CN108955675A - 一种基于惯性测量的地下管道轨迹检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于惯性测量的地下管道轨迹检测系统，由两个子系统组成。数据采集系统装载于机械实体中，构成管道测绘仪，包含MEMS‐IMU、里程计、内置锂电池和数据采集板，MEMS‐IMU用于提供测绘仪的实时姿态信息，里程计用于提供测绘仪的实时路程信息，数据采集板接收各传感器数据并存储在SD卡中，待测量结束后通过USB接口将存储数据上传到上位机。上位机数据处理系统，通过惯性导航解算、信息融合得到实时姿态角，结合路程信息进行航位推算，得到测绘仪在管道内行走的轨迹，再利用管道入/出口位置将轨迹进行修正，得到被测管道轨迹。本发明的测量方法具有自主性，不受外界环境和管道埋深的影响，且采用非开挖手段，无需在地面作业，经济、高效、环保。

Description

一种基于惯性测量的地下管道轨迹检测系统及方法

技术领域

本发明属于地下管道轨迹检测领域，尤其涉及一种基于惯性测量的地下管道轨迹检测系统及方法。

背景技术

地下管道是城市最重要的基础设施之一，改革开放以来，国民经济高速增长，城市建设如火如荼，但地下管道设施建设一直没有给予足够的重视，管道规划性不强，主干线与次干线的衔接性差，管道纵横交错，各自为政。城市扩张与基础设施建设日益复杂密集，带来了一系列潜在问题，水电气通讯等任何一种地下管道出现问题，都会威胁城市的公共安全。地下管道地理信息系统的建设完善迫在眉睫，如何采用高效、经济的探测方法提供准确的地下管道位置信息是当今城市地下管道建设亟待解决的问题。

工程中通常采用探地雷达、电磁管道定位仪对地下管道进行测定，这些探测方法存在以下不足：第一，探测精度受埋深影响，埋深越大、精度越低；第二，探测精度易受电磁场环境干扰，探测地点附近存在强磁场或剧烈变化磁场时探测精度很差；第三，依赖人工在被测管道上方地面作业，当被测管道上方有河道、建筑等障碍时无法探测。鉴于此，工程上亟需一种自主、高效、抗干扰能力强、适用于各种埋深的地下管道三维轨迹探测技术。

基于惯性测量的地下管道轨迹检测方案由于其自主性和高精度等优点，国内外有较多研究，且已有成熟的产品出现，但由于需要采用小型高精度惯性器件以及复杂的测控技术，导致价格昂贵，应用面受限。近年来随着价格相对低廉的微机械(MEMS)惯导器件精度越来越高，用其作为测量部件的管道测量仪器已经能够达到工程精度要求，本发明正是基于此开展研究工作。

利用惯性测量方法获取地下管道位置，本质上是利用了惯性系统的导航定位功能。惯性导航系统是利用惯性传感器、基准方向及最初的位置信息来确定运载体的方位位置和速度的自主式航位推算导航系统。之所以被称为自主式导航系统，是因为惯性导航系统以牛顿力学为基础，唯一需要的信息是载体的运动加速度，不依赖任何外部参考信息就能提供导航参数。惯性传感器是指可对相对惯性空间的运动信息进行测量的惯性器件，陀螺仪测量机体相对于绝对静止坐标系的角速度，被用来稳定三轴加速度计所形成的坐标系相对于惯性坐标系的静止，然后通过加速度计测量的加速度信息就可以得到载体相对于惯性坐标系的加速度，从而积分得到速度和位置。

发明内容

发明目的：针对以上现有技术存在的问题，本发明提出一种基于惯性测量的地下管道轨迹检测系统及方法，采用微机械惯性测量单元(MEMS-IMU)和里程计作为测量部件，通过在管道内牵引行走方式实现对管径100mm以上的各种埋深、非金属管道的自主测量。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于惯性测量的地下管道轨迹检测系统，该系统包括数据采集系统和上位机数据处理系统：

