CN115507791B - 地下管线的惯性吹球测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地下管线的惯性吹球测量系统及方法。地下管线的惯性吹球测量系统包括惯性测量吹球、数据后处理单元和动力提供装置三部分。基于该惯性吹球测量系统实现的惯性吹球测量方法通过对固定安装于惯性测量吹球中的惯性导航传感器组在快速通过被测管道过程中采集的数据进行处理，得到惯性测量吹球的三维加速度和三维角速度信息，并结合管道两端已知的三维位置信息，采用惯性导航解算及反向平滑解算方法计算出管道的三维位置信息。本发明能够有效克服现有管线仪对管道材质、形状、测量环境和操作流程等局限，并且成本低廉，操作方法也相对简单，仅需要将惯性测量吹球放入管道后让其快速通过即可，方便快捷，可以成倍缩短测量时间。
Description
技术领域
本发明属于测量技术领域，具体涉及一种地下管线的惯性吹球测量系统及方法。
背景技术
目前常用地下管线定位方法中有地球物理方法（如电磁感应法、探地雷达法等）和非地球物理方法（如惯性陀螺仪定位法、声学探测法等），其中较有代表性的有基于电磁定位仪(Electromagnet Locator, EML)的电磁探测法、探地雷达(GroundProbing/Penetrating Radar, GPR)方法和磁探测法等，配套使用的仪器有美国DCI（DigitalControl Incorporated，DCI）公司生产的Eclipse系列和 Mark系列无线导向定位仪、英国雷迪(Radio-detection)公司生产的RD(Radio-Detection，RD)系列管线定位仪以及其它多种探地雷达等。这些方法大都是利用管线与周围介质物理特性的差异进行探测，其可用性均受到电磁干扰、铁磁干扰和管线埋深的影响。
为了应对上述问题，基于惯性导航系统技术的管线位置和姿态测量仪应运而生。惯性导航系统（inertial navigationsystem, INS）具有自主性完全、可靠性高、动态性能好等优点，但是由于其误差会随时间不断积累，因此常常需要其他的导航手段进行辅助与校正。很多高校和公司都研发了此类产品，如比利时REDUCT公司的DR4，广州大铁锐威科技有限公司的DT-GXY系列，零偏科技管线测量仪等。这些地下管道惯性测量仪进行管道测量时存在以下缺陷： 1）该类管线仪机身并不小巧，机身长度普遍为一米左右，无法适应和通过存在急转弯的管道，当管道转弯半径小时因无法通过导致无法进行测量。2）该类管线仪直径较大，一般要求待测管道直径不小于8厘米，难以适应小口径管道或微小管道等。3）该类管线仪通常采用电机牵引仪器通过管道的作业模式，实际作业时还需绞盘提供动力令管线测量仪通过管道，作业方式复杂，也因为该种动力提供方法，管线仪的通过速度一般为1米每秒左右，作业缓慢且效率较低。4）该类管线仪普遍对于内置的惯性测量单元（InertialMeasurement Unit，IMU）要求较高，需要采用价格高达上千甚至上万美元的高端MEMS IMU（Micro-Electro-MechanicalSystem Inertial Measurement Unit, MEMS IMU）或光纤IMU，采用精密机械结构，直接导致设备成本居高不下。因此亟需一种能够有效克服现有管线仪对管道材质、形状、测量环境和操作流程等局限，同时成本低廉、操作方法简单的管线测量方案。
发明内容
