基于MEMS陀螺儀的地下管線測繪系統構建分析

摘要：地下管線準確測繪對城市規劃具有至關重要的作用，傳統地下管線測繪方法存在成本高、效率低和安全隱患大的問題。為了解決這些問題，首先，提出一種基于微機電系統（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）陀螺儀的地下管線測繪系統構建方法，通過分析MEMS陀螺儀的基本原理和性能，確定其適用于地下管線測繪的特點。其次，設計一套完整的地下管線測繪系統，實現對地下管線位置和走向的精確測量。研究結果顯示，該系統能實現對地下管線位置和走向的準確測量，且具有高精度、高效率、低成本特點，能滿足不同規模和需求的地下管線測繪任務。

關鍵詞：MEMS陀螺儀地下管線測繪系統城市基礎建設

ConstructionAnalysisofUndergroundPipelineSurveyingandMappingSystemBasedonMEMSGyroscope

LIUTongyu

CRCCHarbourandChannelEngineeringBureauGroupCo.，Ltd.，Zhuhai，GuangdongProvince，519070China

Abstract：Accuratesurveyingandmappingofundergroundpipelinesplaysacrucialroleinurbanplanning.Traditionalsurveyingandmappingmethodsofundergroundpipelinessufferfromproblemsofhighcosts，lowefficiency，andsignificantsafetyhazards.Tosolvethesproblems，thisarticleproposesamethodforconstructinganundergroundpipelinesurveyingsystembasedonMicro-Electro-MechanicalSystem（MEMS）gyroscopes.ByanalyzingthebasicprinciplesandperformanceofMEMSgyroscopes，thecharacteristicssuitableforundergroundpipelinesurveyingaredetermined.Then，itdesignsacompleteundergroundpipelinesurveyingsystemframeworktoachieveprecisemeasurementofthepositionanddirectionofundergroundpipelines.Theresearchresultsshowthatthesystemcanachieveaccuratemeasurementofthepositionanddirectionofundergroundpipelines，andhasthecharacteristicsofhighprecision，highefficiency，andlowcost，whichcanmeetthesurveyingandmappingtasksofundergroundpipelinesofdifferentscalesandneeds.

KeyWords：MEMSgyroscope;Undergroundpipelines;Surveyingandmappingsystem;Urbaninfrastructure

地下管線是城市基礎設施中不可或缺的部分，承擔著供水、供氣、供電等重要職能，但由于地下管線隱藏在地下，其位置、走向、狀態很難直接觀測，給管線管理工作帶來嚴重困難。傳統地下管線測繪方法主要依賴人工勘測和地理勘測儀器，這些方法存在著各種問題，人工勘測耗時耗力，且易受人為因素的影響，測量結果的準確性無法保證。同時，地理勘測儀器設備昂貴且復雜，操作繁瑣，不適合在復雜地形環境中使用。因此，尋求一種新的地下管線測繪系統是非常必要的。微機電系統（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）陀螺儀作為一種新興的慣性導航傳感器，具有體積小、功耗低、精度高等優點，被廣泛應用于飛行器、汽車、機器人等領域。近年來，研究人員開始關注基于MEMS陀螺儀地下管線測繪系統構建，該系統利用MEMS陀螺儀測量地下管線方向和角度，通過計算機處理實時數據，實現對地下管線的三維測量和地圖繪制。基于此，本文提出基于MEMS陀螺儀的地下管線測繪系統的構建方法，并將其應用于實際工程中。該方法具有成本低、精度高、操作簡便等優點，能大大提高地下管線的測繪效率和準確性。

1系統總體方案設計

為了實現高精度的地下管線測繪，本文設計了一套基于MEMS陀螺儀的地下管線測繪系統，主要包括系統結構設計、系統軟硬件設計、管道測繪算法。系統結構設計分為控制模塊、傳感器模塊、數據處理模塊。控制模塊負責整個系統的控制，包括主控制器、通信設備和電源管理等組件，主控制器通過與其他模塊的通信，實現對傳感器模塊和數據處理模塊的控制。傳感器模塊是系統的核心部分，使用MEMS陀螺儀和其他傳感器獲取地下管線的姿態和位置信息；MEMS陀螺儀通過測量角速度和角度變化，判斷管道方向和傾斜程度；加速度計、磁力計等其他傳感器用于輔助測量。數據處理模塊負責接收傳感器模塊采集的數據，并進行實時處理和存儲，包括數據采集單元、數據處理單元、數據存儲單元；數據處理單元通過對傳感器數據濾波和噪聲消除，提高測量的穩定性。

