慣導陀螺儀在管道探測的應用及前景分析

譚偉巨

廣東中冶地理信息股份有限公司 廣東 東莞 523000

1 引言

伴隨國內科技水平和管道探測定位需求的不斷提高，慣導陀螺儀探測定位技術應運而生。慣導陀螺儀探測技術的應用，彌補了傳統管道探測定位法的缺陷和不足之處，提高了探測定位精準度和效率，在管線探測、航天工程、地質勘探等領域均有應用[1]。所以，研究地下管道監測定位中慣導陀螺儀應用，存在著一定的現實意義。

2 傳統地下管線定位技術遇到的挑戰

1、對實際的測量深度有較大影響，因為很難在實際埋設深度＞5米以上的情況下，準確測定地下管道的安裝情況和深度，容易受到實際探測條件背景的電磁干擾影響[2]。2、電磁感應法管線儀、探地雷達、聲波探測儀等不完全滿足城市地下空間開發的需要。3、非開挖等施工的特殊性地形障礙（過河、過鐵路、建筑物）。

3 陀螺儀原理介紹

3.1 陀螺儀的概念

陀螺儀的基本原理：被轉動物的旋轉軸指向的方位在不受外力作用下，是不能變化的。就按照這種原理，用它來保持運動方向，生產起來的物體就叫做陀螺儀（gyroscope)[3]。

由三個羅盤和三個加速度儀組成的方位測量儀控制系統（OMU）是主要檢測設備，分別檢測定位儀的相對慣性中的三個旋轉角速度和三條直線加速度的定位儀坐標系的分量，并進行方位轉換，將加速度數據轉換為導航方位坐標控制系統的速率。并檢測出定位儀的地點、高度、運動方向和水平位置。陀螺儀則根據測定水平角（Heading)，俯視角（Pitch）和側滾方位（Roll）的變化規律，從而判斷慣性定位設備的工作狀態。

3.2 陀螺儀進行管線定位的原理

陀螺儀和加速度計依次檢測定位儀的相應于慣性空間的三次自轉角速度和三次線加速率延定位方向儀坐標系上的矢量，并進行位置轉換，將加速度信號轉換為延導航坐標系的線加速率。從而測算出定位儀的方位、時速、航向，以及水平姿態[4]。

例如：將北向加速度計和東向加速度計測得的運動加速度aN、aE進行一次積分，與北、東向初始速度VN0、VE0得到定位儀的速度分量，

既：

將速度V北和V東進行變換并再次積分得到定位儀的位置變化量，與初始經緯坐標相加，即得到定位儀的地理位置經緯坐標。

幾種常用的坐標系：慣性坐標系、地球坐標系、地理坐標系、載體坐標系、陀螺坐標系、動參考坐標系。

4 慣導陀螺儀的組成

1、硬件系統：由測量單元和行進部分組成。其中方向測量儀器（OMU）系統是慣導陀螺儀最主要的構件，其為包括除了計程儀（通常用于方向計量器之上）以外的各種感應器。2、軟件系統：用來對測量單位所收集的數據進行處理計算，并得到點坐標系和管線空間圖形信息圖[5]。這些軟件程序把由方位測量儀所獨立測量的數值從方位測量儀器中傳送至電腦，然后再把方向測量儀器所經路線與已知的出入口點位置系統相互聯系，最后再從所選的位置系統中建立一條更精確的三維曲線。

5 慣導陀螺儀技術特點

陀螺儀三維精確定位技術作為新的地下管線定位方法，具有以下技術特點：

1、測量過程不受海拔影響，不受深度影響，也不受電磁干擾；2、定位精度高；3、適合于任何材質的地下管道；4、自主創建三維空間曲面圖，并與GIS數據融合[6]。5、陀螺儀三維精密定位工藝，可成為管線定位儀、GPR探地雷達技術、CCTV攝像系統技術等傳統測量方法的強力彌補工具，對于解決問題精密位置大埋深地下管道問題具有很大意義。

