一种基于mems惯性测量单元的管道测绘及缺陷定位装置及其管道测绘及缺陷定位方法
【专利摘要】本发明属于管道测绘【技术领域】，具体涉及一种基于MEMS惯性测量单元的管道测绘及缺陷定位装置及其管道测绘及缺陷定位方法。基于MEMS惯性测量单元的管道测绘及缺陷定位装置,包括测量单元，修正单元，缺陷探测单元，供电单元，数据处理及存储单元。与之前的发明、论文等相比，MEMS惯性测量单元成本较低，除自主性外，管径适用范围更加广，最小可至60mm。MEMS惯性测量单元与里程计、磁通门磁力计、超声检测装置相组合，解决了没有铺设定点磁标的管道测绘问题，同时检测标记出缺陷位置信息，为管道缺陷的维修、加固提供了便利。里程轮同时连接发电装置，避免了外部供电所引发的问题。
【专利说明】一种基于MEMS惯性测量单元的管道测绘及缺陷定位装置 及其管道测绘及缺陷定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于管道测绘【技术领域】，具体涉及一种基于MEMS惯性测量单元的管道测 绘及缺陷定位装置及其管道测绘及缺陷定位方法。
【背景技术】
[0002] 根据美国中央情报局《世界各国纪实年鉴》的统计，2013年全球运行的管道有 3559186公里，如果取赤道周长为40075. 04公里，那么油气管道可绕地球88圈。截至2012 上半年，全国油气管道总长度达9. 3万公里，而2004年我国油气管道总里程还不到3万公 里。预计到2015年我国油气管道总长度达15万公里左右。油气管网是能源输送的大动脉， 但是随着管道运行时间的增长，油气田改造和管道人员变更的加剧，使得管道的信息大量 丢失，给管道的运营管理、调度控制以及系统的改造等工作带来极大不便，同时油气管道 服役时间也在增加，我国有大量管道接近设计寿命或己经超过了设计的年限，需要及时对 这些管道进行检测、评价和维护，进行有效的管理，以避免由管道的破裂引起人员伤亡和 财产的损失。
[0003] 2013年11月22日上午9时许发生在青岛黄岛的中石化黄潍输油管的爆炸事故， 爆炸现场浓烟冲天，直接经济损失7. 5亿元。事故主因是输油管路与排水暗渠交汇处管道 腐蚀变薄破裂，原油泄漏，流入排水暗渠，挥发的油气与暗渠中的空气混合形成易燃易爆气 体，在相对封闭的空间内集聚。石油管道的安全问题应当引起我们的重视。
[0004] 管道内部测绘及缺陷定位主要解决两方面问题，一是管道的具体线路，看看其附 近是否有河流等对其腐蚀或其上是否有建筑物造成挤压变形来重点关注；二是检测管道内 部缺陷的精确位置，也就是缺陷的精确定位〃在进行管道内部缺陷检测的同时，需要精确 确定其位置，为管道缺陷的维修、加固提供便利，这样不仅可以提高缺陷维修与加固的效 率，大幅缩短维修加固的周期，提高管道正常运行率；同时还可以节约维修、加固工程的成 本。
[0005] 在搜索相关资料中，发现07年有一个《基于惯性技术的地下管线测量系统及其测 算方法》的专利与本发明所述最为相似，其发明所表述的方法也是绝大多数管道测绘所用 的方法，但其还有一定的缺陷，并局限于必须铺设了定点磁标的管道，而对于年限长的管道 在铺设时并没有设置定点磁标，本发明主要是解决了此类管道测绘及缺陷定位的问题。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种体积小，精度高，以惯性技术为基础，多种定位方式相 组合的基于MEMS惯性测量单元的管道测绘及缺陷定位装置。本发明的目的还在于提供一 种基于MEMS惯性测量单元的管道测绘及缺陷定位方法。
[0007] 本发明的目的是这样实现的：
[0008] 基于MEMS惯性测量单元的管道测绘及缺陷定位装置，包括测量单元，修正单元， 缺陷探测单元，供电单元，数据处理及存储单元：
