CN203177862U - 在役管道惯性导航测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种基于惯性导航技术对在役管道位置测量的在役管道惯性导航测量系统。涉及无线电定位和管道系统技术领域。其特征是所述惯性测量单元为三个加速度计和三个激光陀螺仪的输出接惯性导航系统，惯性导航系统输出接滤波和迭代计算，里程轮输出也接滤波和迭代计算，惯性导航另一输出位置、姿态角、速度信号。本实用新型能实时测量检测器位置姿态，准确定位缺陷在管道中位置，准确定位检测器在管道中位置，能绘制管道轨迹路线，并实时记录存储数据。

Description

在役管道惯性导航测量系统

技术领域

本实用新型是一种基于惯性导航技术对在役管道位置测量的在役管道惯性导航测量系统。涉及无线电定位和管道系统技术领域。

背景技术

管道作为气体、石油等介质的长距离输送设施，被铺设于世界各地，陆地、海洋等各种环境之中。安全是管道运行最基本的条件，因而在进行管道规划、设计、施工、操作及维护的各个阶段，都要根据相应的法规采取安全措施，尤为需要重视的是对泄漏事故的早期发现及防止泄漏扩散。

我国的长输管道工业虽然起步较晚，但在从上世纪50年代开始的几十年中我国管道工业有了较大发展，管道输送己在我国能源产业中占有极其重要的地位，如果把石油比作关乎国计民生的“工业血液”，那么输油管道就可以被誉为保障“血液”安全通畅的大动脉，管道运输已经成为关系到现代工业和国民经济发展的命脉行业。中国目前长距离油气输送管道总长己超过2万公里，并且正在以前所未有的速度发展。由于地质灾害等的环境因素的影响会导致管道发生位移、变形，从而在局部管体产生较大的弯曲应变，严重时导致管道失稳或材料破坏，局部弯曲应变处的管体除承受正常的内压载荷外，还承受弯曲应变附加的弯曲应力载荷，因此管道弯曲应变的存在严重影响管道的结构完整性与运行安全，特别是弯曲应变处存在严重缺陷时更容易导致管道失效使得管道的安全性得不到保障。管道的安全性在油气传输中有着非常重要的地位，一旦管道出现问题，油气的输送就会受到影响。为了避免管道失效事故的发生，需要对管道的具体位置进行定位测量，以确定管道当前的具体位置，以及对比计算位移、变形，根据测绘数据评价管道结构完整性，查找管道发生较大变形的高风险点，从而提前采取有效的措施。

目前对于管道位置的检测，主要采用卫星定位系统、管道探测仪、地探雷达等方法，但是由于在役管道多数掩埋于地下，使得这些技术对定位管道位置存在很大的局限性，难以做到全面、系统地检测管道的位移甚至变形。惯性导航系统是一种先进的导航方法，它利用惯性元件(陀螺仪、加速度计)测量出运动载体的加速度等参数，经过计算后便可以获得物体速度和位置，供导航使用。由于它的完全自主性，惯性导航已经广泛用于航天、航空、航海和许多民用领域，成为目前各种航行体上应用的一种主要导航设备，能够提供精确的姿态和多种导航信息。

管道惯性导航技术在国际上属于垄断技术和不断发展的技术，工业发达国家已建立了完整的理论体系和技术规范，国内跟踪该技术领域也已多年，近年在与国外合作和自主研发方面取得了很大进展，但在基础问题和跟踪国际领先技术的研究方面进行的还不完整、不全面，亦使得管道惯性导航技术在国内的普及率很低；而且国外技术在进行管道惯性导航技术的同时，检测确定管道地理坐标信息和管道运行信息，这将全面泄漏国家机密信息，直接影响国家安全。

《中国优秀硕士学位论文全文数据库》2012年第七期刊载的“管道内检测惯性导航定位方法的研究”公开了一种基于惯性导航技术对在役管道的位置信息进行测量的在役管道惯性导航测量系统，但该系统缺少详细的构成，实现起来有一定难度。

因此，进行管道惯性导航技术的自主研发已成为推进油气管道安全保障的当务之急，同时出于国家安全、减少安全事故以及经济因素等多方面的考虑，也必须在不必依赖国外技术的前提下，研制开发具有自主知识产权、达到国际先进水平的高性能管道惯性导航测量技术，为确保我国长输管道安全运行提供科学检测手段和依据。