本发明提供一种地下管线的惯性吹球测量系统及方法，使用低成本MEMS惯导，通过缩短测量时间来抑制惯导误差的发散，获取所测管线的三维坐标，能够有效克服现有管线仪对管道材质、形状、测量环境和操作流程等局限。
为了达到上述目的，本发明提供的技术方案是一种地下管线的惯性吹球测量系统，包括惯性测量吹球、数据后处理单元和动力装置。
惯性测量吹球包括测量球载体、传感器组和数据记录仪。测量球载体包括外壳和用于固定内部传感器组和数据记录仪的安装支架，支架与外壳固定连接。传感器组和数据记录仪刚性固定安装在测量球载体内部。传感器组包括惯性测量单元IMU、速度传感器和磁力计，或者包括惯性测量单元IMU和速度传感器，或者仅包含惯性测量单元IMU。IMU由三个陀螺、三个加速度计和数据处理器构成，用于测量惯性测量吹球的三轴非引力加速度和三轴角速度向量，或者采用两轴陀螺和单轴加速度计，用于测量惯性测量吹球航向轴和俯仰轴的加速度、前向轴角速度向量。磁力计用于测量磁场强度和方向、定位设备的方位。数据记录仪按照时间顺序同步记录和存储传感器组的测量数据。
数据后处理单元用于事后处理数据记录仪中记录的原始数据。
动力提供装置为惯性测量吹球提供动力，使其在被测量的管道中快速运动，按照特定的步骤完成管道测量的数据采集工作。
本发明还提供的技术方案是一种地下管线的惯性吹球测量方法，包括以下步骤：
步骤1，确定待测管道的吹入点和吹出点；
步骤2，将惯性测量吹球放置在吹入点静置一定时间，并启动传感器组进行数据采集，数据记录仪按照时间顺序同步记录和存储传感器组的测量数据；
步骤3，执行吹球操作，数据记录仪按照时间顺序同步记录和存储传感器组的测量数据；
步骤4，当惯性测量吹球到达管道吹出点时进行收球操作，静置一定时间后，完成一次数据采集；
步骤5，调换吹入点与吹出点；
步骤6，重复执行步骤2-步骤5，直至完成所需测量次数后停止数据采集；
步骤7，根据步骤2获取的惯性测量吹球在吹入点静置时间段内的数据，得到惯性测量吹球的陀螺初始零偏；
步骤8，根据步骤2获取的惯性测量吹球在吹入点静置时间段内的数据，计算惯性测量吹球的初始横滚角与初始俯仰角；
步骤9，利用机械编排算法对步骤3获取的惯性测量吹球运动数据进行处理，获取惯性测量吹球的行进轨迹；
步骤10，根据步骤9获取的惯性测量吹球行进轨迹与步骤1中吹入点和吹出点的三维坐标进行组合解算，并做多次迭代，获取初始航向角；
步骤11，根据步骤10获取的初始航向角、步骤8获取的初始横滚角和初始俯仰角、步骤3获取的惯性测量吹球运动数据和步骤4获取的到达后静置数据进行反向平滑或DR航位推算，获取管道三维坐标序列。
而且，所述步骤1中取管道的测量起始点与测量结束点为吹入点和吹出点，并通过测量设备分别获取吹入点和吹出点的三维位置坐标。
而且，所述步骤3中进行吹球操作前需保证惯性测量吹球位于吹入点处，吹球操作指将动力提供装置与管道口对接，让惯性测量吹球快速通过被测管道。
而且，所述步骤4中收球操作指保证惯性测量吹球到达吹出点时立即停下，或者不让惯性测量吹球停下，利用高速相机等设备连续拍摄，确定惯性测量吹球通过吹出点的时间；在处理惯性测量吹球停下后采集的静止数据时，加入速度为零和航向不变两个约束条件，减小惯导的误差累积。
而且，所述步骤5中调换吹入点与吹出点指每一次吹球操作结束后对调吹入点与吹出点的位置，上一次的吹出点作为下一次测量的吹入点。
而且，所述步骤6中将静置时段内各轴角速度测量值的平均值用作各轴陀螺的初始零偏误差，并在后续的操作中将各轴的初始零偏减去，以压制陀螺随机测量噪声的影响。
