专利名称：基于惯性技术的全自主式地下管线测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于惯性技术的测量系统，更特别地说，是指一种适用于对已经建好的内径> 80附/w管道进行全自主式地下管线测量系统。
技术背景随着城市基础建设的不断推进，地下管线测量定位有着日益广泛的需求。工程中 通常采用电磁管线定位仪和探地雷达对地下管道进行平面位置和深度测定。从原理上 来说，这些常规的测量方法存在以下缺陷1) 探测深度有限(小于5米)2) 易受电磁干扰，测量精度无法保证3) 每种方法只适用于某一类型管道4) 影响地面交通5) 地面有障碍物(河流、建筑)时无法测量6) 工作效率低7) 数据不直观因此，全自主、抗干扰、通用性和高度自动化成为地下管道三维测量技术的发展 趋势。惯性技术(Inertial Technology)是研究利用惯性传感器(陀螺仪和加速度 计)进行导航与制导的一门学科。惯性导航是一种完全自主的载体定位技术。在 惯性导航定位系统中，用陀螺仪测量载体的转动，结合位移信息推算出载体的瞬 时速度、位置和姿态。组成惯性导航的设备都安装在载体内，工作时不依赖外界 信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式定位系统。随着近年 来低成本、低功耗的微机械惯性器件兴起，惯性定位技术越来越多地被应用于各 种小型民用设备中。
发明 内容本发明的目的是提出一种基于惯性技术的全自主式地下管线测量系统，该测量系 统采用捷联式惯性导航技术测量管道航向、姿态角，釆用管内里程轮测量管线定位仪 位移信息，运用导航原理综合航向角、姿态角和瞬时位置信息，进行管道三维信息测 量。本发明测量系统所利用的角度和位移信息均系自主测量得到，不受外界环境和管 道材质影响，具有完全的自主性。本发明是一种基于惯性技术的全自主式地下管线测量系统，包括有计算机、管内 测量单元、外部控制单元、数据信息处理单元。所述管内测量单元由捷联惯性测量模块、里程计模块、信号调理模块、微处理器 和存储器组成，其中，捷联惯性测量模块的陀螺仪输出角速率信息《；捷联惯性测量模块的加速度计输出加速度信息4;信号调理模块用于对①捷联惯性测量模块中陀螺仪输出的角速率信息G"进行低通滤波、模数转换处理后输出角速率数字信息Aj，②捷联惯性测量模块中加速度计输出的加速度信息4进行低通滤波、模数转换处理后输出加速度数字信息D,;里程计模块用于记录所述管内测量单元在被测管线 中的行程信息Z";微处理器用于记录下读取数据的时钟信息7;并与读取的角速率数 字信息"e、加速度数字信息Dx、行程信息^进行数据封装处理后存储于外扩存储器中；所述外部控制单元由通讯中转模块和下行控制模块组成，其中通讯中转模块用于 将管内测量单元采集的数据缓冲输出给所述数据信息处理单元，下行控制模块用于对管内测量单元进行电源通断、电池电力检査控制；所述数据信息处理单元中的管道三维信息处理+莫块存储于所述计算机内，用于读 取管内测量单元釆集的数据，并进行三维信息计算、显示、保存、格式转换。
图l是本发明系统的管内测量单元的结构框图。图2是微处理器执行数据的流程图。 图3是数据信息处理单元的界面示意图。 图4是管道三维信息处理模块的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。本发明是一种基于惯性技术的全自主式地下管线测量系统，包括有管内测量单 元、外部控制单元、数据信息处理单元(在本发明中，可称为上位机，它由一公知计算机和管道三维信息处理模块组成)；请参见图1所示，所述管内测量单元由捷联惯性测量禾莫块、里程计模块(里程 计和脉冲信号调理)、信号调理模块、微处理器和外扩存储器(在本发明中，由于存储数据较多，需要单独配置一大容量的存储器)组成，其中，捷联惯性测量模块的陀 螺仪输出角速率信息G"(即X轴陀螺仪输出X轴角速率Gy 、 Y轴陀螺仪输出Y轴 角速率<^和Z轴陀螺仪输出Z轴角速率Gz );捷联惯性测量丰莫块的加速度计输出加 速度信息4 (即X轴加速度计输出X轴加速度Jx 、 Y轴加速度计输出Y轴加速度^ 和Z轴加速度计输出Z轴加速度4);在本发明中，将管内测量单元中包括的各器件合理地安装在一基架上可以构成下文所称的管内测量单元。