数据采集系统，将牵引绳系于装有管道测绘仪的机械实体两端，拉动牵引绳以实现测绘仪在地下管道内行走，实时采集惯性测量单元和里程计的数据，并存储于SD卡中；

上位机数据处理系统，通过USB通讯将管道测绘仪内SD卡存储的数据上传到上位机，上位机对上传的数据进行处理，得到被测地下管道的三维轨迹。

其中，所述的管道测绘仪由以下几部分组成：

(1)电源模块，为数据采集系统提供电源；

(2)惯性测量单元，用于提供管道测绘仪的实时姿态信息；

(3)里程计模块，用于提供管道测绘仪的实时行走路程信息；

(4)控制面板，由四个LED和两个按键构成，两个按键分别对数据采集模式和数据上传模式进行选择，四个LED用于显示系统不同的工作状态；

(5)嵌入式微处理器，通过232转TTL模块与惯性测量单元连接，通过I/O接口与控制面板连接，通过外部计数接口与里程计连接；

(6)SD卡存储模块，通过SPI协议与嵌入式微处理器通信，用于存储实时采集到的惯性测量单元和里程计的数据；

(7)USB通讯模块，实现嵌入式微处理器与上位机的通信，用于将SD卡储存的数据上传到上位机。

其中，控制面板未固定在管道测绘仪中，可热插拔。

其中，所述惯性测量单元包含陀螺仪、加速度计和磁力计三种传感器。

其中，里程计模块由霍尔传感器构成。

此外，本发明还提出了由上述的一种基于惯性测量的地下管道轨迹测绘系统实现的测量方法，该方法步骤如下：

(1)将装有管道测绘仪的机械实体放入地下管道内，在牵引绳的牵引下行走，实时采集数据并存储在SD卡中；

(2)测量结束后，将装有管道测绘仪的机械实体从管道内拉出，通过USB通讯将SD卡存储的数据上传到上位机，进行数据处理，得到被测管道的三维轨迹。

其中，所述步骤(2)中通过如下方法进行处理数据：

(2.1)通过管道测绘仪的惯性测量单元中的陀螺仪、加速度计和磁力计的测量数据进行惯性导航解算，计算得到管道测绘仪的即时姿态角；

(2.2)通过里程计得到管道测绘仪的即时行走距离，即沿着载体坐标系的行走分段值；

(2.3)利用姿态角构建姿态角矩阵，利用姿态角矩阵将行走距离向三维空间投影，得到管道的三维轨迹。

其中，所述步骤(2.1)中，还包括对陀螺仪、加速度计和磁力计的测量数据进行补偿，具体方法如下：

(2.1.1)利用加速度计和磁力计对陀螺仪进行补偿，首先将重力场和磁场在导航坐标系下的分量投影到载体坐标系中，然后再分别与加速度计和磁力计的单位化测量值进行叉乘，将叉乘得到的向量积进行比例积分调整，得到陀螺仪的偏差补偿量；

(2.1.2)对于加速度计，将惯性测量单元的三个轴依次保持与水平面垂直放置并静止预设时间，对采集到的三轴加速度测量值求和取平均后再与重力加速度作差，可得到三轴加速度计零偏，测得零偏后进行去零偏补偿；

(2.1.3)对于磁力计，根据磁力计圆拟合误差模型，磁力计的实际输出数据轨迹由球变为椭球，将磁力计分别沿三轴旋转多圈，磁力计采集到的数据运用最小二乘椭球拟合法拟合出椭球方程，根据椭球方程求出磁力计的误差矩阵，代入误差模型中进行补偿。

其中，所述步骤(2.1)中，对姿态角进行滤波平滑处理，具体方法如下：首先采用互补滤波，将加速度计和磁力计联合解算得到的姿态角通过一个低通滤波器滤去高频噪声，将陀螺仪解算得到的姿态角通过一个高通滤波器滤去低频噪声，将滤波得到的两类数据进行融合得到滤波后的姿态角；然后采用扩展卡尔曼滤波，选取姿态角作为状态空间模型的状态变量，由欧拉角法建立系统的状态方程，选择互补滤波融合后的姿态角作为系统的观测值，对姿态角进行平滑处理。