实用新型内容

本实用新型的目的是设计一种用以实时测量检测器位置姿态、准确定位缺陷在管道中位置、准确定位检测器在管道中位置、绘制管道轨迹路线、并实时记录存储数据的在役管道惯性导航测量系统。

本实用新型根据惯性导航系统的特性提出了一种在役管道惯性导航测量系统。将其搭载至管道内检测器或其他载体上对油气管道进行检测，可以在管道正常运行状态下，使用惯性测量单元测绘出管道的三维相对位置坐标，结合地面高精度参考点GPS坐标及里程轮对管道位置进行定位和修正，能够精确描绘出管道三维坐标与走向，为管道事故的预防和合理维护提供科学依据。与已有技术一样，管道惯性导航测量系统由两个独立部分组成，一部分是惯性测量单元，一部分是数据处理单元。惯性测量单元主要由三个加速度计、三个激光陀螺仪、信号处理电路、电源模块、数据采集、存储模块组成，管道惯性测量系统如图1所示。管道惯性测量单元主体主要完成惯性器件数据实时采集、误差补偿、记录等工作，数据处理单元有主处理器，主要完成数据下载、导航解算和组合导航工作。

本实用新型的管道惯性导航测量单元如图2、图3所示。三个加速度计和三个激光陀螺仪的输出接惯性导航系统，惯性导航系统输出接滤波和迭代计算，里程轮输出也接滤波和迭代计算，惯性导航另一输出位置、姿态角、速度信号。

外部供电电源经电源模块转换成惯性导航系统需要的二次电源。三个激光陀螺仪敏感沿载体三个轴向角速度，将角速度信号以脉冲信号形式发送信息处理电路。三个加速度计敏感载体沿三个轴向的线运动，输出与加速度成比例的电流信号传送给信息处理电路。信息处理电路将加速度计模拟信号转换为数字脉冲信号后进行计数采集，同时直接采集陀螺、里程轮的脉冲信号，并对惯性信息进行误差补偿，形成导航原始信息发送至数据存储电路存储。测试结束后，通过数据处理设备将数据存储电路中数据进行下载。数据处理软件对根据导航原始信息进行初始对准、导航计算并通过滤波和迭代计算估计出导航误差并修正，从而得到高精度的位置、姿态角和速度等信息。

数据采集有多种，如图4所示为在役管道惯性导航系统x轴上陀螺仪的数据采集模块，用于采集x轴向瞬时角速度。x轴角速度采集模块由20位A/D模数转换器AD7781和陀螺仪接口组成。U1为采集电路的核心芯片数模转换器AD7781,P1为陀螺仪接口。AD7781的管脚1与ARM处理器的时钟接口AD_SCLK相接；数模转换器U1的管脚2用于输出x轴陀螺仪角速度信号，与ARM处理器的AD_DOUT1接口相连；数模转换器U1的管脚7、管脚14分别与ARM处理器的AD_FILTER及4.096V的参考电压相接，管脚11连接5V的工作电压。陀螺仪接口P1的管脚1与5V的工作电压相连，管脚2于ARM处理器的temp1管脚相连，用于采集陀螺仪当前温度，管脚3、管脚4分别与数模转换器U1的管脚5、管脚6相连，管脚5与ARM处理器的Enable管脚相连。y、z两轴上的陀螺仪数据采集电路与x轴相同。

如图5所示为在役管道惯性导航系统x轴上加速度计的数据采集电路，用于采集x轴瞬时加速度。x轴加速度采集模块由16位A/D模数转换器AD7715和加速度计接口组成。U4为采集电路的核心芯片数模转换器AD7715，J1为加速度计接口。数模转换器U4的管脚1与处理器SPICLK0接口相连，管脚2、管脚3分别与晶振的两个管脚相连，管脚4连接处理器nSS0接口，管脚5、管脚6相连后与3.3V电源相连，管脚7与J1的管脚2相连，管脚9、管脚15与3.3V电源相连，管脚12与处理器GPF2相连，管脚13、管脚14分别与处理器SPIMISO0、SPIMOSI0相连，管脚8、管脚10、管脚11、管脚16分别与GND相连。y、z两轴上的加速度数据采集电路与x轴相同。

如图6所示为里程计数据采集电路。处理器对里程轮脉冲信号进行采集，脉冲的数量乘以两个脉冲之间里程轮走过的距离，则为里程轮实际距离。U5为反相器，对里程计信号进行整形后发送至处理器，U5管脚1与J3的管脚3相连接，管脚2与处理器的Dis管脚相连接，管脚7、14分别连接GND与3.3V电源电压。

