基于MEMS陀螺儀的地下管線測繪系統

劉魁德

佛山市測繪地理信息研究院 廣東 佛山 528000

在現代都市中，地下管道布局是一項重要的工作，它包括通訊、供水、燃氣以及電力等方面，應選用信息化計量方法，建立地下管道計量體系。本項目擬采用慣性控制、遙感等方法，構建基于信息融合的地下管道測繪與管理模式，構建基于信息融合的地下管道測繪模式，為提高我國城市地下管道測繪水平提供技術支撐[1]。對管道進行紅外線和 CT的掃描測量，并通過單擊傳送的方式進行操作，實現了對管道的實時監控，建立了一套適用于城市地下管道測量的電力傳感系統，并對其進行了分析。項目將 MEMS陀螺技術引入到城市地下管線測量中，利用 MEMS陀螺對三軸加速度和三軸角速度進行測量，并利用測量結果進行解算，達到地下管線測繪目的。

1 MEMS陀螺儀

不同于傳統機械陀螺儀，MEMS陀螺儀是基于科里奧效應的一種慣性角速率傳感器，其內部無需軸承，無轉動部件，采用全固態裝置，表現為體積小、智能化、價格低、可靠性高、抗大過載沖擊、低功耗以及工作壽命長等特點[2]。本文所用MEMS陀螺儀測繪裝置主要分為三部分，即：里程計輪組、測繪裝置主體和支撐輪組，所用STM300測量單元為小型慣性測量單元，重量只有50g，陀螺儀測量范圍為±400°/s，零偏不穩定性為0.5°/h，分辨率為0.22°/h。為保證輪組連接可靠，拆卸方便，選用螺絲連接的方法，采用輪組替換方法，能適應地下管線的測量要求。MEMS陀螺儀結構如圖1所示。

圖1 MEMS陀螺儀結構

2 基于MEMS陀螺儀的系統結構

地下管線測繪系統應用MEMS陀螺儀實現相關數據的采集，再通過管道測繪處理所采集數據，以測量管道軌跡。

2.1 主體結構

采用模塊化的方式，通過簡化組裝過程，保證了設備的維修方便。采用機械連接部位的密封和防水處理，選用螺絲連接，保證了測量設備的防水能力。該測量設備的本體為60mm，長為435mm，其上有平滑的涂層和抗氧化的涂層。測量設備的一頭是控制面板，上面安裝著數據接口、開關和工作指示燈，而在另外一頭，是可以替換的電池箱，MEMS陀螺安裝有兩個12 V的鋰電池。

2.2 輪組結構

地下管線測繪的輪組包括螺紋軸、支撐桿、滾輪、U型支架、限位螺母和軸承等組合而成，兩個密封的軸承一起支承著滾輪，保證了滾輪的平穩運行。通過調節限制螺帽，可在較小的幅度內調節車輪組的直徑，使之適用于各種口徑。另外，該里程表組件還組裝了一個連接本體的里程表數據傳送界面，該結構防水性能較高[3]。

3 地下管線測繪系統的設計實現

3.1 系統的軟硬件設計

首先初始化數據采集模塊、數據讀取模塊、數據存儲模塊以及開關模塊，在MEMS陀螺儀發送數據過程中，將采集模塊啟動，向FIFO隊列存儲所采集數據，在FIFO隊列數據超量時，需要發送數據至SD卡內，持續循環以上操作，持續向SD卡傳輸數據，直至設備電源關閉。

首先，數據采集模塊。采集數據包含里程計數據、MEMS陀螺儀數據，后者通過422電平形式向外發送，所用波特率為921600bps，將電平轉換電路設于STM32端，轉換422電平為TTL電平，借助STM32串口實現數據的接收。采用串行閑置中斷與內存訪問（英文縮寫為 DMA）來完成對數據的收集，這里的串行閑置中斷是指在收到的數據之后出現了一個閑置的幀，這時候STM32將會對是否有閑置的幀進行判定；在對高速率的數據進行收集的過程中，這種方法的效率很高，可以保證數據的實時獲取。但是，由于單次獲取的資料比較多，導致 CPU被占用，這時將傳送到 SD卡內的資料就會被擾亂；因此，使用串行 DMA方式來進行數據的接收，可以很好的防止對內存的影響。由于里程數是以脈沖方式被記錄的，所以當STM32發現 GPIO端口是上升緣跳躍時，STM32就會引發一個外部的中斷，并且在該中斷過程中，會不斷地累積脈沖數量；每個脈沖脈沖都與車輪的1/4圓的圓周有關，從而獲得了相應的英里數。

其次是資料儲存部分。利用STM32完成 DMA和串行通信，串行接口從 MEMS陀螺中獲取的信息通過 DMA傳輸到總線，直到收到全部的數據為止，這時串行閑置的終端將被激活，并將全部的數據存入 BUF。從STM32上獲取英里數數據，持續累計所觸發脈沖數。融合兩個傳感器所采集數據，并在FIFO內部存儲，并把FIFO數據傳至SD卡內。圖2為數據存儲流程。

