多传感器融合在地下管道测量中的应用研究

肖 蕾,刘克江,庄鑫财

(广东技术师范学院自动化学院，广东 广州 510450)

多传感器融合在地下管道测量中的应用研究

肖 蕾,刘克江,庄鑫财

(广东技术师范学院自动化学院，广东 广州 510450)

地下管道现有测量技术普遍存在环境干扰影响严重、测量精度低等缺陷，无法实现复杂地下管网的精确定位，导致地下管道管理混乱无序、施工事故频发。针对埋地管道空间位置测量问题，提出一种采用三轴陀螺仪、加速度计和磁力计等多传感器融合的姿态解算方法。利用加速度计和磁力计分量对陀螺仪误差进行修正，构造姿态矩阵，获取修正后的航向角、俯仰角和翻滚角，并对测量装置行程信息进行空间坐标计算，得到地下管道空间位置矢量信息，采用非开挖技术，实现地下管道的精确管理。该方法能满足测量精度的要求，实现对地下管道的准确定位，且能构造出地下管道的走向和三维空间位置形状。试验证明，基于多传感器融合的地下管道空间位置测量系统能够有效降低传感器漂移误差，测量得到的地下管道空间位置矢量信息具有较高的精确性，在地下管道非开挖工程领域具有一定的实用性。

多传感器融合； 地下管道； 姿态解算； 空间位置； 误差修正

0 引言

地下管道是城市基础设施的重要组成部分，是城市赖以生存和发展的物质基础。由于历史和现实的各种原因，我国城市地下管道管理滞后于城市发展和国际同行业水平，其混乱无序的状况已成为城市建设和国民经济发展的瓶颈之一[1]。近年来，由于路面开挖造成地下管道事故频发、损失巨大，事故主要原因均为施工方对地下管道位置状况不清楚，施工开挖前未对地下管道走向精确探测。在非开挖地下管道施工技术兴起后，国内外地下管道非开挖探测技术进入了快速发展阶段[2-4]。目前，地下管道探测技术主要分为外置式管道探测与介入传感式管道检测两大类，比较成熟的有管线探测仪、探地雷达、全球定位系统(global positioning system，GPS)等。但这些技术普遍存在环境干扰影响严重、测量精度低等缺陷，无法实现复杂地下管网的精确定位。因此，采用非开挖技术对地下管道位置和走向进行精确测量，构造出地下管道走向三维空间位置、形状，已经成为目前国际地下管道非开挖测量技术研究的热点和难点之一[5-6]。

本文提出一种新型的地下管道非开挖探测技术，采用陀螺仪、加速度计和磁力计等多传感器融合的姿态解算方法，实现地下管道空间位置、走向曲线重构。

1 设计原理

本文研制的地下管道探测装置是在非开挖前提下实现地下管道探测，重建管道位置、走向三维图形。工作时由牵引机构(管道机器人)牵引探测装置在被测地下管道内行进，利用编码器测量探测装置行进路程，实时采集陀螺仪、加速度计和磁力计信息。采用多传感器数据融合技术，准确获取探测装置行走过程的倾角、方向角度等数据，结合地下管道等距离离散点空间方位角度信息，基于曲线重建算法分析计算，并还原出被测地下管道的三维形状和空间走向。地下管道探测装置工作原理如图1所示。

图1 装置工作原理图

本文根据管道机器人(牵引机构)通过管道的特性，并对比国内外各类管道机器人的特点，结合实际需求，采用“蜗杆-行星轮系”的机械架构，使其具有较强的爬坡功能。基于嵌入式实时多任务操作系统，开发了管道探测装置。在测量过程中，实时采集编码器、陀螺仪、加速度计和磁力计信息，计算探测装置空间方位角；结合行进里程，计算探测装置实时位置与初始位置的空间关系，构造探测装置行进路线，即地下管道空间位置走向曲线。此外，管道机器人(牵引机构)还可携带摄像头、测漏仪等其他管道检测传感器，实时采集管道相关信息。

2 多传感器融合姿态解算方案

探测装置的姿态是重构地下管道三维空间走向、位置形状的重要导航信息。目前常见的有陀螺仪定姿、加速度计定姿等方法[7-10]。

近年来，陀螺传感器发展迅速，其体积小、可靠性高、寿命长、抗冲击、易于集成、成本低廉，逐渐在姿态检测等领域得到广泛应用。单纯使用三轴陀螺仪即可根据欧拉角的微分方程解算出三个姿态角，但由于陀螺不可避免地存在漂移，姿态解算累计误差会随时间增大，而采用高精度陀螺仪会大幅增加系统成本。加速度计本身也存在累积误差，也会随着时间延长而导致精度下降。磁力计作为一种新型的导航方式，以地磁模型或地磁基准图为基准，结构简单、工作可靠、成本低廉，与其他导航制导系统结合使用，可提高测量精度和系统灵活性，适用于复杂工作环境。但磁力计不能独立使用，其需要与其他姿态传感器配合使用，才能唯一确定姿态角。

