慣導(dǎo)陀螺儀在管道探測(cè)的應(yīng)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(guó)內(nèi)科技水平和管道探測(cè)定位需求的不斷提高，慣導(dǎo)陀螺儀探測(cè)定位技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。慣導(dǎo)陀螺儀探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)管道探測(cè)定位法的缺陷和不足之處，提高了探測(cè)定位精準(zhǔn)度和效率，在管線探測(cè)、航天工程、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域均有應(yīng)用[1]。所以，研究地下管道監(jiān)測(cè)定位中慣導(dǎo)陀螺儀應(yīng)用，存在著一定的現(xiàn)實(shí)意義。

2 傳統(tǒng)地下管線定位技術(shù)遇到的挑戰(zhàn)

1、對(duì)實(shí)際的測(cè)量深度有較大影響，因?yàn)楹茈y在實(shí)際埋設(shè)深度＞5米以上的情況下，準(zhǔn)確測(cè)定地下管道的安裝情況和深度，容易受到實(shí)際探測(cè)條件背景的電磁干擾影響[2]。2、電磁感應(yīng)法管線儀、探地雷達(dá)、聲波探測(cè)儀等不完全滿足城市地下空間開發(fā)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(zhuǎn)動(dòng)物的旋轉(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)方向，生產(chǎn)起來的物體就叫做陀螺儀（gyroscope)[3]。

由三個(gè)羅盤和三個(gè)加速度儀組成的方位測(cè)量?jī)x控制系統(tǒng)（OMU）是主要檢測(cè)設(shè)備，分別檢測(cè)定位儀的相對(duì)慣性中的三個(gè)旋轉(zhuǎn)角速度和三條直線加速度的定位儀坐標(biāo)系的分量，并進(jìn)行方位轉(zhuǎn)換，將加速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)航方位坐標(biāo)控制系統(tǒng)的速率。并檢測(cè)出定位儀的地點(diǎn)、高度、運(yùn)動(dòng)方向和水平位置。陀螺儀則根據(jù)測(cè)定水平角（Heading)，俯視角（Pitch）和側(cè)滾方位（Roll）的變化規(guī)律，從而判斷慣性定位設(shè)備的工作狀態(tài)。

3.2 陀螺儀進(jìn)行管線定位的原理

陀螺儀和加速度計(jì)依次檢測(cè)定位儀的相應(yīng)于慣性空間的三次自轉(zhuǎn)角速度和三次線加速率延定位方向儀坐標(biāo)系上的矢量，并進(jìn)行位置轉(zhuǎn)換，將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為延導(dǎo)航坐標(biāo)系的線加速率。從而測(cè)算出定位儀的方位、時(shí)速、航向，以及水平姿態(tài)[4]。

例如：將北向加速度計(jì)和東向加速度計(jì)測(cè)得的運(yùn)動(dòng)加速度aN、aE進(jìn)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(jìn)行變換并再次積分得到定位儀的位置變化量，與初始經(jīng)緯坐標(biāo)相加，即得到定位儀的地理位置經(jīng)緯坐標(biāo)。

幾種常用的坐標(biāo)系：慣性坐標(biāo)系、地球坐標(biāo)系、地理坐標(biāo)系、載體坐標(biāo)系、陀螺坐標(biāo)系、動(dòng)參考坐標(biāo)系。

4 慣導(dǎo)陀螺儀的組成

1、硬件系統(tǒng)：由測(cè)量單元和行進(jìn)部分組成。其中方向測(cè)量?jī)x器（OMU）系統(tǒng)是慣導(dǎo)陀螺儀最主要的構(gòu)件，其為包括除了計(jì)程儀（通常用于方向計(jì)量器之上）以外的各種感應(yīng)器。2、軟件系統(tǒng)：用來對(duì)測(cè)量單位所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算，并得到點(diǎn)坐標(biāo)系和管線空間圖形信息圖[5]。這些軟件程序把由方位測(cè)量?jī)x所獨(dú)立測(cè)量的數(shù)值從方位測(cè)量?jī)x器中傳送至電腦，然后再把方向測(cè)量?jī)x器所經(jīng)路線與已知的出入口點(diǎn)位置系統(tǒng)相互聯(lián)系，最后再?gòu)乃x的位置系統(tǒng)中建立一條更精確的三維曲線。