其中，所述步骤(2.3)中，航位推算的误差主要有姿态误差角和里程计刻度系数误差，由于管道长度有限、系统运行时间较短，可认为在运行过程中各误差量不变，采用轨迹修正技术将航位推算得到的轨迹进行修正，方法如下：根据全站仪或卫星定位系统测得的管道真实入/出口位置，结合航位推算得到的入/出口位置，利用航位推算轨迹和真实轨迹相似的原理，估计出姿态误差角和里程计刻度系数误差，其中姿态误差角用来补偿惯性导航解算得到的姿态角，里程计刻度系数误差用来补偿里程计测得的路程信息。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：

(1)测量方法具有自主性，不受外界干扰，传统的测量方法在地面进行，易受外界干扰；

(2)理论上可适用于任意埋深的管道，管道埋深对探测精度没有影响；

(3)信息融合技术提高了系统的可靠性和鲁棒性，在一定的震动和颠簸的情况仍能正常使用；

(4)SD卡存储介质的采用，使得系统的地下和地上部分不再需要数据传输线实时连接，提高了系统的可靠性和便捷性。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图；

图2为本发明的系统运行方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

根据图1和图2，管道测绘仪在牵引绳的牵引下于管道内行走，探测管道的三维信息，测量结束后将采集到的数据交由上位机处理。

整个系统分为上位机数据处理系统和数据采集系统两个子系统。

上位机数据处理系统，采用一台便于在现场工作的PC机，测量结束后通过USB通讯接收SD卡中存储的数据，运行相应的数据处理程序进行处理，最终得到测量轨迹的三维图像。

数据采集系统，管道测绘仪装载于机械实体中，系统在工作时，将牵引绳系于机械实体两端，由人力或机械拉动牵引绳实现测绘仪在管道内行走，实时采集惯性测量单元(IMU)和里程计的数据，并存储于SD卡中。数据采集系统包括以下模块：

(1)电源模块，为数据采集系统提供电源，例如可以为可充电锂电池；

(2)惯性测量单元，以100Hz频率输出RS232数据，内含陀螺仪、加速度计和磁力计三种传感器的测量信息，用于提供管道测绘仪的实时姿态信息；

(3)里程计模块，用于提供管道测绘仪的实时行走路程信息，由霍尔传感器实现，采用两个里程计以便冗余测量减小误差；

(4)控制面板，由四个LED和两个按键构成，两个按键分别对数据采集模式和数据上传模式进行选择，四个LED用于显示系统不同的工作状态；未固定在管道测绘仪中，可热插拔，由四个LED和两个按键构成，两个按键分别是系统上电后数据采集模式和数据上传模式的选择，四个LED中，一个LED显示系统是否上电，一个LED显示系统是否处于数据采集模式，另外两个LED用于显示系统是否处于数据上传模式，其中一个显示是否连接成功，另一个显示是否正在读写数据。

(5)嵌入式微处理器，通过232转TTL模块与惯性测量单元连接，通过I/O接口与控制面板连接，通过外部计数接口与里程计连接，232转TTL模块将MEMS‐IMU发出的RS232数据转换成TTL信号，以便于MCU通过串口接收；数据采集系统的核心，通过串口接收IMU的数据、外部计数接收里程计的脉冲信号、SPI通信和FatFS文件系统将接收到的数据存储在SD卡指定文件中、USB接口将SD卡中存储的数据上传给PC机；

(6)SD卡存储模块，通过SPI协议与嵌入式微处理器通信，用于存储实时采集到的惯性测量单元和里程计的数据，通过FatFS文件系统对SD卡进行文件管理，将实时采集到的数据写入SD卡指定文件中；

(7)USB通讯模块，实现嵌入式微处理器与上位机的通信，用于将SD卡储存的数据上传到上位机，利用嵌入式微处理器自带的USB设备控制器，通过USB接口电路实现与PC机的通信。

