一种小径管道缺陷检测定位用惯性传感器选型方法与流程
本发明涉及的是一种小径管道缺陷检测定位方法，特别是一种小径管道缺陷检测定位用中惯性传感器的选型方法。
背景技术：
城市地下管道是实现城市居民用水、燃气及城市污水、废物排放的主要通道。在部分老城区，很多管道都已经达到或超过了设计寿命，亟需检测维修以期延长其安全运行周期。与此同时，随着城市地铁建设和城市规划的进行，城市地下管道的分布情况为地铁等建设规划提供极大便利。与长距离运输管道相比，城市地下管道具有内径小、距离短、地表建筑密集等特点，使得传统的管道外检测设备和大口径管道内检测设备无法完成对城市地下管道的有效检测。然而，近年来因城市燃气泄漏、油管爆炸等造成的人民财产受损，甚至生命安全受到威胁的事件时有发生。因此，根据被检测管道的铺设状况设计合理的管道检测装置并完成管道的检测和维修任务成了当前的重要任务。
由mems惯性传感器构成的惯性辅助小径管道定位系统是实现管道缺陷定位及管道变型检测的核心组成部分。但是，由于小径管道定位系统采用的mems惯性测量单元精度普遍较低，惯性辅助管道定位系统的定位误差和方位角误差是随着被检测管道距离的增加而逐渐累积发散严重。通常情况下，管道测量装置四周安装的里程仪及其在管道内运动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。同时，沿被检测管道每隔一定距离且位置已知的地表标记可为惯性辅助管道定位系统提供离散三维位置误差修正。此外，由管道连接器管道检测结果可为小体积低精度mems构成的惯性辅助定位系统在直管道进行方位角和俯仰角误差修正。最终，采用kalman滤波估计技术和数据离线平滑处理技术在正反两个方向实现对惯性传感器误差和惯性导航系统误差的估计和补偿。
在采用管道测量装置进行管道检测前，需要根据被检测管道的管内径大小、管内传输物质、管内压力及流速等不同选择既成本低又能满足管道检测定位精度需求的惯性传感器。目前，市场上可用的惯性传感器精度和其体积成正比例关系，而管道检测用惯性传感器精度必然受到管道内径的限制。与此同时，由于管道测量装置的横滚运动也会对惯性测量单元各个轴的误差源产生不同的影响。因此，根据不同的管道检测需求，合理制定相关的检测方案并制定和设计有效的管道检测装置成为了实施管道检测任务前的一项重要工作。其中，为管道检测装置选择合理有效的管道缺陷检测定位用惯性传感器成为了此项工作中的重中之重。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种能够确定适合小径管道缺陷检测定位用的惯性传感器的小径管道缺陷检测定位用惯性传感器选型方法。
本发明的目的是这样实现的：
步骤1，获取被检测管道的分布信息和内径大小；
步骤2，根据被检测管道的内径和可供选择的惯性传感器或惯性测量单元，粗略确定惯性传感器体积和精度范围；
步骤3，获取被检测管道管内传输物质、管内压力和流速，确定所涉及的管道测量装置在管道内运行的轴向速度范围以及管道测量装置在管道内横滚运动的角速率范围；
步骤4，根据管道测量装置在管道内的横滚运动角速度范围，对管道检测用惯性测量单元中各个轴主要误差源进行分析；
步骤5，根据步骤4的分析结果，确定管道测量装置横滚运动对惯性测量单元各个轴误差源的影响程度，进而对不同轴惯性传感器的最终决定做出判断；
步骤6，根据管道测量装置设计预算、惯性传感器安装以及最终的精度指标，确定管道检测用惯性传感器各个轴精度指标，完成对小径管道缺陷检测定位用惯性传感器定型。
本发明还可以包括：
1、所述主要误差源包括陀螺仪零偏、陀螺仪刻度系数误差、加速度计零偏和加速度计刻度系数误差。
