多傳感器融合在地下管道測量中的應(yīng)用研究

肖 蕾,劉克江,莊鑫財

(廣東技術(shù)師范學院自動化學院，廣東 廣州 510450)

多傳感器融合在地下管道測量中的應(yīng)用研究

肖 蕾,劉克江,莊鑫財

(廣東技術(shù)師范學院自動化學院，廣東 廣州 510450)

地下管道現(xiàn)有測量技術(shù)普遍存在環(huán)境干擾影響嚴重、測量精度低等缺陷，無法實現(xiàn)復雜地下管網(wǎng)的精確定位，導致地下管道管理混亂無序、施工事故頻發(fā)。針對埋地管道空間位置測量問題，提出一種采用三軸陀螺儀、加速度計和磁力計等多傳感器融合的姿態(tài)解算方法。利用加速度計和磁力計分量對陀螺儀誤差進行修正，構(gòu)造姿態(tài)矩陣，獲取修正后的航向角、俯仰角和翻滾角，并對測量裝置行程信息進行空間坐標計算，得到地下管道空間位置矢量信息，采用非開挖技術(shù)，實現(xiàn)地下管道的精確管理。該方法能滿足測量精度的要求，實現(xiàn)對地下管道的準確定位，且能構(gòu)造出地下管道的走向和三維空間位置形狀。試驗證明，基于多傳感器融合的地下管道空間位置測量系統(tǒng)能夠有效降低傳感器漂移誤差，測量得到的地下管道空間位置矢量信息具有較高的精確性，在地下管道非開挖工程領(lǐng)域具有一定的實用性。

多傳感器融合； 地下管道； 姿態(tài)解算； 空間位置； 誤差修正

0 引言

地下管道是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，是城市賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。由于歷史和現(xiàn)實的各種原因，我國城市地下管道管理滯后于城市發(fā)展和國際同行業(yè)水平，其混亂無序的狀況已成為城市建設(shè)和國民經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸之一[1]。近年來，由于路面開挖造成地下管道事故頻發(fā)、損失巨大，事故主要原因均為施工方對地下管道位置狀況不清楚，施工開挖前未對地下管道走向精確探測。在非開挖地下管道施工技術(shù)興起后，國內(nèi)外地下管道非開挖探測技術(shù)進入了快速發(fā)展階段[2-4]。目前，地下管道探測技術(shù)主要分為外置式管道探測與介入傳感式管道檢測兩大類，比較成熟的有管線探測儀、探地雷達、全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)等。但這些技術(shù)普遍存在環(huán)境干擾影響嚴重、測量精度低等缺陷，無法實現(xiàn)復雜地下管網(wǎng)的精確定位。因此，采用非開挖技術(shù)對地下管道位置和走向進行精確測量，構(gòu)造出地下管道走向三維空間位置、形狀，已經(jīng)成為目前國際地下管道非開挖測量技術(shù)研究的熱點和難點之一[5-6]。

本文提出一種新型的地下管道非開挖探測技術(shù)，采用陀螺儀、加速度計和磁力計等多傳感器融合的姿態(tài)解算方法，實現(xiàn)地下管道空間位置、走向曲線重構(gòu)。

1 設(shè)計原理

本文研制的地下管道探測裝置是在非開挖前提下實現(xiàn)地下管道探測，重建管道位置、走向三維圖形。工作時由牽引機構(gòu)(管道機器人)牽引探測裝置在被測地下管道內(nèi)行進，利用編碼器測量探測裝置行進路程，實時采集陀螺儀、加速度計和磁力計信息。采用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，準確獲取探測裝置行走過程的傾角、方向角度等數(shù)據(jù)，結(jié)合地下管道等距離離散點空間方位角度信息，基于曲線重建算法分析計算，并還原出被測地下管道的三維形狀和空間走向。地下管道探測裝置工作原理如圖1所示。

圖1 裝置工作原理圖

本文根據(jù)管道機器人(牽引機構(gòu))通過管道的特性，并對比國內(nèi)外各類管道機器人的特點，結(jié)合實際需求，采用“蝸桿-行星輪系”的機械架構(gòu)，使其具有較強的爬坡功能。基于嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，開發(fā)了管道探測裝置。在測量過程中，實時采集編碼器、陀螺儀、加速度計和磁力計信息，計算探測裝置空間方位角；結(jié)合行進里程，計算探測裝置實時位置與初始位置的空間關(guān)系，構(gòu)造探測裝置行進路線，即地下管道空間位置走向曲線。此外，管道機器人(牽引機構(gòu))還可攜帶攝像頭、測漏儀等其他管道檢測傳感器，實時采集管道相關(guān)信息。

