CN112857364B - 一种管道imu检测数据的数据修正方法、系统和介质 - Google Patents
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Abstract
本发明属于管道检测技术领域，公开了一种管道IMU检测数据的数据修正方法、系统和介质，包括获取管道IMU检测成果数据，对检测成果数据进行预处理，并从预处理结果中提取管道特征点；获取管道特征点对应的现场坐标数据，并将现场坐标数据进行整理；基于检测成果数据形成第一标准表单，以及基于现场坐标数据形成第二标准表单；建立IMU数据修正数学模型，并利用数学模型对现场坐标数据和检测成果数据进行匹配计算以对检测成果数据进行数据修正，获得数据修正结果。本发明随机提取管道特征点并采集对应现场坐标数据，建立数学模型计算数据偏移量，将偏移量叠加至给定的检测成果数据，即可对IMU的检测成果数据进行修正，最小化IMU检测数据与实际管线的误差。
Description
技术领域
本发明属于管道检测技术领域，具体涉及一种管道IMU检测数据的数据修正方法、系统和介质。
背景技术
管道内检测的一个重要应用是管道测绘，即在管道内检测中测量整条管道的地理信息，或者对某些特征点进行定位，当前该应用的工程方法是利用惯性导航技术实现。该技术可以在管道正常运行状态下，使用惯性器件(即IMU，包括三维正交的陀螺仪和加速度计)测绘管道的三维相对位置坐标，以地面高精度参考点(检测起点、沿途参考点、检测终点)GPS坐标(或者其他卫星定位系统提供的坐标)加以修正，能够精确描绘管道中心线三维走向图。该系统称为管道惯性测量系统。
惯性导航系统的轨迹精确性直接关系到系统测量的准确性，管道投运过程中，由于管道容易振动，对测量产生干扰，且由于误差分布的非均匀性，使系统难以获得管道所有采样点的真实导航信息，进而使轨迹误差更加难以修正。而现有技术中尚未存在一种能够对管道IMU检测数据进行有效修复的方法，因此难以克服现有IMU测绘设备存在的数据误差缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种管道IMU检测数据的数据修正方法，用以解决现有技术的IMU测绘设备获取的检测数据存在误差的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：
一种管道IMU检测数据的数据修正方法，所述方法包括：
步骤1：获取管道IMU检测成果数据，对所述检测成果数据进行预处理，并从预处理结果中提取管道特征点；
步骤2：基于所述管道特征点，获取所述管道特征点对应的现场坐标数据，并将所述现场坐标数据进行整理并获得整理结果；
步骤3：基于所述检测成果数据形成第一标准表单，以及基于整理后的所述管道特征点及对应的现场坐标数据形成第二标准表单；
步骤4：建立IMU数据修正数学模型，并利用所述数学模型对所述现场坐标数据和所述检测成果数据进行匹配计算以对所述检测成果数据进行数据修正，并获得数据修正结果；
步骤5：输出所述数据修正结果并显示。
进一步的，所述步骤1包括：
步骤1.1：利用管道检测设备获取管道IMU检测成果数据；
步骤1.2：将所述检测成果数据导入人机交互界面并获取管道二维走向图；
步骤1.3：分析处理所述管道二维走向图，并从处理后的管道二维走向图中提取管道特征点。
进一步的，所述步骤1.3包括：
步骤1.31：分析处理所述管道二维走向图，确保其为连续平滑的二维走向图；
步骤1.32：基于一定距离的间距，从所述管道二维走向图中提取管道特征点。
进一步的，所述步骤2包括：
步骤2.1：基于所述管道特征点，利用管道探测测绘设备采集所述管道特征点对应的现场坐标数据；
步骤2.2：将所述现场坐标数据导入人机交互界面进行整理并获得整理结果，以确保采集的现场坐标数据连贯、无交叉和折线的情况。
进一步的，所述步骤4包括：
步骤4.1：定义已知三维曲线L(t)，随机抽样点集合ts以及目标三维曲线Lr(t)，则L(t)、ts和Lr(t)满足min(∑T∈ts(Lr(t)-Ls(t)))；
其中，L(t)为所述IMU检测成果数据拟合的三维曲线，ts为所述现场坐标数据的拟合，所述Lr(t)为管道实际坐标数据拟合的目标三维曲线；
步骤4.2：假定所述管道IMU检测数据与现场实际坐标数据的偏移量符合高斯-泊松混合分布，基于高斯-泊松混合分布和变分法，建立IMU数据修正的数学模型：
其中，r1、r2和α是平衡正则项和保真项的参数且r1≥0,r2≥0,α≥0；和为正则项，/>和/>为保真项，E(u)为能量泛函，Ω为问题定义域，V为模糊算子，f∈V，是IMU原始数据L(t)，u∈V是修正后的数据Lr(t)；
步骤4.3：引入增广拉格朗日算子，然后利用误差分布张量场，将约束问题转换为无约束极值问题，求解所述IMU数据修正数学模型：