5 慣導(dǎo)陀螺儀技術(shù)特點(diǎn)

陀螺儀三維精確定位技術(shù)作為新的地下管線定位方法，具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

1、測(cè)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(zhì)的地下管道；4、自主創(chuàng)建三維空間曲面圖，并與GIS數(shù)據(jù)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(dá)技術(shù)、CCTV攝像系統(tǒng)技術(shù)等傳統(tǒng)測(cè)量方法的強(qiáng)力彌補(bǔ)工具，對(duì)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(dǎo)陀螺儀在管道探測(cè)中的應(yīng)用實(shí)例

某附近城市機(jī)場(chǎng)的燃?xì)夤艿来┰绞┕るm已經(jīng)建成并已通氣運(yùn)行，但其管道頂管施工時(shí)必須在緊挨燃?xì)夤艿赖牡胤竭M(jìn)行沉井樁基施工，因?yàn)榇┰绞┕さ幕A(chǔ)計(jì)算準(zhǔn)確性較小，而且準(zhǔn)確性也較差，無法作為放樣的數(shù)據(jù)。為保證燃?xì)夤艿赖恼＿\(yùn)作和安全，在這以前，以往通常的做法是敷設(shè)臨時(shí)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?xì)夤?。這樣的結(jié)果是帶來了重大的經(jīng)濟(jì)損失。還好現(xiàn)在我們有了更好的選擇，那就是對(duì)原有的燃?xì)夤艿肋M(jìn)行三維管道軌跡測(cè)量。

6.1 技術(shù)難點(diǎn)

該管道的測(cè)量涉及許多復(fù)雜的流程。以燃?xì)夤艿罏槔?，在開始測(cè)量之前，需要辦理停氣通告和手續(xù)，割管前進(jìn)行氮?dú)庵脫Q，割管、穿繩、重新鑲接等等工序，耗時(shí)、耗力，同時(shí)代價(jià)很高。所以建議在新管道穿越施工完成的時(shí)候立即進(jìn)行測(cè)量工作

6.2 硬件選取

主要硬件：慣導(dǎo)陀螺儀、全站儀、計(jì)算機(jī)

慣導(dǎo)陀螺儀：由保護(hù)盒、慣性測(cè)量棒、工作計(jì)算機(jī)、控制臺(tái)等幾部分構(gòu)成。

6.3 技術(shù)實(shí)施方案

技術(shù)實(shí)施方案為：1、實(shí)施之前，應(yīng)做好數(shù)據(jù)采集與計(jì)算工作，獲取待測(cè)區(qū)域的位置圖，并計(jì)算待測(cè)管道入、出的三維坐標(biāo)值。如作業(yè)點(diǎn)位于沙井內(nèi)，進(jìn)沙井時(shí)應(yīng)進(jìn)行抽水或通氣，并按照缺氧的環(huán)境守則進(jìn)行操作。2、在進(jìn)行試通操作時(shí)，先將慣性定位器放入待測(cè)管道入口處，然后啟動(dòng)慣導(dǎo)陀螺儀，并在入口停止儀器約三十秒鐘后在出口處用機(jī)械或人工方式進(jìn)行拉帶。隨著儀器在管道內(nèi)檢測(cè)，傳感器即時(shí)記下慣導(dǎo)陀螺儀運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，以及路徑中的位移與軌跡位置的變動(dòng)情況。拖至出口處亦須靜止三十秒鐘，此時(shí)開始進(jìn)行一次檢測(cè)工作，于此重復(fù)檢測(cè)兩次以上得出最準(zhǔn)確之結(jié)果[7]。