2 多傳感器融合姿態(tài)解算方案

探測裝置的姿態(tài)是重構(gòu)地下管道三維空間走向、位置形狀的重要導航信息。目前常見的有陀螺儀定姿、加速度計定姿等方法[7-10]。

近年來，陀螺傳感器發(fā)展迅速，其體積小、可靠性高、壽命長、抗沖擊、易于集成、成本低廉，逐漸在姿態(tài)檢測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。單純使用三軸陀螺儀即可根據(jù)歐拉角的微分方程解算出三個姿態(tài)角，但由于陀螺不可避免地存在漂移，姿態(tài)解算累計誤差會隨時間增大，而采用高精度陀螺儀會大幅增加系統(tǒng)成本。加速度計本身也存在累積誤差，也會隨著時間延長而導致精度下降。磁力計作為一種新型的導航方式，以地磁模型或地磁基準圖為基準，結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低廉，與其他導航制導系統(tǒng)結(jié)合使用，可提高測量精度和系統(tǒng)靈活性，適用于復雜工作環(huán)境。但磁力計不能獨立使用，其需要與其他姿態(tài)傳感器配合使用，才能唯一確定姿態(tài)角。

針對以上陀螺儀定姿、加速度計定姿和磁力計定姿方案的優(yōu)缺點，本文提出了一種采用三軸陀螺儀、加速度計和磁力計的多傳感器數(shù)據(jù)融合姿態(tài)解算方法。利用加速度計三分量和磁力計三分量修正陀螺儀誤差，可有效降低系統(tǒng)漂移誤差、提高測量精度，并能夠準確重構(gòu)出地下管道三維空間位置走向曲線。多傳感器融合姿態(tài)解算方案如圖2所示。

圖2 多傳感器融合姿態(tài)解算方案示意圖

(1)

(2)

(3)

可得在導航坐標系的理論方向向量為：

(4)

再次將導航方向向量轉(zhuǎn)換到當前坐標系，得到當前理論磁力向量：

(5)

(6)

采用兩個向量間的叉積(向量外積)來表示兩個向量間不平行度之間的誤差。當前系統(tǒng)測量值和理論值的誤差，即加速度計誤差和磁力計誤差之和為：

(7)

利用系統(tǒng)誤差對陀螺儀的原始輸出數(shù)據(jù)進行PI修正，即：

(8)

(9)

式中：Kp為比例系數(shù);Ki為積分系數(shù);T為積分時間。

(10)

更新四元數(shù)并規(guī)范化：

(11)

(12)

(13)

在本文的姿態(tài)角解算方法中，采用加速度計、磁力計測量值A(chǔ)CC(ax,ay,az)、MAG(mx,my,mz)和理論值(vx,vy,vz)、(wx,wy,wz)的偏差作為系統(tǒng)輸入，利用PI控制算法，以修正后的三軸陀螺儀三個姿態(tài)角作為輸出，多傳感器融合定姿原理如圖3所示。

圖3 多傳感器融合定姿原理圖

根據(jù)俯仰角φ(t)、翻滾角ω(t)、偏航角γ(t),離散位移Δs(t)，對所述探測裝置行程信息進行空間坐標計算。將探測裝置空間位置坐標表示為(xt,yt,zt)，(t-1,t)時刻位移矢量表示為(it,jt,kt)，則有：

(14)

(15)

根據(jù)空間坐標(xt,yt,zt)與位移矢量(it,jt,kt)的數(shù)學關(guān)系，計算(0，t)時刻所有(xt,yt,zt)的值，即可得到地下管道探測裝置運動過程的空間坐標曲線(探測裝置所記錄的管道空間曲線)。空間坐標曲線計算圖如圖4所示。