系統軟硬件設計是為了保證地下管線測繪系統的可靠性，硬件設計方面，選用高精度的MEMS陀螺儀，并采用工業級的電子元件和連接器，以確保系統在惡劣環境下的正常運行。軟件設計方面，開發專門的控制程序和數據處理算法，控制程序負責實現系統的自動控制和數據傳輸功能，同時具備故障檢測和報警功能；數據處理算法主要包括姿態解算算法、濾波算法和校準算法，用于對傳感器數據進行分析，從而得到管道的準確位置和姿態信息。管道測繪算法是地下管線測繪系統的關鍵組成部分，采用基于慣性導航的測量方法，通過MEMS陀螺儀和其他傳感器獲取地下管線的姿態和位置信息，利用姿態解算算法對傳感器數據進行處理，得到管道的精確方向和傾斜程度；通過濾波和校準算法對測量數據進行處理，提高測量的準確性。

2系統結構設計

2.1整體結構設計

MEMS陀螺儀是一種小型慣性測量單元，能測量空間中物體的角速度，該陀螺儀采用50g的小型慣性測量單元，測量范圍為±2000°/s，最小分辨率為0.01°/s，零偏穩定性為0.1°/h，溫度漂移為0.005°/°C，這些性能參數保證系統的高精度。地下管線測繪系統的整體結構設計包括輪組和系統主體的螺釘聯接方式固定，輪組由4個小型車輪組成，能在地下管道中進行自由移動，系統主體是裝有MEMS陀螺儀的盒子，用于接收和處理陀螺儀的測量數據。系統工作原理是將地下管線測繪系統放置在需要測繪的管線附近，通過操作控制系統控制輪組在地下管道中移動，同時陀螺儀實時測量角速度。陀螺儀測量數據將通過無線通信傳輸到系統主體，系統主體接收到數據后，通過算法處理計算出管線的位置和走向，并將結果顯示在控制系統的界面上。為了確保整個系統的穩定性，輪組和系統主體之間采用螺釘聯接方式固定，這種方式能有效避免在地下管道中移動時發生松動，從而保證測量的準確性。此外，整體結構設計還考慮系統的便攜性和耐用性，使系統方便地進行攜帶和使用，并能夠適應各種惡劣的環境條件。

2.2測繪裝置主體結構設計

基于MEMS陀螺儀的地下管線測繪系統測繪裝置主體結構設計采用模塊化設計，整個裝置主體由多個模塊組成，包括陀螺儀模塊、電源模塊、控制模塊、顯示模塊等，這些模塊通過螺釘聯接在一起，有效確保裝置的穩固性。同時，在裝置機械聯接處，進行防水和密封處理，以防止水分和灰塵進入裝置內部影響其正常工作，螺釘聯接也能提供良好的密封效果，保證裝置的耐用性和可靠性。測繪裝置主體尺寸為435mm長度和60mm最大直徑，外觀表面光滑，方便操作和攜帶，一端是操作面板，上面設有開關、數據接口、工作狀態指示燈，方便用戶進行操作和監控裝置的工作狀態；另一端是電池倉，用于放置電池以供裝置正常工作。這種測繪裝置主體結構設計的優點是模塊化設計，使裝置更易維修和更換零部件，防水和密封處理保證裝置的可靠性；螺釘聯接提供良好的機械連接效果，確保裝置的穩固性；裝置尺寸和外觀設計使操作更加方便，用戶輕松攜帶；操作面板和電池倉設置也增加裝置的易用性[1]。