而且，所述步骤7中在准静态的条件下加速度计的比力量测仅有重力输入，此时比力方向与导航坐标系地轴的反方向近似重合，导航坐标系原点为 IMU 中心，Z轴垂直参考椭球面竖直向下，X轴和Y轴在与Z轴垂直的水平面上，X轴平行于子午线指向北极点，Y轴指向东。传感器坐标系的原点为IMU测量中心，坐标轴“X-Y-Z”定义为惯性测量吹球的“前-右-下”。通过处理惯性测量吹球静置数据中的加速度计输出数据，计算惯性测量吹球的初始横滚角与初始俯仰角：
式中，
为初始俯仰角，
为初始横滚角，
和
分别为静置时段传感器坐标系X和传感器坐标系Y轴加速度的平均输出，g为正常重力加速度。
而且，所述步骤9中利用惯性导航机械编排算法处理惯性测量吹球运动时加速度计和陀螺仪测得的数据，获取惯性测量吹球的行进轨迹，机械编排包括姿态更新、速度更新与位置更新三步，首先根据前一时刻的姿态和陀螺输出的一个或多个测量值，计算当前时刻的姿态，然后已知来自于加速度计的比力测量值在特定的坐标系内求解牛顿力学方程更新速度，最后进行位置更新，计算最新时刻位置坐标，循环姿态-速度-位置更新这个过程，最终推算出来惯性测量吹球的三维行进轨迹。
而且，所述步骤10中利用步骤1中获取的吹入点和吹出点的三维坐标连线获取轨迹向量测量值（误差很小，接近真实值），利用步骤9获取的惯性测量吹球行进轨迹得到轨迹向量估计值，通过计算轨迹向量的估计值与测量值之间的差异来迭代获取惯导解算的初始航向角。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1）本发明测量装置小巧，惯性测量吹球长度仅10厘米左右，即便是存在急转弯的管道也可以顺利通过，对管道的适应性较强。2）本发明直径较小，机身直径可以达到5厘米甚至更小，能够完成对于小微口径管道的测量。3）本发明使用动力提供装置快速通过管道，通过速度快，单次测量时间短，作业简单且效率高。4）本发明由于测量时间短，对内置的惯性测量单元要求较低，仅需要MEMS级别IMU，设备成本低。
附图说明
图1为本发明系统作业示意图。
图2为本发明测量设备内部图。
图中：1待测管道，2惯性测量吹球，3动力提供装置，4待测管道吹出点，5测量吹球外壳，6IMU，7速度传感器，8磁力计，9数据记录仪。
具体实施方式
本发明提供一种地下管线的惯性吹球测量系统及方法，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
一种地下管线的惯性吹球测量系统，包括惯性测量吹球、数据后处理单元和动力提供装置。
惯性测量吹球包括测量球载体、传感器组和数据记录仪。测量球载体包括外壳和用于固定内部传感器组和数据记录仪的安装支架，支架与外壳固定连接，外壳可以根据管道需要设计为圆球形、橄榄球型、圆柱型或子弹型等。传感器组和数据记录仪刚性固定安装在测量球载体内部。传感器组包括一个惯性测量单元（IMU）、一个速度传感器和一个磁力计，或者包括惯性测量单元IMU和速度传感器，或者仅包含惯性测量单元IMU。IMU可以由三个陀螺、三个加速度计和一个数据处理器构成，用于测量惯性测量吹球的三轴非引力加速度和三轴角速度向量，也可采用简化传感器配置，例如两轴陀螺和单轴加速度计，用于测量惯性测量吹球航向轴和俯仰轴的加速度、前向轴角速度向量。磁力计用于测试磁场强度和方向、定位设备的方位，可采用单轴磁力计或双轴磁力计，也可以省略掉磁力计。数据记录仪按照时间顺序同步记录和存储传感器组的测量数据。
数据后处理单元用于事后处理数据记录仪中记录的原始数据。
动力提供装置为惯性测量吹球提供动力，使其在被测量的管道中快速运动，按照特定的步骤完成管道测量的数据采集工作。动力提供装置提供的动力形式包含但不限于：气流、水流、电磁、快速牵引机械装置。
