端信号放大器104进行放大驱动超声波发射换能器106。前端数据存储软件205对前端微处理器103输出的脉冲电信号原始数据进行保存。前端日志记录软件206实现对所有超声波发射模块501上软件在运行过程中重要信息的记录和输出。
如图4所示，地面定位标记模块502包括终端电源301、终端微处理器306以及与终端微处理器306连接的高速ADC芯片304、GPS/北斗定位授时器305、终端高精度晶振307、终端时间同步接口308、数据通信接口309、终端存储单元310，高速ADC芯片304通过终端信号放大器303连接超声波接收器302。
终端电源301输出稳定直流电压为地面定位标记模块502上所有电子元器件提供工作电源。超声波接收器302用于接收超声波发射模块501发射的超声波脉冲信号，并转换成脉冲电信号。终端信号放大器303对超声波接收器302转换输出的脉冲电信号进行放大。高速ADC芯片304用以采集超声波接收器302所感应到的超声波脉冲信号。GPS/北斗定位授时器305为终端微处理器306提供地理位置与时间授时。终端微处理器306利用GPS/北斗定位授时器305获取经纬度和时间信息、利用终端高精度晶振307进行内部定时、与超声波发射模块501进行时间同步、读取高速ADC芯片304的转换数据、计算地下液体管道503内移动物体504的位置信息。终端高精度晶振307用来对终端微处理器306提供内部定时基准时钟。终端时间同步接口308提供一种通信接口方式与超声波发射模块501进行时间同步。数据通信接口309把终端微处理器306计算出的移动物体位置信息发送到上位机506进行显示分析。终端存储单元310实现对接收到的超声波脉冲信号的原始数据进行保存，为离线分析提供数据。
如图5所示，地面定位标记模块502包括还包括终端上电初始化软件401、终端时间同步软件402、终端时间计时软件403、数据处理与计算软件404、超声波信号采集软件405、地理位置信息获取软件406、数据发送软件407、终端数据存储软件408和终端日志记录软件409。
终端上电初始化软件401用于获取GPS/北斗卫星时间信息、初始化终端微处理器306的一些功能寄存器等运行环境。终端时间同步软件402从终端上电初始化软件401获得GPS/北斗卫星时间信息，把时间信息通过终端时间同步接口308发送给超声波发射模块501。终端时间计时软件403利用终端高精度晶振307实现系统内部定时计时。数据处理与计算软件404对超声波信号采集软件405输出的超声波脉冲信号进行滤波处理、推算超声波脉冲信号收发时间差并计算移动物体504的位置信息。超声波信号采集软件405通过SPI总线对高速ADC芯片304采集的超声波脉冲信号进行读取。地理位置信息获取软件406通过UART接口从GPS/北斗定位授时器获取地理位置信息。数据发送软件407通过USB或串口把计算出的移动物体504的位置信息发送到上位机506。终端数据存储软件408实现对接收的超声波脉冲信号原始数据和处理计算后的数据进行保存，为离线分析提供数据。终端日志记录软件409实现对所有地面定位标记模块502上的软件在运行过程中重要信息的记录和输出。
本发明的具体工作流程，如图6所示，包括以下步骤：
步骤S1，在超声波发射模块随移动物体放入地下液体管道内之前，利用GPS或北斗定位授时功能对超声波发射模块和地面定位标记模块进行时间同步。
步骤S2，在沿地下液体管道内输运介质流动方向每隔500～1000米处(具体位置根据管道铺设状况进行选取)连续部署两套地面定位标记模块，并且就近连接上位机，保证两套地面定位标记模块之间接收超声波脉冲信号的连续性。
步骤S3，超声波发射模块随移动物体放入地下液体管道后，随着输运介质滚动，在行进过程中，连续检测并记录声音信号和惯导信号，并以固定时间间隔发送超声波脉冲信号。
步骤S4，离移动物体最近的地面定位标记模块将首先检测到超声波发射模块发送的超声波脉冲信号。超声波发射模块发送超声波脉冲信号的时间点对于地面定位标记模块来说是已知的(程序设定)，且超声波发射模块和地面定位标记模块已被同步成GPS或北斗卫星时间，所以地面定位标记模块根据所接收到超声波脉冲信号时间即可得到收发时间差。地面定位标记模块把检测到的这些数据传送给上位机进行记录分析，结合超声波在管道内输运介质中的传播速度，计算出移动物体的当前位置和速度，并进行数字波形显示。
步骤S5，移动物体在地下液体管道内移动通过最近的地面标记器之后，随着距离增大，地面定位标记模块接收到的超声波脉冲信号会逐渐变弱，当接收到的超声波信号很微弱时，由其后面的地面定位标记模块继续对移动物体进行跟踪，并把此地面定位标记模块转移到其后地面定位标记模块的下一处地面标记点进行部署。
步骤S6，将以上步骤迭代进行，直至所有地下液体管道检测完毕。
步骤S7，回收移动物体所安装的超声波发射模块。
