一种基于管道段长度及管道连接器检测的管道内定位装置及定位方法与流程
本发明涉及一种管道内定位装置及定位方法，具体涉及一种基于管道段长度及管道连接器检测的管道内定位装置及定位方法，属于管道测绘技术领域。
背景技术：
早年铺设的管道有一部分已达到或超过其寿命期，其泄露、爆炸等危险事故时常发生，由此造成的环境污染、经济问题及人身安全威胁都是极为严重的。此外，山体滑坡、泥石流、地壳运动等自然灾害也会造成管道形变，甚至破裂。目前，管道内检测装置因其对管道缺陷检测不受外部地形条件的限制，在管道内实现管道缺陷检测及缺陷定位，已成为各类管道周期性检测的最有效工具。管道内检测装置不仅可实现被检测管道坐标的有效测量，而且通过管道的位移或形变分析来预测各类管道泄漏或爆炸等危险的发生。
由mems(微电子机械系统，简称微机电系统)惯性传感器构成的小径管道定位系统是实现管道缺陷定位及管道形变检测的核心部分。但是，小径管道定位系统运用的小体积mems惯性测量单元精度普遍较低，惯性辅助管道定位系统在管道内的定位误差和定向误差随着被检测管道距离的增加而累积发散误差大。通常情况下，为了修正惯性辅助管道定位系统的发散误差，管道测量装置尾部四周安装的里程仪及其在管道内运动时横向和纵向的非完整性约束能为惯性辅助管道定位系统提供连续三维速度误差修正。但是，小体积低精度mems构成的惯性辅助定位系统的方向角误差和位置误差发散均比较大，为了满足管道检测定位系统对定位和定向精度的需求，除了速度误差修正外，还需要进行方向角误差和位置误差修正。传统的磁方向角检测传感器在小径管道内受管道内径及管内环境等影响误差大，很难为管道检测定位系统提供精确的方向角信息。此外，在搜索相关资料时，以往发明专利对地表标记点位置修正法几乎没有涉及，而2012年公布的《油气管道缺陷漏磁检测地面标记器研制》论文中采用基于弱磁检测的地表标记检测pig从其下方经过的时间而获取pig位置信息并用以修正惯性辅助管道检测定位系统定位误差，从而将缺陷检测的位置误差限制在1～2m范围内。但是，这种方法首先对钢质管道等内部磁场易变及磁信号检测与处理复杂的场合不太适用。同时，地表磁标记预先安装会受管道外部地形(海洋、山坡、城市建筑等)影响，且长管道检测时所需磁标记多，成本代价昂贵。
技术实现要素：
本发明是为了解决上述技术问题，进而提供一种基于管道段长度及管道连接器检测的小径管道内定位装置及定位方法。
所述一种基于管道段长度及管道连接器检测的管道内定位装置包括数据存储单元、数据处理单元、mems捷联惯性测量单元、电源模块、里程轮、管道缺陷检测传感器、塑料密封圈、支撑轮和主体；
所述主体内由密封空腔组成，从左至右依次安装有数据存储单元、数据处理单元、mems捷联惯性测量单元和电源模块；主体外壁两端分别对称且等间距安装有多个里程轮和支撑轮，管道缺陷检测传感器安装在主体外壁里程轮和支撑轮之间，管道缺陷检测传感器与里程轮和支撑轮由塑料密封圈隔离。
基于管道段长度及管道连接器检测的管道内定位装置的定位方法，包括以下步骤：
步骤一，采集数据并分析推导；采用管道测量装置完成整个被检测管道的检测后，从存储器中读取mems捷联惯性测量单元中的陀螺仪和加速度计的数据，以及里程轮数据；由mems惯性测量单元输出的数据推导管道测量装置在管道内运动的旋转角速度和线性加速度值，同时，结合管道测量装置进行检测的初始条件，采用捷联惯性导航算法可计算出管道测量装置在管道内运动的姿态角、速度和位置信息；
步骤二，采用复连续小波变换方法分析数据；分析管道测量装置的旋转角速度和线性加速度信号，可得出管道测量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，管道连接器检测结果可为直管道段内惯性辅助管道检测定位系统的方向角和俯仰角误差修正做准备；
