多傳感器融合在地下管道測量中的應用研究

肖 蕾,劉克江,莊鑫財

(廣東技術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用研究

肖 蕾,劉克江,莊鑫財

(廣東技術師范學院自動化學院，廣東 廣州 510450)

地下管道現有測量技術普遍存在環境干擾影響嚴重、測量精度低等缺陷，無法實現復雜地下管網的精確定位，導致地下管道管理混亂無序、施工事故頻發。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，構造姿態矩陣，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，實現地下管道的精確管理。該方法能滿足測量精度的要求，實現對地下管道的準確定位，且能構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域具有一定的實用性。

多傳感器融合； 地下管道； 姿態解算； 空間位置； 誤差修正

0 引言

地下管道是城市基礎設施的重要組成部分，是城市賴以生存和發展的物質基礎。由于歷史和現實的各種原因，我國城市地下管道管理滯后于城市發展和國際同行業水平，其混亂無序的狀況已成為城市建設和國民經濟發展的瓶頸之一[1]。近年來，由于路面開挖造成地下管道事故頻發、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興起后，國內外地下管道非開挖探測技術進入了快速發展階段[2-4]。目前，地下管道探測技術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(global positioning system，GPS)等。但這些技術普遍存在環境干擾影響嚴重、測量精度低等缺陷，無法實現復雜地下管網的精確定位。因此，采用非開挖技術對地下管道位置和走向進行精確測量，構造出地下管道走向三維空間位置、形狀，已經成為目前國際地下管道非開挖測量技術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，采用陀螺儀、加速度計和磁力計等多傳感器融合的姿態解算方法，實現地下管道空間位置、走向曲線重構。

1 設計原理

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(管道機器人)牽引探測裝置在被測地下管道內行進，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。采用多傳感器數據融合技術，準確獲取探測裝置行走過程的傾角、方向角度等數據，結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

本文根據管道機器人(牽引機構)通過管道的特性，并對比國內外各類管道機器人的特點，結合實際需求，采用“蝸桿-行星輪系”的機械架構，使其具有較強的爬坡功能。基于嵌入式實時多任務操作系統，開發了管道探測裝置。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；結合行進里程，計算探測裝置實時位置與初始位置的空間關系，構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)還可攜帶攝像頭、測漏儀等其他管道檢測傳感器，實時采集管道相關信息。

2 多傳感器融合姿態解算方案

探測裝置的姿態是重構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，逐漸在姿態檢測等領域得到廣泛應用。單純使用三軸陀螺儀即可根據歐拉角的微分方程解算出三個姿態角，但由于陀螺不可避免地存在漂移，姿態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，結構簡單、工作可靠、成本低廉，與其他導航制導系統結合使用，可提高測量精度和系統靈活性，適用于復雜工作環境。但磁力計不能獨立使用，其需要與其他姿態傳感器配合使用，才能唯一確定姿態角。

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據融合姿態解算方法。利用加速度計三分量和磁力計三分量修正陀螺儀誤差，可有效降低系統漂移誤差、提高測量精度，并能夠準確重構出地下管道三維空間位置走向曲線。多傳感器融合姿態解算方案如圖2所示。

圖2 多傳感器融合姿態解算方案示意圖

(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)

利用系統誤差對陀螺儀的原始輸出數據進行PI修正，即：

(8)

(9)

式中：Kp為比例系數;Ki為積分系數;T為積分時間。

(10)

更新四元數并規范化：

(11)

(12)

(13)

在本文的姿態角解算方法中，采用加速度計、磁力計測量值ACC(ax,ay,az)、MAG(mx,my,mz)和理論值(vx,vy,vz)、(wx,wy,wz)的偏差作為系統輸入，利用PI控制算法，以修正后的三軸陀螺儀三個姿態角作為輸出，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)

根據空間坐標(xt,yt,zt)與位移矢量(it,jt,kt)的數學關系，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。地下管道測量結果如圖5所示。

圖5 測量結果示意圖

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，構造姿態矩陣，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。試驗結果表明，該方案能夠有效降低系統漂移誤差、提高測量精度，在地下管道非開挖工程領域具有一定的實用性。

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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、嵌入式系統開發方向的研究。 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