一种管道检测用定位装置及定位方法与流程

本发明涉及管道地理信息测量技术领域，具体涉及一种管道检测用定位装置及定位方法。

背景技术：

管道不仅是各类陆上及水下油气资源运输的重要载体，同时也是目前最快捷、经济和可靠的运输方式。但是由于多数管道埋藏在具有一定深度的地下或海床下，且地下管道易受人为开挖及自然灾害导致的地形变化影响，水下管道长期受到海水腐蚀、潮汐应力甚至水下沉船的撞击等破坏。此外，随着早期铺设管道的老化，严重时也会出现油气泄露。这不仅对陆上人民的生命及财产安全受到威胁，还对海洋环境、海洋生物以及人类的可持续性发展会带来不可估量的损失。

基于此目的设计的管道检测定位装置及定位方法不仅可以实现对管道缺陷的精确定位，还可以实现对整个管道地理位置的有效测量。此外，能有效分析管道因长期自然原因导致的位移和变形，对管道潜在危险预测和及时处理提供了很好的帮助，能有效预防各类管道泄漏、爆炸等危险的发生。

现有技术中只采用里程仪记录的相对位置信息对管道内部缺陷进行定位的方法会因里程仪打滑造成定位误差随被检测管道长度累积，每次只能对短距离管道进行检测，无法应用于长距离管道检测；只是针对惯性测量模块(三轴陀螺仪和三轴加速度计)进行误差修正的定位方法，并未对管道检测定位系统的方向角误差进行修正，这使得低成本惯性测量模块在小径管道中进行检测定位时无法保证测量精度；采用hm5883磁方向角传感器测量管道方向角的方法，因为目前大部分的油气运输管道都是钢铁材质的，在管道内产生的磁场会对磁方向角传感器测量精度产生很大影响，此外，非钢铁材质管道检测用磁方向角传感器也会受到地下复杂环境的影响其测量精度大大降低；并且，现有技术中对管道检测用定位装置纵摇角、横摇角以及方向角计算的方法在其具有大横滚角时测量精度受限。

技术实现要素：

本发明针对上述问题，提供一种基于光纤陀螺仪的低成本管道测绘及缺陷定位装置和一种能够对测量误差进行修正的定位方法。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：一种管道检测用定位装置，包括：供电模块、两个支撑轮、第一塑料密封圈、惯性测量模块、数据处理单元、第二塑料密封圈、数据存储单元、里程仪、磁通泄漏传感器、通信电缆和磁跟踪模块；

所述供电模块、惯性测量模块、数据处理单元和数据存储模块按照从前到后顺序依次排列，由外侧的第一塑料密封圈和第二塑料密封圈固定为一个整体；

所述供电模块为管道检测用定位装置提供电能，保证管道检测用定位装置正常运行；

所述惯性测量模块包括x方向加速度计、y方向加速度计和z方向光纤陀螺仪，所述x方向加速度计用于测量管道检测用定位装置的横摇角，所述y方向加速度计用于测量管道检测用定位装置的纵摇角，x方向加速度计与y方向加速度计在水平面内正交，所述光纤陀螺仪沿z方向安装，用于测量管道检测用定位装置的方位角；

所述数据处理单元用于处理惯性测量模块采集到的信息数据；

所述数据存储单元用于存储经过处理后的信息数据；

所述两个支撑轮分别位于供电模块、惯性测量模块、数据处理单元和数据存储模块构成的整体结构的上方和下方，用于支撑管道检测用定位装置并使管道检测用定位装置能够在管道内行走；

所述里程仪位于所述管道检测用定位装置的尾部四周，用于测量管道检测用定位装置在管道内运动的轴向速度；

所述磁通泄漏传感器由缠绕在供电模块、惯性测量模块、数据处理单元和数据存储模块构成的整体结构外部的线圈构成，通过缺陷位置的磁通变化采集管道内壁缺陷信息；

所述通信电缆由屏蔽外层包裹的电源线和rs485通信线构成，所述管道检测用定位装置通过通信电缆连接上位机控制系统，实现管道检测用定位装置与上位机控制系统之间电能和信息的传递；