一种地下管线的惯性吹球测量方法，包括以下步骤：
步骤1，确定待测管道的吹入点和吹出点。
取管道的测量起始点与测量结束点为吹入点和吹出点，并通过实时差分卫星定位（GNSS RTK）设备分别获取吹入点和吹出点的三维位置坐标。
步骤2，将惯性测量吹球放置在吹入点静置一定时间，并启动传感器组进行数据采集，数据记录仪按照时间顺序同步记录和存储传感器组的测量数据。
本实施例中传感器组中的惯性测量单元IMU由三轴陀螺仪、三轴加速度计和数据处理器构成，三轴陀螺仪用来获取惯性测量吹球的三维角速度，三轴加速度计用来获取惯性测量吹球的三维三轴非引力加速度。IMU、里程计、位移传感器和磁力计的原始测量值以数据记录仪的本地晶振或GNSS秒脉冲（Pulses Per Second，PPS）为参考进行时间同步，打上统一时间标签，按时间先后顺序排列并统一记录在数据记录仪中。
步骤3，执行吹球操作，数据记录仪按照时间顺序同步记录和存储传感器组的测量数据。
进行吹球操作前需保证惯性测量吹球位于吹入点处，吹球操作指将动力提供装置与管道口对接，让惯性测量吹球快速通过被测管道。本实施例中的动力提供装置为常见款型吹风机，能够在短时间内让惯性测量吹球达到15米每秒左右的速度，将吹风机对准待测管道口并开启最大功率进行吹风操作，在强大的风力吹动下惯性测量吹球会快速运动并被吹出管道。
步骤4，当惯性测量吹球到达管道吹出点时进行收球操作，静置一定时间后，完成一次数据采集。
收球操作指保证惯性测量吹球到达吹出点时立即停下，或者不让惯性测量吹球停下，利用高速相机等设备连续拍摄，确定惯性测量吹球通过吹出点的时间。本实施例利用U型管令惯性测量吹球到达吹出点时立刻停下，静止一定时间后关闭传感器组，即完成一次测量作业。在处理惯性测量吹球停下后采集的静止数据时，加入速度为零和航向不变两个约束条件，减小惯导的误差累积。
步骤5，调换吹入点与吹出点。
调换吹入点与吹出点指每一次吹球操作结束后对调吹入点与吹出点的位置，上一次的吹出点作为下一次测量的吹入点。整个测量作业中的通过次数可以分为奇数次和偶数次，奇数次的吹入点为偶数次的吹出点，而偶数次的吹入点为奇数次的吹出点。奇数次测量作业与偶数次测量作业的通过方向相反，其余操作完全相同。本步骤进行偶数次测量，可获得闭合及重复测量的数据，进而消除系统误差，进一步提升测量精度。
步骤6，重复执行步骤2-步骤5，直至完成所需测试次数后停止数据采集。
步骤7，根据步骤2获取的惯性测量吹球静置时间段内的数据，得到惯性测量吹球的陀螺初始零偏。
当惯性测量吹球静止时，陀螺的真实输入为地球自转角速度，陀螺的输出数值为地球自转角速度与陀螺自身带有的初始零偏，由于IMU的陀螺零偏远大于地球自转角速度，故认为地球自转角速度被陀螺零偏淹没。将静置时段内各轴角速度测量值的平均值用作各轴陀螺的初始零偏误差，并在后续的操作中将各轴的初始零偏减去，以压制陀螺随机测量噪声的影响。
步骤8，根据步骤2获取的惯性测量吹球静置时间段内的数据，计算惯性测量吹球的初始横滚角与初始俯仰角。
一般认为在准静态的条件下加速度计的比力量测仅有重力输入，此时比力方向与导航坐标系地轴的反方向近似重合，导航坐标系原点为 IMU 中心，Z轴垂直参考椭球面竖直向下，X轴和Y轴在与Z轴垂直的水平面上，X轴平行于子午线指向北极点，Y轴指向东。传感器坐标系的原点为IMU测量中心，坐标轴“X-Y-Z”定义为惯性测量吹球的“前-右-下”。通过处理惯性测量吹球静置数据中的加速度计输出数据，可计算惯性测量吹球的初始横滚角与初始俯仰角：