步骤S8，对地面定位标记模块和上位机中记录的检测数据和分析结果进行整理，给出检测报告。
本发明提供的液体管道内移动物体定位标记器，针对地下液体管道内部移动物体的定位测距问题，利用超声波较强的穿透特性，采用超声波为测量介质，结合GPS或北斗在初始阶段的定位授时功能，辅以高精度定时晶振为地下液体管道内运行过程中的定时技术手段，采用分体式结构设计，整个装置包括超声波发射模块和地面定位标记模块，超声波发射模块随着移动物体在地下液体管道内一起运动的过程中会不断的以一定时间间隔发射超声波脉冲信号，地面定位标记模块接收超声波发射模块发送的超声波脉冲信号，并计算地下液体管道内移动物体的位置信息，实现地下液体管道内复杂环境下的移动物体的定位测距，本发明可实现地下液体管道或类似复杂环境、有较强电磁屏蔽的工作现场移动物体的定位测距功能，具有较强的实用性和通用性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种液体管道内移动物体定位标记器，其特征在于：包括超声波发射模块和地面定位标记模块；
所述超声波发射模块安装在地下液体管道内部的移动物件上，随着移动物体在地下液体管道内一起运动的过程中以一定时间间隔不断的发射超声波脉冲信号；
所述地面定位标记模块安装在地下液体管道上方的地表面，接收超声波发射模块发射的超声波脉冲信号，并计算地下液体管道内的移动物件的位置信息；
所述地面定位标记模块通信连接通信卫星和上位机，通过通信卫星进行地理位置信息获取和时间授时，通过上位机对移动物件的位置信息进行显示分析；
所述地面定位标记模块包括GPS/北斗定位授时器，所述GPS/北斗定位授时器为地面定位标记模块的终端微处理器提供地理位置与时间授时；
在超声波发射模块随移动物体放入地下液体管道内之前，利用GPS或北斗定位授时功能对超声波发射模块和地面定位标记模块进行时间同步；在沿地下液体管道内输运介质流动方向连续部署至少两套地面定位标记模块，并就近连接上位机；超声波发射模块在行进过程中连续检测并记录声音信号和惯导信号，并以固定时间间隔发送超声波脉冲信号；离移动物体最近的地面定位标记模块首先检测到超声波脉冲信号，地面定位标记模块根据接收到超声波脉冲信号时间得到收发时间差，结合超声波在管道内输运介质中的传播速度，计算出移动物体的当前位置和速度；随着移动物体与最近的地面定位标记模块距离增大，当接收到的超声波信号很微弱时，由后面的地面定位标记模块对移动物体进行跟踪，并将前面的地面定位标记模块移到下一处地面标记点进行部署，迭代进行直至完成所有地下液体管道的检测。
2.根据权利要求1所述的一种液体管道内移动物体定位标记器，其特征在于：所述超声波发射模块包括前端电源、前端微处理器以及与前端微处理器连接的前端信号放大器、前端高精度晶振、前端时间同步接口、前端存储单元，所述前端信号放大器连接超声波发射换能器；
所述前端电源为超声波发射模块上所有电子元器件提供稳定直流工作电源；
所述前端高精度晶振为前端微处理器提供内部定时计时所需的基准时钟；
所述前端微处理器实现40KHZ脉冲电信号的产生、利用前端高精度晶振进行内部定时、与地面定位标记模块进行时间同步功能；
所述前端信号放大器对前端微处理器输出的脉冲电信号进行放大；
所述前端时间同步接口提供一种通信接口方式与地面定位标记模块进行时间同步；
所述超声波发射换能器把前端信号放大器放大后的40KHZ脉冲电信号转换为超声波脉冲信号；
所述前端存储单元用以存储前端微处理器输出的原始脉冲电信号以便离线分析。
3.根据权利要求1所述的一种液体管道内移动物体定位标记器，其特征在于：所述地面定位标记模块包括终端电源、终端微处理器以及与终端微处理器连接的高速ADC芯片、终端高精度晶振、终端时间同步接口、数据通信接口、终端存储单元，所述高速ADC芯片通过终端信号放大器连接超声波接收器；
所述终端电源输出稳定直流电压为地面定位标记模块上所有电子元器件提供工作电源；
所述超声波接收器用于接收超声波发射模块发射的超声波脉冲信号，并转换成脉冲电信号；
所述终端信号放大器对超声波接收器转换输出的脉冲电信号进行放大；
所述高速ADC芯片用以采集超声波接收器所感应到的超声波脉冲信号；
所述终端微处理器利用GPS/北斗定位授时器获取经纬度和时间信息、利用终端高精度晶振进行内部定时、与超声波发射模块进行时间同步、读取高速ADC芯片的转换数据、计算地下液体管道内移动物体的位置信息；
所述终端高精度晶振用来对终端微处理器提供内部定时基准时钟；
所述终端时间同步接口提供一种通信接口方式与超声波发射模块进行时间同步；
所述数据通信接口把终端微处理器计算出的移动物体位置信息发送到上位机进行显示分析；
所述终端存储单元实现对接收到的超声波脉冲信号的原始数据进行保存，为离线分析提供数据。
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