此外，用于将管道测绘仪装置在机械实体内，采用硬铝材料加工，小巧坚固，具有良好的抗冲击性和防水性能，确保内部的数据采集系统正常工作。

此外，如图2展示了本系统的运行方式，本发明还提出了由上述的一种基于惯性测量的地下管道轨迹测绘系统实现的测量方法，该方法步骤如下：

(1)将装有管道测绘仪的机械实体放入地下管道内，在牵引绳的牵引下行走，实时采集数据并存储在SD卡中；

(2)测量结束后，将装有管道测绘仪的机械实体从管道内拉出，通过USB通讯将SD卡存储的数据上传到上位机，进行数据处理，得到被测管道的三维轨迹。

其中，所述步骤(2)中通过如下方法进行处理数据：

(2.1)通过管道测绘仪的惯性测量单元中的陀螺仪、加速度计和磁力计的测量数据进行惯性导航解算，计算得到管道测绘仪的即时姿态角；

(2.2)通过里程计得到管道测绘仪的即时行走距离，即沿着载体坐标系的行走分段值；

(2.3)利用姿态角构建姿态角矩阵，利用姿态角矩阵将行走距离向三维空间投影，得到管道的三维轨迹。

其中，所述步骤(2.1)中，还包括对陀螺仪、加速度计和磁力计的测量数据进行补偿，具体方法如下：

(2.1.1)利用加速度计和磁力计对陀螺仪进行补偿，首先将重力场和磁场在导航坐标系下的分量投影到载体坐标系中，然后再分别与加速度计和磁力计的单位化测量值进行叉乘，将叉乘得到的向量积进行比例积分调整，得到陀螺仪的偏差补偿量；

(2.1.2)对于加速度计，将惯性测量单元的三个轴依次保持与水平面垂直放置并静止预设时间，对采集到的三轴加速度测量值求和取平均后再与重力加速度作差，可得到三轴加速度计零偏，测得零偏后进行去零偏补偿；

(2.1.3)对于磁力计，根据磁力计圆拟合误差模型，磁力计的实际输出数据轨迹由球变为椭球，将磁力计分别沿三轴旋转多圈，磁力计采集到的数据运用最小二乘椭球拟合法拟合出椭球方程，根据椭球方程求出磁力计的误差矩阵，代入误差模型中进行补偿。

其中，所述步骤(2.1)中，对姿态角进行滤波平滑处理，具体方法如下：首先采用互补滤波，将加速度计和磁力计联合解算得到的姿态角通过一个低通滤波器滤去高频噪声，将陀螺仪解算得到的姿态角通过一个高通滤波器滤去低频噪声，将滤波得到的两类数据进行融合得到滤波后的姿态角；然后采用扩展卡尔曼滤波，选取姿态角作为状态空间模型的状态变量，由欧拉角法建立系统的状态方程，选择互补滤波融合后的姿态角作为系统的观测值，对姿态角进行平滑处理。

其中，所述步骤(2.3)中，航位推算的误差主要有姿态误差角和里程计刻度系数误差，由于管道长度有限、系统运行时间较短，可认为在运行过程中各误差量不变，采用轨迹修正技术将航位推算得到的轨迹进行修正，方法如下：根据全站仪或卫星定位系统测得的管道真实入/出口位置，结合航位推算得到的入/出口位置，利用航位推算轨迹和真实轨迹相似的原理，估计出姿态误差角和里程计刻度系数误差，其中姿态误差角用来补偿惯性导航解算得到的姿态角，里程计刻度系数误差用来补偿里程计测得的路程信息。

Claims (10)

1.一种基于惯性测量的地下管道轨迹检测系统，该系统包括数据采集系统和上位机数据处理系统，其特征在于，

数据采集系统，将牵引绳系于装有管道测绘仪的机械实体两端，拉动牵引绳以实现测绘仪在地下管道内行走，实时采集惯性测量单元和里程计的数据，并存储于SD卡中；

上位机数据处理系统，通过USB通讯将管道测绘仪内SD卡存储的数据上传到上位机，上位机对上传的数据进行处理，得到被测地下管道的三维轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种基于惯性测量的地下管道轨迹检测系统，其特征在于，所述的管道测绘仪由以下几部分组成：