式中，
为初始俯仰角，
为初始横滚角，
和
分别为静置时段传感器坐标系X和传感器坐标系Y轴加速度的平均输出，g为正常重力加速度。
步骤9，利用机械编排算法对步骤3获取的惯性测量吹球运动数据进行处理，获取惯性测量吹球的行进轨迹。
利用惯性导航机械编排算法处理惯性测量吹球运动时加速度计和陀螺仪测得的数据，获取惯性测量吹球的行进轨迹，机械编排包括姿态更新、速度更新与位置更新三步，首先根据前一时刻的姿态和陀螺输出的一个或多个测量值，计算当前时刻的姿态，然后已知来自于加速度计的比力测量值在特定的坐标系内求解牛顿力学方程更新速度，最后进行位置更新，计算最新时刻位置坐标，循环姿态-速度-位置更新这个过程，最终推算出来惯性测量吹球的三维行进轨迹。
步骤10，根据步骤9获取的惯性测量吹球行进轨迹与步骤1中吹入点和吹出点的三维坐标进行组合解算，并做多次迭代，获取初始航向角。
利用步骤1中获取的吹入点和吹出点的三维坐标连线获取轨迹向量测量值（误差很小，接近真实值），利用步骤9获取的惯性测量吹球行进轨迹得到轨迹向量估计值，通过计算轨迹向量的估计值与测量值之间的差异来迭代获取惯导解算的初始航向角。
步骤11，根据步骤10获取的初始航向角、步骤8获取的初始横滚角和初始俯仰角、步骤3获取的惯性测量吹球运动数据和步骤4获取的到达后静置数据进行反向平滑或DR航位推算，获取管道三维坐标序列。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以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，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (7)
1.一种地下管线的惯性吹球测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，确定待测管道的吹入点和吹出点；
步骤2，将惯性测量吹球放置在吹入点静置一定时间，并启动传感器组进行数据采集，数据记录仪按照时间顺序同步记录和存储传感器组的测量数据；
步骤3，执行吹球操作，数据记录仪按照时间顺序同步记录和存储传感器组的测量数据；
步骤4，当惯性测量吹球到达管道吹出点时进行收球操作，静置一定时间后，完成一次数据采集；
收球操作指保证惯性测量吹球到达吹出点时立即停下，或者不让惯性测量吹球停下，利用高速相机设备连续拍摄，确定惯性测量吹球通过吹出点的时间；在处理惯性测量吹球停下后采集的静止数据时，加入速度为零和航向不变两个约束条件，减小惯导的误差累积；
步骤5，调换吹入点与吹出点；
步骤6，重复执行步骤2-步骤5，直至完成所需测量次数后停止数据采集；
步骤7，根据步骤2获取的惯性测量吹球在吹入点静置时间段内的数据，得到惯性测量吹球的陀螺初始零偏；
步骤8，根据步骤2获取的惯性测量吹球在吹入点静置时间段内的数据，计算惯性测量吹球的初始横滚角与初始俯仰角；
步骤9，利用机械编排算法对步骤3获取的惯性测量吹球运动数据进行处理，获取惯性测量吹球的行进轨迹；
步骤10，根据步骤9获取的惯性测量吹球行进轨迹与步骤1中吹入点和吹出点的三维坐标进行组合解算，并做多次迭代，获取初始航向角；
利用步骤1中获取的吹入点和吹出点的三维坐标连线获取轨迹向量测量值，利用步骤9获取的惯性测量吹球行进轨迹得到轨迹向量估计值，通过计算轨迹向量的估计值与测量值之间的差异来迭代获取惯导解算的初始航向角；