圖2 數據存儲流程

再次，數據讀取模塊。本模塊的核心部分就是通過 USB接口對 SD卡進行讀取。測試結束后，通過 USB接口與PC機相連，實現對 SD卡的實時存取，并對 SD卡的內部信息進行讀出。為了降低功率消耗，本設計在測試過程中處于非工作狀態，測試結束后由電腦上的 USB電源提供電源，通過PC機對實現對SD卡的存取。

3.2 地下管道測繪算法的實現

在地下管線測繪工程中，MEMS陀螺儀因其價格低、體積小等優勢被廣泛應用。然而，MEMS陀螺存在測量精度不高、捷聯慣性導航（SINS）存在運算誤差等問題。針對此問題，一般采用將 SINS與其它輔助導航相結合的方法進行求解。本項目擬采用非完備限制/里程計/MEMS-IMU聯合定位方法，通過非完備條件下/里程計/MEMS-IMU聯合定位方法求解，提高測量精度。

3.2.1 捷聯慣導誤差方程

為了研究 SINS的精度，即每一種不同的誤差源對 SINS的姿態偏差角度和導航位置的影響，建立相應的誤差公式。由 SINS導出，建立了姿態角誤差公式：

速度誤差方程為：

位置誤差方程為：

3.2.2 管道軌跡解算

將慣導坐標的位置、姿態和速度的偏差作為系統的狀態量，將慣性定軌的速度與慣性系統的速度轉換成載體坐標的速度差作為系統的參數，建立動力學方程，并利用卡爾曼濾波器進行處理；通過對捷聯慣性導航的姿態偏差的估計，對其進行了修正。然后，利用正、負兩個方向的濾波器，將其運算的結果作為修正信息，實現在副導航信息不足的情況下對端點的修正，利用給定的起止點進行定位校正。利用慣導和非完備約束的聯合建模方法，在該方法中加入了傳感器的輔助信息，實現起點和終點的校正，重修正過程的終點是正向和逆向的平滑濾波。圖3是數據處理流程的示意圖。

圖3 數據處理流程

利用非完備運動約束，利用里程計作為輔助手段，有效壓制MEMS-IMU的偏差，提高井下管線聯合定位的精度。因此，采用非完備約束/MEMS-IMU/英里計聯合定位技術可以實現對地下管線的精確定位。

4 實例應用

以某地下管線探測為例，采用 MEMS陀螺和管道測量儀進行勘探，并對一些軌跡進行了挖掘驗證。按照 MEMS陀螺的測試資料進行結構的設計和建造。MEMS陀螺的測繪工作包括前期準備、輔助測繪、定位測繪和數據處理，圖4為工作技術流程。

圖4 工作技術流程

圖5 埋深實測比較圖

從起點至90m范圍，采用 MEMS陀螺和管道探測器進行探測，管道探測器采用追蹤探針方式，其發射頻率為32.8 KHz，探針直徑為64 mm，采用管道探測器跟蹤探測器的電磁信息，通過管道探測器接收端的追蹤探針，實現對數據的直接讀出。在區段內采用兩種方法進行了反復勘察，并對3個點位進行了挖掘檢驗。用平均誤差計算的重復檢測極限值是：

MEMS陀螺儀之所以比管道探測器（示蹤探針）的測繪更精確，是因為其輸出的探針（示蹤探針）所產生的電磁場極易受到外部環境的干擾，且易發生畸變。在檢測時，無需在道路上安裝跟蹤裝置，也就是不會受到環境的干擾。不受電磁干擾，不受磁場干擾，可自主工作，測量任意深度，精度低，適用于各種材料的管路；通過該程序可以實現對管道的方向、深度、材質等的精確測量，從而保證了整個空間的安全穩定運行。

5 結語

基于 MEMS陀螺儀的城市地下管線地圖繪制設備，利用有源設備搭載的地圖設備，通過在管線中行走來實現對管線的軌道繪制。繪制設備搭載MEMS陀螺儀獲取三軸加速度、三軸加速度，霍爾傳感器感應測圖機構車輪組上的磁體獲取行程信息，并通過 SINS修正算法對所獲取的信息進行處理，最終完成管線的軌跡檢測。為了實現高速度和高實時性，對地圖繪制設備進行了硬件設計。在程序上，采用了快速的數據獲取方式，使其能夠在保存完好的情況下，達到了較高的實時性。采用MEMS-IMU/里程計結合的方法和合成修正方法，有效地消除了單純慣性導航的偏差，從而改善了管線測量的精度。以上方法的實現，有效地解決了測量儀器在研制過程中遇到的難題，體現了該方法的創新性。