在役非金属压力管道及其球形内检测器的三维定位方法

本发明涉及城市管网领域，尤其涉及一种在役非金属压力管道及其球形内检测器的三维定位方法。

背景技术：

1、城市管网作为现代城市的“生命线工程”，其安全对于社会生产生活正常运行至关重要。由于大部分管道和设备都在地下，有着接点多、管线长、覆盖条件复杂等特点，竣工图往往无法满足第三方施工的精确规避需求。因此，城市管道定位一直以来都是一个复杂且重要的难题。由于很多管道中运用的非金属材料具有不导电、不导磁的特性，导致其定位难度远远大于金属管道。一旦埋地敷设后其位置和埋深将不易确定，难免发生施工机械挖漏，由此造成的泄漏和爆炸事故时有发生。因此，精准定位管道三维坐标信息，对于保障管道的长期安全运营至关重要。

2、目前，常用的管道定位方法包括：电子标记法、示踪线法、探地雷达法、声学法以及惯性导航法等。电子标记法基于射频感应原理，利用探测仪向地下发射特定频率的信号，并接收埋设在管道上方的电子标志器所返回的信号，通过判定接收信号强弱来判定标记的位置，从而实现管道定位。电子标记法有助于构建管网信息系统，但是电子标志器容易损坏，常出现与管道分离的现象，前期投入成本也很大；示踪线法需要在施工时埋入一条示踪线，探测时给示踪线通电，通过探测示踪线上的电流产生的电磁场来确定示踪线的位置，从而对管道进行定位。由于需要事先铺设示踪线，因此该方法并不适用于在线检测，而且在施工过程中还存在示踪线被拉断的问题；探地雷达法利用高频电磁波探测地下电磁介质的分布，通过不同物质的导电性差异来区分地下的管道和其他物体。探地雷达虽然具有效率高、无损害、精度高、抗干扰、操作便捷以及测定埋深准确等优势，但是其对土壤环境有很高要求，不能探测穿越河流的管道。对于管径在200mm以下的管道，对于处于覆水、积水、盐碱地、粘土、页岩层等地质环境中的管道等，均有局限性；声学法可以通过两种方式实现管道定位：一种是将声波注入管道并沿着管道传播，通过检测从管道内传播到地面的声波来定位管道，但需有可用于注入声波的管道连接口，且探测距离有限，只能确定管道的水平位置及走向。另一种是由地面发射器发射一组“声脉冲”传播到地下，该“声脉冲”在不连续声阻抗界面处反射回来，由接收器接收表面波和管道反射波，通过分析波形来确认管道的位置。该方法探测深度有限，且只适用于平整地面，不适用于穿越河流的管道；惯性导航法需要将测量主机放入管道内，通过牵引绳拖动其在管道内通行，利用其收集的惯性单元数据生成管道空间的三维坐标，由于其在测量过程中需要切开管道，因而并不适用于在役管道的三维坐标测量。

3、与此同时，球形内检测器是一种新兴的便携式管道内检测装置。其直径小于管径，可在压力管道内流体的推动作用下滚动前进，沿途记录各种管道泄漏、沉降、弯曲、凹陷、结垢等缺陷信息。由于球形内检测器是移动式检测，必须想办法将其检测的管道缺陷与球形内检测器的自身位置一一对应，这样才能知道管道的缺陷在什么地方，才能维修管道。但是球形内检测在管道内滚动前进，姿态非常不平稳，无法用惯性导航定位给出球形内检测器位置；对于埋地管道，由于含水土壤的电磁屏蔽，也无法用卫星定位给出球形内检测器位置；由于城市建筑物钢筋等磁干扰影响，也无法用地磁精确给出球形内检测器位置。因此，急需一种能够精准定位管道球形内检测器三维坐标的技术。

4、综上所述，传统的测量方法都不能很好地解决在役非金属管道及其球形内检测器的三维坐标测量问题。

技术实现思路

1、本发明提供了一种在役非金属压力管道及其球形内检测器的三维定位方法，本发明通过管外多点基站发射电磁波、管内轻小检测器采集分布式电磁信号、离线数据处理等，实现对在役非金属材料管道以及球形内检测器的三维准确定位，满足了实际应用中的多种需要，详见下文描述：

2、一种在役非金属压力管道及其球形内检测器的三维定位方法，所述方法包括：

3、在管道外放置若干个电磁发射基站，发射极低频电磁波，保证一定距离内的电磁发射基站的磁铁旋转频率按一定的间隔分布；发球器和收球器上均有球阀和密封盖；

4、发球过程打开密封盖上的泄压阀将发球器泄压，打开密封盖将小球放入，将密封盖密封之后，打开球阀对发球器内部加压，当发球器内的压力与管道内的压力相同时，球自动落入管道内；