[0009] 测量单元：MEMS惯性测量单元采用ADIS16405,包含三轴加速度计、三轴陀螺，陀 螺和加速度计提供管道的航向和姿态角，在载体系X-Y-Z三个轴上，沿着轴的方向放有一 个加速度计与一个陀螺，分别采集三个方向的加速度和角速度信号，通过SPI通信方式传 递给ARM处理器进行处理；
[0010] 修正单元包括：光电编码器里程计，里程轮在装置的最外侧紧贴管壁，随着系统在 管道内运动产生脉冲信号，通过UART接口与ARM处理器的定时器引脚连接，ARM接受脉冲 转换成速度作为已知准确量进行速度修正；三轴磁力计，测得航向值与陀螺解算出来的航 向在一定误差范围内进行修正，磁力计放在载体系X-Y-Z三个轴线上，用来测三轴方向的 地磁分量，信号由SPI接口输入到ARM处理器中，ARM处理器对信号进行处理；全球卫星定 位系统GPS，搭载在装置上，测得载体的实时位置，GPS输出信号通过UART接口输入到ARM 中；
[0011] 缺陷探测单元：超声检测装置，为相对单独的个体，搭载在装置上，发出的信号直 接给ARM来进行存储；
[0012] 供电单元：双向锂电池，装发电装置于里程轮上，电池正负极经相应电源模块转换 后与所有单元的正负极相连接；
[0013] 数据处理及存储单元：将ARM采集的信号通过SPI接口将ARM的输出信息输入到 SD卡中，输出信息包括载体的航向和姿态角、位置、速度、时间及超声检测道德管壁厚度数 据，根据SD卡上存储的数据绘制管道位置走向并标记出缺陷所在位置的三维图。
[0014] 基于MEMS惯性测量单元的管道测绘及缺陷定位方法，包括：
[0015] (1)采集陀螺仪的角速度、加速度计的加速度；GPS的经纬度、高度信息；磁力计测 量的当前载体坐标系下的三轴地磁分量以及里程计测得的脉冲转化的速度值；
[0016] (2)进行信号处理，初始对准：
[0017] (2. 1)水平对准时载体静止，重力加速度f在载体坐标系0XbYbZb各个轴向分量为
【权利要求】
1. 一种基于MEMS惯性测量单元的管道测绘及缺陷定位装置，包括测量单元，修正单 元，缺陷探测单元，供电单元，数据处理及存储单元，其特征在于： 测量单元;MEMS惯性测量单元采用ADIS16405,包含H轴加速度计、H轴巧螺，巧螺和 加速度计提供管道的航向和姿态角，在载体系X-Y-Z H个轴上，沿着轴的方向放有一个加 速度计与一个巧螺，分别采集H个方向的加速度和角速度信号，通过SPI通信方式传递给 ARM处理器进行处理； 修正单元包括：光电编码器里程计，里程轮在装置的最外侧紧贴管壁，随着系统在管道 内运动产生脉冲信号，通过UART接口与ARM处理器的定时器引脚连接，ARM接受脉冲转换 成速度作为已知准确量进行速度修正；H轴磁力计，测得航向值与巧螺解算出来的航向在 一定误差范围内进行修正，磁力计放在载体系X-Y-Z H个轴线上，用来测H轴方向的地磁 分量，信号由SPI接口输入到ARM处理器中，ARM处理器对信号进行处理；全球卫星定位系 统GPS，搭载在装置上，测得载体的实时位置，GI^输出信号通过UART接口输入到ARM中； 缺陷探测单元：超声检测装置，为相对单独的个体，搭载在装置上，发出的信号直接给 ARM来进行存储； 供电单元：双向裡电池，装发电装置于里程轮上，电池正负极经相应电源模块转换后与 所有单元的正负极相连接； 数据处理及存储单元：将ARM采集的信号通过SPI接口将ARM的输出信息输入到SD卡 中，输出信息包括载体的航向和姿态角、位置、速度、时间及超声检测道德管壁厚度数据，根 据SD卡上存储的数据绘制管道位置走向并标记出缺陷所在位置的H维图。
