激光对边测距法用于压力管道轴测图测绘的研究

2024-01-11陈建勋张俊豪杨宁祥杨新健

机电信息 2024年1期

陈建勋张俊豪吴溪杨宁祥杨新健

（1.广东省特种设备检测研究院珠海检测院，广东珠海 519002；2.珠海市机电工程师学会，广东珠海 519002；3.珠海市安粤科技有限公司，广东珠海 519000；4.广东省特种设备检测（珠海）工程技术研究中心，广东珠海 519002）

0 引言

管道轴测图（亦称“管道单线图”）提供了一个有助于全面理解复杂管道网络三维空间结构的视角。轴测图通常由数个元素连接组成，包括代表管道的线段，代表管件、法兰、阀门和设备的线框符号，以及文本信息[1-2]。轴测图中的线段按近似比例绘制以显示管道的长度、方向和空间位置，而线框符号提供有关网络中组件的特定信息，文本信息主要用于标记管道元素代号、管道尺寸、阀门类型、压力和温度等操作条件信息。轴测图在管道检验和系统潜在缺陷或异常识别方面发挥着重要作用，显著提高了管道检验效率和准确性。对于缺少对应轴测图的部分老旧管道，或者部分施工改造后未及时更新轴测图的管道，检验过程中现场绘制轴测图通常是必备的操作流程。

传统的管道轴测图绘制过程通常是由检验员用纸笔现场草绘和记录，再回办公室进行计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）绘图，生成电子文档。该方式数字化程度低，须耗费线上和线下两次绘图时间，耗时长、效率低下，且绘制错误时不便及时修改。轴测图现场电子化、无纸化测绘可极大地提高检验效率，是压力管道检验过程数字化、智能化发展不可回避的技术难题。例如，通过激光跟踪技术[3]快速记录管道三维走向信息并在计算机端自动生成轴测图，随后鼠标、键盘操作专用绘图软件添加三通、阀门等常见管道元素。但该方法需频繁搬运三脚架，且管道检验过程中通常需要进行大量测厚等无损检测操作和数据记录，对于较复杂的管道现场环境，采用该方法进行轴测图测绘尚不够便捷。

手持式压力管道轴测图测绘仪配合手持式智能终端设备（例如智能平板电脑）可实现压力轴测图快速绘制，使检验人员留有足够时间投入到具体检验操作过程中。管道长度是采用仪器法进行轴测图测绘时需要获取的重要信息。对于位置较低且方便直接接触的管道，可直接进行卷尺测量或激光点对点距离测量，而对于位置较高或不方便直接接触的管道，直接测距方法则难以实现。激光三角形对边测距原理基于空间中两点之间距离的立体几何求解原理，可实现空间两点之间距离的非接触测量[4-5]。本文介绍了该方法的数学原理，开发了基于该方法的手持式压力管道轴测图测绘仪，分析了仪器的硬件架构和数据通信方式，通过管道测量实例对该方法和仪器的应用过程进行了详细阐述。

1 测量原理

分别测量出仪器位置与待测管道起止端点的俯仰角、方位角、距离数据，再根据空间几何关系对管道长度进行计算。激光三角形对边测距原理图如图1所示。

图1 激光三角形对边测距原理图

B点和C点分别为待测管道起始端点，A点为测试仪器放置位置，测试过程中A点位置近似不动。根据A点与B点距离AB、B点相对A点的俯仰角α1、A点与C点距离AC、C点相对A点的俯仰角α2、B点和C点相对A点的水平方位角变化量Δβ，可计算出管道长度BC，具体计算方式如下。

俯仰角的范围为-90°～90°，其中，-90°为铅垂向下方向，90°为铅垂向上方向，0°为水平指向。假设三轴加速度传感器的X轴指向激光测距方向，通过三轴加速度传感器静止状态时重力加速度在X、Y、Z三个正交测量数据轴上的投影分量可计算出俯仰角：

式中：α为俯仰角；ax为重力加速度在X轴上的投影分量；ay为重力加速度在Y轴上的投影分量；az为重力加速度在Z轴上的投影分量。

方位角范围为0～360°，其中，0°为三轴陀螺仪模块上电瞬间的水平方位角值，俯看水平面沿顺时针方向水平方位角逐渐变大，0°和360°表示同一方位。通过对陀螺仪输出的角速度进行数值积分可动态计算出相对于上电瞬间的方位角β，以1/3 Simpsion数值积分方法为例，方位角计算的数值积分递推公式为：

式中：i为方位角数据序号；β（i）为求解的方位角数组中第i个数据；β（i-2）为求解的方位角数组中的第i-2个数据；h为陀螺仪输出角速度的时间步长；ω（i）为第i个角速度；ω（i-1）为第i-1个角速度；ω（i-2）为第i-2个角速度。

