CN110109191A - 一种基于mems和里程计组合的地下管线探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MEMS和里程计组合的地下管道探测方法。首先，利用加速计信息进行解析式粗对准，利用起终点坐标近似初始航向，构建姿态矩阵；然后，统一坐标系后利用角速度信息进行姿态解算，得到设备所在位置的姿态信息，并利用姿态对里程计计算得到的速度进行分解，得到东北天方向的速度，通过积分运算得到相对于起点的位移信息，从而得到初步解算的轨迹；之后，通过准确的起终点坐标对初步解算得到的轨迹进行旋转校正；最后，对解算得到的正反向轨迹进行平均拟合得到最终轨迹。

Description

一种基于MEMS和里程计组合的地下管线探测方法

技术领域

本发明涉及地下管道探测领域，特别是涉及一种基于MEMS和里程计组合的介入式非开挖管道探测方法。

背景技术

随着科学技术的进步和城市化进程的加快，城市对地下管道的需求越来越大。由于地下管网分布范围广、类型多样、隐蔽性强，城市市政地下管道设施建设和发展的问题日益突出，逐渐成为制约我国城市建设和经济发展的瓶颈之一。研究地下管道探测技术对于解决已铺设管道信息缺失或过失的问题、减少施工过程中造成的施工事故和人员伤亡、实现地下管道详实的三维地理信息管理系统以及实现基础管道设施的非开挖式作业需求等方面具有重要意义，对当今城市管道建设以及城市现代化建设至关重要。

地下管道与周围土体之间存在物性差异，各种地下管道探测技术原理追根究底都是利用这种物性差异来进行探测定位。不同的物性差异决定了不同的探测方法。目前，地下管道探测常采用的方法有电磁感应法、磁探测法、探地雷达法、地震波法、高密度电阻率法等。

电磁感应法是基于地下管道的导电性和导磁性，应用电磁感应原理，根据电磁场的空间分布规律和频率变化规律来寻找地下管道的一种探测方法，其探测深度小，一般不超过5米，而且具有一定的局限性，仅适用于金属管道的探测。磁探测法探测深度大，但仅适用于磁性较强的金属铁管管道并且易受磁环境干扰，受磁化倾角等因素影响较大而且探测理论不够完善。探地雷达法可用于对非金属管道进行探测，具有无损、连续检测、精度高、样点多、效率高等优点，但其操作较复杂，对土壤条件要求高，设备庞大，费用高。地震波法具有探测深度大，不易受电磁波干扰等优点，但该方法受环境、介质影响都较大，对操作人员理论基础和实践经验要求高。高密度电阻率法具有较好的抗干扰性而且探测深度大，但易所处环境的限制且后期映像反演无法消除远电极效应。

近年来，陀螺仪检测法是作为一种介入式地下管道探测方法，受到越来越多的关注，该方法将三轴MEMS加速度计、三轴MEMS陀螺与计算机结合应用于地下管道空间定位测量，当前在管道形状检测中有少量应用。该方法具有自主性好、抗电磁干扰、对管道材料没有限制、探测深度大、精度高等优点，与传统的地下管道探测方法相比具有极大的优越性。因此，本发明提出了一种基于MEMS和里程计组合的地下管道探测方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于MEMS和里程计组合的地下管道探测方法。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于MEMS和里程计组合的地下管道探测方法，包括以下步骤：

步骤一：启动管道测量设备，将其放置于待测管道起始点处，静置1min，用牵引绳拉动管道测量设备沿管道正向运动至管道终止点处，静置1min后反向拉回；

步骤二：重复步骤一的过程，得到三组正向数据和三组反向数据，将数据导出进行离线处理；

步骤三：利用测量得到的比力信息进行解析式粗对准，得到初始水平姿态信息，并利用起止坐标点信息计算初始航向，之后利用粗对准的结果以及测量得到的角速度信息进行姿态解算，实时更新测量设备所在位置得姿态；

步骤四：利用解算得到得姿态对里程计计算得到得速度进行分解，从而积分得到东北天坐标系下得轨迹；

步骤五：利用真实的起终点坐标对解算得到的轨迹进行旋转校正；

步骤六：利用多次正向逆向解算的轨迹数据进行平均拟合得到最终轨迹。

在步骤三中，在利用粗对准结果作为初始姿态进行姿态更新前，要对粗对准得到的姿态和之后的姿态更新过程进行坐标系统一，通过判断z轴加速度计测量值的正负来实现。若f_z为负，则在解算过程中对MEMS输出的x和z方向的角速度取负。