步骤三，方向角、俯仰角和速度误差计算；根据管道连接器检测结果，将由捷联惯性导航算法在每个直管道段计算出来的方向角apj(j)和俯仰角ppj(j)与对应直管道首次由捷联惯性导航算法计算出的方向角asins和俯仰角psins分别作差，可得出整个直管道段惯性辅助管道检测定位系统的方向角和俯仰角误差；由捷联惯性导航算法计算出来的三维速度ve,sins，vn,sins和vu,sins与管道测量装置尾部里程仪测量的轴向速度vodo，以及管道测量装置在管道内横向和纵向的非完整性约束提供的零速经过坐标变换再作差可得出速度误差，为三维速度误差修正做准备；
步骤四，三维位置误差修正；由捷联惯性导航算法在初始位置已知的情况下，经过对加速度信息二次积分和坐标变换后，计算得到三维位置信息rn，然而，基于加速度二次积分的位置算法其误差是随时间累积的，因此需要定期对位置误差进行修正，这里借助单管道段长度已知计算出的管道长度定期对惯性导航解算的位置误差做修正，从而使最大位置误差限制在单管道段长度的范围内，解决了位置误差随时间累积的问题；
步骤五，误差补偿；根据步骤三和步骤四中得出的被检测管道在直管道段的俯仰角和方向角误差，三维连续速度误差和三维离散位置误差为观测量，采用kalman滤波估计技术，估计并补偿惯性传感器误差和捷联惯性导航系统误差，同时，存储相应的系统预测状态和更新状态变量，以及对应的预测和更新协方差阵，用于数据平滑处理；
步骤六，数据平滑处理；在步骤五的基础上，以状态变量和协方差阵为基础，通过反向的方式采用数据平滑处理技术再次对惯性传感器误差和捷联惯性导航系统误差进行离线估计和补偿，再次提高整个惯性辅助管道检测定位系统的定位和定向精度，以期达到小径管道检测定位系统的定位和定向精度需求；
步骤七，确定管道缺陷位置，完成定位工作；将数据平滑处理后的被检测管道坐标位置与由管道检测传感器检测并分析出的管道缺陷分析结果进行时间同步操作，得出管道缺陷与管道坐标位置的关系。
优选的：所述步骤二中的复连续小波变换方法包括以下步骤：
步骤一，由管道测量装置内安装的三轴陀螺仪和三轴加速度计分别敏感管道测量装置在管道内运动时的旋转角速率和线性加速度；
步骤二，通过三轴陀螺仪测量的旋转角速率测量值判断管道测量装置是否通过弯曲管道；
步骤三，由三轴加速度计在管道测量装置内随着管道运动测量时奇异信号用于判断环形焊缝和法兰等管道连接器；
步骤四，将由陀螺仪测量值检测的弯曲管道段与由加速度计测量值检测的环形焊缝和法兰等管道连接器结合，得到整个被检测管道中的管道连接器与时间的对应关系。
优选的：所述管道段长度误差信息获取包括以下步骤：
步骤一，在管道测量装置完成对被检测管道检测后获取管道内惯性传感器测量数据，
步骤二，所述的复连续小波变换方法获取管道连接器检测结果，捷联惯性导航算法计算管道位置坐标信息，
步骤三，将管道连接器检测结果与管道铺设信息档案库结合，得到管道段长度及编号信息，同时将管道位置坐标信息变换成管道长度信息，
步骤四，将查询所得管道段长度信息与由捷联惯性导航算法计算并变换得出的管道长度信息作差，并将量测误差考虑在内，即可得到管道段长度误差信息。
本发明与现有产品相比具有以下效果：1、本发明中基于管道段长度和管道连接器检测的管道定位装置定位和定向系统精度的提高是无需任何额外硬件的。管道段长度信息是在管道铺设过程中已存档信息，管道连接器检测的信号是对管道检测定位用惯性传感器数据的再次利用。此外，管道检测中对管道缺陷的维修是在管道检测完成之后进行的，无需实时进行，故对管道检测数据的分析、管道连接器检测和管道地理坐标系统计算都是离线进行的，故不会对现有的管道检测及评估系统产生影响。
2、管道连接器检测结果可为所铺设管道在开挖和维修时提供便利。常年埋藏在地下或水下的管道由于其管道连接器处大部分为焊接或螺丝等进行连接的，连接处与附近的泥土和水中的化学物质容易发生腐蚀，甚至破裂。因此，管道连接器成了管道泄漏的高危区域。此外，管道测量装置上搭载的管道检测传感器能有效的检测出直管道及管道连接器处的腐蚀及破裂状况，二者结合能增强管道连接器等处的缺陷检测可靠性。
3、本发明中的管道段长度信息利用和管道连接器检测适用于各类油、气、水、化学物质等运输用各种管径管道，所采用的管道测量装置外型为圆柱型或类鱼雷型。
