DE102012023400A1 - Channel detection system of inertial navigation system for use in e.g. flight navigation, has inertial sensors that detect multi-dimensional measurement signal corresponding to current location of sewer pipe during movement - Google Patents
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- F16L2101/00—Uses or applications of pigs or moles
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-
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- F16L55/48—Indicating the position of the pig or mole in the pipe or conduit
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Kanalortungssystem mit gepaarten Inertialsensoren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a channel location system with paired inertial sensors according to the preamble of
Inertialsensoren dienen der Messung von Beschleunigungen und Drehraten. Sie ermöglichen die Erfassung zum Teil komplexer und mehrachsiger Bewegungsvorgänge mit bis zu sechs Freiheitsgraden. Die Kombination unterschiedlicher Inertialsensoren bezeichnet man in der Mikrosystemtechnik als inertiale Messeinheiten.Inertial sensors are used to measure accelerations and yaw rates. They enable the acquisition of sometimes complex and multi-axis motion operations with up to six degrees of freedom. The combination of different inertial sensors is referred to in microsystem technology as inertial measuring units.
Eine inertiale Messeinheit ist Hauptbestandteil eines inertialen Navigationssystems. Eingesetzt werden inertiale Messeinheiten u. a. in der Flugnavigation, der Robotik sowie der Bildstabilisierung zur Bewegungsdetektion.An inertial measuring unit is the main component of an inertial navigation system. Are used inertial measuring units u. a. in flight navigation, robotics and image stabilization for motion detection.
Oft kommen bei einem Zusammenspiel mehrerer Inertialsensoren die Stärken dieser Technologie in der Anwendung hervor.In many cases, the interaction of several inertial sensors shows the strengths of this technology in the application.
Inertiale Messeinheiten werden bei der präzisen Erfassung von Drehbewegungen, Beschleunigungen und Neigungen im Raum eingesetzt. Durch die geringe Baugröße sind die im Sensor auftretenden Signale in der Regel sehr klein und benötigen im Anschluss eine Datenaufbereitung als Schnittstelle zur Weiterverarbeitung.Inertial measuring units are used to precisely detect rotational movements, accelerations and inclinations in space. Due to the small size of the signals occurring in the sensor are usually very small and require a data processing as an interface for further processing.
Inertiale Messeinheiten beinhalten in der Regel die folgenden Sensorarten:
- • Drei orthogonal angeordnete Beschleunigungssensoren (auch als Translationssensoren bezeichnet) detektieren die lineare Beschleunigung in x- bzw. y- bzw. z-Achse. Daraus kann die translatorische Bewegung berechnet werden.
- • Drei orthogonal angeordnete Drehratensensoren (auch als Gyroskopische Sensoren bezeichnet) messen die Winkelgeschwindigkeit um die x- bzw. y- bzw. z-Achse. Daraus kann die Rotationsbewegung berechnet werden.
- • Three orthogonally arranged acceleration sensors (also referred to as translation sensors) detect the linear acceleration in the x, y and z axes. From this, the translational motion can be calculated.
- • Three orthogonal yaw rate sensors (also known as gyroscopic sensors) measure angular velocity about the x, y, and z axes, respectively. From this, the rotational movement can be calculated.
Mit der auf den gleichen Anmelder zurückgehenden
Durch die Vielzahl der an einem Messstrang angeordneten Messsensoren besteht der Vorteil, dass die Messabweichung eines einzigen Sensors später bei der Auswertung durch das Messergebnis des nachfolgend angeordneten Messsensors ausgeglichen und kompensiert wird, sodass aus der Mittlung und der gegeneinander gerichteten Verrechnung der Messsignale aller hintereinader liegend angeordneten Messsensoren ein relativ genaues Messergebnis bezüglich der Lagenerfassung dieses Messstranges im Kanalrohr erfolgen kann.Due to the large number of measuring sensors arranged on a measuring strand, there is the advantage that the measuring deviation of a single sensor is compensated and compensated later in the evaluation by the measurement result of the subsequently arranged measuring sensor, so that the averaging and the counterbalancing of the measuring signals of all the trailing ones arranged lying Measuring sensors can be made a relatively accurate measurement result with respect to the position detection of this Meßstranges in the sewer pipe.
