CN109269500A - 一种基于惯性导航系统和里程计的管道定位方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提供了一种基于惯性导航系统和里程计的管道定位系统和方法，其中，该系统包括：标定模块，基于预先构建的测量输出模型，标定陀螺仪和加速度计的测量误差参数；补偿模块，利用测量误差参数，对陀螺仪和加速度计采集的原始数据进行误差补偿；数据处理模块，对经补偿的原始数据进行处理，获得惯性导航系统的导航信息；分析模块，根据惯性导航系统的导航信息对管道的故障点进行定位。本申请所述技术方案将惯性导航系统与里程计组成惯性/里程计组合自主导航定位系统，克服惯性系统随时间增长而发散的问题，从而提高管道定位精度。进一步的，利用预先构建的误差标定模型，减少标定时间，节省测试人员精力，减少人为操作失误，大大提升标定的效率和正确率。

Description

一种基于惯性导航系统和里程计的管道定位方法和系统
技术领域
本申请涉及管道故障定位领域，特别涉及一种基于惯性导航系统和里程计的管道定位方法和系统。
背景技术
城市地下管线是运输水、油气、热力等流体的重要载体，管道运输的正常运行是关乎民生安全和国民经济发展的重大问题。地下管道泄露不仅带来巨大经济损失，甚至会造成重大环境污染和人员伤亡事故。通过对管道进行定期检测得到探伤位置，提前进行修理，对管道的维修替换工作带来极大的便利。管道惯性测量系统专用于油气管道和水平钻井等领域中，在运行的油气管道中随介质一起行进，由于在管道中无法接收到GPS信号，无法对管道的故障进行准确的定位。
发明内容
为解决上述问题之一，本申请提供了一种基于惯性导航系统和里程计的管道定位方法和系统。
根据本申请实施例的第一个方面，提供了一种基于惯性导航系统和里程计的管道定位方法，该方法的步骤包括：
基于预先构建的测量输出模型，标定陀螺仪和加速度计的测量误差参数；
利用测量误差参数，对陀螺仪和加速度计采集的原始数据进行误差补偿；
对经补偿的原始数据进行处理，获得惯性导航系统的导航信息；
根据惯性导航系统的导航信息对管道的故障点进行定位。
根据本申请实施例的第二个方面，提供了一种基于惯性导航系统和里程计的管道定位系统，该系统包括：
标定模块，基于预先构建的测量输出模型，标定陀螺仪和加速度计的测量误差参数；
补偿模块，利用测量误差参数，对陀螺仪和加速度计采集的原始数据进行误差补偿；
数据处理模块，对经补偿的原始数据进行处理，获得惯性导航系统的导航信息；
分析模块，根据惯性导航系统的导航信息对管道的故障点进行定位。
本申请所述技术方案将惯性导航系统与里程计组成惯性/里程计组合自主导航定位系统，克服惯性系统随时间增长而发散的问题，从而提高管道定位精度。进一步的，利用预先构建的误差标定模型，减少标定时间，节省测试人员精力，减少人为操作失误，大大提升标定的效率和正确率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1示出本方案所述由惯性导航系统与里程计组成的惯性/里程计组合自主导航定位系统的工作流程示意图；
图2示出本方案所述利用转台进行标定的工作流程示意图；
图3示出本方案所述惯性/里程计组合自主导航定位系统的坐标系示意图；
图4示出本方案所述管道定位方法的示意图。
具体实施方式
为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本方案的核心思路是利用惯性导航系统与里程计组成惯性/里程计组合自主导航定位系统，克服惯性系统随时间增长而发散的问题，从而提高管道定位精度。
本方案公开了一种基于惯性导航系统和里程计的管道定位方法和系统。该方案能够随着惯测系统在管道中行进，系统高速实时存储陀螺仪、加速度计、里程计的原始数据。陀螺仪、加速度计输出的原始数据中含有误差，需事先进行标定工作，得到其系统误差和安装误差。将原始数据进行误差补偿后，得到预处理数据。预处理数据的经过融合算法解算可得到行程中每一点的姿态、航向、速度及位置信息。再结合专用传感器标记的管道故障点数据，能够对管道故障点进行精确定位，方便后续排故工作。