在步骤五中，旋转校正方法如下：

先分别计算真实的起终点连线与北向的夹角以及初步解算得到的起终点坐标连线与北向的夹角，求出二者的角度差，构建旋转矩阵对初步解算得到的坐标点进行旋转得到一步修正的坐标点；之后分别计算真实的起终点连线与水平方向的夹角以及一步修正的起终点坐标连线与水平方向的夹角，求出二者的角度差，再次构建旋转矩阵对一步修正的坐标点进行旋转，得到旋转校正后的轨迹坐标点。

在步骤六，平均拟合方法如下：

首先正向解算和逆向解算的得到的两组坐标点数据分别进行平均得到一组正向解算数据和一组逆向解算数据；之后，对两组数据的前十分之一和后十分之一进行如下形式的加权拟合：

Avg(k)_i＝((L-k)f_i(k)+kb_i(k))/L

其中，Avg表示最终平均拟合结果；f表示正向解算的结果；b表示逆向解算的结果；L表示数据的最大长度；k表示第k个数据；i＝x,y,z。最后对中间部分数据直接加和平均。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用基于MEMS惯性元件和里程计组合的方式来进行地下管道探测，具有自主性好、抗干扰能力强的优势；

(2)利用已知的起终点坐标设计了旋转校正算法，并通过最终平均拟合算法提高了地下管道的测量精度。

附图说明

图1为本发明流程示意图；

图2为管道测量设备图；

图3为试验管道XY平面图测量结果；

图4为试验管道XZ刨面图测量结果。

具体实施方式

下面结合附图1本发明流程示意图对本发明进一步说明。

管道测量设备如图2所示，其中最重要的两个组成部分是微惯性测量单元(MicroInertial Measurement Unit，MIMU)和里程计。MIMU由陀螺仪和加速度计组成，用于提供设备所在位置的姿态信息，里程计用于提供设备走过的路程信息，通过MIMU信息和里程计信息的组合解算，最终得到被测量管道的轨迹。对地下管道进行测量时，先打开管道测量设备开关，并将其按正向放入待测量管道中，使其尾部于管道口边缘平齐。测量设备放置于待测管道中后静止一分钟，然后开始平稳拖到设备沿管道前行，至设备前端到达管道末端停止，静止一分钟，之后反向拉回管道口处，重复测量三个来回，最后将设备取出，数据导入到计算机中进行离线解算管道轨迹，轨迹解算算法如下。

首先，利用静止期间的加速度计信息进行解析式粗对准，得到水平姿态信息，其计算方法如下：

其中，T为姿态矩阵；f_i ^b(i＝x,y,z)为加速度计测得的比力信息，这里用30s加速度计测量信息的平均值，以减小噪声的影响；g为当地重力加速度；θ为俯仰角；γ为横滚角。

得到俯仰角和横滚角后，通过起止坐标点计算初始航向角ψ，构成姿态矩阵。之后，利用MEMS输出的角速率信息进行姿态解算，对姿态进行更新。在利用粗对准结果作为初始姿态进行姿态更新前，要对粗对准得到的姿态和之后的姿态更新过程进行坐标系统一，该过程通过判断z轴加速度计测量值的正负来实现。若f_z为负，则在解算过程中对MEMS输出的x和z 方向的角速度取负。

姿态解算采用四元数解算，解算方法如下：

其矩阵形式为：

对上式求解就可以实时求解处q₁、q₂、q₂、q₃，从而得到姿态矩阵：

根据姿态矩阵可以实时地求解俯仰角θ、横滚角γ和航向角ψ。得到姿态角用于对里程计计算得到的速度进行分解，得到东北天方向的速度。测量设备在管道中前进存在不完全约束，只在沿管道方向有速度，即只有载体y方向有速度v_y＝Δl/t_s，其中t_s为解算周期，Δl为相邻解算周期里程计的里程差。利用解算得到的姿态信息对v_y进行分解，得到东北天三个方向的速度：