针对以上陀螺仪定姿、加速度计定姿和磁力计定姿方案的优缺点，本文提出了一种采用三轴陀螺仪、加速度计和磁力计的多传感器数据融合姿态解算方法。利用加速度计三分量和磁力计三分量修正陀螺仪误差，可有效降低系统漂移误差、提高测量精度，并能够准确重构出地下管道三维空间位置走向曲线。多传感器融合姿态解算方案如图2所示。

图2 多传感器融合姿态解算方案示意图

(1)

(2)

(3)

可得在导航坐标系的理论方向向量为：

(4)

再次将导航方向向量转换到当前坐标系，得到当前理论磁力向量：

(5)

(6)

采用两个向量间的叉积(向量外积)来表示两个向量间不平行度之间的误差。当前系统测量值和理论值的误差，即加速度计误差和磁力计误差之和为：

(7)

利用系统误差对陀螺仪的原始输出数据进行PI修正，即：

(8)

(9)

式中：Kp为比例系数;Ki为积分系数;T为积分时间。

(10)

更新四元数并规范化：

(11)

(12)

(13)

在本文的姿态角解算方法中，采用加速度计、磁力计测量值ACC(ax,ay,az)、MAG(mx,my,mz)和理论值(vx,vy,vz)、(wx,wy,wz)的偏差作为系统输入，利用PI控制算法，以修正后的三轴陀螺仪三个姿态角作为输出，多传感器融合定姿原理如图3所示。

图3 多传感器融合定姿原理图

根据俯仰角φ(t)、翻滚角ω(t)、偏航角γ(t),离散位移Δs(t)，对所述探测装置行程信息进行空间坐标计算。将探测装置空间位置坐标表示为(xt,yt,zt)，(t-1,t)时刻位移矢量表示为(it,jt,kt)，则有：

(14)

(15)

根据空间坐标(xt,yt,zt)与位移矢量(it,jt,kt)的数学关系，计算(0，t)时刻所有(xt,yt,zt)的值，即可得到地下管道探测装置运动过程的空间坐标曲线(探测装置所记录的管道空间曲线)。空间坐标曲线计算图如图4所示。

图4 空间坐标曲线计算图

3 试验

以内径20 cm天然气中压管道为例，埋地管道总长度约为200 m，地下最深处为2.5 m。地下管道测量结果如图5所示。

图5 测量结果示意图

测量得到的地下管道空间位移矢量信息，水平偏差小于10 cm，高程偏差小于10 cm。

4 结束语

本文提出一种基于陀螺仪、加速度计和磁力计的多传感器融合姿态解算方案，利用加速度计三分量和磁力计三分量来修正陀螺仪误差，构造姿态矩阵，获取修正后的航向角、俯仰角和翻滚角，并对探测装置行程信息进行空间坐标计算，得到被测地下管道空间位移矢量信息。试验结果表明，该方案能够有效降低系统漂移误差、提高测量精度，在地下管道非开挖工程领域具有一定的实用性。

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Research on the Application of Multi-Sensor Fusion
in Underground Pipeline Measurement

XIAO Lei,LIU Kejiang,ZHUANG Xincai
(College of Automation,Guangdong Polytechnic Normal University,Guangzhou 510450，China)

In general,the existing measurement technologies of underground pipeline have disadvantages of serious environmental interference and low measurement accuracy,so these technologies cannot achieve accurate measurement for complex underground pipe network,thus result in disorder management of underground pipelines and frequent construction accidents.Aiming at the issue of the spatial measurement of buried pipelines,the multi-sensor fusion attitude calculation method using three axis gyroscope,accelerometer and magnetometer is proposed.The error of gyroscope is corrected by the components of accelerometer and magnetometer,to construct attitude matrix,obtain the corrected heading angle,pitch angle and tumbling angle,and carry out the spatial coordinate calculation and to get the vector information of underground pipeline position.These realize the accurate management of the underground pipeline by using the trenchless technology,and the direction and the three-dimensional spatial position shape of the underground pipeline are accurately constructed.Experiments show that the system based on multi-sensor fusion can effectively reduce the sensor drift error,the spatial position vector information of underground pipeline obtained by the measurement is highly accurate,and the system has a certain practicality in underground pipeline trenchless engineering field.

Multi-sensor fusion； Underground pipeline； Attitude calculation； Space position； Error correction

广东省科技计划基金资助项目(2015A030401099、2016A040403122)

肖蕾(1974—)，男，博士，副教授，主要从事自动化装置、测控技术、嵌入式系统开发方向的研究。 E-mail：2954934334@qq.com。

TH39;TP23

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201707017

修改稿收到日期:2017-01-12