如图7所示为USB通信模块电路，主要用于上位机数据读取。P102为USB接口，P102管脚1与5V电源相连接，管脚2、管脚3分别与处理器的DN1、DP1相连接，管脚4与GND相连接。

如图8所示为系统稳压电源模块。U10为测控系统电压电路，主要功能是将10~20V电压转换为5V的直流电压，为数字模块提供稳定低噪电压。U11主要为部分模块提供3.3V的直流电压。

如图9所示为数据存储SD/MMC模块电路。P6为SD卡接口，P6管脚1与处理器SDD3相连，管脚2与处理器SDCMD相连，管脚3、管脚12分别与GND相连，管脚4与3.3V电压源相连，管脚5与处理器SDCLK时钟信号相连，管脚7~管脚9分别与处理器SDD0、SDD1、SDD2相连，管脚10与处理器SD_WP相连，管脚11与处理器SD_CD相连。

数据处理单元的电路如图10所示，主处理器采用ARM处理器，主频不低于60MHz，满足采集和运算要求。管脚B2分别与三个陀螺仪上的AD_SCLK管脚相连接；管脚B3、B4、A3分别与三个陀螺仪上的AD_DOUT1、AD_DOUT2、AD_DOUT3相连接；管脚B7分别三个陀螺仪上Enable管脚相连接，用于启动AD模数转化；管脚A27、管脚A28、管脚B21分别与U4的SPIMISO0、SPIMOSI0、SPICLK0相连；管脚A25、管脚B18、管脚B19、管脚B22、管脚B23、管脚B24分别与SD/MMC模块电路的SDCLK、SDCMD、SDD0、SDD2、SDD3、SDD1管脚相连，用于SD卡模块的数据存取、命令及寻址等功能；管脚A73~管脚A80用于连接存储器NANDFLASH模块；管脚A94、管脚A95连接CAN总线接口，用于CAN总线数据的读取；管脚A44~管脚A46分别连接陀螺仪接口的温度采集接口temp1、temp2、temp3，用于采集陀螺仪的温度；管脚A81~管脚A92、管脚B82~管脚B93用于处理器寻址；管脚A97、管脚B63、管脚B64、管脚B95、管脚B96分别与3.3V电源相连，用于供给处理器电源电压；管脚A59、管脚A64、管脚A71、管脚A93、管脚A96、管脚B65、管脚B66、管脚B94分别与地端相连；其余管脚为非占用端口。

本实用新型能实时测量检测器位置姿态，准确定位缺陷在管道中位置，准确定位检测器在管道中位置，能绘制管道轨迹路线，并实时记录存储数据。

附图说明

图1管道惯性导航测量系统组成框图

图2管道惯性导航测量系统正视图

图3管道惯性导航测量系统后视图

图4管道惯性导航测试系统x轴上陀螺仪的数据采集电路图

图5管道惯性导航测试系统x轴加速度计数据采集电路图

图6里程计数据采集电路图

图7USB通信电路图

图8电源模块电路图

图9数据存储模块电路图

图10ARM处理器接口电路图

图11管道惯性导航测试系统算法原理框图

图12管道试验位置图

图13位置A测量轨迹三维图

图14位置A测量轨迹垂向位移图

图15位置B与位置A测量轨迹三维图

图16位置B与位置A测量轨迹垂向位移图

图17位置C与位置A测量轨迹三维图

图18位置C与位置A测量轨迹垂向位移图

图19位置D与位置A测量轨迹三维图

图20位置D与位置A测量轨迹垂向位移图

具体实施方式

实施例.管道惯性导航测量系统由两个独立部分组成，一部分是惯性测量单元，一部分是数据处理单元。惯性测量单元主要由三个加速度计、三个激光陀螺仪、信号处理电路、电源模块、数据采集、存储模块等组成，管道惯性测量系统如图1所示。管道惯性测量装置主体主要完成惯性器件数据实时采集、误差补偿、记录等工作，数据处理单元主要完成数据下载、导航解算和组合导航等工作。

管道惯性导航测量系统的如图2、图3所示。三个加速度计和三个激光陀螺仪的输出接惯性导航，惯性导航输出接滤波和迭代计算，里程轮输出也接滤波和迭代计算，惯性导航另一输出位置、姿态角、速度信号。