5、回收过程打开球阀，让球自动落入收球器，关闭球阀，打开密封盖上的泄压阀泄压后，打开密封盖将小球回收；

6、球形内检测器内含有加速度计和磁力计以及片外存储器，巡检过程中收集的磁力数据和加速度数据将储存在片外存储器当中以便后续的下载和数据处理过程。

7、其中，在经过发球器放球、小球管道内巡检以及收球器回收球之后，解算各段管道在不同参数的低频电磁波对应的位置信号，利用球形内检测器记录的磁数据和加速度数据以及匹配算法，计算球形内检测器的三维位置，实现非金属管道的三维位置测量。

8、进一步地，所述球形内检测器由球壳、电路板、纽扣电池组成，

9、纽扣电池为电路板供电，球壳分为可拆卸的上下半壳，纽扣电池通过电源稳压为主控芯片供电，电路板上的加速度计和磁力计收集实时加速度数据和磁力数据，在巡检过程中mcu将传感器数据存入片外存储器。

10、其中，所述方法还包括：对磁力计进行校正，

11、利用最小二乘法对磁力计在各种姿态下测量地磁场得到的椭球面进行拟合，将一个内含防漏网的漏斗放置于管道一端，将需要校正的球形内检测器放入漏斗中并使用吹风机沿管道吹入气流，让小球在气流的作用下自由旋转，收集磁力计在各种姿态下测量地磁场的数据；

12、求出最佳曲面参数，建立变换矩阵将原始数据点变换为一个正球面，将有偏差磁数据修正为无偏差磁数据。

13、其中，所述电磁发射基站的操作为：

14、发射机利用高精度加速度计计算姿态角，利用卫星定位模块定位基站位置并解算多个发射机的姿态角度，单片机作为发射机的控制单元通过电机控制器控制电机的运动，驱动磁铁在平行于地面的平面内旋转；

15、发射机测量的数据经单片机处理后，将通过发送电台发送到上位机，单片机也会接收来自电台的数据。

16、其中，所述方法还包括：利用调平装置将电机和磁铁调平，具体为：

17、采用支撑杆支撑基站的电机和磁铁，根据三轴加速度计测量得到的姿态角调整支撑杆高度，使磁铁在平行于地面的平面内旋转，利用三轴加速度计的数据判断是否调平完毕。

18、进一步地，所述方法还包括：对小球进行推力测试，具体为：

19、1)调整管道与水平面夹角为α°；

20、2)调整鼓风机的功率，改变流速，使风速仪稳定显示为设定数值；

21、3)将球放入管道，球根据测量的加速度值计算滚动频率，或在管道外部用摄像机拍摄球的滚动视频并提取球的滚动频率；若球体向下滚动，则减少球体内填充物的质量，若球体向上滚动，则增加球体内填充物的质量，直到球体在管道内某一位置静止；

22、4)记录此时刻球体直径，气流的速度以及球体的质量，将球的质量作为临界质量；

23、5)更换不同球径的球壳，重复1)～4)步骤并记录不同α、不同流速、不同球直径时的球的滚动频率和临界质量。

24、其中，在对小球进行推力测试之前，所述方法还包括：

25、压缩空气接入点和管道内风扇安装在不同点，压缩空气由管道外部的压力泵提供，管道内风扇或螺旋桨由管道外电机通过齿轮啮合驱动，实现循环管道内的压力和流速的独立调节。

26、本发明提供的技术方案的有益效果是：

27、1、本方法通过管外电磁激励、管内电磁采集、回收处理管内数据的方式，实现对在役非铁磁性管道的精确三维定位；具体来说，管道外的若干电磁基站发射不同频率的极低频电磁波，基站以旋转磁铁为发射源，效率高、功耗低；管道内轻小检测球在压力气体或液体管道内移动式巡检，采集管道各处的电磁信号；带压发射和回收检测球以后，分析检测数据，根据基站电磁波的空间分布模型和球形内检测器的传感模型解算管道的三维坐标；

28、2、本方法基本不受到周围环境介质的影响，能够单纯地依靠球形内检测器记录的惯性数据和旋转磁铁产生的旋转磁场数据判断管道的三维位置信息，通过设置多个不同频率的低频电磁波，判断球相对于各个基站的位置，在不影响管道正常工作状态的情况下，实现对在役埋地、穿越河流、穿越公路等管道的三维位置测量；

29、3、与电子标计法、示踪线法相比，本方法不依赖管道预先铺设的电子标记器和示踪线；与探地雷达法和声学法相比，本方法对地面的平整度、含水量、地质等条件均无要求，与地面可以是弱耦合和无耦合；与惯性导航法相比，本方法不需要断管泄压，能够适用于在役非铁磁性管道；

30、4、本方法设计出的球形内检测器重量轻，体积小，对管道内流体推力要求小，对发射口直径要求小，能够适用气体或液体管道和各种孔径管道；本方法设计的管道球的推力测试系统，能够以很低成本和很低复杂度实现气体或液体管道内的压力和流速的独立调节。