6 慣導陀螺儀在管道探測中的應用實例

某附近城市機場的燃氣管道穿越施工雖已經建成并已通氣運行，但其管道頂管施工時必須在緊挨燃氣管道的地方進行沉井樁基施工，因為穿越施工的基礎計算準確性較小，而且準確性也較差，無法作為放樣的數據。為保證燃氣管道的正常運作和安全，在這以前，以往通常的做法是敷設臨時管，如果管道被損壞，則在污水頂管施工完成后重新穿越一條燃氣管。這樣的結果是帶來了重大的經濟損失。還好現在我們有了更好的選擇，那就是對原有的燃氣管道進行三維管道軌跡測量。

6.1 技術難點

該管道的測量涉及許多復雜的流程。以燃氣管道為例，在開始測量之前，需要辦理停氣通告和手續，割管前進行氮氣置換，割管、穿繩、重新鑲接等等工序，耗時、耗力，同時代價很高。所以建議在新管道穿越施工完成的時候立即進行測量工作

6.2 硬件選取

主要硬件：慣導陀螺儀、全站儀、計算機

慣導陀螺儀：由保護盒、慣性測量棒、工作計算機、控制臺等幾部分構成。

6.3 技術實施方案

技術實施方案為：1、實施之前，應做好數據采集與計算工作，獲取待測區域的位置圖，并計算待測管道入、出的三維坐標值。如作業點位于沙井內，進沙井時應進行抽水或通氣，并按照缺氧的環境守則進行操作。2、在進行試通操作時，先將慣性定位器放入待測管道入口處，然后啟動慣導陀螺儀，并在入口停止儀器約三十秒鐘后在出口處用機械或人工方式進行拉帶。隨著儀器在管道內檢測，傳感器即時記下慣導陀螺儀運動的時間，以及路徑中的位移與軌跡位置的變動情況。拖至出口處亦須靜止三十秒鐘，此時開始進行一次檢測工作，于此重復檢測兩次以上得出最準確之結果[7]。

6.4 數據處理

1、數據處理

探測工作結束后，需要使用專門數據處理系統軟件對測量信息加以運算處理。先將慣導陀螺儀的測量信息下發至工作計算機上，接著將測量管道的開始位置和末端位置注入軟件系統中，并選定相應的數據位置，然后就可以得到管道的定位信息資料。通過處理獲得的資料確定該資料是否有效，若未滿足要求，則須再次展開測量工作，直到獲得最準確的結果。待獲得較準確的結果時，保存本次資料的有關信息，在配合測量獲取之現場地形圖及測繪程序中完成管線數據編制、套繪。

2、數據輸出

1）數據類型：XYZ三維空間坐標。2）標準文件格式：.csv文件、.csr文件。3）最大測量深度：無限制；或0-1000米。4）測量精度：0.25%*管長。5）彎曲半徑：300D。6）管道材質：鋼管。

3、探測成果精度如下

平面精度：±0.25%*L=±0.25%×68.076=±0.170m＜0.1h

高程精度：±0.10%*L=±0.10%×68.076=±0.068m＜0.15h

6.5 探測結果分析

在慣導陀螺儀提供的測量數據支持下，污水頂管沉井樁基施工順利結束，燃氣管道完好無損，證明了RUDUCT陀螺儀的準確性和可靠性。慣性陀螺管內直接測量法提供的數據具有精度高、數據可靠穩定，從而確定了慣導陀螺儀在深部管線測量方面的強大技術優勢和應用前景。