使用本测量系统对某管道进行了多次测量。在4种管道位置状态下进行了8个条次的试验，每个位置状态进行两次试验。各次试验管道的位置如图12所示，其中A位置为管道通过在支撑点增加砖块垫起之后的位置状态，B位置是在A位置基础上在中间支撑点撤出一块砖之后的位置状态，C位置是在B位置的基础上再撤出一块砖之后的位置状态，D位置是将所有砖头都撤出之后的位置状态，其中每块砖厚度为48mm~52mm。在正式检测之前，首先对管道起点中心位置进行定位，经度为116.731304、纬度为39.489336、高度为25.0m，设定载体速度为1m/s，由于检测器或载体以旋转方式在管道中前进，所以对载体车轮侧偏3度。待系统自检完毕后，开始进行测试。

第一次测试：如图13、图14所示为第一个位置测量获得两条数据的分析结果，可以看出在位置A进行两次测量获得的轨迹基本重合。图13为位置A测量获得的三维轨迹图，图14为位置A测量轨迹的垂向位移曲线，在管道中间部位可以明显看出人为垫起的凸起部分。前进距离为96.5946m，且完全得到整条管道中心线的坐标。检测完毕后对管道长度进行测量，实际长度为96.6m，与检测器测试结果基本一致。

第二次测试：位置B相对位置A的位置变化是在高度方向移除了一块砖，而一块砖的厚度在0.049~0.051m左右。如图15和如图16对位置B和位置A测量获得管道轨迹曲线进行了对比，由图可以明显看出两次管道测量的轨迹在高度方向明显相差一定的高度，说明测量轨迹可以分辨出高度方向的变化。图16中纵坐标的虚线间距为0.050m，从图中可以看出两个位置状态在管道中间位置的位移变化幅值基本在0.050m。

第三次测试：相对于位置A，位置C在中间支撑点移除了两个砖块，垂向移动距离约为0.1m。下面仍然给出位置C的三维测量轨迹、垂向位移曲线以及侧向位移曲线。由图17、18可以看出，移除砖块前后的垂向轨迹在中间位置相差在0.1m左右。

第四次测试：相对于位置A，位置D将支撑点上增加的砖块全部撤出，中间位置在垂向的移动距离约为0.2m。下面仍然给出了位置D的三维测量轨迹、垂向位移曲线以及侧向位移曲线。由图19、20可以看出，移除砖块前后的垂向轨迹在中间位置相差在0.2m左右。同时可以看出量测测量获得的侧向水平位移曲线基本重合。

根据测量获得的在支撑点处的高度变化对比数据。可以看出，位置A的重复重复性误差为-0.005m；位置B相对位置A高度上相差一块砖，认为真值为0.05m，而测量获得的高度变化数值为0.047m，测量误差为-0.003m，重复性误差为-0.005m；C位置相对A位置变化两个砖块，即位移变化为0.1m，测量值为0.097m，测量误差为-0.003m，重复性误差为-0.001m；D位置高度变化为四块砖，即0.2m左右，测量值为0.19m，误差为-0.01m，重复性误差为-0.002m。由四次的测试可知，系统误差在设计范围之内，再次验证的系统测量精度及重复性。

具体参数如下：

1、精度

IMU位置精度（Mark点间距<2km）：1m；

航姿精度：0.2°（航向），0.02°（俯仰、滚动）。

2、工作范围

角速度范围：±300°/s；

加速度范围：±20g；

角度范围：全姿态；

连续工作时间：>100h。

3、电气

功耗：<35W；

输入电压：10V~19V直流电源。

4、环境条件

工作温度：-20℃~+60℃

贮存温度：-40℃~+70℃

5、振动条件

6g（RMS），20-2000Hz，随机振动，3个轴，每个轴5min。

6、冲击条件

30g，11ms，半正弦，3个轴，每个方向各1次。

7、气压

3个标准大气压。

本例经试验，能实时测量检测器位置姿态，准确定位缺陷和检测器在管道中位置，能绘制管道轨迹路线，并实时记录存储数据。

Claims (6)

