基于慣性技術(shù)的地下管線測(cè)量系統(tǒng)研究

摘 要：基于慣性技術(shù)的地下管線測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)算方法，應(yīng)用于各種材質(zhì)和埋深的地下管道的三維信息測(cè)量。該方法測(cè)得的各種姿態(tài)、航向和里程等信息均系自主測(cè)量得到，不受外界環(huán)境和管道材質(zhì)影響，因此測(cè)量的地下管線信息具有精度高、自主性好的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：慣性技術(shù)；測(cè)算方法

1 概論

地下管道是敷設(shè)在地下用于輸送液體、氣體或松散固體的管道，當(dāng)出現(xiàn)地下管道破裂、堵塞或者老化等情況時(shí)，具體的定位、查找管線十分麻煩，耗費(fèi)時(shí)間比較長(zhǎng)等，市面上逐漸出現(xiàn)地下管線的測(cè)量快速定位裝置，種類繁多、樣式各異，但現(xiàn)如今銷售的測(cè)量快速定位裝置還存在著一些或多或少的不足影響人們的使用。

隨著城市基礎(chǔ)建設(shè)的不斷推進(jìn)，地下管線測(cè)量定位有著日益廣泛的需求。工程中通常采用電磁管線定位儀、探地雷達(dá)等對(duì)地下管道進(jìn)行測(cè)定。從原理上來說，這些常規(guī)的測(cè)量方法存在以下缺陷：第一，可測(cè)量的管道埋深較淺，通常不超過5米，個(gè)別性能好的儀器也不超過10米。第二，測(cè)量精度易受電磁場(chǎng)和鐵磁物體干擾，當(dāng)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)附近存在強(qiáng)電磁干擾源如電力管道、大型工程設(shè)備時(shí)效果差。第三，每一種方法都只適用于某一類材質(zhì)的管道測(cè)量，缺乏通用性。第四，依賴人工在被測(cè)管道上方作業(yè)，例如管道穿過公路時(shí)給作業(yè)帶來危險(xiǎn)，或當(dāng)管道經(jīng)過水面和建筑物時(shí)無法測(cè)量。

2 技術(shù)方案

鑒于以上原因，目前亟需一種自主、抗干擾、能夠適用于各種管道的地下管道三維測(cè)量技術(shù)。慣性技術(shù)（InertialTechnology）是研究利用慣性傳感器（陀螺儀、加速度計(jì)）進(jìn)行導(dǎo)航與制導(dǎo)的一門學(xué)科。慣性導(dǎo)航是一種完全自主的載體定位技術(shù)。在慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)中，運(yùn)用慣性技術(shù)和航道推算原理，用陀螺儀測(cè)量載體的轉(zhuǎn)動(dòng)，用加速度計(jì)測(cè)量載體的平移加速度，從而推算出載體的瞬時(shí)速度、位置和姿態(tài)。組成慣性導(dǎo)航的設(shè)備都安裝在載體內(nèi)，工作時(shí)不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾，是一種自主式定位系統(tǒng)。20世紀(jì)慣性技術(shù)突飛猛進(jìn)，定位精度不斷提高，使得其應(yīng)用面不斷拓展，現(xiàn)代各種航空、航天、航海運(yùn)載體都是采用以慣性導(dǎo)航為中心的組合導(dǎo)航系統(tǒng)來完成導(dǎo)航、制導(dǎo)任務(wù)。隨著近年來低成本、低功耗的微機(jī)械慣性器件興起，慣性定位技術(shù)越來越多地被應(yīng)用于各種小型民用設(shè)備中。

2.1 系統(tǒng)組成

基于慣性技術(shù)的地下管線測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)算方法，運(yùn)用慣性技術(shù)元器件和航道推算原理用于地下管線進(jìn)行測(cè)量，優(yōu)先適用于管徑90mm以上地各種材質(zhì)、埋深管道的自主、抗干擾測(cè)量。包括管道測(cè)量單元和外部供電單元共六個(gè)部分：

（1）陀螺儀，用于提供管道當(dāng)前段航向角信息，陀螺儀采用小型光纖陀螺或微機(jī)械陀螺。

（2）加速計(jì)，用于提供管道俯仰角信息；

（3）光電編碼器的里程計(jì)，用于測(cè)量管道長(zhǎng)度；

（4）高性能微處理器，帶有高精度A/D接口，負(fù)責(zé)采集各傳感器信號(hào)并進(jìn)行位置計(jì)算、數(shù)據(jù)融合，通過長(zhǎng)距離通訊模塊將出解算管道三維信息輸出到PC機(jī)，以供進(jìn)一步處理。

（5）采用硬鋁材料加工的外殼，尺寸小巧，具有良好的抗沖擊和防水性能，可屏蔽電磁干擾，確保內(nèi)部傳感器和電路正常工作。

（6）外部供電單元：提供直流穩(wěn)壓電源，負(fù)責(zé)管道測(cè)量單元的電源供給。

管道測(cè)量單元通過電纜與外部供電單元和地面計(jì)算機(jī)相連，將測(cè)得的數(shù)據(jù)發(fā)送至地面計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)。

2.2 測(cè)算方法

（1）硬件連接：分別將管道測(cè)量單元的電纜和鋼纜正確連接，打開系統(tǒng)電源。

由鋼纜牽引在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，用于探測(cè)管道的三維信息。使管道測(cè)量單元沿管道運(yùn)動(dòng)，由它對(duì)管道各位置的航向、姿態(tài)角和長(zhǎng)度信息進(jìn)行測(cè)量，直至走完管道全程。

（2）運(yùn)用航跡推算原理綜合航向角、姿態(tài)角和長(zhǎng)度信息，進(jìn)行管道三維信息記錄，從原理上來說，將管道測(cè)量單元放入管道并使之沿管道運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)軌跡可以完全表達(dá)管道的三維信息。航跡推算原理就是把軌跡分為若干段，每一段近似為直線，其三個(gè)正交方向的位移增量可以通過直線長(zhǎng)度結(jié)合航向角、姿態(tài)角的三角函數(shù)關(guān)系計(jì)算得出。將每一段的唯一增量累積起來，就可以推算出完整的運(yùn)動(dòng)軌跡。

（3）采用加速度計(jì)和陀螺儀測(cè)量管道航向、姿態(tài)角：該測(cè)量方法用加速度計(jì)直接敏感重力加速度測(cè)量姿態(tài)角，用陀螺儀測(cè)量航向角，與深度、位置和周圍電磁場(chǎng)無關(guān)，從而能不受其它條件制約，理論上在任意深度上均能實(shí)現(xiàn)航向、姿態(tài)角自主測(cè)量；

（4）采用光電編碼器設(shè)計(jì)的里程計(jì)，用于采集長(zhǎng)度信息，管道測(cè)量單元在管內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其腳輪緊貼管壁滾動(dòng)，由光電編碼器將腳輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù)轉(zhuǎn)換為脈沖計(jì)數(shù)，通過計(jì)算得到長(zhǎng)度信息；

（5）測(cè)量結(jié)果離線校正方法，即測(cè)量完成后利用全球定為系統(tǒng)GPS或光學(xué)測(cè)量手段獲知管道入口、出口或中間特征點(diǎn)的位置信息，對(duì)管道三維信息進(jìn)行修正、補(bǔ)充。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：張開運(yùn)（1985-），男，漢族，安徽省和縣人，專科，助理工程師，目前從事測(cè)繪工作，主要為地形圖測(cè)量，工程測(cè)量等。