Nachteil dieser bekannten Anordnung ist jedoch, dass es sich um einheitliche Messsensoren handelt, das heißt, jeder Messsensor hat lediglich eine einzige Messcharakteristik und erzeugt ein einziges in X-, Y- und Z-Richtung gerichtetes Messsignal. Es wird also pro Zeiteinheit von jedem Messsensor eine dreidimensionale Raumkoordinate erzeugt.Disadvantage of this known arrangement, however, is that they are uniform measuring sensors, that is, each measuring sensor has only a single measurement characteristic and generates a single in the X, Y and Z direction directed measurement signal. Thus, a three-dimensional space coordinate is generated per unit of time by each measuring sensor.
Diese Anordnung geht jedoch nicht auf eine den Lagenerfassungssensoren zugeordnete Drift ein. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass jeder der in der Messkette hintereinander liegend angeordneten Lagenerfassungssensoren eine erhebliche Drift aufweist, was dazu führt, dass die gegeneinander gerichtete Verrechnung der Raumkoordinaten von hintereinander liegenden Lagenerfassungssensoren nicht genau genug ist.However, this arrangement does not address a drift associated with the position detection sensors. In fact, it has been found that each of the layer detection sensors arranged one behind the other in the measuring chain has a considerable drift, which means that the counterbalancing of the spatial coordinates of successive layer detection sensors is not accurate enough.
Bei etwa gleichartigen Lagenerfassungssensoren, die vom gleichen Typ sind und die in gleicher Raumorientierung am Messstrang angebaut sind, ist eine unerwünschte Drift in einer bestimmten Richtung gegeben, die durch eine gegenseitige Verrechnung der Messergebnisse der verschiedenen Lagenerfassungssensoren nicht beseitigbar ist.In the case of approximately identical position detection sensors, which are of the same type and which are mounted in the same spatial orientation on the measuring strand, unwanted drift in a certain direction is given, which can not be eliminated by mutual compensation of the measurement results of the various position detection sensors.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Kanalortungssystem mit Lagenerfassungssensoren und mehreren räumlich hintereinander liegend angeordneten Lagenerfassungssensoren, die einen in Längsrichtung gerichteten Messkopf ergeben, in ihrer Genauigkeit zu verbessern.The invention is therefore based on the object, a channel positioning system with position detection sensors and a plurality of spatially successively arranged position detection sensors, which result in a longitudinal directional measuring head to improve their accuracy.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Neuerung durch die technische Lehre des Anspruches 1 gekennzeichnet.To solve the problem, the innovation is characterized by the technical teaching of
Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass der Messkopf in an sich bekannter Weise aus mindestens zwei hintereinander im räumlichen Abstand zueinander angeordneten Messsonden besteht, und dass der Messkopf nun erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, dass in jeder Messsonde mindestens drei in jeweils einer Raumrichtung ausgerichtete Inertialsensoren angeordnet sind, und dass in der einen Messsonde die Inertialsensoren in einer ersten Raumrichtung ausgerichtet sind, während in der zweiten, sich daran anschließenden Messsonde die Inertialsensoren in einer von der ersten Raumrichtung der Inertialsensoren der ersten Messsonde abweichenden Winkellage eingebaut sind.An essential feature of the invention is that the measuring head in a conventional manner consists of at least two consecutively arranged in spaced-apart measuring probes, and that the measuring head according to the invention is characterized in that in each probe at least three aligned in each direction of space inertial sensors are arranged , and that in one probe, the inertial sensors are aligned in a first spatial direction, while in the second, they are aligned subsequent measuring probe, the inertial sensors are installed in a deviating from the first spatial direction of the inertial sensors of the first probe angular position.