1.一种基于惯性导航技术对在役管道位置测量的在役管道惯性导航测量系统，包括两个独立部分，一部分是惯性测量单元，一部分是数据处理单元；所述惯性测量单元主要由三个加速度计、三个激光陀螺仪、信号处理电路、电源模块、数据采集、存储模块组成；所述数据处理单元有主处理器；所述数据采集有在役管道惯性导航系统x、y、z轴上陀螺仪的数据采集模块、惯性导航系统x、y、z轴上加速度计的数据采集电路和里程计数据采集电路；其特征是所述惯性测量单元为三个加速度计和三个激光陀螺仪的输出接惯性导航系统，惯性导航系统一输出接滤波和迭代计算，里程轮输出也接滤波和迭代计算，惯性导航另一输出为位置、姿态角、速度信号。 

2.根据权利要求1所述的在役管道惯性导航测量系统，其特征是所述在役管道惯性导航系统x轴上陀螺仪的数据采集模块由20位A/D模数转换器AD7781和陀螺仪接口组成；U1为采集电路的核心芯片数模转换器AD7781,P1为陀螺仪接口；AD7781的管脚1与ARM处理器的时钟接口AD_SCLK相接；数模转换器U1的管脚2用于输出x轴陀螺仪角速度信号，与ARM处理器的AD_DOUT1接口相连；数模转换器U1的管脚7、管脚14分别与ARM处理器的AD_FILTER及4.096V的参考电压相接，管脚11连接5V的工作电压；陀螺仪接口P1的管脚1与5V的工作电压相连，管脚2于ARM处理器的temp1管脚相连，管脚3、管脚4分别与数模转换器U1的管脚5、管脚6相连，管脚5与ARM处理器的Enable管脚相连；y、z两轴上的陀螺仪数据采集电路与x轴相同。 

3.根据权利要求1所述的在役管道惯性导航测量系统，其特征是所述在役管道惯性导航系统x轴上加速度计的数据采集电路由16位A/D模数转换器AD7715和加速度计接口组成；U4为采集电路的核心芯片数模转换器AD7715，J1为加速度计接口；数模转换器U4的管脚1与处理器SPICLK0接口相连，管脚2、管脚3分别与晶振的两个管脚相连，管脚4连接处理器nSS0接口，管脚5、管脚6相连后与3.3V电源相连，管脚7与J1的管脚2相连，管脚9、管脚15与3.3V电源相连，管脚12与处理器GPF2相连，管脚13、管脚14分别与处理器SPIMISO0、SPIMOSI0相连，管脚8、管脚10、管脚11、管脚16分别与GND相连；y、z两轴上的加速度数据采集电路与x轴相同。 

4.根据权利要求1所述的在役管道惯性导航测量系统，其特征是所述里程计数据采集电路为：反相器U5的管脚1与J3的管脚3相连接，管脚2与处理器的Dis管脚相连接，管脚7、管脚14分别连接GND与3.3V电源电压。 

5.根据权利要求1所述的在役管道惯性导航测量系统，其特征是所述数据存储模块为：P6为SD卡接口，P6管脚1与处理器SDD3相连，管脚2与处理器SDCMD相连，管脚3、管脚12分别与GND相连，管脚4与3.3V电压源相连，管脚5与处理器SDCLK时钟信号相连，管脚7～管脚9分别与处理器SDD0、SDD1、SDD2相连，管脚10与处理器SD_WP相连，管脚11与处理器SD_CD相连。 

6.根据权利要求1所述的在役管道惯性导航测量系统，其特征是所述主处理器采用ARM处理器；管脚B2分别与三个陀螺仪上的AD_SCLK管脚相连接；管脚B3、B4、A3分别与三个陀螺仪上的AD_DOUT1、AD_DOUT2、AD_DOUT3相连接；管脚B7分别三个陀螺仪上Enable管脚相连接，用于启动AD模数转化；管脚A27、管脚A28、管脚B21分别与U4的SPIMISO0、SPIMOSI0、SPICLK0相连；管脚A25、管脚B18、管脚B19、管脚B22、管脚B23、管脚B24分别与SD/MMC模块电路的SDCLK、SDCMD、SDD0、SDD2、SDD3、SDD1管脚相连；管脚A73～管脚A80连接存储器NANDFLASH模块；管脚A94、管脚A95连接CAN总线接口；管脚A44～管脚A46分别连接陀螺仪接口的温度采集接口temp1、temp2、temp3；管脚A81～管脚A92、管脚B82～管脚B93用于处理器寻址；管脚A97、管脚B63、管脚B64、管脚B95、管脚B96分别与3.3V电源相连；管脚A59、管脚A64、管脚A71、管脚A93、管脚A96、管脚B65、管脚B66、管脚B94分别与地端相连；其余管脚为非占用端口。 

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