其中，λp∈Q，λz∈V，正则化参数rp>0，rz>0，L(u,p,z；λp,λz)为增广拉格朗日泛函；
步骤4.4：根据所述IMU数据修正数学模型，获取分布在三维欧式空间中的偏移分布标量场，对其进行离散化并根据离散化结果获得每一离散点的偏移量；
步骤4.5：将每一离散点的偏移量叠加至所述检测成果数据，获得数据修正结果。
进一步的，所述步骤4.2之前，还包括：
将所述已知三维曲线L(t)离散化，并用三维矩阵N×M×P表示，V＝RN×M×P，则离散的梯度算子其中Q＝V×V；
定义f＝Ku+n；其中，f∈V是所述检测成果数据，u∈V是修正后的数据，n∈V为误差算子，K:V→V为模糊算子，M×N是数据大小，其中N为数据的长度，M为数据的维度。
进一步的，所述管道特征点包括弯头、漏管焊缝和阀门，所述现场坐标数据包括X轴坐标、Y轴坐标、地面高程和管道埋深。
本发明还提供一种管道IMU检测数据的数据修正系统，包括依次通信连接的存储器、处理器和收发器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述收发器用于收发消息，所述处理器用于读取所述计算机程序，执行如上述的管道IMU检测数据的数据修正方法。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上述的管道IMU检测数据的数据修正方法。
本发明的有益效果为：通过随机采样管道特征点的现场坐标数据，并建立数学模型将现场坐标数据与给定的IMU检测成果数据进行匹配计算并获取数据偏移量，将偏移量叠加至给定的检测成果数据，即可对IMU的检测成果数据进行修正，在尽量保证IMU数据形状信息及趋势信息的情况下，最小化IMU检测数据与实际管线的误差。
附图说明
图1是本发明实施例中的管道IMU检测数据的数据修正方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本说明书实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本说明保护的范围。
应当理解，尽管本文可能使用术语第一、第二等等来描述各种单元，但是这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元,并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本发明的示例实施例的范围。
应当理解，对于本文中可能出现的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况；对于本文中可能出现的术语“/和”，其是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况；另外，对于本文中可能出现的字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
应当理解，在本文中若将单元称作与另一个单元“连接”、“相连”或“耦合”时，它可以与另一个单元直相连接或耦合，或中间单元可以存在。相対地，在本文中若将单元称作与另一个单元“直接相连”或“直接耦合”时，表示不存在中间单元。另外，应当以类似方式来解释用于描述单元之间的关系的其他单词(例如，“在……之间”对“直接在……之间”,“相邻”对“直接相邻”等等)。
应当理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并不意在限制本发明的示例实施例。若本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解，若术语“包括”、“包括了”、“包含”和/或“包含了”在本文中被使用时,指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性,并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。
应当理解，还应当注意到在一些备选实施例中，所出现的功能/动作可能与附图出现的顺序不同。例如,取决于所涉及的功能/动作,实际上可以实质上并发地执行,或者有时可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。
应当理解，在下面的描述中提供了特定的细节,以便于对示例实施例的完全理解。然而,本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出系统，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实例中，可以不以不必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清。
实施例一