之后，对东北天三个方向速度进行积分可得东北天三个方向的位移，从而可以得到管道测量设备走过位置的北东高坐标信息。

由于初始姿态矩阵存在误差，因此在一次解算结束后，利用真实的起终点坐标对解算得到的轨迹进行旋转校正，旋转校正方法如下：

先分别计算真实的起终点坐标连线与北向的夹角以及初步解算得到的起终点坐标连线与北向的夹角，求出二者的角度差，构建旋转矩阵对初步解算得到的坐标点进行旋转得到一步修正的坐标点；然后分别计算真实的起终点坐标连线与水平方向的夹角以及一步修正的起终点坐标连线与水平方向的夹角，求出二者的角度差，再次构建旋转矩阵对一步修正的坐标点进行旋转，得到旋转校正后的轨迹坐标点。

正向数据解算完后对方向回拉数据同样进行上述步骤的解算得到反向解算轨迹。同样的方式，对三组正向三组反向六组数据均进行上述步骤的解算，共得到三条正向轨迹和三条反向轨迹，进行平均拟合，得到最终解算轨迹。平均拟合方法如下：

首先正向解算和逆向解算的得到的两组坐标点数据分别进行平均得到一组正向解算数据和一组逆向解算数据；之后，对两组数据的前十分之一和后十分之一进行如下形式的加权拟合：

Avg(k)_i＝((L-k)f_i(k)+kb_i(k))/L

其中，Avg表示最终平均拟合结果；f表示正向解算的结果；b表示逆向解算的结果；L表示数据的最大长度；k表示第k个数据；i＝x,y,z。最后对中间部分数据直接加和平均。

最后，通过124米长试验管道的测试结果来验证本发明方法的有效性，最终测试结果如图 3和图4所示。从图中可以看出，采用本发明方法能够准确测绘处被测管道的走势轨迹，与标准轨迹相比，本发明方法的水平最大测量误差为15cm，垂向测量最大误差为10cm，水平和垂向测量误差均小于管道长度的0.15％，能够实现对地下管道走势的有效测量。

Claims (4)

1.一种基于MEMS和里程计组合的地下管线探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：启动管道测量设备，将其放置于待测管道起始点处，静置1min，用牵引绳拉动管道测量设备沿管道正向运动至管道终止点处，静置1min后反向拉回；

步骤二：重复步骤一的过程，得到三组正向数据和三组反向数据，将数据导出进行离线处理；

步骤三：利用测量得到的比力信息进行解析式粗对准，得到初始水平姿态信息，并利用起止坐标点信息计算初始航向，之后利用粗对准的结果以及测量得到的角速度信息进行姿态解算，实时更新测量设备所在位置得姿态；

步骤四：利用解算得到得姿态对里程计计算得到得速度进行分解，从而积分得到东北天坐标系下得轨迹；

步骤五：利用真实的起终点坐标对解算得到的轨迹进行旋转校正；

步骤六：利用多次正向逆向解算的轨迹数据进行平均拟合得到最终轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS和里程计组合的地下管线探测方法，其特征在于，在利用粗对准结果作为初始姿态进行姿态更新前，要对粗对准得到的姿态和之后的姿态更新过程进行坐标系统一，通过判断z轴加速度计测量值的正负来实现。若f_z为负，则在解算过程中对MEMS输出的x和z方向的角速度取负。

3.根据权利要求1所述的一种基于MEMS和里程计组合的地下管线探测方法，其特征在于，旋转校正方法如下：

先分别计算真实的起终点连线与北向的夹角以及初步解算得到的起终点坐标连线与北向的夹角，求出二者的角度差，构建旋转矩阵对初步解算得到的坐标点进行旋转得到一步修正的坐标点；之后分别计算真实的起终点连线与水平方向的夹角以及一步修正的起终点坐标连线与水平方向的夹角，求出二者的角度差，再次构建旋转矩阵对一步修正的坐标点进行旋转，得到旋转校正后的轨迹坐标点。

4.根据权利要求1所述的一种基于MEMS和里程计组合的地下管线探测方法，其特征在于，平均拟合方法如下：

首先正向解算和逆向解算的得到的两组坐标点数据分别进行平均得到一组正向解算数据和一组逆向解算数据；之后，对两组数据的前十分之一和后十分之一进行如下形式的加权拟合：

Avg(k)_i＝((L-k)f_i(k)+kb_i(k))/L

其中，Avg表示最终平均拟合结果；f表示正向解算的结果；b表示逆向解算的结果；L表示数据的最大长度；k表示第k个数据；i＝x,y,z。最后对中间部分数据直接加和平均。