本方案通过对由惯性导航系统与里程计组成的惯性/里程计组合自主导航定位系统的工作模式、工作流程、全自动标定流程进行整体设计，能够实现良好的平台可扩展性，特别是全自动标定流程可以方便地移植到其他惯性测量系统，大大提升标定的效率和正确率。
下面通过具体实例对本方案进行详细说明。
一、对系统工作模式进行划分
本方案所述的由惯性导航系统与里程计组成的惯性/里程计组合自主导航定位系统主要是实现管道行进过程中测量数据的高速实时存储，对应的工作模式是数据存储模式；当行进过程结束，系统需将测量得到的数据以适合的方式下载到客户端，对应的工作模式是数据下载模式；在行进过程开始前，系统需要对自身功能进行检测，主要是通过监测系统输出的陀螺、加速度计、里程计测量数据和温度、风扇等传感器数据，自检合格后方可投入使用，对应的工作模式是通电检测模式。系统进行误差参数标定时，也设置为通电检测模式。
a)数据存储模式。将此工作模式确立为默认工作模式，向硬件设备发送指令
选择数据存储工作模式。此模式下，系统以2ms周期存储陀螺、加表、里
程计、温度、状态字、帧号等数据至CF卡。
b)数据下载模式。通过向硬件设备发送指令选择数据下载工作模式。分为网
口数据下载和U盘数据下载，将网口数据下载作为主要下载模式，将U
盘数据下载作为备份下载模式。其中网口数据下载速度较快，约为1M/s。c)通电检测模式。通过向硬件设备发送指令选择通电检测工作模式。此模式
下，在“数据显示区”以1s频率显示时间、陀螺脉冲增量、加表脉冲增量、三路里程计数据、七路温度数据、风扇状态、帧计数、帧标志等自检数据。
二、对系统工作流程进行设计
如图1和图4所示，本方案所述系统的工作阶段包括全自动标定、系统自检、管道数据存储、地面数据下载、地面数据预处理等。
全自动标定：系统标定阶段在系统工作阶段开始前进行。将系统放置于转台工装上，设计十二位置标定和三轴速率标定的方法，实现了全自动标定的流程，并通过计算得到陀螺和加速度计的加速度计正比例系数，加速度计负比例系数，加速度计零位，加速度计安装误差，陀螺正比例系数，陀螺负比例系数，陀螺零位，陀螺安装误差，陀螺一次项系数等误差系数。
系统自检：系统进行通电检测，检查各路陀螺、加速度及、里程计的输出是否在阈值范围内，输出值的极性和数值是否在正常误差范围内，各路温度传感器的温度值是否正常，风扇是否正常打开，帧计数是否连贯无漏帧现象。
管道数据存储：自检通过后设置为数据存储工作模式，放置于管道中随管道介质一起行进，行进速度大约lm/s，导航全程定位不依赖任何磁标点等外部信息，过程中以2ms为周期进行陀螺、加速度计、里程计、温度、风扇状态字等原始数据存储；
地面数据下载：管道工作结束后，用电缆连接系统和客户端，设置系统为数据下载模式，优先通过网口下载数据；以U盘数据下载作为备份数据下载方式。
地面数据预处理：完成数据下载后进行数据预处理，用系统标定参数对原始数据进行处理，得到误差补偿后的陀螺和加速度计脉冲增量输出结果。
数据处理过程，首先读取陀螺与加速度计预处理数据，进行惯性导航解算，经过解算获得载体的姿态、位置和速度信息，同时利用惯性系统的姿态信息以及里程计数据，进行里程计导航解算；其次，将捷联惯性导航系统输出的速度与里程计输出的速度相减作为量测，利用卡尔曼滤波进行数据融合，经过滤波计算，获得系统状态的最优估计值；然后，利用所获得的统误差估计值实时对系统进行闭环误差校正，最终得到系统的姿态、速度、位置导航信息。
数据分析过程：根据系统的时间、姿态、速度、位置导航信息，结合专用传感器标记的管道故障点数据，能够对管道故障点进行精确定位，方便后续排故工作。
三、全自动标定流程的设计
惯性测量系统中的陀螺仪、加速度计等惯性仪表具有系统误差和安装误差。为了标定系统的误差，需要建立和分析系统的误差模型。
陀螺仪测量输出数学模型如下
式(1)中：