2、所述对管道检测用惯性测量单元中各个轴主要误差源进行分析具体包括：
(1)陀螺仪零偏误差：
x轴和z轴陀螺仪零偏因管道测量装置在管道内的横滚运动调制成正弦或余弦形式，在整数圈的时间内积分为零，消除了x轴和z轴陀螺仪零偏误差对捷联惯性导航系统的影响；y轴陀螺仪零偏误差不因管道测量装置的横滚运动得到有效地调制，在长时间的管道检测定位任务中，x轴和z轴陀螺仪漂移引起的定位误差随着管道测量装置在管道内的横滚运动而降低，y轴陀螺漂移引起的导航误差作为管道检测定位中的误差源；
(2)陀螺仪刻度系数误差：
在oxnynzn系东向，x轴和z轴陀螺仪刻度系数误差受到二倍横滚角速率的正弦调制作用和受到正弦旋转角速率的平方项调制作用，降低这两个轴向上陀螺仪刻度系数误差对管道惯性定位系统误差的影响；对y轴陀螺仪刻度系数误差引起的等效陀螺仪零偏误差与横滚运动的旋转角速率成正比，随管道测量装置旋转角速率越大，由y轴刻度系数误差引起的等效陀螺仪漂移误差越大；
在天向方向，x轴和z轴陀螺仪刻度系数误差受到正弦旋转角速率的平方项调制作用，抑制了由此引起的等效陀螺漂移和导航定位误差；y轴陀螺仪刻度系数误差引起的等效陀螺漂移误差与管道测量装置横滚旋转的角速度成正比例关系；
(3)加速度计零偏误差：
x轴和z轴加速度计零偏误差因为管道测量装置在管道内的横滚运动被调制成正弦形式，在整数圈旋转的时间内因为正弦效应平均为零，即消除了x轴和z轴加速度计零偏误差对管道惯性定位系统的影响；y轴加速度计零偏误差不因横滚运动得到有效调制，仍然按照原来的误差特性进行传播，为管道检测定位中的误差源；
(4)加速度计刻度系数误差：
在oxnynzn系东向方向，x轴和z轴加速度计刻度系数误差受到二倍横滚角速率的正弦调制作用和正弦旋转角速率的平方项调制作用，削弱了这两个轴向加速度计刻度系数误差对管道惯性定位系统定位误差的影响；y轴加速度计刻度系数误差带来的等效加速度计误差与管道测量装置横滚运动的旋转角速率成正比；
在天向方向，x轴和z轴加速度计刻度系数误差受到正弦旋转角速率的平方项调制作用，抑制了由此引起的等效加速度计零偏误差和管道惯性定位系统定位误差；y轴加速度计刻度系数误差带来的等效加速度计零偏误差与管道测量装置横滚旋转角速度成正比。
本发明提出了一种小径管道缺陷检测定位用惯性传感器选型方法。本发明所涉及的小径管道缺陷检测定位用惯性传感器是基于目前常用的圆柱型管道缺陷定位装置的。此装置主要由数据存储单元a、数据处理单元b、mems捷联惯性测量单元c和电源模块d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，装置还包括跟踪模块1、里程仪2、管道缺陷检测传感器3、塑料密封圈4及支撑轮5。mems惯性测量单元c中的陀螺仪和加速度计测量管道测量装置在管道内运动的旋转角速度和线性加速度，里程仪2测量管道测量装置在管道内运动时的轴向速度，跟踪模块用于记录通过地表磁标记的时间和位置，并与地表跟踪设备连接实时监控管道测量装置的大致位置。管道缺陷检测传感器3根据检测管道缺陷类型(腐蚀、裂纹、凹陷等)和运输物质类型(气体、液体等)采用超声波传感器或漏磁检测传感器。数据存储单元a和数据处理单元b实现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。电源模块d保障整个系统的电力供应，塑料密封圈4及支撑轮(5)保证整个管道测量装置在其两端的压差下在管道内正常运行。
mems惯性测量单元作为实现管道缺陷检测定位的核心组成部分。在惯性传感器选型上主要分为两个步骤：
第一步：根据被检测管道的内径大小来粗略选择管道检测用惯性传感器。