4、本发明针对被检测的管道是由长度已知的直管道段经由管道连接器(弯管道、环形焊缝和法兰等)连接而成的基本特性。管道测量装置在直管道内具有方向角和俯仰角不变的特性，且被检测直管道段的长度已知时，分别可用于修正管道定位系统的方向角发散误差和位置发散误差，从而提高小径管道检测定位系统的定位和定向精度。实现此方法的前提条件就是：(1)根据管道铺设信息查询被检测管道每个直管道段的长度信息；(2)根据管道检测时惯性传感器测量数据，实现对被检测管道的管道连接器的正确检测。
附图说明
图1是本发明所述的一种基于管道段长度及管道连接器检测的管道内定位装置的结构示意图；
图2是复连续小波变换检测管道连接器原理图；
图3是基于管道段长度的管道长度误差信息获取流程图；
图4是基于管道段长度及管道连接器检测的小径管道缺陷定位系统流程图。
图中：1-数据存储单元，2-数据处理单元，3-mems捷联惯性测量单元，4-电源模块，5-里程仪，6-管道缺陷定位检测传感器，7-塑料密封圈，8-支撑轮、9-主体。
具体实施方式
下面根据附图详细阐述本发明优选的实施方式。
具体实施方式1：如图1所示，本发明所述的一种基于管道段长度及管道连接器检测的管道内定位装置包括数据存储单元1、数据处理单元2、mems捷联惯性测量单元3、电源模块4、里程轮5、管道缺陷检测传感器6、塑料密封圈7、支撑轮8和主体9；
所述主体9内由密封空腔组成，从左至右依次安装有数据存储单元1、数据处理单元2、mems捷联惯性测量单元3和电源模块4；主体9外壁两端分别对称且等间距安装有多个里程轮5和支撑轮8，管道缺陷检测传感器6安装在主体9外壁里程轮5和支撑轮8之间，管道缺陷检测传感器6与里程轮5和支撑轮8由塑料密封圈7隔离。
基于管道段长度及管道连接器检测的管道内定位装置的定位方法，包括以下步骤：
步骤一，采集数据并分析推导；采用管道测量装置完成整个被检测管道的检测后，从存储器中读取mems捷联惯性测量单元中的陀螺仪和加速度计的数据，以及里程轮数据；由mems惯性测量单元输出的数据推导管道测量装置在管道内运动的旋转角速度和线性加速度值，同时，结合管道测量装置进行检测的初始条件，采用捷联惯性导航算法可计算出管道测量装置在管道内运动的姿态角、速度和位置信息；
步骤二，采用复连续小波变换方法分析数据；分析管道测量装置的旋转角速度和线性加速度信号，可得出管道测量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，管道连接器检测结果可为直管道段内惯性辅助管道检测定位系统的方向角和俯仰角误差修正做准备；
步骤三，方向角、俯仰角和速度误差计算；根据管道连接器检测结果，将由捷联惯性导航算法在每个直管道段计算出来的方向角apj(j)和俯仰角ppj(j)与对应直管道首次由捷联惯性导航算法计算出的方向角asins和俯仰角psins分别作差，可得出整个直管道段惯性辅助管道检测定位系统的方向角和俯仰角误差；具体计算公式如下：
其中，δx表示系统状态变量，由三维位置误差
由捷联惯性导航算法计算出来的三维速度ve,sins，vn,sins和vu,sins与管道测量装置尾部里程仪测量的轴向速度vodo，以及管道测量装置在管道内横向和纵向的非完整性约束提供的零速经过坐标变换再作差可得出速度误差，为三维速度误差修正做准备；具体计算公式如下：
[δηv,eδηv,eδηv,e]t表示量测噪声，则系统观测矩阵h2表示为：
h2＝[03×3i3×303×303×3](4)
步骤四，三维位置误差修正；由捷联惯性导航算法在初始位置已知的情况下，经过对加速度信息二次积分和坐标变换后，计算得到三维位置信息rn，然而，基于加速度二次积分的位置算法其误差是随时间累积的，因此需要定期对位置误差进行修正，这里借助单管道段长度已知计算出的管道长度定期对惯性导航解算的位置误差做修正，从而使最大位置误差限制在单管道段长度的范围内，解决了位置误差随时间累积的问题；单管道段长度已知的管道长度转换到导航坐标系：