所述磁跟踪模块位于管道检测用定位装置前端，用于接收地表标记点提供的精确位置，修正装置位置误差。

一种在上述的管道检测用定位装置上实现的管道检测用定位方法，其特征在于，具体步骤包括：

步骤a、开启供电模块，对管道检测用定位装置进行初始化设置；

步骤b、使管道检测用定位装置在管道中遍历一遍，利用x方向加速度计、y方向加速度计、z方向光纤陀螺仪和里程仪分别测量管道检测用定位装置的横摇角、纵摇角、方位角和轴向速度，利用磁通泄漏传感器检测管道缺陷信息，通过数据处理单元各测量值数据进行简单处理，并通过所述数据存储单元保存处理过的数据；

步骤c、结合x方向加速度计、y方向加速度计、z方向光纤陀螺仪和里程仪的输出数据，推导出管道检测用定位装置的姿态角，轴向速度和位置信息，对惯性测量模块完成导航解算过程；

步骤d、通过复连续小波变换检测管道连接器的具体坐标位置；

步骤e、采用卡尔曼滤波估计技术实现对管道检测用定位装置的方向和位置的有效修正；

步骤f、由于管道检测与维护的非实时性特性，采用数据平滑处理技术离线估计系统误差，再次提高管道定位系统精度。

步骤g、结合磁通泄漏传感器测量出的管道缺陷与时间关系，将其与管道检测用定位装置的时间与位置关系进行同步操作，实现对管道缺陷位置信息在管道地理信息系统中的显示；

步骤h、通过数据处理，生成最终含有管道缺陷和位置的测量报告，指导维修人员在现场对管道缺陷进行维修。

进一步地，所述步骤c的具体过程为：

步骤c1、计算检测装置的横摇角γ和纵摇角θ，在水平面oxy中，正交安装的x方向加速度计和y方向加速度计的输出值分别为fx和fy，竖直安装的陀螺仪旋转角速度为ωz，纵摇角θ为：

横摇角γ为：

其中，vod是里程仪(8)的速度，aod是对里程仪(8)的速度求导得出的前向加速度，g是当地重力加速度；

步骤c2、计算方位角，a为方位角，则：

其中，ω^ie是地球自转角速率，为当地纬度，ve是东向速度，rn是子午曲率半径，h是高度值；

步骤c3、求得管道检测用定位装置的三维位置：

其中，表示纬度、表示经度，表示高度，ve表示东向速度，vn表示北向速度，vu表示天向速度，根据姿态角和里程仪输出的速度，得到的检测装置在三个方向的速度分量，总速度

进一步地，所述步骤d的具体步骤包括：

步骤d1、在管道检测用定位装置完成整个被检测管道的检测任务后，从存储器中读取惯性测量模块的数据；

步骤d2、将静止状态下光纤陀螺仪输出角速率的平方和作为阈值，当光纤陀螺仪测量的旋转角速率测量值大于阈值时，则判定管道检测用定位装置正通过弯曲管道段，否则判定管道检测用定位装置正通过直管道段，同时，x方向加速度计、y方向加速度计在管道检测用定位装置内随着管道运动输出的测量信号用于判断环形焊缝和法兰等管道连接器，将x方向加速度计和y方向加速度计输出的测量信号采用复连续小波变换，得到其时频特性曲线，并提取出其小波系数的极大模值，当极大模值大于预设的阈值时，判定管道检测用定位装置正通过环形焊缝和法兰等管道连接器的部位，否则管道检测用定位装置正通过直管道，最后得到管道检测用定位装置在管道内运行时间与不同时刻所对应的管道连接器的关系，并将其与管道轨迹和时间的关系进行时间同步操作，得到被检测管道中管道连接器的具体坐标位置；