首先，通过查阅被检测管道的档案，了解被检测管道的管道内径、管道长度、管道分支以及连接器等情况。然后，根据被检测管道的内径大小来确定合适的惯性传感器或者惯性测量单元，在已知被检测管道的最小内径后来粗略选择惯性传感器或者惯性测量单元。一般而言，所选择的依据就是所选择的惯性测量单元或由所选择的惯性传感器构成的惯性测量单元的最大尺寸(长、宽或高)imumax(l,w,h)不超过被检测管道的内径半径rpipeline_inner，即imumax(l,w,h)＜rpipeline_inner。考虑的主要依据就是一方面由惯性测量单元或惯性传感器构成的惯性测量单元是密封在圆柱型管道检测装置腔体内部的，另一方面管道测量装置在管道内部运行时还会遇到类似凹陷管道、弯曲管道等易堵塞管道测量装置的部位。因此，在设计管道测量装置时一般都会留有一定的余量，降低管道测量装置堵在被检测管道内部的风险。
第二步，根据被检测管道管内传输物质、管内压力及流速等最终确定所选择的管道检测用惯性传感器。
管内传输物质、管内压力及流速主要影响管道测量装置随着传输物质流动的线性速度以及沿着管道测量装置轴向旋转的横滚运动。横滚运动对惯性测量单元各个轴误差源的影响是不同的，主要体现如下：
管道测量装置横滚运动ω时，其轴向横滚角可表示为r＝ωt。横滚运动是载体坐标系oxbybzb相对于导航坐标系oxnynzn在姿态角(俯仰角p，横摇角r和方位角a)上的变化。那么，管道检测定位系统姿态变换矩阵表示为：
(1)陀螺仪零偏误差：
陀螺零偏误差是影响捷联惯性导航系统最重要的误差源。若三轴陀螺仪零偏误差由
从上式可知，x轴和z轴陀螺仪零偏会因管道测量装置在管道内的横滚运动调制成正弦(余弦)形式，在整数圈的时间内可积分为零，即消除了x轴和z轴陀螺仪零偏误差对捷联惯性导航系统的影响。而y轴陀螺仪零偏误差并未因管道测量装置的横滚运动得到有效地调制。因此，在长时间的管道检测定位任务中，x轴和z轴陀螺仪漂移引起的定位误差会随着管道测量装置在管道内的横滚运动而得到有效降低，y轴陀螺漂移引起的导航误差则成了管道检测定位任务中的最主要误差源。
(2)陀螺仪刻度系数误差：
陀螺仪刻度系数误差也是影响管道检测定位系统精度的一个重要因素，由陀螺刻度系数误差引起的等效陀螺仪漂移δωbk在oxbybzb系表示成：
其中，δkgx、δkgy和δkgz分别表示x、y和z轴的陀螺仪刻度系数误差。在管道测量装置横滚运动下，陀螺仪刻度系数误差引起的等效陀螺仪漂移误差在oxnynzn系表示为：
在oxnynzn系东向，x轴和z轴陀螺仪刻度系数误差不仅受到二倍横滚角速率的正弦调制作用，还受到正弦旋转角速率的平方项调制作用，能降低这两个轴向上陀螺仪刻度系数误差对管道惯性定位系统误差的影响。但对y轴陀螺仪刻度系数误差，由此引起的等效陀螺仪零偏误差与横滚运动的旋转角速率成正比。故随管道测量装置旋转角速率越大，由y轴刻度系数误差引起的等效陀螺仪漂移误差会越大。类似的，oxnynzn系北向，x轴和z轴陀螺仪刻度系数误差引起的等效陀螺仪漂移误差不仅受到二倍横滚角速率的正弦调制作用，还受到正弦旋转角速率的平方项调制作用，能抑制由这两个方向陀螺仪刻度系数误差引起的管道惯性定位系统误差，而y轴陀螺仪刻度系数误差仍会呈现与刻度系数误差成正比的误差传播规律。最后，在天向方向，x轴和z轴陀螺仪刻度系数误差主要受到正弦旋转角速率的平方项调制作用，抑制了由此引起的等效陀螺漂移和导航定位误差。由y轴陀螺仪刻度系数误差引起的等效陀螺漂移误差与管道测量装置横滚旋转的角速度成正比例关系。
(3)加速度计零偏误差：
加速度计零偏误差也是影响管道惯性定位系统测量精度的重要误差源之一，当三轴加速度计的零偏误差在载体坐标系为
