基于惯性技术的地下管线测量系统研究

摘 要：基于惯性技术的地下管线测量系统及其测算方法，应用于各种材质和埋深的地下管道的三维信息测量。该方法测得的各种姿态、航向和里程等信息均系自主测量得到，不受外界环境和管道材质影响，因此测量的地下管线信息具有精度高、自主性好的特点。

关键词：惯性技术；测算方法

1 概论

地下管道是敷设在地下用于输送液体、气体或松散固体的管道，当出现地下管道破裂、堵塞或者老化等情况时，具体的定位、查找管线十分麻烦，耗费时间比较长等，市面上逐渐出现地下管线的测量快速定位装置，种类繁多、样式各异，但现如今销售的测量快速定位装置还存在着一些或多或少的不足影响人们的使用。

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、探地雷达等对地下管道进行测定。从原理上来说，这些常规的测量方法存在以下缺陷：第一，可测量的管道埋深较浅，通常不超过5米，个别性能好的仪器也不超过10米。第二，测量精度易受电磁场和铁磁物体干扰，当测量现场附近存在强电磁干扰源如电力管道、大型工程设备时效果差。第三，每一种方法都只适用于某一类材质的管道测量，缺乏通用性。第四，依赖人工在被测管道上方作业，例如管道穿过公路时给作业带来危险，或当管道经过水面和建筑物时无法测量。

2 技术方案

鉴于以上原因，目前亟需一种自主、抗干扰、能够适用于各种管道的地下管道三维测量技术。惯性技术（InertialTechnology）是研究利用惯性传感器（陀螺仪、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，运用惯性技术和航道推算原理，用陀螺仪测量载体的转动，用加速度计测量载体的平移加速度，从而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。20世纪惯性技术突飞猛进，定位精度不断提高，使得其应用面不断拓展，现代各种航空、航天、航海运载体都是采用以惯性导航为中心的组合导航系统来完成导航、制导任务。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。

2.1 系统组成

基于惯性技术的地下管线测量系统及其测算方法，运用惯性技术元器件和航道推算原理用于地下管线进行测量，优先适用于管径90mm以上地各种材质、埋深管道的自主、抗干扰测量。包括管道测量单元和外部供电单元共六个部分：

（1）陀螺仪，用于提供管道当前段航向角信息，陀螺仪采用小型光纤陀螺或微机械陀螺。

（2）加速计，用于提供管道俯仰角信息；

（3）光电编码器的里程计，用于测量管道长度；

（4）高性能微处理器，带有高精度A/D接口，负责采集各传感器信号并进行位置计算、数据融合，通过长距离通讯模块将出解算管道三维信息输出到PC机，以供进一步处理。

（5）采用硬铝材料加工的外壳，尺寸小巧，具有良好的抗冲击和防水性能，可屏蔽电磁干扰，确保内部传感器和电路正常工作。

（6）外部供电单元：提供直流稳压电源，负责管道测量单元的电源供给。

管道测量单元通过电缆与外部供电单元和地面计算机相连，将测得的数据发送至地面计算机进行显示、存储。

2.2 測算方法

（1）硬件连接：分别将管道测量单元的电缆和钢缆正确连接，打开系统电源。

由钢缆牵引在管道内运动，用于探测管道的三维信息。使管道测量单元沿管道运动，由它对管道各位置的航向、姿态角和长度信息进行测量，直至走完管道全程。

（2）运用航迹推算原理综合航向角、姿态角和长度信息，进行管道三维信息记录，从原理上来说，将管道测量单元放入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。航迹推算原理就是把轨迹分为若干段，每一段近似为直线，其三个正交方向的位移增量可以通过直线长度结合航向角、姿态角的三角函数关系计算得出。将每一段的唯一增量累积起来，就可以推算出完整的运动轨迹。

（3）采用加速度计和陀螺仪测量管道航向、姿态角：该测量方法用加速度计直接敏感重力加速度测量姿态角，用陀螺仪测量航向角，与深度、位置和周围电磁场无关，从而能不受其它条件制约，理论上在任意深度上均能实现航向、姿态角自主测量；

（4）采用光电编码器设计的里程计，用于采集长度信息，管道测量单元在管内运动时，其脚轮紧贴管壁滚动，由光电编码器将脚轮转过的圈数转换为脉冲计数，通过计算得到长度信息；

（5）测量结果离线校正方法，即测量完成后利用全球定为系统GPS或光学测量手段获知管道入口、出口或中间特征点的位置信息，对管道三维信息进行修正、补充。

参考文献：

[1]徐长虹，王英林.陀螺惯性定位技术在非开挖深埋管线探测中的研究与应用[J].测绘通报，2016，（S1）：84-88.

[2]陈亮.惯性陀螺定位技术与可视化验管工艺在管线探测中的应用[J].中国煤炭地质，2017，29（07）：75-79.

作者简介：张开运（1985-），男，汉族，安徽省和县人，专科，助理工程师，目前从事测绘工作，主要为地形图测量，工程测量等。