步骤d3、通过检测和时间同步结果，生成最终标明管道连接器及其位置的检测报告。

进一步地，所述步骤e的具体方法为：通过步骤c和捷联惯性导航算法可以计算出管道检测用定位装置在管道内运动的姿态、速度和位置信息。由于惯性传感器本身的测量误差，会导致惯性测量模块输出误差随着管道检测距离的增长而增大。通过管道检测用定位装置四周安装的里程仪以及其在管道内运动的非完整性约束对惯性测量模块进行连续的速度修正；同时通过磁跟踪模块提供被检测管道每隔一段距离设置的地表标记的精确位置，对惯性测量模块进行离散位置修正；在卡尔曼滤波估计的作用下可估计出惯性测量模块误差，这些误差可以反馈并提高管道检测用定位系统精度。然后，根据管道检测用定位装置在直管道内具有方位角和俯仰角不变的特性，修正惯性测量模块的方位角发散误差。

有益效果：

第一，本发明中惯性测量模块采用里程仪、地表标记点和管道连接器检测对装置误差进行修正，避免了误差积累，能够实现长距离管道缺陷的检测定位；

第二，本发明的管道连接器检测方法能实现方向角误差修正，管道连接器检测结果可为惯性辅助管道定位系统在直管道段提供方位角和俯仰角误差修正，保证在小径管道中进行检测定位时的测量精度；

第三，本发明惯性测量模块采用里程仪、地表标记点和管道连接器检测对装置误差进行修正，对比现有技术，在测量装置具有大横滚角时，能够保证测量精度；

第四，本发明的惯性测量模块在传统惯性测量模块的基础上减少了两个水平陀螺仪和一个垂向加速度计，而且对管道方向角误差的测量更新是基于惯性测量模块的，无需再安装磁方位角传感器或视频图像传感器，在不影响测量精度的前提下大大降低了惯性测量模块成本和能耗；

第五，本发明的管道检测用定位装置通过支撑轮加以控制，以保证检测装置的稳定性，提高测量的准确性。

附图说明

图1本发明的管道检测用定位装置的整体结构示意图；

图中：1-供电模块，2-两个支撑轮，3-第一塑料密封圈，4-惯性测量模块，5-数据处理单元，6-第二塑料密封圈，7-数据存储单元，8-里程仪，9-磁通泄漏传感器，10-通信电缆10，11-磁跟踪模块；

图2本发明的管道检测用定位装置的惯性测量模块的结构示意图；

图3本发明的管道检测用定位方法的流程图；

图4本发明中检测管道连接器位置的方法流程图。

具体实施方式

具体实施方式1：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的一种管道检测用定位装置，具体结构如图1所示，包括：供电模块1、两个支撑轮2、第一塑料密封圈3、惯性测量模块4、数据处理单元5、第二塑料密封圈6、数据存储单元7、里程仪8、磁通泄漏传感器9、通信电缆10和磁跟踪模块11。

所述供电模块1、惯性测量模块4、数据处理模块5和数据存储模块7按照从前到后顺序依次排列，由外侧的第一塑料密封圈3和第二塑料密封圈6固定为一个整体。

所述供电模块1为管道检测用定位装置提供电能，保证其正常运行。

所述惯性测量模块4的结构如图2所示，包括x方向加速度计、y方向加速度计和z方向光纤陀螺仪，所述x方向加速度计用于测量装置的横摇角，所述y方向加速度计用于测量装置的纵摇角，x方向加速度计与y方向加速度计在水平面内正交，两个水平正交的加速度计分别测量装置在管道内运行时沿被测管道轴向和横向的线性加速度值和由于装置在管道内俯仰运动和横滚运动引起的地球重力加速度在这两个方向的分量，当由管道检测用定位装置尾部四周安装的里程仪输出的速度测量值推导出管道检测用定位装置在管道内运行的线性加速度时，即可得到管道检测用定位装置在管道内运行时由其横滚运动和俯仰运动引起的地球重力加速度分量，从而可以计算出管道检测用定位装置的纵摇角和横摇角。