从上式可知，x轴和z轴加速度计零偏误差会因为管道测量装置在管道内的横滚运动被调制成正弦形式。这些误差源在整数圈旋转的时间内会因为正弦效应平均为零，即消除了x轴和z轴加速度计零偏误差对管道惯性定位系统的影响。但是，y轴加速度计零偏误差并未因pig的横滚运动得到有效调制，仍然按照原来的误差特性进行传播。因此，在长时间的管道检测定位任务中，x轴和z轴加速度计零偏引起的定位误差会随着管道测量装置在管道内的横滚运动而降低，y轴加速度计零偏误差引起的管道检测定位误差还会按照原来的误差特性进行传播，成为了管道检测定位任务中主要的误差源。
(4)加速度计刻度系数误差：
加速度计刻度系数误差也是一个引起管道惯性定位误差的误差源。由加速度计刻度系数误差引起的等效加速度计零偏δωbk在oxbybzb系表示为：
其中，δkax、δkay和δkaz分别表示x、y和z轴加速度计刻度系数误差。pig横滚运动下，加速度计刻度系数误差引起的等效加速度计零偏误差在oxnynzn系表示为：
在oxnynzn系东向方向，x轴和z轴加速度计刻度系数误差不仅受到二倍横滚角速率的正弦调制作用，还受到正弦旋转角速率的平方项调制作用。这在一定程度上削弱了这两个轴向加速度计刻度系数误差对管道惯性定位系统定位误差的影响。但是，由y轴加速度计刻度系数误差带来的等效加速度计误差与管道测量装置横滚运动的旋转角速率成正比。同理，oxnynzn系北向，由x轴和z轴加速度计刻度系数误差引起的等效加速度计零偏误差不仅受到二倍横滚角速率的正弦调制作用，还受到正弦旋转角速率的平方项调制作用。这能有效抑制由这两个方向加速度计刻度系数误差引起的管道惯性定位系统定位误差。但是在管道测量装置横滚运动下，由y轴加速度计刻度系数引起的管道测量装置定位误差仍呈现与刻度系数误差成正比的误差传播规律。最后，在天向方向，x轴和z轴加速度计刻度系数误差主要受到正弦旋转角速率的平方项调制作用，抑制了由此引起的等效加速度计零偏误差和管道惯性定位系统定位误差。而y轴加速度计刻度系数误差带来的等效加速度计零偏误差与管道测量装置横滚旋转角速度成正比。
总之，在选用管道检测用陀螺仪和加速度计时，与管道测量装置轴向重合或平行的惯性传感器性能指标(零偏和刻度系数误差)要优于与其垂直的另外两个方向的惯性传感器性能指标。y轴惯性传感器零偏误差和刻度系数误差都要尽量的小，以此来降低整个管道测量装置在进行管道检测时管道惯性定位系统的定位误差，以最优的成本投入达到最好的效果。
本发明还具备这样一些特点：
1.本发明中小径管道缺陷检测定位用惯性传感器除了确定管道测量装置在管道内运动的轨迹和管道方向，还能根据检测信号分析出被检测管道中的管道连接器。管道连接器检测结果一方面可以为管道检测定位系统在直管道段提供方位角和俯仰角误差修正，另一方面可以对管道连接器等易腐蚀、易破裂部位的检测维修提供便利。
2.本发明中小径管道缺陷检测定位用惯性传感器选型方法适用于各类油、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。
附图说明
图1.小径管道缺陷定位装置示意图。
图2.管道检测用惯性传感器安装分布示意图。
图3.小径管道缺陷检测定位用惯性传感器选型流程图。
具体实施方式
下面结合附图举例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和管道检测系统，故本发明不再对其原理进行详细描述：