参见图1，示出了一种管道IMU检测数据的数据修正方法的流程示意图，所述方法包括：
步骤1：获取管道IMU检测成果数据，对所述检测成果数据进行预处理，并从预处理结果中提取管道特征点；
在本发明实施例中，所述步骤1包括：
步骤1.1：利用管道检测设备获取管道IMU检测成果数据；
步骤1.2：将所述检测成果数据导入人机交互界面并获取管道二维走向图；
步骤1.3：分析处理所述管道二维走向图，并从处理后的管道二维走向图中提取管道特征点。优选的，所述管道特征点包括弯头、漏管焊缝和阀门，其中，在选择弯头点时，优先选择热煨弯头。
进一步的，所述步骤1.3包括：
步骤1.31：分析处理所述管道二维走向图，确保其为连续平滑的二维走向图；
步骤1.32：基于一定距离的间距，从所述管道二维走向图中提取管道特征点。其中，所述一定距离的间距可以是2-4km的间距，当然可以理解的是，此处并不对间距作出限定，可以根据实际需要进行设置。
步骤2：基于所述管道特征点，获取所述管道特征点对应的现场坐标数据，并将所述现场坐标数据进行整理并获得整理结果；
在本发明实施例中，优选的，所述步骤2包括：
步骤2.1：基于所述管道特征点，利用管道探测测绘设备采集所述管道特征点对应的现场坐标数据；其中，在采集弯头特征点时，应以弯头中心为基准，前后各采集约20m长管段，形成弯头形貌；所述现场坐标数据包括X轴坐标、Y轴坐标、地面高程和管道埋深。
步骤2.2：将所述现场坐标数据导入人机交互界面进行整理并获得整理结果，以确保采集的现场坐标数据连贯、无交叉和折线的情况。
步骤3：基于所述检测成果数据形成第一标准表单，以及基于整理后的所述管道特征点及对应的现场坐标数据形成第二标准表单；其中，第一标准表单和第二标准表单均包括：管道特征点名、X轴坐标、Y轴坐标、地面高程和管道埋深。
步骤4：建立IMU数据修正数学模型，并利用所述数学模型对所述现场坐标数据和所述检测成果数据进行匹配计算以对所述检测成果数据进行数据修正，并获得数据修正结果；
进一步的，所述步骤4包括：
步骤4.1：定义已知三维曲线L(t)，随机抽样点集合ts以及目标三维曲线Lr(t)，则L(t)、ts和Lr(t)满足min(∑T∈ts(Lr(t)-Ls(t)))；
其中，L(t)为所述IMU检测成果数据拟合的三维曲线，ts为所述现场坐标数据的拟合，所述Lr(t)为管道实际坐标数据拟合的目标三维曲线；
将所述已知三维曲线L(t)离散化，并用三维矩阵N×M×P表示，V＝RN×M×P，则离散的梯度算子其中Q＝V×V；
定义f＝Ku+n；其中，f∈V是所述检测成果数据，u∈V是修正后的数据，n∈V为误差算子，K:V→V为模糊算子，M×N是数据大小，其中N为数据的长度，M为数据的维度。
步骤4.2：假定所述管道IMU检测数据与现场实际坐标数据的偏移量符合高斯-泊松混合分布，基于高斯-泊松混合分布和变分法，建立IMU数据修正的数学模型：
其中，r1、r2和α是平衡正则项和保真项的参数且r1≥0,r2≥0,α≥0；和为正则项，/>和/>为保真项，E(u)为能量泛函，Ω为问题定义域，V为模糊算子，f∈V，是IMU原始数据L(t)，u∈V是修正后的数据Lr(t)；
步骤4.3：引入增广拉格朗日算子，然后利用误差分布张量场，将约束问题转换为无约束极值问题，求解所述IMU数据修正数学模型：
其中，λp∈Q，λz∈V，正则化参数rp>0，rz>0，L(u,p,z；λp,λz)为增广拉格朗日泛函；
步骤4.4：根据所述IMU数据修正数学模型，获取分布在三维欧式空间中的偏移分布标量场，对其进行离散化并根据离散化结果获得每一离散点的偏移量；
步骤4.5：将每一离散点的偏移量叠加至所述检测成果数据，获得数据修正结果。
步骤5：输出所述数据修正结果并显示。
本发明实施例的有益效果为：通过随机采样管道特征点的现场坐标数据，并建立数学模型将现场坐标数据与给定的IMU检测成果数据进行匹配计算并获取数据偏移量，将偏移量叠加至给定的检测成果数据，即可对IMU的检测成果数据进行修正，在尽量保证IMU数据形状信息及趋势信息的情况下，最小化IMU检测数据与实际管线的误差。
实施例二
本发明还提供一种管道IMU检测数据的数据修正系统，其特征在于，包括依次通信连接的存储器、处理器和收发器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述收发器用于收发消息，所述处理器用于读取所述计算机程序，执行所述管道IMU检测数据的数据修正方法。
实施例三
本领域普通技术人员可以理解的是实现上述实施例的方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成。该计算机程序包括程序指令，计算机程序可存储于一存储介质中，该存储介质为计算机可读存储介质。该程序指令被该计算机系统中的至少一个处理器执行，以实现上述方法的实施例的流程步骤。