所述光纤陀螺仪沿与水平面垂直方向安装，用于测量值计算装置的方位角，与水平面垂直安装的光纤陀螺用于管道检测用定位装置在管道内运动时方位角变化角速率，减去由于管道检测用定位装置运动引起的旋转角速率和地球自转角速率分量，可得到管道检测用定位装置的方位角变化值。

所述数据处理单元5和所述数据存储单元7分别用于检测传感器数据和管道定位传感器数据的简单处理和有效存储，因为在实际的管道测量工程中管道长度一般可达到几十甚至几百公里，采用串行通信方式时，由于距离的限制不能很好的完成数据传输任务，同时考虑到管道内环境恶劣，采用无线发射接受装置对于装置的干扰比较大，所以在本实施方式中考虑采用大容量存储器来完成实时测量数据的存储任务，输出信息包括载体的航向和姿态角、位置、速度、时间等数据。

所述两个支撑轮2分别位于供电模块1、惯性测量模块4、数据处理模块5和数据存储模块7构成的整体结构的上方和下方，用于支撑管道检测用定位装置并使其能够在管道内行走。

所述里程仪8位于所述管道检测用定位装置的尾部四周，用于测量管道检测用定位装置在管道内运动的轴向速度，同时装置在管道内运动时与轴向垂直的平面内运动速度为零，结合姿态角(纵摇角、横摇角和方位角)信息可计算出管道检测用定位装置在导航坐标系内三维速度值，通过三维速度值以积分的方式则可推导出三维位置变化值，从而得到测量装置的三维坐标位置信息。

所述磁通泄漏传感器9由缠绕在供电模块1、惯性测量模块4、数据处理模块5和数据存储模块7构成的整体结构外部的线圈构成，当装置通过管壁存在缺陷位置时，磁通泄漏传感器的磁通会发生不同程度的变化，从而实现对管道内壁变形、腐蚀、裂纹等缺陷情况的检测。

所述通信电缆10由屏蔽外层包裹的电源线和rs485通信线构成，所述管道检测用定位装置通过通信电缆10连接上位机控制系统，实现管道检测用定位装置与上位机控制系统之间电能和信息的传递，上位控制系统6为了保证管道检测用定位装置的姿态稳定性。在不考虑侧滑的情况下，我们可以通过控制安装在管道检测左侧和右侧的轮子转速来控制管道检测用定位装置在管道中的运动。但是由于管道环境复杂，除了要考虑柱面条件下的姿态角变化，还要考虑管道中杂物的存在或者一些突发情况。通常情况下，突发情况经常会导致角速度的增加，所以对加速度也要加以控制。运动姿态测量系统返回的数据包含姿态角和各个轴的角速度，是做状态估计的良好的选择。在管道检测用定位装置行进的过程中不断采集陀螺和加速度计的数据通过通信电缆输出给下位机控制检测，通过导航解算得到其姿态角和航向信息，通过对里程轮速的检测控制确保管道检测用定位装置横滚角度小于30度，以确保算法的可实施性。

所述磁跟踪模块位于装置前端，用于为地表标记提供精确位置。

具体实施方式2：结合图3说明本实施方式，本实施方式的定位方法流程图如图3所示，具体步骤包括：

步骤a、开启供电模块1，对管道检测用定位装置进行初始化设置；

步骤b、使管道检测用定位装置在管道中遍历一遍，利用x方向加速度计、y方向加速度计、光纤陀螺仪和里程仪8分别测量管道检测用定位装置的横摇角、纵摇角、方位角和轴向速度，利用磁通泄漏传感器9检测管道缺陷信息，通过数据处理单元5各测量值数据进行简单处理，并通过所述数据存储单元7保存处理过的数据；