表1 天然氣管道穿越工程坐標表

7 慣導陀螺儀的前景分析

1、管道三維姿態測量

目前，現有的管網及井室檢測技術，包括有地面檢測和地下檢測兩個方向，但都存在誤差大，人員操作要求高，實用性不強等確定。管道三維位置測量儀技術，可獲得未施工穿越管線施工管道的精確定位數據，科學合理的開發利用地下空間，減少潛在的事故隱患，進而攻克上述其他檢測方法無法破解的實際難題。需要注意的是，在實際應用中，由于管道三維姿態測量儀是基于精確測量自身運動軌跡而求得所測管道中心坐標序列的原理，其測量準確度不止受限于內置的核心慣性傳感器測量單元，也與儀器運行過程中結構穩定性息息相關。因此，保持測量管道的結構穩定，也是三維姿態測量儀測的準確數據的先決條件之一。以上便是傳感器基于慣性測量單元，即IMU慣性傳感器技術的測量儀器——管道三維姿態測量儀的原理與應用了。

2、開發管線探測慣性導航系統

對于海底管道或途經土壤含水量較大地區的管道，由于海洋環境、淺層建筑地貌、水底地形等都非常復雜，且海洋板塊極不平衡，容易引起地形變，從而無法形成實時的地理信息系統。檢測設備如果不記錄其周圍位置和敷設路徑，就無法對管線檢測設備產生缺陷的準確定位。為解決此類問題，可以開發管線探測慣性導航系統。

通過優選加速度計和陀螺儀所構成的慣性控制系統的硬件構成；同時在解算算法中通過引入互補信號濾波和擴展自適應卡爾曼濾波使偏差范圍明顯減小，從而有效提升了管線軌跡測量準確度。整體結構上完備了整套測試體系。其主體構成主要由以負責方位角和距離信息收集的感應器為核心的下位機組成部分，和以實現串口方式通訊和數據處理解算功能的上位機組成部分。其中下位機方面，在實現了控制系統的基本機械結構設計和信息遴選的技術理論基礎上，以STM32F103型單片微式電子計算機為控制系統的指令控制系統核心，實現了數據采集、數據保存、數據傳遞等全過程操作，同時實現了加速度儀和光纖陀螺儀的信號控制和數據收集等功能。配套單元有電力管理和模數轉換控制器等。在上位機方面，以LabVIEW平臺實現了對一個界面和串口讀寫控制系統的編程開發工作，并采用matlab腳本的方法實現了軌跡坐標解算和誤差修正算法的代碼編制調試工作。故此慣性導航系統具有不依賴外界信息，探測精度高，隱蔽性好等特點。

3、開發慣導測繪自動化機器人

目前陀螺儀在管道探測中還存在幾個問題，對作業管道要求相對比較高，對于某些管道，還需做到小型化，以使用不同管線規格的需求。

可通過自動化技術開發，研制慣導測量自動化機器人，測量自動機器人通過搭載的精密慣性檢測模塊，可以精確測量管線的三維方向，同時利用收線裝置可以將其在管線中進行拖拽測量，在管線中沒有GPS定位系統的狀況下可以精確測量出地下管道的路徑，從而形成了三維圖。同時通過慣性測量模塊自帶主動判斷處理功能，以加強系統穩定運行設備。并設計了按照管道尺寸，隨意改變各種規格的滑輪組件，以適應地頂水管、工業管網以及管道較長、管路內障礙物較少、管路坡度大的地下管線。

8 結論

慣導陀螺儀的定位系統都具備了自動檢測的特性，不需人員可以隨時隨地對測量對象進行設定，而且，這些測量的抗干擾能力都特別好，并且能夠在相對較差的天氣、不方便的交通、照明情況不好的情況下完成工作，可以進行24小時內不間斷的測量。但由于慣導陀螺儀在管道中采用的直接測量方法，所以它直接通過管道，從而更適合于檢測新建的非運行管道。對現有的運行線路，應當留有空管以進行檢測。如有的線路因淤泥堵塞而不能通過，也無法檢測。

慣導陀螺儀的3D檢測技術在不受線路質量，線路地埋深度，施工條件和地質環境等各種因素的影響，特別是非開挖或定向鋪設的線路中，利用慣導陀螺儀所檢測的準確三維位置結果，為整個線路的維護與控制過程提供了準確可信的數據。