其中，
由惯性导航系统解算得出的管道段长度为：
则位置误差表示为：
其中，h3＝[i3×303×303×303×3]。
步骤五，误差补偿；根据步骤三和步骤四中得出的被检测管道在直管道段的俯仰角和方向角误差，三维连续速度误差和三维离散位置误差为观测量，采用kalman滤波估计技术，估计并补偿惯性传感器误差和捷联惯性导航系统误差，同时，存储相应的系统预测状态和更新状态变量，以及对应的预测和更新协方差阵，用于数据平滑处理；
步骤六，数据平滑处理；在步骤五的基础上，以状态变量和协方差阵为基础，通过反向的方式采用数据平滑处理技术再次对惯性传感器误差和捷联惯性导航系统误差进行离线估计和补偿，再次提高整个惯性辅助管道检测定位系统的定位和定向精度，以期达到小径管道检测定位系统的定位和定向精度需求；
步骤七，确定管道缺陷位置，完成定位工作；将数据平滑处理后的被检测管道坐标位置与由管道检测传感器检测并分析出的管道缺陷分析结果进行时间同步操作，得出管道缺陷与管道坐标位置的关系。
进一步：所述步骤二中的复连续小波变换方法包括以下步骤：
步骤一，由管道测量装置内安装的三轴陀螺仪和三轴加速度计分别敏感管道测量装置在管道内运动时的旋转角速率和线性加速度；
步骤二，通过三轴陀螺仪测量的旋转角速率测量值判断管道测量装置是否通过弯曲管道；
步骤三，由三轴加速度计在管道测量装置内随着管道运动测量时奇异信号用于判断环形焊缝和法兰等管道连接器；
步骤四，将由陀螺仪测量值检测的弯曲管道段与由加速度计测量值检测的环形焊缝和法兰等管道连接器结合，得到整个被检测管道中的管道连接器与时间的对应关系。
进一步：所述步骤四中的管道段长度误差信息获取包括以下步骤：
步骤一，在管道测量装置完成对被检测管道检测后获取管道内惯性传感器测量数据，
步骤二，根据权利要求3所述的复连续小波变换方法获取管道连接器检测结果，捷联惯性导航算法计算管道位置坐标信息，
步骤三，将管道连接器检测结果与管道铺设信息档案库结合，得到管道段长度及编号信息，同时将管道位置坐标信息变换成管道长度信息，
步骤四，将查询所得管道段长度信息与由捷联惯性导航算法计算并变换得出的管道长度信息作差，并将量测误差考虑在内，即可得到管道段长度误差信息。
管道连接器的检测是这样实现的。首先，当管道测量装置完成整个被检测管道的检测并回到管道接收器后，从管道测量装置的数据存储单元中下载并保存管道检测数据和管道定位传感器数据。接下来，由管道测量装置内加速度计在管道内的测量数据采用小波工具中的复连续小波变换进行分析，得出对应的小波变换系数的极大模值。并采用阈值的方法判断环形焊缝或法兰等对应的时间段，当小波变换系数的极大模值大于设定阈值时，对应的时间段为环形焊缝或法兰，而当小波变换系数的极大模值小于设定阈值时，对应的时间段即为直管道段。与此同时，管道测量装置内陀螺仪测量数据用来判断管道测量装置是否通过某段弯曲管道，将弯曲管道从整个被检测管道中分离出来。最后，将陀螺仪检测的弯管道段与加速度计检测出来的环形焊缝或法兰等进行合并，实现整个管道检测中管道连接器的有效检测。管道连接器检测结果不仅为mems辅助小径管道检测定位系统在直管道段提供方向角和俯仰角误差修正，还能为管道连接器等处易腐蚀和破裂部位在开挖和维修时提供便利。
基于管道段长度和管道连接器检测的小径管道缺陷定位方法是这样实现的。首先，在已知惯性导航初始条件的情况下由捷联惯性导航算法计算出管道测量装置在管道内的位置、速度和姿态角信息。但由于捷联惯性导航算法是一种积分算法，系统定位和定向的误差不仅和惯性传感器本身误差有关，还随着管道检测距离的增大而变大。因此，需要对惯性传感器误差和惯性导航系统输出误差进行估计和修正。接下来，采用kalman滤波估计技术对惯性传感器误差和惯性导航系统输出误差进行估计。其中，采用管道连接器检测结果为mems辅助管道检测定位系统在直管道段提供方向角和俯仰角误差估计和修正，同时结合管道测量装置在管道内由里程仪和非完整性约束提供的三维速度误差估计和修正，以及基于管道段长度已知而算出的管道长度提供的离散三维位置误差估计和修正。最后，根据管道检测定位及维修的非实时特性，采用离线数据平滑处理技术进一步实现惯性传感器误差估计补偿及mems导航系统的误差补偿，解决小体积mems惯性导航系统在小径管道缺陷定位和定向难的问题。