步骤c、结合x方向加速度计、y方向加速度计、z方向光纤陀螺仪和里程仪8的输出数据，推导出管道检测用定位装置的姿态角，轴向速度和位置信息，对惯性测量模块4完成导航解算过程；

步骤d、通过复连续小波变换检测管道连接器的具体坐标位置；

步骤e、采用卡尔曼滤波估计技术实现对管道检测用定位装置的方向和位置的有效修正；

步骤f、由于管道检测与维护的非实时性特性，采用数据平滑处理技术离线估计系统误差，再次提高管道定位系统精度；

步骤g、结合磁通泄漏传感器9测量出的管道缺陷与时间关系，将其与管道检测用定位装置的时间与位置关系进行同步操作，实现对管道缺陷位置信息在管道地理信息系统中的显示；

步骤h、通过数据处理，生成最终含有管道缺陷和位置的测量报告，指导维修人员在现场对管道缺陷进行维修。

进一步地，所述步骤c的具体过程为：

步骤c1、计算检测装置的横摇角γ和纵摇角θ，在水平面oxy中，正交安装的x方向加速度计和y方向加速度计的输出值分别为fx和fy，竖直安装的陀螺仪旋转角速度为ωz，纵摇角θ为：

横摇角γ为：

其中，vod是里程仪(8)的速度，aod是对里程仪(8)的速度求导得出的前向加速度，g是当地重力加速度；

步骤c2、计算方位角，a为方位角，则：

其中，ω^ie是地球自转角速率，为当地纬度，ve是东向速度，rn是子午曲率半径，h是高度值；

步骤c3、求得管道检测用定位装置的三维位置：

其中，表示纬度、表示经度，表示高度，ve表示东向速度，vn表示北向速度，vu表示天向速度，根据姿态角和里程仪输出的速度，得到的检测装置在三个方向的速度分量，总速度

进一步地，所述步骤d的流程如图4所示，具体步骤包括：

步骤d1、在管道检测用定位装置完成整个被检测管道的检测任务后，从存储器中读取惯性测量模块4的数据；

步骤d2、将静止状态下光纤陀螺仪输出角速率的平方和作为阈值，当光纤陀螺仪测量的旋转角速率测量值大于阈值，则判定管道检测用定位装置正通过弯曲管道段，否则判定管道检测用定位装置正通过直管道段。同时，由x方向加速度计、y方向加速度计在管道检测用定位装置内随着管道运动的测量信号用于判断环形焊缝和法兰等管道连接器。将加速度计测量信号采用复连续小波变换将加速度计测量信号进行变换得到其时频特性曲线，并提取出其小波系数的极大模值，当极大模值大于预设的阈值时，即管道检测用定位装置正通过环形焊缝和法兰等管道连接器的部位，否则管道检测用定位装置正通过直管道。最后得到管道检测用定位装置在管道内运行时间与不同时刻所对应的管道连接器的关系，并将其与管道轨迹和时间的关系进行时间同步操作，得到被检测管道中管道连接器的具体坐标位置；

步骤d3、通过检测和时间同步结果，生成最终标明管道连接器及其位置的检测报告。

进一步地，所述步骤e的具体方法为：通过步骤c和捷联惯性导航算法可以计算出管道检测用定位装置在管道内运动的姿态、速度和位置信息。由于惯性传感器本身的测量误差，会导致惯性测量模块输出误差随着管道检测距离的增长而增大。通过管道检测用定位装置四周安装的里程仪8以及其在管道内运动的非完整性约束对惯性测量模块4进行连续的速度修正；同时通过磁跟踪模块11提供被检测管道每隔一段距离设置的地表标记的精确位置，对惯性测量模块4进行离散位置修正；在卡尔曼滤波估计的作用下可估计出惯性测量模块误差，这些误差可以反馈并提高管道检测用定位系统精度。然后，根据管道检测用定位装置在直管道内具有方位角和俯仰角不变的特性，修正惯性测量模块4的方位角发散误差。