Damit wird ein Messkopf geschaffen, dessen Lagenerfassungssensoren im räumlichen Abstand zueinander angeordnet sind, und wobei die Inertialsensoren in jedem Messkopf zueinander versetzt angeordnet sind, und der Versatz in einem bekannten Raumwinkel vorhanden ist.Thus, a measuring head is provided whose position detection sensors are arranged at a spatial distance from each other, and wherein the inertial sensors are arranged offset in each measuring head to each other, and the offset is present in a known solid angle.
Der Inertialsensor nach der Erfindung hat ein integriertes 3D-Magnetometer (3D-Kompass), mit einem Mikro-Prozessor und ist in der Lage, eine Berechnung von Roll-, Nick- und Gierbewegungen in Echtzeit durchzuführen, sowie zur Ausgabe kalibrierter linearer Beschleunigungs-, Drehraten- und Erdmagnetfelddaten in 3D.The inertial sensor according to the invention has an integrated 3D magnetometer (3D compass), with a micro-processor and is able to perform a calculation of rolling, pitching and yawing movements in real time, as well as to output calibrated linear acceleration, Rate of rotation and Earth magnetic field data in 3D.
Der einfacheren Beschreibung wegen wird in der folgenden Beschreibung davon ausgegangen, dass die Inertialsensoren in der ersten Messsonde genau im Winkel von 90 Grad zu den Inertialsensoren in der zweiten Messsonde angeordnet sind. Hierauf ist die Erfindung jedoch nicht auf einen solchen Winkel von 90 Grad beschränkt.For ease of description, in the following description, it is assumed that the inertial sensors in the first measuring probe are located at exactly 90 degrees to the inertial sensors in the second measuring probe. However, the invention is not limited to such an angle of 90 degrees.
Die Erfindung kann auch vorsehen, dass statt eines Versatzwinkels von 90 Grad ein Winkel von 60 Grad oder 120 Grad vorgesehen ist. Entscheidend ist also, dass in der einen Messsonde die gleichen Inertialsensoren wie in der anderen Messsonde angeordnet sind, und dass in jeder Messsonde mindestens drei Inertialsensoren angeordnet sind, die für sich genommen jeweils ebenfalls in jeweils einer Raumebene X, Y, Z ausgerichtet sind.The invention may also provide that instead of an offset angle of 90 degrees an angle of 60 degrees or 120 degrees is provided. It is therefore crucial that the same inertial sensors are arranged in the one measuring probe as in the other measuring probe, and that at least three inertial sensors are arranged in each measuring probe, which, taken separately, are likewise aligned in each case in a spatial plane X, Y, Z.
Daher wird – im Gegensatz zum Stand der Technik – in jeder Messsonde insgesamt ein Aufbau aus drei räumlich zueinander versetzten Inertialsensoren vorgeschlagen, und zusätzlich wird vorgeschlagen, dass in zwei räumlich voneinander beabstandeten Messsensoren die erste Anordnung der räumlich zueinander angeordneten Inertialsensoren zu den in der zweiten Messsonde räumlich angeordneten Inertialsensoren einen bestimmten und bekannten Versatzwinkel ausbildet.Therefore, in contrast to the prior art, an assembly of three spatially offset inertial sensors is proposed in total, and it is additionally proposed that in two spatially spaced measuring sensors, the first arrangement of the spatially arranged inertial sensors to those in the second measuring probe spatially arranged inertial sensors forms a specific and known offset angle.
Damit ist beispielsweise die erste Messsonde mit mindestens drei Inertialsensoren in der einen Vorschub- oder Raumachsenrichtung besonders empfindlich und weist wenig Drift auf, während die sich daran anschließende Messsonde mit den Inertialsensoren, die von den erstgenannten Inertialsensoren einen Winkelversatz aufweisen, in einer anderen räumlichen Raumachse eine Drift und in einer weiteren Raumachse ein besonders präzises Messergebnis erbringt.Thus, for example, the first measuring probe with at least three inertial sensors in one feed or spatial axis direction is particularly sensitive and has little drift, while the adjoining measuring probe with the inertial sensors, which have an angular offset from the first-mentioned inertial sensors, in another spatial axis of space Drift and in another spatial axis provides a particularly precise measurement result.