B点和C点相对于A点的水平方位角差值为：

式（3）中，若计算所得Δβ大于π，则通过如下方式修正水平方位角差值：

B点相对于A点在竖直方向的高度差为：

式（5）中，计算结果的正负表示B点相对于A点的高低，正值表示B点在A点上方，负值表示B点在A点下方。

B点与A点在水平面的投影距离为：

C点相对于A点在竖直方向的高度差为：

C点与A点在水平面的投影距离为：

在△AB1C1中，根据余弦定理计算出B1点与C1点的水平距离：

B点与C点的高度差为：

根据平面几何勾股定理可知：

将式（3）～（10）代入式（11）可计算出B点与C点的距离，即采用三角形对边测距所得压力管道长度。

2 测绘仪研发

2.1 硬件设计

通过手持式压力管道轴测图测绘仪进行压力管道距离测量，仪器采用嵌入式开发，硬件架构如图2所示。

图2 测绘仪硬件架构

传感元件采用工业级微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）三轴加速度传感器、工业级MEMS三轴陀螺仪角速度传感器和工业级激光测距模块；人机交互元件包括串口显示屏、按键组、LED灯、蜂鸣器；运算处理元件为32位高性能单片机；采用蓝牙通信模块实现测绘仪与外部数据交互；采用DC3.7 V聚合物锂离子电池对系统进行供电，电池容量为3 200 mAh；通过充电、放电、变压电路实现电池充电，并为各功能模块或电子元件提供工作电压。

主要核心元件性能参数如下：

1）三轴加速度传感器加速度测量范围为±2g，加速度测量精度为±0.001 m/s2，三轴加速度数字信号同步输出速率为200 Hz，通过晶体管—晶体管逻辑电平（Transistor-Transistor Logic，TTL）串口协议方式与单片机通信；

2）三轴陀螺仪角速度传感器测量范围为±400（°）/s，角速度初始零偏误差为0.1（°）/s，角速度同步传输速率为512 Hz，通过TTL串口协议方式与单片机通信；

3）激光测距模块测距范围为0.05～80 m，重复精度为±1 mm，绝对精度为±1.5 mm，通过RS485方式与单片机通信，传输速率为20 Hz，通信协议为Modbus RTU协议，激光测距模块采用绿激光进行测距，相对红激光，绿激光更适合在亮度较大的室外管道环境下使用；

4）串口显示屏采用2.4寸智能液晶屏，显示分辨率为320×240，运行内存为3 584字节，串口指令缓存区为1K字节，主控频率为64 MHz，屏幕通过字符串指令与单片机通信；

5）单片机为意法半导体公司的STM32F103系列ARM微控制器，基于Cortex-M3内核，Flash存储空间为32K字节，工作频率为72 MHz，可实现高速、低功耗数据处理工作；

6）蓝牙模块为透传大功率板载模块，直接贴片焊接于电路板，采用通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）数据传输接口，有效通信距离不低于30 m。

开发出手持式压力管道轴测图测绘仪，如图3所示，仪器总长160 mm，宽65 mm，厚35 mm，重约200 g。仪器外壳采用铝合金数控加工后阳极氧化工艺制备，质轻便携，可实现压力管道检验检测现场管道长度快速测量。

图3 手持式压力管道轴测图测绘仪

测绘仪配合智能平板电脑可与轴测图测绘应用程序（Application，App）实现测绘信息交互。测绘仪的直接测距精度为±1.5 mm，通过手持操作时三角形对边测距精度为±0.02 m，可满足压力管道检验过程长度测量要求。

2.2 数据通信协议设计

管道轴测图测绘过程中可通过测绘仪屏幕读取所测距离数据并手动录入App，也可利用数据协议方式将长度数据通过蓝牙自动发送到App，App将管道长度数据通过标注方式自动记录于轴测图中。

轴测图测绘仪与智能平板数据通信协议格式及收发实例如表1所示。平板电脑收到测绘仪发送的数据帧后将即时反馈同等字节长度的数据帧，用于测绘仪确认数据发送是否成功，如果测绘仪未收到确认反馈，则在0.5 s内继续多次发送，超时未收到反馈则在屏幕上提示“通信失败”。含指令头和校验位在内，数据帧共包含12个字节，轴测图测绘仪通信地址为0X 01，平板电脑通信地址为0X 02，长度数据传输的功能码为0X FE，校验方式为CRC校验（指令头参与校验计算）。采用4字节大端在前双精度浮点型数据格式存储管道长度数据，例如表1中数据内容“0X 41 0C A3 D7”表示管道长度为8.79 m。

表1 数据通信协议格式

3 实际应用

使用测绘仪对管道长度进行对边测量的操作步骤如下：

1）长按“激光”按键进入测距模式；

2）将激光光点指向管道测距起始点，短按“激光”按键，测得管道起始点与测绘仪的距离、测绘仪指向管道起始点的方位角、测绘仪指向管道起始点方向的俯仰角，数据显示于仪器显示屏；

3）操作者位置不变，尽量保持手持式测绘仪位置不改变，转动测绘仪，将激光光点指向管道测距终止点，短按“激光”按键，测得管道终止点与测绘仪的距离、测绘仪指向管道终止点的方位角、测绘仪指向管道终止点方向的俯仰角，数据显示于仪器显示屏；

4）上述步骤结束后测绘仪将自动计算并显示出待测管道长度、方位角变化量、俯仰角变化量，同时通过蓝牙对外发送含长度信息的数据帧。

用仪器对某室外管道进行长度测量，操作界面显示结果如图4所示。在激光测距模式下显示屏将以10 Hz频率动态刷新显示当前激光光点与仪器的距离，例如图4中显示的0.75 m。上述步骤2）对应的管道测距起始点与测绘仪的距离为2.54 m，方位角为244.3°，俯仰角为22.6°；上述步骤3）对应的管道测距终止点与测绘仪的距离为2.03 m，方位角为304.5°，俯仰角为44.9°。最终计算得到待测管道长度为2.10 m，待测管道起止点之间的方位角差值为60.2°，俯仰角差值为22.3°。