6.4 數(shù)據(jù)處理

1、數(shù)據(jù)處理

探測(cè)工作結(jié)束后，需要使用專門數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件對(duì)測(cè)量信息加以運(yùn)算處理。先將慣導(dǎo)陀螺儀的測(cè)量信息下發(fā)至工作計(jì)算機(jī)上，接著將測(cè)量管道的開始位置和末端位置注入軟件系統(tǒng)中，并選定相應(yīng)的數(shù)據(jù)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(cè)量工作，直到獲得最準(zhǔn)確的結(jié)果。待獲得較準(zhǔn)確的結(jié)果時(shí)，保存本次資料的有關(guān)信息，在配合測(cè)量獲取之現(xiàn)場(chǎng)地形圖及測(cè)繪程序中完成管線數(shù)據(jù)編制、套繪。

2、數(shù)據(jù)輸出

1）數(shù)據(jù)類型：XYZ三維空間坐標(biāo)。2）標(biāo)準(zhǔn)文件格式：.csv文件、.csr文件。3）最大測(cè)量深度：無限制；或0-1000米。4）測(cè)量精度：0.25%*管長(zhǎng)。5）彎曲半徑：300D。6）管道材質(zhì)：鋼管。

3、探測(cè)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(cè)結(jié)果分析

在慣導(dǎo)陀螺儀提供的測(cè)量數(shù)據(jù)支持下，污水頂管沉井樁基施工順利結(jié)束，燃?xì)夤艿劳旰脽o損，證明了RUDUCT陀螺儀的準(zhǔn)確性和可靠性。慣性陀螺管內(nèi)直接測(cè)量法提供的數(shù)據(jù)具有精度高、數(shù)據(jù)可靠穩(wěn)定，從而確定了慣導(dǎo)陀螺儀在深部管線測(cè)量方面的強(qiáng)大技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。

表1 天然氣管道穿越工程坐標(biāo)表

7 慣導(dǎo)陀螺儀的前景分析

1、管道三維姿態(tài)測(cè)量

目前，現(xiàn)有的管網(wǎng)及井室檢測(cè)技術(shù)，包括有地面檢測(cè)和地下檢測(cè)兩個(gè)方向，但都存在誤差大，人員操作要求高，實(shí)用性不強(qiáng)等確定。管道三維位置測(cè)量?jī)x技術(shù)，可獲得未施工穿越管線施工管道的精確定位數(shù)據(jù)，科學(xué)合理的開發(fā)利用地下空間，減少潛在的事故隱患，進(jìn)而攻克上述其他檢測(cè)方法無法破解的實(shí)際難題。需要注意的是，在實(shí)際應(yīng)用中，由于管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x是基于精確測(cè)量自身運(yùn)動(dòng)軌跡而求得所測(cè)管道中心坐標(biāo)序列的原理，其測(cè)量準(zhǔn)確度不止受限于內(nèi)置的核心慣性傳感器測(cè)量單元，也與儀器運(yùn)行過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性息息相關(guān)。因此，保持測(cè)量管道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，也是三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x測(cè)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的先決條件之一。以上便是傳感器基于慣性測(cè)量單元，即IMU慣性傳感器技術(shù)的測(cè)量?jī)x器——管道三維姿態(tài)測(cè)量?jī)x的原理與應(yīng)用了。

2、開發(fā)管線探測(cè)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

對(duì)于海底管道或途經(jīng)土壤含水量較大地區(qū)的管道，由于海洋環(huán)境、淺層建筑地貌、水底地形等都非常復(fù)雜，且海洋板塊極不平衡，容易引起地形變，從而無法形成實(shí)時(shí)的地理信息系統(tǒng)。檢測(cè)設(shè)備如果不記錄其周圍位置和敷設(shè)路徑，就無法對(duì)管線檢測(cè)設(shè)備產(chǎn)生缺陷的準(zhǔn)確定位。為解決此類問題，可以開發(fā)管線探測(cè)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