Paart man nun die Messergebnisse der mindestens drei Inertialsensoren der ersten Messsonde mit den Messergebnissen der mindestens drei Inertialsensoren in der zweiten Messsonde, wird ein hochgenaues Messergebnis erzielt, weil lediglich die korrigierte Messkurve, bestehend aus den drei Inertialsensoren der ersten Messsonde und aus den drei Inertialsensoren der zweiten Messsonde, für eine korrigierte Kurve herangezogen wird.By pairing the measurement results of the at least three inertial sensors of the first measuring probe with the measurement results of the at least three inertial sensors in the second measuring probe, a highly accurate measurement result is achieved because only the corrected measuring curve consisting of the three inertial sensors of the first measuring probe and of the three inertial sensors of the first second measuring probe, is used for a corrected curve.
Durch Berechnung wird also aus den jeweils mindestens drei Inertialsensoren, gewonnenen Raumkoordinaten von der ersten und der zweiten Messsonde eine korrigierte Kurve erzeugt, die dann schließlich eine hochgenaue Raumkurve ausbildet, die frei von Versetzen und einer unerwünschten Drift ist.By calculation, therefore, a corrected curve is generated from the respectively at least three inertial sensors, obtained spatial coordinates of the first and the second probe, which then finally forms a highly accurate space curve, which is free of offset and an undesirable drift.
Vorstehend wurde lediglich die Paarung von zwei Messsonden beschrieben, die im räumlichen Abstand voneinander liegend in Vorschubrichtung ausgerichtet sind, und wobei in jeder Messsonde mindestens drei Inertialsensoren angeordnet sind.In the foregoing, only the pairing of two probes oriented spatially in the feed direction and having at least three inertial sensors in each probe are described.
Hierauf ist die Erfindung jedoch nicht beschränkt. Die Erfindung kann in einer Weiterbildung vorgesehen sein, dass insgesamt drei räumlich voneinander beabstandete Messsonden vorhanden sind, wobei in jeder Messsonde jeweils mindestens drei Inertialsensoren angeordnet sind, die in ihrer räumlichen Ausrichtung zu den in der anderen Messsonde angeordneten, mindestens drei vorhandenen Inertialsensoren versetzt zueinander sind.However, the invention is not limited thereto. The invention may be provided in a development that a total of three spatially spaced apart measuring probes are provided, each probe in each case at least three inertial sensors are arranged offset in their spatial orientation to the arranged in the other probe, at least three existing inertial sensors to each other ,
Die räumliche Beabstandung der mindestens zwei Messsonden in einem Messkopf, der entlang seiner Längserstreckung entweder in einer Rohrleitung geschoben oder gezogen wird, hat den Vorteil, dass aufgrund des räumlichen Versatzes wegen der Beabstandung der beiden Messsonden in Längsrichtung (Verschieberichtung) auch aus dem Messergebnis des Messkopfes die Krümmung des Kanalrohres berechnet werden kann.The spatial spacing of the at least two probes in a measuring head, which is pushed or pulled along its longitudinal extent either in a pipeline, has the advantage that due to the spatial offset due to the spacing of the two probes in the longitudinal direction (displacement direction) also from the measurement result of the measuring head the curvature of the sewer pipe can be calculated.
Wird auf dieses Zusatzmerkmal verzichtet, kann auch auf die räumliche Beabstandung mehrerer Messsonden in einem Messkopf verzichtet werden. Es wäre dann möglich, derartige Messsonden in Form einer Kugelanordnung auf einen bestimmten Messkopf, der zum Beispiel kugelförmig ausgebildet ist, zu konzentrieren, sodass also auch auf die räumliche Beabstandung mehrerer Messsonden verzichtet werden kann, wenn man auf die Erfassung des Krümmungsradius eines Kanalrohres verzichtet.If this additional feature is dispensed with, it is also possible to dispense with the spatial spacing of a plurality of measuring probes in a measuring head. It would then be possible to concentrate such probes in the form of a ball arrangement on a specific measuring head, which is, for example, spherical, so that it is also possible to dispense with the spatial spacing of a plurality of measuring probes, if the detection of the radius of curvature of a sewer pipe is dispensed with.
Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.The subject of the present invention results not only from the subject matter of the individual claims, but also from the combination of the individual claims with each other.
Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind. All information and features disclosed in the documents, including the abstract, in particular the spatial design shown in the drawings, are claimed to be essential to the invention insofar as they are novel individually or in combination with respect to the prior art.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.In the following the invention will be explained in more detail with reference to drawings showing only one embodiment. Here are from the drawings and their description further features essential to the invention and advantages of the invention.
Es zeigen:Show it:
Die
In der allgemeinen Beschreibung wurde bereits schon darauf hingewiesen, dass das Verbindungsglied
Wenn also in den folgenden Zeichnungen eine räumliche Verbindung über das Verbindungsglied
Wichtig bei der Erfindung ist, dass in jeder Messsonde
Gleiches gilt für den Inertialsensor
Ähnliche Darstellungen ergeben sich aus der
Es ergibt sich der Erfindungsgedanke der Erfindung der Paarung von Messsonden
Der abweichende Raumwinkel zwischen den Inertialsensoren
Alle Messsensoren
Die
Die Unterschiede, die sich beim Zieh- oder Schubbetrieb ergeben, werden später anhand der
Wichtig ist, dass die Messergebnisse der Inertialsensoren
In
Wie die
In
Durch ein nicht näher dargestelltes Berechnungsverfahren werden gemäß
Durch mathematische Mittelung oder Gewichtung aus diesen drei Messergebnissen a3, c2 und b3 wird nun die korrigierte Messkurve
Damit ist der Erfindungsgedanke der Erfindung beschrieben, dass nämlich aus den unterschiedlich gepaarten Messsonden
In den
In dem Bewegungsbild nach
Während der hintere Messkopf
Dies ist in
Die
Der Abstand
Auf diese Weise kann durch den räumlichen Versatz der beiden Messkurven
Der Krümmungsradius
Die
In
In durchgezogenen Strichen ist dargestellt, welche Messlagen des Messkopfes
Dieser Schubbetrieb führt zu unnötigen Krümmungen des gesamten Messkopfes
Die links dargestellten Lagen in gestrichelter Darstellung zeigen nämlich, dass sich der Messkopf
Jedoch werden beide Arbeitsverfahren, nämlich der Schub- und der Zugbetrieb, als erfindungswesentlich beansprucht.However, both working methods, namely the push and the train operation, claimed as essential to the invention.
In
Im Anschluss an die
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Messkopfprobe
- 22
- Messsondeprobe
- 33
- Messsondeprobe
- 44
- Messsondeprobe
- 55
- Inertialsensor aInertial sensor a
- 66
- Inertialsensor bInertial sensor b
- 77
- Inertialsensor cInertial sensor c
- 88th
- Verbindungsgliedlink
- 99
- Verbindungsgliedlink
- 1010
- Versorgungsleitungsupply line
- 1111
- Pfeilrichtungarrow
- 1212
- Pfeilrichtungarrow
- 1313
- Messkurvemeasured curve
- 1414
- Messkurvemeasured curve
- 1515
- Messkurvemeasured curve
- 1616
- Messkurvemeasured curve
- 1717
- Messkurvemeasured curve
- 1818
- Messkurvemeasured curve
- 1919
- korrigierte Messkurvecorrected trace
- 2020
- Kanalrohrsewer pipe
- 2121
- Rohrbiegungtube bending
- 2222
- Rohrbiegungtube bending
- 2323
- Rohrbiegungtube bending
- 2424
- Abstanddistance
- 2525
- Krümmungsradius (von 3)Radius of curvature (from 3)
- 2626
- Krümmungsradius (von 2)Radius of curvature (from 2)
- 2727
- Positionposition
- 2828
- Versatzlinieoffset line
- 2929
- Bewegungskurve (rückwärts)Movement curve (backwards)
- 3030
- Bewegungskurve (vorwärts)Movement curve (forward)
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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ID=50725686
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-
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