(1)电源模块，为数据采集系统提供电源；

(2)惯性测量单元，用于提供管道测绘仪的实时姿态信息；

(3)里程计模块，用于提供管道测绘仪的实时行走路程信息；

(4)控制面板，由四个LED和两个按键构成，两个按键分别对数据采集模式和数据上传模式进行选择，四个LED用于显示系统不同的工作状态；

(5)嵌入式微处理器，通过232转TTL模块与惯性测量单元连接，通过I/O接口与控制面板连接，通过外部计数接口与里程计连接；

(6)SD卡存储模块，通过SPI协议与嵌入式微处理器通信，用于存储实时采集到的惯性测量单元和里程计的数据；

(7)USB通讯模块，实现嵌入式微处理器与上位机的通信，用于将SD卡储存的数据上传到上位机。

3.根据权利要求1所述的一种基于惯性测量的地下管道轨迹检测系统，其特征在于，控制面板未固定在管道测绘仪中，可热插拔。

4.根据权利要求2所述的一种基于惯性测量的地下管道轨迹检测系统，其特征在于，所述惯性测量单元包含陀螺仪、加速度计和磁力计三种传感器。

5.根据权利要求2所述的一种基于惯性测量的地下管道轨迹检测系统，其特征在于，里程计模块由霍尔传感器构成。

6.根据权利要求1‐5所述的任一种基于惯性测量的地下管道轨迹测绘系统实现的测量方法，其特征在于：

(1)将装有管道测绘仪的机械实体放入地下管道内，在牵引绳的牵引下行走，实时采集数据并存储在SD卡中；

(2)测量结束后，将装有管道测绘仪的机械实体从管道内拉出，通过USB通讯将SD卡存储的数据上传到上位机，进行数据处理，得到被测管道的三维轨迹。

7.根据权利要求6所述的一种基于惯性测量的地下管道轨迹测绘系统实现的测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中通过如下方法进行处理数据：

(2.1)通过管道测绘仪的惯性测量单元中的陀螺仪、加速度计和磁力计的测量数据进行惯性导航解算，计算得到管道测绘仪的即时姿态角；

(2.2)通过里程计得到管道测绘仪的即时行走距离，即沿着载体坐标系的行走分段值；

(2.3)利用姿态角构建姿态角矩阵，利用姿态角矩阵将行走距离向三维空间投影，得到管道的三维轨迹。

8.根据权利要求6所述一种基于惯性测量的地下管道轨迹测绘系统实现的测量方法，其特征在于，所述步骤(2.1)中，还包括对陀螺仪、加速度计和磁力计的测量数据进行补偿，具体方法如下：

(2.1.1)利用加速度计和磁力计对陀螺仪进行补偿，首先将重力场和磁场在导航坐标系下的分量投影到载体坐标系中，然后再分别与加速度计和磁力计的单位化测量值进行叉乘，将叉乘得到的向量积进行比例积分调整，得到陀螺仪的偏差补偿量；

(2.1.2)对于加速度计，将惯性测量单元的三个轴依次保持与水平面垂直放置并静止预设时间，对采集到的三轴加速度测量值求和取平均后再与重力加速度作差，可得到三轴加速度计零偏，测得零偏后进行去零偏补偿；

(2.1.3)对于磁力计，根据磁力计圆拟合误差模型，磁力计的实际输出数据轨迹由球变为椭球，将磁力计分别沿三轴旋转多圈，磁力计采集到的数据运用最小二乘椭球拟合法拟合出椭球方程，根据椭球方程求出磁力计的误差矩阵，代入误差模型中进行补偿。

9.根据权利要求6所述一种基于惯性测量的地下管道轨迹测绘系统实现的测量方法，其特征在于，所述步骤(2.1)中，对姿态角进行滤波平滑处理，具体方法如下：首先采用互补滤波，将加速度计和磁力计联合解算得到的姿态角通过一个低通滤波器滤去高频噪声，将陀螺仪解算得到的姿态角通过一个高通滤波器滤去低频噪声，将滤波得到的两类数据进行融合得到滤波后的姿态角；然后采用扩展卡尔曼滤波，选取姿态角作为状态空间模型的状态变量，由欧拉角法建立系统的状态方程，选择互补滤波融合后的姿态角作为系统的观测值，对姿态角进行平滑处理。

10.根据权利要求6所述一种基于惯性测量的地下管道轨迹测绘系统实现的测量方法，其特征在于，步骤(2.3)中，采用轨迹修正技术将航位推算得到的轨迹进行修正，方法如下：根据全站仪或卫星定位系统测得的管道真实入/出口位置，结合航位推算得到的入/出口位置，利用航位推算轨迹和真实轨迹相似的原理，估计出姿态误差角和里程计刻度系数误差，其中姿态误差角用来补偿惯性导航解算得到的姿态角，里程计刻度系数误差用来补偿里程计测得的路程信息。