2.3輪組結構設計

輪組主要由中心支撐桿、U型支架、滾輪、軸承、螺紋軸、限位螺母組成。中心支撐桿是輪組的主要支撐部件，其負責連接整個輪組與測繪系統；U型支架則用于固定軸承和滾輪，保證其在運動過程中的穩定性。滾輪選用高強度材料制造，以增加其使用壽命。為了減小滾輪與地面的摩擦力，在滾輪表面采用特殊的設計，如花紋、凹凸不平的表面結構，能有效地提高輪組的運動效率。軸承負責支撐滾輪的轉動，本文采用高精度的球軸承，確保輪組在高速運動中的穩定性和平衡性。同時，為了減小輪組的摩擦力，在軸承上添加適量的潤滑劑。螺紋軸是連接中心支撐桿和滾輪的關鍵部件，通過旋轉螺紋軸能調整滾輪與地面之間的距離，從而實現對地下管線的測繪深度的調節，限位螺母作為螺紋軸的固定裝置，能防止滾輪在運動過程中松動或脫落。整個輪組設計要求輕巧、堅固、耐磨，且能適應各種復雜的地下環境。因此，在材料選擇上，采用高強度、輕量化的合金材料，如鋁合金、鈦合金等，這不僅滿足輪組的結構強度要求，還可以減輕整個地下管線測繪系統的重量（如圖2所示）。

3系統軟硬件設計

3.1數據采集模塊

在地下管線測繪系統中，MEMS陀螺儀被安裝在管道測量設備上，用于測量設備的方向和角度。該傳感器會產生連續的數據流，涉及管道設備的姿態信息，為了提高數據采集的準確性，本系統采用串口空閑中斷和DMA方式進行數據采集。串口空閑中斷是一種在串口接收到完整一幀數據后觸發的中斷，通過監測串口的狀態位，當檢測到接收的完整數據幀后，STM32芯片會判斷出現空閑幀，并觸發空閑中斷。在空閑中斷處理函數中，采集并處理接收到的數據。但對于高頻率的數據采集，使用中斷方式進行數據采集效率較低，為了提高數據采集的速度，本系統采用DMA方式進行數據傳輸。DMA是一種直接從外設到存儲器或從存儲器到外設進行數據傳輸的技術，通過配置DMA通道和相關寄存器，實現在不占用CPU的情況下完成數據的傳輸。在本系統中，串口空閑中斷和DMA方式結合使用，通過配置串口的空閑中斷使能位，當接收到完整一幀數據后觸發空閑中斷。在空閑中斷處理函數中，通過DMA方式將接收到的數據直接存儲到指定的存儲器中，大幅度提高數據采集的效率，并減輕CPU的負擔[2]。

3.2數據存儲模塊

在地下管線測繪系統軟硬件設計時，要配置STM32的串口和DMA接收功能，串口是用來接收MEMS陀螺儀發送的數據的通信接口，而DMA則是用來高效地將接收到的數據搬運到指定的緩沖區中。在STM32上配置串口和DMA接收的步驟如下：（1）初始化串口的引腳和參數設置，選擇適當的引腳作為串口的接收引腳，并設置串口的波特率、數據位數、停止位等參數；（2）配置DMA的通道和緩沖區，選擇合適的DMA通道，并分配緩沖區用于存儲接收到的數據；（3）配置DMA的傳輸參數，設置DMA的傳輸模式、數據寬度和傳輸長度等參數；（4）配置串口的接收中斷。使能串口接收中斷，并在中斷處理函數中調用DMA傳輸函數，將接收到的數據搬運到指定的緩沖區中。

一旦配置完成，每當MEMS陀螺儀發送一幀數據，串口將接收到這些數據，并通過DMA搬運到指定的緩沖區中，從而實現數據的存儲功能。接下來，討論里程計數據的采集，里程計是一種用于測量運動距離的設備，通常使用脈沖信號來計算行進距離[3]。在這里，采用STM32的外部中斷方式來進行里程計數據的采集，外部中斷是一種硬件觸發方式，當GPIO口檢測到上升沿跳變時，會觸發外部中斷。為了配置STM32的外部中斷功能，要進行以下步驟。（1）初始化外部中斷的引腳和參數設置。選擇適當的引腳作為外部中斷的觸發引腳，并設置觸發邊沿、中斷優先級等參數。（2）配置外部中斷的中斷處理函數。在中斷處理函數中，累計觸發的脈沖數，使用全局變量來保存脈沖數的累積值。通過以上配置，當GPIO口檢測到上升沿跳變時，外部中斷將被觸發，并在中斷處理函數中累計觸發的脈沖數，這就可以實現里程計數據的采集功能[4-5]。

3結語

綜上所述，本研究基于MEMS陀螺儀的地下管線測繪系統構建方法具有良好的性能和應用前景。然而，仍需要進一步優化系統的設計和算法，以提高測繪的精度和可靠性，并解決實際應用中的挑戰。相信在未來的發展中，基于MEMS陀螺儀的地下管線測繪系統將會得到更廣泛的應用。

參考文獻

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