图1是小径管道缺陷定位装置示意图。基于惯性传感器的小径管道缺陷定位装置主要由数据存储单元a、数据处理单元b、mems捷联惯性测量单元c和电源模块d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，装置还包括跟踪模块1、里程仪2、管道缺陷检测传感器3、塑料密封圈4及支撑轮5。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和管道铺设的方向。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，管道测量装置尾部跟踪模块能记录被检测管道沿线坐标位置已知的地表磁标记，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位角和俯仰角是不变的，其前提条件就是要实现管道连接器(弯曲管道、环形焊缝和法兰等)的正确检测。
图2是管道检测用惯性传感器安装分布示意图。管道检测用惯性测量单元是由三轴正交的陀螺仪和三轴正交的加速度计安装而成的。其中，x轴陀螺仪和加速度计分别测量管道测量装置的俯仰角角速度和沿横向的线性加速度；y轴陀螺仪和加速度计分别测量管道测量装置的横滚角角速度和沿轴向的线性加速度；z轴陀螺仪和加速度计分别测量管道测量装置的方位角角速度和沿纵向的线性加速度。这样，就实现了管道测量装置在管道内部运动的六自由度测量。惯性传感器在管道内的测量数据一方面用于管道测量装置在管道内运动轨迹和管道方向的测量，另一方面用于分析和实现管道连接器的有效检测。
图3给出了整个小径管道缺陷检测定位用惯性传感器选型流程图。在图1的小径管道缺陷定位装置示意图和图2的管道检测用惯性传感器安装分布示意图基础上，根据被检测管道的管内径大小、管内传输物质、管内压力及流速等不同选择既成本低又能满足管道检测定位精度需求的惯性传感器。整个系统的运行流程如下：
步骤1，查询被检测管道档案，了解被检测管道的分布信息和内径大小，进入步骤2；
步骤2，根据被检测管道的内径和目前市场上可供选择的惯性传感器或惯性测量单元粗略确定惯性传感器体积和精度范围，进入步骤3；
步骤3，实地调查被检测管道的运行状况，知晓被检测管道管内传输物质、管内压力和流速等运行指标，确定所设计的管道测量装置在管道内运行的轴向速度范围以及管道测量装置在管道内横滚运动的角速率范围，进入步骤4；
步骤4，根据管道测量装置在管道内的横滚运动角速度范围，对管道检测用惯性测量单元中各个轴主要误差源(陀螺仪零偏和刻度系数误差，加速度计零偏和刻度系数误差)进行分析：
管道测量装置横滚运动ω时，其轴向横滚角可表示为r＝ωt，管道检测定位系统姿态变换矩阵表示为：
(1)陀螺仪零偏误差：
陀螺零偏误差是影响捷联惯性导航系统最重要的误差源。若三轴陀螺仪零偏误差由(
从上式可知，x轴和z轴陀螺仪零偏会因管道测量装置在管道内的横滚运动调制成正弦(余弦)形式，在整数圈的时间内可积分为零，即消除了x轴和z轴陀螺仪零偏误差对捷联惯性导航系统的影响。而y轴陀螺仪零偏误差并未因管道测量装置的横滚运动得到有效地调制。因此，在长时间的管道检测定位任务中，x轴和z轴陀螺仪漂移引起的定位误差会随着管道测量装置在管道内的横滚运动而得到有效降低，y轴陀螺漂移引起的导航误差则成了管道检测定位任务中的最主要误差源。
(2)陀螺仪刻度系数误差：
陀螺仪刻度系数误差也是影响管道检测定位系统精度的一个重要因素，由陀螺刻度系数误差引起的等效陀螺仪漂移δωbk在oxbybzb系表示成：
其中，δkgx、δkgy和δkgz分别表示x、y和z轴的陀螺仪刻度系数误差。在管道测量装置横滚运动下，陀螺仪刻度系数误差引起的等效陀螺仪漂移误差在oxnynzn系表示为：