结合附图对本发明做详细地描述，需要说明的是该方法中涉及的陀螺仪、加速度计和捷联惯性导航系统为典型惯性器件和导航定位系统，管道测量装置为典型的管道检测系统，故本发明不再对其原理进行详细描述：
图1所示，小径管道检测定位装置示意图。基于管道段长度信息和快速正交搜索算法检测管道连接器的小径管道缺陷定位装置主要由数据存储单元1，数据处理单元2，mems捷联惯性测量单元3和电源模块4四大部分封闭而成。此外，为了实现管道缺陷定位装置在管道内的运动，里程仪5，管道缺陷检测传感器6，塑料密封圈7及支撑轮8。管道缺陷定位装置以mems捷联惯性测量单元为核心，采用惯性导航算法计算管道测量装置在管道内运行的轨迹。但由mems惯性导航系统计算的管道中心点轨迹及管道方向存在较大误差，需要进行误差补偿。管道测量装置尾部安装的里程仪用于测量其轴向的速度，而且管道测量装置在管道内横向和纵向的非完整性约束为这两个方向提供了速度修正。同时，基于管道段长度已知而算出的管道长度为其提供离散的位置修正。此外，由于管道测量装置在任意直管道内的方向角和俯仰角是不变的，其前提条件就是进行管道连接器(弯曲管道、环形焊缝和法兰等)的正确检测。
如图2所示，复连续小波变换检测管道连接器原理图。由管道测量装置内安装的三轴陀螺仪和三轴加速度计分别敏感管道测量装置在管道内运动时的旋转角速率和线性加速度。三轴陀螺仪测量的旋转角速率测量值用于判断管道测量装置是否通过弯曲管道。其中，静止状态下陀螺仪输出角速率的平方和作为阈值，当三轴陀螺仪任意轴测量的旋转角速率测量值大于阈值，则判定管道测量装置正通过弯曲管道段，否则判定管道测量装置正通过直管道段。同时，由加速度计在管道测量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。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测量装置正通过环形焊缝和法兰等管道连接器部位，否则管道测量装置正通过直管道段。最后，将由陀螺仪测量值检测的弯曲管道段与由加速度计测量值检测的环形焊缝和法兰等管道连接器结合，即可得到整个被检测管道中的管道连接器与时间的对应关系。
如图3所示，基于管道段长度的管道长度误差信息获取流程图。在图2的复连续小波变换检测管道连接器原理图基础上，结合铺设所用单管道段长度已知(查阅管道铺设档案库)且待检测管道是由不同的管道段通过管道连接器进行有效连接的实际情况，可获知直管道的长度信息及其对应的编号j。同时，将由mems惯性导航系统解算得到的位置数据经过位置到长度的变换，并与管道段长度信息作差，并将量测误差考虑在内，即可得到管道长度的误差信息。运行流程如下：
步骤1，在管道测量装置完成对被检测管道检测并获取管道内惯性传感器测量数据，进入步骤2；
步骤2，分别由复连续小波变换和捷联惯性导航解算得到管道连接器检测结果和管道位置坐标信息，进入步骤3；
步骤3，将管道连接器检测结果与管道铺设信息档案库结合，得到管道段长度及编号信息，同时将管道位置坐标信息变换成管道长度信息，进步步骤4，
步骤4，将查询所得管道段长度信息与由惯导系统解算并变换得出的管道长度信息作差，并将量测误差考虑在内，即可得到管道长度误差信息。
如图4所示，基于管道段长度和管道连接器检测的小径管道缺陷定位系统流程图。在图1的小径管道缺陷定位装置示意图和图2的复连续小波变换检测管道连接器原理图基础上，采用kalman滤波估计技术和数据平滑处理技术实现对小径管道缺陷检测定位系统的定位和定向精度需求。
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！