通過優(yōu)選加速度計(jì)和陀螺儀所構(gòu)成的慣性控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成；同時(shí)在解算算法中通過引入互補(bǔ)信號(hào)濾波和擴(kuò)展自適應(yīng)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(cè)量準(zhǔn)確度。整體結(jié)構(gòu)上完備了整套測(cè)試體系。其主體構(gòu)成主要由以負(fù)責(zé)方位角和距離信息收集的感應(yīng)器為核心的下位機(jī)組成部分，和以實(shí)現(xiàn)串口方式通訊和數(shù)據(jù)處理解算功能的上位機(jī)組成部分。其中下位機(jī)方面，在實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的基本機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和信息遴選的技術(shù)理論基礎(chǔ)上，以STM32F103型單片微式電子計(jì)算機(jī)為控制系統(tǒng)的指令控制系統(tǒng)核心，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)傳遞等全過程操作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了加速度儀和光纖陀螺儀的信號(hào)控制和數(shù)據(jù)收集等功能。配套單元有電力管理和模數(shù)轉(zhuǎn)換控制器等。在上位機(jī)方面，以LabVIEW平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)一個(gè)界面和串口讀寫控制系統(tǒng)的編程開發(fā)工作，并采用matlab腳本的方法實(shí)現(xiàn)了軌跡坐標(biāo)解算和誤差修正算法的代碼編制調(diào)試工作。故此慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有不依賴外界信息，探測(cè)精度高，隱蔽性好等特點(diǎn)。

3、開發(fā)慣導(dǎo)測(cè)繪自動(dòng)化機(jī)器人

目前陀螺儀在管道探測(cè)中還存在幾個(gè)問題，對(duì)作業(yè)管道要求相對(duì)比較高，對(duì)于某些管道，還需做到小型化，以使用不同管線規(guī)格的需求。

可通過自動(dòng)化技術(shù)開發(fā)，研制慣導(dǎo)測(cè)量自動(dòng)化機(jī)器人，測(cè)量自動(dòng)機(jī)器人通過搭載的精密慣性檢測(cè)模塊，可以精確測(cè)量管線的三維方向，同時(shí)利用收線裝置可以將其在管線中進(jìn)行拖拽測(cè)量，在管線中沒有GPS定位系統(tǒng)的狀況下可以精確測(cè)量出地下管道的路徑，從而形成了三維圖。同時(shí)通過慣性測(cè)量模塊自帶主動(dòng)判斷處理功能，以加強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行設(shè)備。并設(shè)計(jì)了按照管道尺寸，隨意改變各種規(guī)格的滑輪組件，以適應(yīng)地頂水管、工業(yè)管網(wǎng)以及管道較長(zhǎng)、管路內(nèi)障礙物較少、管路坡度大的地下管線。

8 結(jié)論

慣導(dǎo)陀螺儀的定位系統(tǒng)都具備了自動(dòng)檢測(cè)的特性，不需人員可以隨時(shí)隨地對(duì)測(cè)量對(duì)象進(jìn)行設(shè)定，而且，這些測(cè)量的抗干擾能力都特別好，并且能夠在相對(duì)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(jìn)行24小時(shí)內(nèi)不間斷的測(cè)量。但由于慣導(dǎo)陀螺儀在管道中采用的直接測(cè)量方法，所以它直接通過管道，從而更適合于檢測(cè)新建的非運(yùn)行管道。對(duì)現(xiàn)有的運(yùn)行線路，應(yīng)當(dāng)留有空管以進(jìn)行檢測(cè)。如有的線路因淤泥堵塞而不能通過，也無法檢測(cè)。

慣導(dǎo)陀螺儀的3D檢測(cè)技術(shù)在不受線路質(zhì)量，線路地埋深度，施工條件和地質(zhì)環(huán)境等各種因素的影響，特別是非開挖或定向鋪設(shè)的線路中，利用慣導(dǎo)陀螺儀所檢測(cè)的準(zhǔn)確三維位置結(jié)果，為整個(gè)線路的維護(hù)與控制過程提供了準(zhǔn)確可信的數(shù)據(jù)。