FG1FG2FG3———陀螺G1,G2,G3通道在单位时间内的输出脉冲数；
D01D02D03———陀螺G1,G2,G3通道的常值漂移；
EX1EY1EZ1———以光学基准为参考轴陀螺G1通道的安装角系数；
EX2EY2EZ2———以光学基准为参考轴陀螺G2通道的安装角系数；
EX3EY3EZ3———以光学基准为参考轴陀螺G3通道的安装角系数；
ωXωYωZ————以光学基准为参考轴，沿IMU本体的OX，OY，
OZ方向的角速度。
加速度计测量输出数学模型如下
式(2)中：
FA1FA2FA3——-——加速度计A1，A2，A3通道在单位时间内的输出脉冲数；
K01K02K03——-——加速度计A1，A2，A3的零偏；
KX1KY1KZ1————以光学基准为参考轴，加速度计A1的安装角系数；
KX2KY2KZ2———-—以光学基准为参考轴，加速度计A2的安装角系数；
KX3KY3KZ3——-——以光学基准为参考轴，加速度计A3的安装角系数；
AX AY AZ——光学基准为参考轴，沿IMU本体的OX，OY，OZ方向的视加速度。坐标系如图3所示。
如图2所示，对于标定模块中的输出模型的应用是通过三轴转台控制系统来实现应用的。利用三轴转台的工装固定由惯性导航系统与里程计组成的惯性/里程计组合自主导航定位系统，并对其进行系统误差的标定。误差标定方法采用十二位置标定和x,y,z三轴速率标定方法，对标定流程进行了特殊设计。惯测系统精确标定传统方式需要多名测试人员全程操作，时间约30分钟。一名操作者操作转台，使转台到达指定位置或指定速率；一名操作者操作数据采集软件。因测试状态较多，且每种测试状态下的位置速率环境复杂，测试的时间较长，测试人员需要进行大量的操作，这就需要测试人员长时间地集中精力，不可避免的引入了人为因素的测试问题和误差，如转台状态设置错误、漏采、标定模式设置错误、采数时间设置错误等，并且问题不容易被察觉。为了减少标定时间，节省测试人员精力，减少人为操作失误，设计了全自动标定流程，标定过程不需测试人员参与。控制过程时间点，在规定时间控制转台到达规定位置，完成惯组数据自动采集和记录，直至自动标定，解算误差系数。
在自动标定过程中，测试人员不需要参与，并且因为除去了人为操作时间，也节省了测试时间，同时程序中已将转台的各个连续位置和速率等状态固定，将采数时间固定，消除了人为操作，从而杜绝了转台状态设置错误、漏采、采数时间设置错误等人为操作误差。
本方案中，三轴转台控制系统提供RS-422通讯接口，能接受上位机的程控指令的控制。通过远控指令可直接进入远控模式。转台计算机远程RS-422程控通讯操作遵照NMEA-0183标准。
对于三轴转台的控制可以按照表1中所示的通讯的数据帧基本格式和常用指令进行控制。
表1通讯的数据帧基本格式和常用指令
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种基于惯性导航系统和里程计的管道定位系统，其特征在于，该系统包括：
标定模块，基于预先构建的测量输出模型，标定陀螺仪和加速度计的测量误差参数；
补偿模块，利用测量误差参数，对陀螺仪和加速度计采集的原始数据进行误差补偿；
数据处理模块，对经补偿的原始数据进行处理，获得惯性导航系统的导航信息；
分析模块，根据惯性导航系统的导航信息对管道的故障点进行定位。
2.根据权利要求1所述的管道定位系统，其特征在于，所述测量输出模型的包括：
陀螺仪测量输出模型：
其中，
FG1FG2FG3分别为陀螺G1,G2,G3通道在单位时间内的输出脉冲数；
D01D02D03分别为陀螺G1,G2,G3通道的常值漂移；
EX1EY1EZ1分别为以光学基准为参考轴陀螺G1通道的安装角系数；
EX2EY2EZ2分别为以光学基准为参考轴陀螺G2通道的安装角系数；
EX3EY3EZ3分别为以光学基准为参考轴陀螺G3通道的安装角系数；
ωXωYωZ分别为以光学基准为参考轴，沿惯性测量单元本体的OX，OY，OZ方向的角速度；
加速度计测量输出模型：
其中，