圖4 空間坐標曲線計算圖

3 試驗

以內(nèi)徑20 cm天然氣中壓管道為例，埋地管道總長度約為200 m，地下最深處為2.5 m。地下管道測量結(jié)果如圖5所示。

圖5 測量結(jié)果示意圖

測量得到的地下管道空間位移矢量信息，水平偏差小于10 cm，高程偏差小于10 cm。

4 結(jié)束語

本文提出一種基于陀螺儀、加速度計和磁力計的多傳感器融合姿態(tài)解算方案，利用加速度計三分量和磁力計三分量來修正陀螺儀誤差，構(gòu)造姿態(tài)矩陣，獲取修正后的航向角、俯仰角和翻滾角，并對探測裝置行程信息進行空間坐標計算，得到被測地下管道空間位移矢量信息。試驗結(jié)果表明，該方案能夠有效降低系統(tǒng)漂移誤差、提高測量精度，在地下管道非開挖工程領(lǐng)域具有一定的實用性。

[1] 戚愛華.我國油氣管道運輸發(fā)展現(xiàn)狀及問題分析[J].國際石油經(jīng)濟,2009,17(12):57-60.

[2] LUEKE J S,ARIARATNAM S T,ABOURIZK S M.Application of simulation in trenchless renewal of underground urban infrastructure[C]//Proceedings of the 1999 Winter Simulation Conference,1999:929-939.

[3] PUTTIPIPATKAJORN A.A new method of pipeline detection in sonar imagery using self-organize maps [C]//IEEE Conference on Intelligent Robotics and System,2003:541-546.

[4] BAIK H S.A decision support system for horizontal directional drilling[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2003,18:99-109.

[5] 袁少杰,沈林勇,錢晉武,等.一種新型地下管線方位測量與重建方法[J].上海大學學報(自然科學版),2006,12(6):551-556.

[6] 李均瑤,章亞男,沈林勇,等.電子羅盤在非開挖地下管線三維探測中的應(yīng)用[J].上海大學學報(自然科學版),2008,14(2):136-141.

[7] DEUTSCHMANN J K,BAR-II ZHACK IY.Evaluation of attitude and orbit estimation using actual earth magnetic field data[J].Journal of Guidance,Control and Dynamics,2001,24(3):616-623.

[8] 葛如海,管軍,虞小波,等.車輛姿態(tài)感知與運動狀態(tài)預測技術(shù).計算機與現(xiàn)代化,2013(8):38-42.

[9] 孫麗,秦永元.捷聯(lián)慣導系統(tǒng)姿態(tài)算法比較[J].中國慣性技術(shù)學報,2006,14(3):6-10.

[10]吳軍,鮑其蓮.高精度捷聯(lián)慣導姿態(tài)更新優(yōu)化算法研究[J].電子測量技術(shù),2010,33(2):49-52.

Research on the Application of Multi-Sensor Fusion
in Underground Pipeline Measurement

XIAO Lei,LIU Kejiang,ZHUANG Xincai
(College of Automation,Guangdong Polytechnic Normal University,Guangzhou 510450，China)

In general,the existing measurement technologies of underground pipeline have disadvantages of serious environmental interference and low measurement accuracy,so these technologies cannot achieve accurate measurement for complex underground pipe network,thus result in disorder management of underground pipelines and frequent construction accidents.Aiming at the issue of the spatial measurement of buried pipelines,the multi-sensor fusion attitude calculation method using three axis gyroscope,accelerometer and magnetometer is proposed.The error of gyroscope is corrected by the components of accelerometer and magnetometer,to construct attitude matrix,obtain the corrected heading angle,pitch angle and tumbling angle,and carry out the spatial coordinate calculation and to get the vector information of underground pipeline position.These realize the accurate management of the underground pipeline by using the trenchless technology,and the direction and the three-dimensional spatial position shape of the underground pipeline are accurately constructed.Experiments show that the system based on multi-sensor fusion can effectively reduce the sensor drift error,the spatial position vector information of underground pipeline obtained by the measurement is highly accurate,and the system has a certain practicality in underground pipeline trenchless engineering field.

Multi-sensor fusion； Underground pipeline； Attitude calculation； Space position； Error correction

廣東省科技計劃基金資助項目(2015A030401099、2016A040403122)

肖蕾(1974—)，男，博士，副教授，主要從事自動化裝置、測控技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方向的研究。 E-mail：2954934334@qq.com。

TH39;TP23

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201707017

修改稿收到日期:2017-01-12