惯性陀螺仪定位三维测量技术在非开挖电力管线探测中的应用

2014-11-28任广振罗进圣

浙江电力 2014年7期

任广振，罗进圣，胡伟

（国网浙江省电力公司杭州供电公司，杭州 310000）

0 引言

随着现代都市的飞速发展，地下管道网络系统日益发达，电力、电信、燃气、给排水、雨污水等各类管道蛛网密布，错综复杂。然而由于历史与技术原因，已建成的地下管线很少能够提供准确的管线位置与埋深，影响到日渐庞大的管网系统的管理与维护。如何精准的探测地下管线如电力管线的位置与埋深，已成为急需解决的问题。

传统管线探测方法多采用物探方法[1-2]，或利用电磁场感应金属管线的位置与埋深（如管线仪探测），或利用管线与周边介质的物性差异进行探查（如地质雷达探测）。这些方法虽有其优势之处，但往往受制于管线材质、埋设深度、环境干扰、定位精度等因素，使其测量精度大打折扣。而电力管线常采用非开挖定向穿越，其埋深往往超越现有仪器的探测范围，更是使得这些方法英雄无用武之处。

惯性陀螺定位仪三维定位技术是近年来出现的一项管线测量新技术。它结合了陀螺仪定向、惯性导航、计算机三维计算等技术，拖曳惯性陀螺定位仪穿行于待测管线，自动追踪记录其在管线内的运动轨迹，生成管道中心轴线的三维坐标与位置图。测量时受管线材质、管线埋深、周围环境和地质影响较小，只要惯性陀螺定位仪能够穿行于待测电力管线，即可实现高精确度的管线测量。

1 惯性陀螺定位仪工作原理

1.1 陀螺仪定向原理

惯性陀螺定位仪交叉利用了重力场、计算机矢量计算等多学科知识，其核心原理为陀螺仪定向及惯性导航。

陀螺是一个绕某一支点作高速旋转的刚体。当陀螺高速旋转时，其旋转轴所指方向在不受外力影响的情况下是不会改变的，人们由此制造出了陀螺仪。陀螺仪在角动量守恒原则下，具有两大特性：

（1）定轴性。当陀螺转子高速旋转时，就产生了惯性，这惯性使得陀螺转子的旋转轴保持在空间指向一固定方向，同时反抗任何改变转子轴向的力量，如图1所示。

图1 陀螺仪的定轴性

（2）进动性。当陀螺转子高速旋转时，若外力矩作用于外环轴，陀螺仪将绕内环轴转动；若外力矩作用于内环轴，陀螺仪将绕外环轴转动。其转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直，如图2所示。

图2 陀螺仪的进动性

根据陀螺仪的定轴性和进动性，可确定运动物体在惯性参照系中的方向和姿态。

1.2 惯性导航原理

惯性导航系统包括陀螺仪、加速度计及计算机。开始时，外界给系统提供初始位置及初始速度，此后系统通过不断检测自身的瞬时角速度和瞬时加速度，可以确定自身的位置变化（如向东或向西的运动）、速度变化（速度大小或方向）和姿态变化（绕各个轴的旋转），通过积分不断更新系统当前位置及速度。

陀螺仪在惯性参照系中用于测量系统的角速度。通过以惯性参照系中系统初始方位作为初始条件，对角速度进行积分，就可以得到系统的当前方向。

加速度计在惯性参照系中用于测量系统的线加速度，由于加速度计与系统固定并随系统转动，不知道自身的方向，只能测量相对于系统运动方向的加速度。

通过系统的当前运动方向及相对于系统运动方向的当前线加速度，就可以确定参照系中系统当前的惯性加速度向量。以起始速度作为初始条件，对惯性加速度进行积分就可得到系统惯性速度，然后以起始位置作初始条件再次积分就可得到惯性位置。

1.3 惯性陀螺定位仪

惯性陀螺定位仪正是运用了陀螺仪和惯性定位原理而研制的，其结构如图3所示。

图3 惯性陀螺定位仪结构

陀螺仪确定系统瞬时方向，加速度计确定系统瞬时前进方向加速度值，由此可求得定位系统的瞬时加速度向量α，将α分解到惯性坐标系X，Y，Z三轴上可得各自的加速度分量αx，αy，αz。分别积分并与X，Y，Z三方向上的初始速度Vx0，Vy0，Vz0相加即可得到定位系统的当前速度分量 Vx，Vy，Vz。再将 Vx，Vy，Vz进行积分计算，与初始坐标相加即可得定位系统的当前坐标位置。电子单元不断记录其运动轨迹数据，通过数据链传输至计算主机，根据起终点三维坐标数据计算其运动实时三维坐标。