2. -种基于MEMS惯性测量单元的管道测绘及缺陷定位方法，其特征在于： (1) 采集巧螺仪的角速度、加速度计的加速度；GPS的经缔度、高度信息；磁力计测量的 当前载体坐标系下的H轴地磁分量W及里程计测得的脉冲转化的速度值； (2) 进行信号处理，初始对准： (2. 1)水平对准时载体静止，重力加速度I在载体坐标系OXbYbZb各个轴向分量为 /=[记记必了在水平坐标系OXhY品各轴分量为fh= [0 0 g]T，已知载体坐标系到 水平坐标系的变换矩阵
其中Y-横摇角，0-纵摇角，则根据坐标变换方程/=Cf戶，
获得载体的横摇角Y和纵摇角e，在静止状态下判断加速度计的采样系统输出； (2. 2)方位对准时磁阻传感器沿载体坐标系安装，载体静止时，地磁场强度#在载体 坐标系OXbYbZb各轴向分量为，在水平坐标系OXiJhZh各轴分量为 /户二以/; //f 根据坐标变换方程从'二得到地磁场强度在水平坐标系内 的值：
当地地磁场强度#的水平分量为： //;=//乏 COS/ + //; Siny Hy =//* sin^siny + //* slnOmsy 求得"t-、W'， 由地磁场强度的水平磁力Hh总是指向磁北该一原理，便可得到磁航向￥，即磁北到Yb 的角度，用地磁强度在水平坐标系下的值表示为： Xjfirad) = arcian(//*///*)= arciaii{-//* ///,*)
确定出载体磁航向，通过当地的磁偏角确定载体的真实航向角^; (2. 3)利用GI^得到的经缔度、高度信息给出载体当前的位置信息； (3) 对准后把测绘装置放入管道，重新执行步骤（1)，采集巧螺仪、加速度计和地磁数 据，利用里程计得到载体当前的线速度；对应缺陷探测单元，超声检测装置用W检测管道实 时的缺陷信息； (4) 导航计算：纯惯导解算利用的是四阶龙格库培更新方法，解算出来的航向和姿态 会随着时间的推移而发散； (5) 卡尔曼滤波；卡尔曼滤波的观测量选取为里程计的速度和地磁量，观测量作为真 实值用来修正当前解算出来的带有误差的状态量，状态量包括：速度、位置、四元数、巧螺仪 零偏，修正后四元数通过姿态更新矩阵得到修正后的载体航向和姿态角： (5.1)选取地理坐标系下的位置PL 3速度PL、姿态四元数和巧螺零偏为状态量 即1 =巧巧巧K C 9。9, & *么冷峻】T,建立状态方程： 非线性系统的状态方程为：
其中/为载体系下加速度计比力测量值，为载体下加速度计的量测噪声，为载 体系下陀螺角速度测量值，巧!为载体系下陀螺的量测噪声，巧为载体系下陀螺零偏，床置 为载体系下的巧螺零偏噪声； (5. 2)通过里程计测得的速度吟t，通过地磁传感器量测出当地磁场强度在载体系下的
广 . !了广 .. .^T 值伊得到观测量之=Kf'矿 令观测噪声为i ;'8; 其中^；r表示里程计速度 ， -J , i~ -J , 观测误差，；S表示地磁传感器地磁测量误差，得到系统的量测方程为：
做将卡尔曼滤波修正后得到的载体姿态角、航向角、速度、位置、时间信息W及通过超 声检测装置检测到的管道缺陷信息存储到SD卡； (7)测绘仪走完全程后，从管道中拿出，关闭系统，读取其SD卡，根据所存储的航向角、 姿态角和缺陷的位置、时间信息，用航迹推算原理进行管道H维信息记录并标明缺陷位置 所在，绘制出一张有管道位置走向并标记出缺陷大概位置的H维图。
【文档编号】F17D5/02GK104235618SQ201410448626
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月4日 优先权日:2014年9月4日
【发明者】何昆鹏, 王晨阳, 张兴智, 王晓雪, 韩继韬, 胡守雷, 邵玉萍, 刘辉煜, 张克飞, 李源 申请人:哈尔滨工程大学