信号调理模块用于对①捷联惯性测量模块中陀螺仪输出的角速率信息G 进行低通滤波、模数转换处理后输出角速率数字信息A^，②捷联惯性测量模块中加速度计输出的加速度信息4进行低通滤波、模数转换处理后输出加速度数字信息Dx ;里程计模块用于记录所述管内测量单元在被测管线中的行程信息丄 ;在本发明 中，在管内测量单元釆用管内里程轮测量管内测量单元位移信息，里程轮紧贴管道内 壁运动，实时记录位移信息。该测量方式准确度较高，不受外部干扰，易于实现小型 化。微处理器用于记录下读取数据(包括角速率数字信息Ay、加速度数字信息^4、 行程信息4)的时钟信息 ;并与读取的角速率数字信息A^加速度数字信息d, 行程信息4进行数据封装处理后存储于外扩存储器中。微处理器执行数据的流程如图2所示，所述管内测量单元釆用内置数据存储方式，将传感器测量信号实时存储在外扩存储器中，从而保证了测量过程中管内测量单元与外部设备之间无电气连接， 确保系统的自主性。所述数据信息处理单元由公知计算机和管道三维信息处理模块组成，用于读取管 内测量单元采集的数据，并进行三维信息计算、显示、保存、格式转换等。计算机选
取普通台式或笔记本计算机，该计算机最低配置为Pm处理器，内存128Mb、硬盘 5G、操作系统为Windows NT系列，操作系统要求带有USB或RS232端口 。管 道三维信息处理模块的界面参见图3所示，(一)数据读取测量完成后，通过计算 机串行口从管内测量单元读取传感器数据；(二)计算、修正根据管内测量单元的 传感器原始数据运用惯性导航算法(利用GPS等管道端点已知信息和所在地讳度进 行离线校正的方法，可进一步提高测量精度，并可获得管道的相对于地理坐标的三维 信息)进行坐标计算；结合用户输入的管道入口、出口的坐标信息，所在地讳度等信 息对导航数据进行修正，最终得到地下管道在地理坐标系中的三维坐标信息；(三) 图形显示将管道三维信息以平面和三维立体方式综合显示。其中三维显示方式用 OpenGL技术开发，可对管道图形进行任意旋转和缩放；(四)数据管理将测量数 据以多种格式输出，包括图形文件、AutoCAD脚本文件(.scr)和可导入Excel的 逗号分隔文件格式(.csv)，其处理流程如图4所示。所述外部控制单元由通讯中转模块和下行控制模块组成，其中通讯中转模块用于 将管内测量单元釆集的数据缓冲输出给所述数据信息处理单元，下行控制禾莫块用于对 管内测量单元进行电源通断、电池电力检查等控制。所述外部控制单元与所述管内测 量单元采用防水航空插头连接。所述外部控制单元的通讯中转，莫块与所述数据信息处 理单元釆用USB接口或者RS232串行接口连接。在本发明中，管内测量单元的处理步骤有由缆绳牵引或由空压设备驱动在待测 管道内运动，用于探测管道的三维信息。该单元包含四个部分(A) 惯性测量单元由三只小型光纤陀螺仪或微机械陀螺仪及三只微机械加速 度计组成，提供载体角速率及线加速度信息，其输出信号为模拟电压量。陀螺仪的具 体型号根据待测管道直径和仪器成本决定。三只陀螺两两正交安装，使敏感轴构成正 交载体坐标系。三只加速度计安装形式与陀螺仪相同，也可以只采用一只三轴加速度 计。为节省数据釆集通道数量，也可釆用数字输出式加速度计，其输出的数字信号通 过I2C或SPI总线连至mt理器提供的相应接口 。(B) 里程计由带有磁性材料的里程轮组和磁传感器(例如霍尔传感器、磁敏 电阻或磁敏二极管等)构成，固定于管内测量单元外壁上，用于测量管内测量单元在 管内走过的距离。里程轮组至少由一个里程轮构成，轮上沿圆周方向均匀分布若干个