因此，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上述的方法。所述存储介质可以是U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的计算机可读存储介质。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。
Claims (7)
1.一种管道IMU检测数据的数据修正方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：获取管道IMU检测成果数据，对所述检测成果数据进行预处理，并从预处理结果中提取管道特征点；
步骤2：基于所述管道特征点，获取所述管道特征点对应的现场坐标数据，并将所述现场坐标数据进行整理并获得整理结果；
步骤3：基于所述检测成果数据形成第一标准表单，以及基于整理后的所述管道特征点及对应的现场坐标数据形成第二标准表单；
步骤4：建立IMU数据修正数学模型，并利用所述数学模型对所述现场坐标数据和所述检测成果数据进行匹配计算以对所述检测成果数据进行数据修正，并获得数据修正结果；
步骤5：输出所述数据修正结果并显示；
所述步骤4包括：
步骤4.1：定义已知三维曲线L(t)，随机抽样点集合ts以及目标三维曲线Lr(t)，则L(t)、ts和Lr(t)满足min(∑T∈ts(Lr(t)-Ls(t)))；
其中，L(t)为所述IMU检测成果数据拟合的三维曲线，ts为所述现场坐标数据的集合，所述Lr(t)为管道现场坐标数据拟合的目标三维曲线；
步骤4.2：假定所述管道IMU检测成果数据与现场坐标数据的偏移量符合高斯-泊松混合分布，基于高斯-泊松混合分布和变分法，建立IMU数据修正的数学模型：
其中，r1、r2和α是平衡正则项和保真项的参数且r1≥0,r2≥0,α≥0；和/>为正则项，/>和/>为保真项，E(u)为能量泛函，Ω为问题定义域，f∈V是IMU检测成果数据，u∈V是修正后的数据；
步骤4.3：引入增广拉格朗日算子，然后利用误差分布张量场，将约束问题转换为无约束极值问题，求解所述IMU数据修正数学模型：
其中，λp∈Q，λz∈V，正则化参数rp＞0，rz＞0，L(u,p,z；λp,λz)为增广拉格朗日泛函；
步骤4.4：根据所述IMU数据修正数学模型，获取分布在三维欧式空间中的偏移分布标量场，对其进行离散化并根据离散化结果获得每一离散点的偏移量；
步骤4.5：将每一离散点的偏移量叠加至所述检测成果数据，获得数据修正结果；
所述步骤4.2之前，还包括：
将所述已知三维曲线L(t)离散化，并用三维矩阵N×M×P表示，V＝RN×M×P，则离散的梯度算子▽:V→Q，其中Q＝V×V；
定义f＝Ku+n；其中，f∈V是所述检测成果数据，u∈V是修正后的数据，n∈V为误差算子，K:V→V为模糊算子，M×N是数据大小，其中N为数据的长度，M为数据的维度。
2.根据权利要求1所述的管道IMU检测数据的数据修正方法，其特征在于，所述步骤1包括：
步骤1.1：利用管道检测设备获取管道IMU检测成果数据；
步骤1.2：将所述检测成果数据导入人机交互界面并获取管道二维走向图；
步骤1.3：分析处理所述管道二维走向图，并从处理后的管道二维走向图中提取管道特征点。
3.根据权利要求2所述的管道IMU检测数据的数据修正方法，其特征在于，所述步骤1.3包括：
步骤1.31：分析处理所述管道二维走向图，确保其为连续平滑的二维走向图；
步骤1.32：基于一定距离的间距，从所述管道二维走向图中提取管道特征点。
4.根据权利要求1所述的管道IMU检测数据的数据修正方法，其特征在于，所述步骤2包括：
步骤2.1：基于所述管道特征点，利用管道探测测绘设备采集所述管道特征点对应的现场坐标数据；
步骤2.2：将所述现场坐标数据导入人机交互界面进行整理并获得整理结果，以确保采集的现场坐标数据连贯、无交叉和折线的情况。
5.根据权利要求1所述的管道IMU检测数据的数据修正方法，其特征在于，所述管道特征点包括弯头、漏管焊缝和阀门，所述现场坐标数据包括X轴坐标、Y轴坐标、地面高程和管道埋深。
6.一种管道IMU检测数据的数据修正系统，其特征在于，包括依次通信连接的存储器、处理器和收发器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述收发器用于收发消息，所述处理器用于读取所述计算机程序，执行如权利要求1-5任意一项所述的管道IMU检测数据的数据修正方法。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如权利要求1-5任意一项所述的管道IMU检测数据的数据修正方法。
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