在oxnynzn系东向，x轴和z轴陀螺仪刻度系数误差不仅受到二倍横滚角速率的正弦调制作用，还受到正弦旋转角速率的平方项调制作用，能降低这两个轴向上陀螺仪刻度系数误差对管道惯性定位系统误差的影响。但对y轴陀螺仪刻度系数误差，由此引起的等效陀螺仪零偏误差与横滚运动的旋转角速率成正比。故随管道测量装置旋转角速率越大，由y轴刻度系数误差引起的等效陀螺仪漂移误差会越大。类似的，oxnynzn系北向，x轴和z轴陀螺仪刻度系数误差引起的等效陀螺仪漂移误差不仅受到二倍横滚角速率的正弦调制作用，还受到正弦旋转角速率的平方项调制作用，能抑制由这两个方向陀螺仪刻度系数误差引起的管道惯性定位系统误差，而y轴陀螺仪刻度系数误差仍会呈现与刻度系数误差成正比的误差传播规律。最后，在天向方向，x轴和z轴陀螺仪刻度系数误差主要受到正弦旋转角速率的平方项调制作用，抑制了由此引起的等效陀螺漂移和导航定位误差。由y轴陀螺仪刻度系数误差引起的等效陀螺漂移误差与管道测量装置横滚旋转的角速度成正比例关系。
(3)加速度计零偏误差：
加速度计零偏误差也是影响管道惯性定位系统测量精度的重要误差源之一，当三轴加速度计的零偏误差在载体坐标系为
从上式可知，x轴和z轴加速度计零偏误差会因为管道测量装置在管道内的横滚运动被调制成正弦形式。这些误差源在整数圈旋转的时间内会因为正弦效应平均为零，即消除了x轴和z轴加速度计零偏误差对管道惯性定位系统的影响。但是，y轴加速度计零偏误差并未因pig的横滚运动得到有效调制，仍然按照原来的误差特性进行传播。因此，在长时间的管道检测定位任务中，x轴和z轴加速度计零偏引起的定位误差会随着管道测量装置在管道内的横滚运动而降低，y轴加速度计零偏误差引起的管道检测定位误差还会按照原来的误差特性进行传播，成为了管道检测定位任务中主要的误差源之一。
(4)加速度计刻度系数误差：
加速度计刻度系数误差也是一个引起管道惯性定位误差的误差源。由加速度计刻度系数误差引起的等效加速度计零偏δωbk在oxbybzb系表示为：
其中，δkax、δkay和δkaz分别表示x、y和z轴加速度计刻度系数误差。pig横滚运动下，加速度计刻度系数误差引起的等效加速度计零偏误差在oxnynzn系表示为：
在oxnynzn系东向方向，x轴和z轴加速度计刻度系数误差不仅受到二倍横滚角速率的正弦调制作用，还受到正弦旋转角速率的平方项调制作用。这在一定程度上削弱了这两个轴向加速度计刻度系数误差对管道惯性定位系统定位误差的影响。但是，由y轴加速度计刻度系数误差带来的等效加速度计误差与管道测量装置横滚运动的旋转角速率成正比。同理，oxnynzn系北向，由x轴和z轴加速度计刻度系数误差引起的等效加速度计零偏误差不仅受到二倍横滚角速率的正弦调制作用，还受到正弦旋转角速率的平方项调制作用。这能有效抑制由这两个方向加速度计刻度系数误差引起的管道惯性定位系统定位误差。但是在管道测量装置横滚运动下，由y轴加速度计刻度系数引起的管道测量装置定位误差仍呈现与刻度系数误差成正比的误差传播规律。最后，在天向方向，x轴和z轴加速度计刻度系数误差主要受到正弦旋转角速率的平方项调制作用，抑制了由此引起的等效加速度计零偏误差和管道惯性定位系统定位误差。而y轴加速度计刻度系数误差带来的等效加速度计零偏误差与管道测量装置横滚旋转角速度成正比。进入步骤5；
步骤5，根据管道测量单元横滚运动分析结果，确定管道测量装置横滚运动对惯性测量单元各个轴误差源的影响程度，进而对不同轴惯性传感器的最终决定做好理论基础，进入步骤6；
步骤6，在步骤5的基础上，充分考虑管道测量装置设计预算、惯性传感器安装以及最终的精度指标等条件，实现管道检测用惯性传感器各个轴精度指标的最终确定，完成对小径管道缺陷检测定位用惯性传感器定型。
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