FA1FA2FA3分别为加速度计A1，A2，A3通道在单位时间内的输出脉冲数；
K01K02K03分别为加速度计A1，A2，A3的零偏；
KX1KY1KZ1分别为以光学基准为参考轴，加速度计A1的安装角系数；
KX2KY2KZ2分别为以光学基准为参考轴，加速度计A2的安装角系数；
KX3KY3KZ3分别为以光学基准为参考轴，加速度计A3的安装角系数；
AXAYAZ分别为光学基准为参考轴，沿IMU本体的OX，OY，OZ方向的视加速度。
3.根据权利要求1所述的管道定位系统，其特征在于，所述数据处理模块具体执行如下步骤：
对经补偿的原始数据进行惯性导航解算，获得载体的姿态、位置和速度信息，并利用惯性导航系统的姿态信息和里程数据进行里程计导航解算；
将惯性导航系统输出的速度与里程计输出的速度相减作为量测，利用卡尔曼滤波进行数据融合，经过滤波计算，获得系统状态的最优估计值；
利用所获得的统误差估计值实时对系统进行闭环误差校正，最终得到系统的姿态、速度、位置导航信息。
4.根据权利要求1所述的管道定位系统，其特征在于，该系统还包括：系统自检模块，检测系统内部多个工作器件是否处于预定正常状态。
5.根据权利要求1所述的管道定位系统，其特征在于，该系统还包括：存储模块，以2ms为周期进行陀螺仪、加速度计、里程计、温度、风扇状态的以上一种或多种原始数据的存储。
6.根据权利要求5所述的管道定位系统，其特征在于，该系统还包括：下载模块，从存储模块中读取数据原始数据传输给补偿模块。
7.一种基于惯性导航系统和里程计的管道定位方法，其特征在于，该方法的步骤包括：
基于预先构建的测量输出模型，标定陀螺仪和加速度计的测量误差参数；
利用测量误差参数，对陀螺仪和加速度计采集的原始数据进行误差补偿；
对经补偿的原始数据进行处理，获得惯性导航系统的导航信息；
根据惯性导航系统的导航信息对管道的故障点进行定位。
8.根据权利要求7所述的管道定位方法，其特征在于，所述测量输出模型的包括：
陀螺仪测量输出模型：
其中，
FG1FG2FG3分别为陀螺G1,G2,G3通道在单位时间内的输出脉冲数；
D01D02D03分别为陀螺G1,G2,G3通道的常值漂移；
EX1EY1EZ1分别为以光学基准为参考轴陀螺G1通道的安装角系数；
EX2EY2EZ2分别为以光学基准为参考轴陀螺G2通道的安装角系数；
EX3EY3EZ3分别为以光学基准为参考轴陀螺G3通道的安装角系数；
ωXωYωZ分别为以光学基准为参考轴，沿惯性测量单元本体的OX，OY，OZ方向的角速度；
加速度计测量输出模型：
其中，
FA1FA2FA3分别为加速度计A1，A2，A3通道在单位时间内的输出脉冲数；
K01K02K03分别为加速度计A1，A2，A3的零偏；
KX1KY1KZ1分别为以光学基准为参考轴，加速度计A1的安装角系数；
KX2KY2KZ2分别为以光学基准为参考轴，加速度计A2的安装角系数；
KX3KY3KZ3分别为以光学基准为参考轴，加速度计A3的安装角系数；
AXAYAZ分别为光学基准为参考轴，沿IMU本体的OX，OY，OZ方向的视加速度。
9.根据权利要求8所述的管道定位方法，其特征在于，所述对经补偿的原始数据进行处理，获得惯性导航系统的导航信息的步骤包括：
对经补偿的原始数据进行惯性导航解算，获得载体的姿态、位置和速度信息，并利用惯性导航系统的姿态信息和里程数据进行里程计导航解算；
将惯性导航系统输出的速度与里程计输出的速度相减作为量测，利用卡尔曼滤波进行数据融合，经过滤波计算，获得系统状态的最优估计值；
利用所获得的统误差估计值实时对系统进行闭环误差校正，最终得到系统的姿态、速度、位置导航信息。
10.根据权利要求8所述的管道定位方法，其特征在于，所述利用测量误差参数，对陀螺仪和加速度计采集的原始数据进行误差补偿的步骤之前包括：以2ms为周期进行陀螺仪、加速度计、里程计、温度、风扇状态的以上一种或多种原始数据的存储。
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