2 DuctRunnerTm DR-HDD-4.2惯性陀螺定位仪

Reduct公司生产的DuctRunnerTmDR-HDD-4.2系列惯性陀螺定位仪如图4所示，是当前国际上最先进的惯性陀螺定位仪。可用于测量4～150cm管径的各类管线，提供高精度、连续的管线三维坐标，平面测量精度可达0.25%L（测量管线的总长度），高程测量精度可达0.10%L，在国内已逐步应用于工程实例。

图4 DUCT RunnerTmDR-HDD-4.2惯性陀螺定位仪

其主要结构包括：

（1）测量单元。以陀螺仪惯性定位为核心技术的三维定位装置，用于穿行各类管线，连续测量管线的高精度三维坐标，并记录于内部计算机。

（2）PC处理系统。内建专业处理软件，分析计算测量单元所测量的数据。

（3）网络线。测量单元所测数据，通过网络线传输至PC处理系统。

（4）控制器。实现对测量单元的开启关闭及监控。

（5）支架与轮组。通过不同尺寸的支架与轮组，可适应不同管径的管线测量需要。

3 惯性陀螺定位仪工作流程

惯性陀螺定位测量主要包括前期准备、辅助测量、惯性陀螺定位测量、数据处理等工作，其主要工作流程见图5。

（1）前期准备。现场踏勘，确定测量方案；清理场地，满足工作要求；检查仪器，保证工作顺利进行。

（2）地形测量及测区纵横断面测量。测绘测区地形图及管线穿越路径的地面纵、横断面，为管线测量成果提供地形资料。

（3）管线起终端点测量。精确测量待测管线起终端点的三维坐标，作为惯性陀螺定位测量的起算校核资料，计算校核管线的三维坐标。

（4）惯性陀螺定位测量。将测量单元直接置于管线内，采用置中技术使测量位置为管线中心轴线，设定参数，拖曳惯性定位陀螺仪测量主机由管线进口行至出口，由计算主机自动记录计算其运动轨迹（见图6）。

图6 惯性陀螺定位仪工作示意

（5）现场处理及质量判断。现场数据处理，评估数据质量及精度，确定是否需复测。

（6）数据后处理。将测量单元所记录的测量数据导入专用计算机系统，输入管线进出口三维坐标，由软件自动计算得到管道中心轴线的三维坐标。并生成XY，YZ，XZ视图及三维视图。

（7）成果提交。编制报告及图件，提供管线测量成果。

在地面模拟试验时，架设管线，模拟地下电力管线的形态，分别采用传统全站仪测量及惯性陀螺定位测量方法，确定管线三维坐标。通过比较2种方法的测量结果，检验惯性陀螺定位测量的精度。惯性陀螺定位测量管线本身测量平面偏差在0.25%L以内，高程偏差在0.10%L以内，自符合精度较高。惯性陀螺定位测量与用全站仪测量，平面最大偏差为0.174 m，高程最大偏差为0.094 m，偏差较大的位置均出现在曲线弯曲较大的地方。

通过对比表明，与传统方法比较，惯性陀螺定位仪测量精度仍能保持在较高水平，检查误差较小，数据准确可靠。

4 工程测量实例

4.1 管线概况

杭州市拱墅区沈半路桃源新区1号井—2号井段电力管线采用非开挖水平导向钻进方法穿越敷设，长度约123 m，管线埋深由浅至深约在1.5～8 m。由于埋深较深、地质情况不佳，传统探测方法较难测量其准确位置，因此拟采用惯性定位陀螺仪测量其位置。现场环境较好，现有电力管线虽已运行，但预留有空管，可供惯性定位陀螺仪穿行测量。

4.2 辅助测量

非开挖电力管线起终端点均采用网络RTK方法测量，测量历元30次，平面收敛精度不大于0.01 m，高程收敛精度不大于0.03 m。表1中X表示该点的平面北坐标、Y表示该点平面东坐标、H表示该点高程，坐标为杭州市坐标系，高程为1985国家高程系统，其坐标值是通过陀螺仪进出口预先测定的坐标值计算得出的结果。