用磁性材料加工的磁性点。管内测量单元在管内运动时，里程轮紧贴管内壁滚动，磁 性点每经过磁传感器一次，该传感器就输出一次电压脉冲信号，通过信号电缆传送至 导航数据处理单元。为防止里程轮在管内因卡死或打滑造成的失效，可采用2 4个 里程轮构成里程轮组同时进行测量。(C)导航数据处理单元，包括信号调理模块、微处理器和存储器，用于采集陀 螺仪和里程轮等传感器信号，进行实时存储，并在测量结束后向数据信息处理单元中 的计算机(地面)导出数据。信号调理模块包括A/D转换、低通滤波和脉冲调理计 数，用于将陀螺仪和加速度计输出的电压信号和里程计输出的脉冲信号转换为数字信 号并滤除高频噪声；数据存储单元为高性能闪存芯片及外围电路，用于实时保存传感 器数据；微处理器釆用浮点DSP或高性能单片机，为保证高速数据处理能力，也可 采用单片机+FPGA、 DSP+单片机或DSP+FPGA等形式构成双CPU系统； 理器至少设有高速USB接口或RS232接口 ，有利于在测量结束后将存储的传感器 数据传送至计算机(地面)。在管内测量单元中还设有供电单元，采用大容量电池及常规稳压电路，为管内测 量单元提供土5V和土 12V直流电压，保证管内测量单元在管道内长时间连续工作。 采用高强度合金材料加工的外壳，尺寸小巧，具有良好的抗冲击和防水性能，可屏蔽 电磁干扰，确保内部系统正常工作。本发明基于惯性技术的全自主式地下管线测量系统，具有如下一些特性(1) 运用导航原理综合航向角、姿态角和瞬时位置信息，进行管道三维信息测 量。从原理上来说，将管内测量单元放入待测管道并使之沿管道运动，该运动轨迹可 以完全表达管道的三维信息。(2) 采用捷联式惯性导航系统测量管道航向、姿态角该测量方法用陀螺仪输 出角速率测量载体的角运动信息，综合角度和位移信息即可推算出载体在各个瞬时的 准确位置。该导航系统的工作与深度、位置和周围电磁场等外部因素无关，不受其它 条件制约，在任意深度上均能实现管道三维信息自主测量。(3) 釆用管内里程轮测量管内测量单元位移信息里程轮紧贴管道内壁运动， 实时记录位移信息。该测量方式准确度较高，不受外部干扰，易于实现小型化。
(4) 测量结果实时存储功能管内测量单元在管道内运动全过程中，可自动记 录各传感器数据，存储在该单元内部的专用存储器中，待测量完成后再导出到地面计 算机。该功能使得管内测量单元测量时无需外接电缆，从而进一步保证系统的自主性。(5) 测量结果离线计算和校正方法测量完成后将测量数据从管内测量单元中 导出，输入计算机后进行导航计算。并且利用GPS、光学测量等其它手段获知管道 入口、出口或中间特征点的位置信息以及管道所在地的讳度，对导航计算进行修正， 最终计算出管道在地理坐标系(GIS)中的三维信息。(6) 管内测量单元定中装置该装置保持管内测量单元始终定位在被测管道中 轴线上。在本发明中，所利用的角度和位移信息均系自主测量得到，不受外界环境和管道 材质影响，具有完全的自主性。将管内测量单元放入被测管道内并使之沿管道中轴线 运动，通过测量管内测量单元的运动轨迹可以完全获得管道的三维信息。该系统采用 捷联式惯性导航技术测量管内测量单元(载体)的航向和姿态角，用陀螺仪输出角速 率测量载体的角运动信息，综合角度和位移信息即可解析出载体在各个瞬时的准确位 置，从而获得管道的三维信息。该管内测量单元的工作与深度、位置和周围电磁场等 外部因素无关，不受其它条件的制约，在任意深度上运用导航原理综合航向角、姿态 角和瞬时位置信息，都能够自主测量出待测管道的三维信息。本发明基于惯性技术的全自主式地下管线测量系统的运行方式为U)管道三维信息测量打开管道入口、出口，将管内测量单元放入管道，待完 全静止后用缆绳牵引或使用空压设备驱动管内测量单元沿管道中轴线运动，直至走完 管道全程。为保证测量精度，可往返重复测量同一管道，取多次测量结果平均值。(2)数据导出与离线计算将管内测量单元与地面计算机经由外部控制单元连接， 通过专用软件读取仪器数据；输入通过GPS等方法获得的管道入口和出口坐标、管 道所在地讳度等信息，由计算机自动计算和修正，得到管道在地理坐标系中的三维坐 标信息，进行图形显示并输出为指定的数据格式。