步骤11，根据步骤10获取的初始航向角、步骤8获取的初始横滚角和初始俯仰角、步骤3获取的惯性测量吹球运动数据和步骤4获取的到达后静置数据进行反向平滑或DR航位推算，获取管道三维坐标序列；
上述惯性吹球测量方法基于惯性吹球测量系统实现，惯性吹球测量系统包括惯性测量吹球、数据后处理单元和动力提供装置；
惯性测量吹球包括测量球载体、传感器组和数据记录仪，测量球载体包括外壳和用于固定内部传感器组和数据记录仪的安装支架，支架与外壳固定连接，传感器组和数据记录仪刚性固定安装在测量球载体内部；传感器组包括惯性测量单元IMU、速度传感器和磁力计，或者包括惯性测量单元IMU和速度传感器，或者仅包含惯性测量单元IMU，IMU由三个陀螺、三个加速度计和数据处理器构成，用于测量惯性测量吹球的三轴非引力加速度和三轴角速度向量，或者采用两轴陀螺和单轴加速度计，用于测量惯性测量吹球航向轴和俯仰轴的加速度、前向轴角速度向量，磁力计用于测量磁场强度和方向、定位设备的方位；数据记录仪按照时间顺序同步记录和存储传感器组的测量数据；
数据后处理单元用于事后处理数据记录仪中记录的原始数据；
动力提供装置为惯性测量吹球提供动力，使其在被测量的管道中快速运动，按照特定的步骤完成管道测量的数据采集工作。
2.如权利要求1所述的一种地下管线的惯性吹球测量方法，其特征在于：步骤1中取管道的测量起始点与测量结束点为吹入点和吹出点，并通过测量设备分别获取吹入点和吹出点的三维位置坐标。
3.如权利要求1所述的一种地下管线的惯性吹球测量方法，其特征在于：步骤3中进行吹球操作前需保证惯性测量吹球位于吹入点处，吹球操作指将动力提供装置与管道口对接，让惯性测量吹球快速通过被测管道。
4.如权利要求1所述的一种地下管线的惯性吹球测量方法，其特征在于：步骤5中调换吹入点与吹出点指每一次吹球操作结束后对调吹入点与吹出点的位置，上一次的吹出点作为下一次测量的吹入点。
5.如权利要求1所述的一种地下管线的惯性吹球测量方法，其特征在于：步骤7中将静置时段内各轴角速度测量值的平均值用作各轴陀螺的初始零偏误差，并在后续的操作中将各轴的初始零偏减去，以压制陀螺随机测量噪声的影响。
6.如权利要求1所述的一种地下管线的惯性吹球测量方法，其特征在于：步骤8中在准静态的条件下加速度计的比力量测仅有重力输入，此时比力方向与导航坐标系地轴的反方向近似重合，导航坐标系原点为 IMU 中心，Z轴垂直参考椭球面竖直向下，X轴和Y轴在与Z轴垂直的水平面上，X轴平行于子午线指向北极点，Y轴指向东，传感器坐标系的原点为IMU测量中心，坐标轴“X-Y-Z”定义为惯性测量吹球的“前-右-下”，通过处理惯性测量吹球静置数据中的加速度计输出数据，计算惯性测量吹球的初始横滚角与初始俯仰角：
式中，
为初始俯仰角，
为初始横滚角，
和
分别为静置时段传感器坐标系X和传感器坐标系Y轴加速度的平均输出，g为正常重力加速度。
7.如权利要求1所述的一种地下管线的惯性吹球测量方法，其特征在于：步骤9中利用惯性导航机械编排算法处理惯性测量吹球运动时加速度计和陀螺仪测得的数据，获取惯性测量吹球的行进轨迹，机械编排包括姿态更新、速度更新与位置更新三步，首先根据前一时刻的姿态和陀螺输出的一个或多个测量值，计算当前时刻的姿态，然后已知来自于加速度计的比力测量值在特定的坐标系内求解牛顿力学方程更新速度，最后进行位置更新，计算最新时刻位置坐标，循环姿态-速度-位置更新这个过程，最终推算出来惯性测量吹球的三维行进轨迹。
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