权利要求
1、一种基于惯性技术的全自主式地下管线测量系统，包括有计算机，其特征在于还包括有管内测量单元、外部控制单元、数据信息处理单元；所述管内测量单元由捷联惯性测量模块、里程计模块、信号调理模块、微处理器和存储器组成，其中，捷联惯性测量模块的陀螺仪输出角速率信息Gn；捷联惯性测量模块的加速度计输出加速度信息An；信号调理模块用于对①捷联惯性测量模块中陀螺仪输出的角速率信息Gn进行低通滤波、模数转换处理后输出角速率数字信息DG，②捷联惯性测量模块中加速度计输出的加速度信息An进行低通滤波、模数转换处理后输出加速度数字信息DA；里程计模块用于记录所述管内测量单元在被测管线中的行程信息Ln；微处理器用于记录下读取数据的时钟信息Tn并与读取的角速率数字信息DG、加速度数字信息DA、行程信息Ln进行数据封装处理后存储于外扩存储器中；所述外部控制单元由通讯中转模块和下行控制模块组成，其中通讯中转模块用于将管内测量单元采集的数据缓冲输出给所述数据信息处理单元，下行控制模块用于对管内测量单元进行电源通断、电池电力检查控制；所述数据信息处理单元中的管道三维信息处理模块存储于所述计算机内，用于读取管内测量单元采集的数据，并进行三维信息计算、显示、保存、格式转换。
2、 根据权利要求l所述的全自主式地下管线测量系统，其特征在于外部控制 单元与所述管内测量单元釆用防水航空插头连接。
3、 根据权利要求l所述的全自主式地下管线测量系统，其特征在于所述外部 控制单元的通讯中转模块与所述数据信息处理单元采用USB接口或者RS232串行 接口连接。
4、 根据权利要求1所述的全自主式地下管线测量系统，其特征在于所述管道 三维信息处理模块中含有数据读取，该数据读取在所述管内测量单元测量完成后，通 过计算机串行口从微处理器中读取传感器数据；所述管道三维信息处理模块中含有计算、修正，该计算、修正根据读取的传感器 数据进行坐标计算，并利用GPS或光学仪器测量管道端点在地理坐标系中的位置， 结合管道所在地纬度进行离线校正，最终得到待测管道在地理坐标系中的三维坐标信 所述管道三维信息处理模块中含有图形显示，该图形显示将管道三维信息以平面和三维立体方式综合显示；所述管道三维信息处理模块中含有数据管理，该数据管理将测量数据以多种格式 输出，包括图形文件、AutoCAD脚本文件(.scr)和可导入Excel的逗号分隔文件 格式(.csv)。
5、 根据权利要求l所述的全自主式地下管线测量系统，其特征在于所述管内 测量单元采用内置数据存储方式，将传感器测量信号实时存储在外扩存储器中，从而 保证了测量过程中管内测量单元与外部设备之间无电气连接，确保系统的自主性。
6、 根据权利要求l所述的全自主式地下管线测量系统，其特征在于所述管内 测量单元采用管内里程轮测量管内测量单元位移信息。
7、 根据权利要求l所述的全自主式地下管线测量系统，其特征在于所述管内 测量单元沿被测管道的中轴线运动。
全文摘要
本发明公开了一种基于惯性技术的全自主式地下管线测量系统，包括有管内测量单元、外部控制单元、数据信息处理单元。将管内测量单元放入被测管道内并使之沿管道中轴线运动，通过测量管内测量单元的运动轨迹可以完全获得管道的三维信息。该系统采用捷联式惯性导航技术测量管内测量单元(载体)的航向和姿态角，用陀螺仪输出角速率测量载体的角运动信息，综合角度和位移信息即可解析出载体在各个瞬时的准确位置，从而获得管道的三维信息。该管内测量单元的工作与深度、位置和周围电磁场等外部因素无关，不受其它条件的制约，在任意深度上运用导航原理综合航向角、姿态角和瞬时位置信息，都能够自主测量出待测管道的三维信息。
文档编号G01S1/02GK101118159SQ20071012185
公开日2008年2月6日 申请日期2007年9月17日 优先权日2007年9月17日
发明者华 宋, 张军香, 王晓航 申请人:北京航空航天大学